十一、網絡操作系統

　　1.計算機網絡的概念

　　計算機網絡的定義是:地域位置不同、具有獨立功能的多臺計算機系統，通過通信線路與設備彼此互聯，在網絡系統軟件的支持下，實現更廣泛的硬件資源、軟件資源以及信息資源的共享。網絡中的計算機系統可以是同型，也可以是異型的，在地域上可以在同一處，也可以分布在相距遙遠的各個地方。網絡中的多臺計算機、外部設備、信息和其他資源既能獨立使用、又能聯合使用的方式連接。網絡體系結構的關鍵是計算機與通信，它需要完成信息和數據的收集、存儲、處理，也要完成信息和數據的傳輸、交換和共享，形成網絡計算機的環境。計算機網絡的構成按照地域分布情況分為廣域網（WAN）和局域網（LAN）

　　2.網絡操作系統

　　為計算機網絡配置的操作系統常稱為網絡操作系統。對網絡操作系統的觀點有兩種，一種是在現有的單機操作系統中增加網絡功能，例如增加網絡管理模塊或網絡層。另外一種是重新設計適合各種網絡環境和互聯的新型網絡操作系統。目前，大部分操作系統采用了前一種方式，而對新推出的網絡管理系統則采用后一種方式。不過，由于各類計算機網絡的差異很大，從網絡規模、結構、通信技術、通信協議，到與單機操作系統接口、硬件配置都有很大不同，建立一般性通用網絡操作系統的設想受到很大限制，而且難度和復雜性都很大。因此，現時的網絡操作系統多采用第一種方式建立。由于網絡中的計算機都具有自己的操作系統（或者稱局部操作），這些操作系統在種類和功能上又不盡相同，為了完成各個計算機系統之間的工作協作、數據通信、信息共享，就必須建立一套全網共同遵守的約定（如信息格式、內容、傳輸方式等），這就是網絡通信協議。此外，網絡操作系統必須為網絡用戶提供多種網絡服務，如遠程登陸、文件傳輸、電子郵件等服務，對網絡資源進行總體管理，保證網絡運行的可靠性和安全性。因此，有人也將網絡操作系統稱為網管系統。它與傳統的單機操作系統有所不同，是建立在單機操作系統之上的一個開放的軟件系統，面對的是各種不同的計算機系統的互聯操作，面對各種不同的單機操作系統之間的資源共享、用戶操作協調和與單機操作系統的交互，從而解決多個網絡用戶（甚至是全球的網絡用戶）之間爭用共享資源的分配、管理以及網絡間的安全控制。建立在本機操作系統上的網絡操作系統也分為兩種類型，一種是所謂外殼型，即在本機操作系統支持下，經過替換和擴充原操作系統的功能，建立一個獨立的運行環境，對用戶提供全面的網絡服務。但其基礎操作，如文件系統、I/O處理系統等仍然基于原本機操作系統，而且，要進入網絡環境必須再次引導裝入網絡系統。另一種是整體性網絡操作系統，通常稱為網絡管理系統，或網管系統。它主要運行在網絡服務器上，有的也可將其一部分運行在網絡各工作站點上。網絡啟動運行后，處于整體控制環境，并可以與任何接入網絡的計算機系統的局部操作系統進行交互和通信。局域網絡操作系統（LAN OS）是網絡操作系統中的一大類，其主要對象是局域網絡的聯網及管理。LAN OS的發展大致分為三個階段。其一是Omninet網階段，操作系統名稱為Constellation軟件。它以CP/M DOS或AppleOS為單機操作系統支撐，以硬盤共享為基礎，采用專用盤體、公用盤體、自由盤體支持網絡用戶的操作，對專用盤體采用存取要注冊和口令以保護用戶間操作的安全性，通信服務通過共享盤體中轉。但該操作系統無統一的網絡文件管理系統，使其使用效率較低。其二是以IBM和PCLAN等為代表的網絡操作系統。它們的特點是基于DOSV3.1版本，并給予了擴充、增補和改造，以適應網絡的多用戶環境，提供了網絡文件共享、假脫機（spooling）打印共享、電子郵件傳遞，網絡名稱服務等功能。這里，MSDOS的網絡重定向功能的增加和IBM通信接口標準NETBIOS的頒布，為開發不依賴于具體網絡操作系統的網絡應用程序提供了實際的標準和支持。但由于DOS單進程內核機制、低效率文件系統和低速磁盤操作的限制，文件服務器的訪問成為網絡操作的瓶頸。因此，網絡處理速度慢，用戶站點支持少。其三，此間的局域網操作系統突破了DOS的限制，普遍采用了客戶服務器模式，文件服務器成為局域網的核心，繼而發展為多種服務器并存的多服務器網絡環境。因此，必須要選擇基于多任務的單機操作系統作為支持，并將它們進行擴充，建立網絡通信時效，堪稱具有網絡支持功能的單機操作系統。同時，通過基于UNIX核心進行改造、重構形成相對獨立的局域網絡操作系統。例如:3COM的3+OPEN、MS的LANManager、IBM的LAN Server、Banyan的VINES、NovellR NetWare等。這些網絡操作系統功能更完善，并加強了網絡安全管理、網絡容錯功能、網絡性能監測、統計和資源管理。這一階段的網絡操作系統對硬件和通信協議的依賴越來越少，支持各種類型的網絡適配器控制器，可以使用多種網絡協議進行通信，使網絡互聯方便易行。目前的主流操作系統經過不斷地改進，為適合網絡計算都毫無例外地加上了網絡通信和遠程處理的功能，有的由操作系統的內核實現，稱為系統的網絡通信，有的通過操作系統的配套軟件實現網絡功能擴充，稱為網絡套件，使這些主流操作系統都能夠支持其特定的局域網絡、支持常規局域網絡和支持國際互聯網絡。例如:IBM公司1996年9月在原OS/2操作系統基礎上推出的OS/2Warp4操作系統，MicroSoft公司1996年推出的WindowsCE操作系統，都具有網絡計算功能。提供了系統管理和網絡聯網能力，可以與Internet互聯網絡交互，并與互聯網絡各種入網工具、瀏覽工具相匹配，提供若干新的非微機業務和消費工具，形成一種可以在通信、娛樂和網絡計算工具等廣泛領域中使用的操作平臺。前者還采用了網絡編程語言JAVA技術和語音識別軟件，后者也提供了彼此通信、微機信息共享、數字信息尋呼，乃至蜂窩智能電話等功能。

　　3.網絡操作系統的結構模式

　　從資源管理的角度，網絡操作系統向用戶提供一種一致性的操作界面，對網絡環境下共享資源的范圍和方式，有兩種不同的觀點。即對等（peer to peer）型資源共享和客戶服務器型資源共享。對等型資源共享允許網上任一站點所擁有的資源（如磁盤、打印機等）作為網絡公用資源，可以被其他網絡用戶共享。此時，本機操作系統支持前后臺操作，當其前臺執行應用程序時，后臺支持其他網絡用戶使用該機資源。此種類型具有較好的靈活性，具有理想的資源共享，但由于站點機本身處理能力和存儲器空間的限制，本地操作和網絡業務間很難兼顧，導致處理速度下降。再者，資源服務分散在每個站點，協調和管理這些共享資源將使系統付出較大的開銷，從而限制了網絡規模的擴大。例如“PCLAN和LITE”系統的網絡用戶都限制在20個左右。客戶服務器模型在網絡應用中具體化了，網絡中站點被分為兩部分，一部分作為客戶機，通常稱為網絡工作站，它可以訪問網絡中的共享資源，但本機的資源（如磁盤、打印機等）并不作為全網共享資源，只為本站點用戶服務。另一部分作為服務器，它們專為網絡提供共享資源，管理網絡的通信，作為網絡中的核心和關聯設備。每個局域網至少有一臺服務器，允許有多臺服務器，分別提供不同的共享資源。僅運行網絡操作系統，管理網絡通信和資源共享的服務器稱為專用服務器，既管理網絡資源，又同時作為網絡用戶使用共享資源的服務器稱為并發服務器（concurrent server）。基于客戶服務器模型的局域網絡操作系統的結構具有不對稱性，分為服務器部分和工作站部分。網絡操作系統的工作站部分包括系統外殼（shell）和通信協議模塊構成，外殼是基于單機操作系統的擴充，負責處理用戶命令和應用程序中的系統調用，作出判斷和識別。如果是針對本機發出的命令或調用，交由本機操作系統（如DOS等）處理，如果是網絡命令或調用，就將它們組裝成一個網絡請求包，送交通信模塊，再通過網絡卡送到網絡聯線上，最后到達服務器，從這個意義上說，網絡操作系統的工作站部分僅是一個過濾器，也稱網絡重定向器，它不涉及本機的資源，只對網絡命令和調用重新解釋，并發送給服務器，等服務器處理完成后，接收服務器返回的處理結果（即響應）。可見，在任何情況下，工作站工作在本機操作系統的控制下工作，網絡操作系統的這一部分不過提供了一個外殼。當然，不同的本機操作系統需要采用不同的工作站外殼。網絡操作系統的服務器部分是它的核心，它既要通過通信協議與硬件打交道，又要管理服務器的各種資源，如處理器、磁盤、存儲器、I/O設備、數據庫等。它具有通信協議、多用戶文件管理、I/O設備管理、進程管理等，形成一種完整的操作系統概念。

　　4.網絡操作系統的功能

　　網絡操作系統的設計思想和實現模式各不相同，但它必須都支持網絡環境下的功能服務。這些功能是基本相同的，它們包括資源共享、多用戶文件管理、網絡安全、多通信協議、用戶界面、網絡管理、網絡互聯及電子郵件等。網絡資源共享的重點是設備共享，局域網上共享的設備通常包括大容量存儲設備（如磁盤、磁帶、光盤及磁盤陣列等）、特殊輸出設備（如激光打印機、大屏幕監視器、大型繪圖設備、圖形圖像設備等）、通信設備（如調制解調器、傳真機、網橋網關等）。網絡設備的使用與本地設備相同，通過邏輯名進行訪問，但必須先將設備名與網絡設備連接，成為網絡映射或重定位。局域網操作系統通常都支持服務器設備共享，也可將某臺工作站配置為打印服務器作專門服務。網絡中的共享資源通常放在不同的服務器上，用戶登錄到一個服務器一般僅能查閱到該服務器的資源。要使用戶能夠了解網絡中所有的共享資源，必須建立統一的網絡資源，命名管理中心，即所謂的命名服務器。它記錄所有的網絡資源和網絡用戶信息，形成一個資源數據庫，供網絡用戶查閱。這種命名服務不采用路徑名方式，而采用“名、域、組”的方式，即組代表網絡所有者，域代表某個或者某些服務器，名代表制定的共享資源。這樣，網絡共享對用戶就透明了，用戶不必了解所需資源在網絡中的實際位置，由命名管理程序自動查找。多用戶文件管理與單用戶文件管理不一樣，關鍵是要提供文件訪問的保護機制，避免多個用戶存取同一文件時引起混亂。保護機制通常采用存取權限、文件屬性、文件鎖定標志等。網絡文件和目錄并非對所有用戶都開放，不同的用戶也具有不同的訪問權限，文件的屬性也決定它被使用的范圍。權限和屬性的設置除了根據應用需要設定外，還必須考慮系統為此付出的代價，權限設置太細會使管理開銷增大，太寬又起不到保護作用，必須認真考慮。共享文件的互斥問題，可以通過常規操作系統的鎖定標志、信號量機制實現，還可以根據文件使用的性質，如只讀、讀寫或者執行的情況，采用不同的同步機制。網絡安全是為了防止非法用戶對網絡系統和數據資源的竊取、修改和破壞。通常網絡操作系統應當具有入網權限、用戶權限、資源級安全和文件級安全等安全時效和機制。入網限制主要是用戶身份識別，可以采用口令鑒別、用戶名鑒別、限時登錄、限位登錄等安全方法，并結合口令時限、登錄鎖定、反跟蹤等機制防止非法用戶和外部入侵。進入網絡用戶可以分為網絡管理員、特殊用戶和一般用戶，分別賦予不同的資源使用權限，形成第二級安全屏障。網絡中的每類資源可以設置保護標志，避免用戶有意或無意地對某些資源（如打印機、網關設備等）的修改、設置等操作，形成第三級安全屏障。第四級則是網絡文件管理中的存取權限和文件屬性控制。除了這四級網絡安全措施外，再加上網絡環境中采用的各種容錯技術，如冗余備份、電源保護、磁盤鏡像及雙式技術、熱修技術、事件跟蹤技術等，從另一方面保證了系統的可靠性。只有具備了上述安全機制，網絡操作系統才能正常地可靠地工作。網絡操作系統的重要部分之一是通信，而且是遠程通信和數據交換，它們通過通信協議軟件和通信硬件部件共同完成。網絡的邏輯組成結構分為七層，時效和對等時效間都通過通信協議建立聯系。目前，具有多種通信協議，如NETBIOS、IDP、SPP、IPX、SPX、TCP/IP及ApˉpleTalk等，網絡操作系統支持的通信協議越多，功能越強，適應面越寬，但也增加了系統的復雜性。用戶界面是網絡操作系統設計中要考慮的問題，包括了用戶界面的友好性和交互性。用戶操作界面可以采用命令行、屏幕菜單、窗口菜單等方式。同常規操作系統一樣，向用戶提供命令接口和程序接口（即網絡系統調用等），并將它們轉換到本地機或者遠程站點操作上。網絡管理是網絡操作系統的重要功能，通常包括網絡運行管理和網絡性能監測。網絡運行管理包括服務器控制操作、網絡消息廣播、資源配置、用戶登錄、安全設置、系統記帳與審計等系統管理功能。網絡性能監測通過了解某段時間內網絡各處流量、資源占用情況的記錄分析，發現可能的通信擁塞和資源沖突，以便及時改變網絡結構，重新調配網絡資源，保證網絡正常運行。網絡操作系統除了本網絡的管理外，需要提供與其他網絡接口的功能。由于網絡互聯方式很多，各種支持軟件必須與網絡操作系統密切配合。多個網絡可以運行同一風格操作系統。這些支持功能可以在網絡操作系統內實現，也可以采用網絡套件配合實現。目前，大多數網絡操作系統都具有網絡互聯功能，尤其是與國際互聯網絡Internet的接口，形成了廣域的網絡環境。例如，電子郵件功能是基于網絡的電子信件傳輸系統，也是網絡互聯中的重要功能。它通常不由系統核心完成，而通過專用軟件包提供。一個網絡操作系統至少支持一種電子軟件系統，提供給用戶編輯、發送、接收、轉發、閱讀等基本功能，擴充了基于網絡的信息交換，擴大了網絡的應用范圍。而且，電子郵件系統的功能正在被逐漸地增強和擴充。形成了文電作業系統MHS（Message Handling System），它除文本信息外，還包括了圖文圖像等多媒休信息，同時吸取了電報、電傳、傳真等技術建立了更廣泛的通信和信息處理機制。
　　
　　5.局域網絡操作系統的實例

　　目前，局域網絡操作系統的重要代表是Novell公司的Netware操作系統，它拋棄了不適應多用戶多任務環境的單機操作系統，吸取了大中型操作系統的思想，建立了獨立的運行于服務器上的網絡操作系統。NetWare網絡操作系統由美國Novell公司于1983年推出，由于其性能良好、安全可靠以及系統和硬件結構的靈活性，在很短時間內便風靡全球。從NetWare86、NetWare286發展為V1.x，V2.x版，并于1989年推出V3.0，以及后來的V3.X和V4.X版。其特點如下。

　　（1）多進程操作。服務器支持多類進程并發執行，如分組服務、磁盤管理、控制臺操作、假脫機打印等服務進程。

　　（2）高速文件訪問。通過采用Hash等加速了服務器外存部件的存取速度。
　　
　　（3）安全機制。提供了多用戶注冊安全、權限安全、屬性安全和服務器安全等四級安全機制。
　　
　　（4）系統容錯。提供了熱修復、寫后校讀、磁盤鏡像和雙工等多種容錯手段。目前，NetˉWare已升級到4.x版本，并推出了與Internet和Intranet交互的新一代網絡操作系統，并大力開發基于UNIX環境的網絡操作系統UnixWare。隨著網絡技術和網絡互聯的發展，網際之間資源的共享性、安全性和可用性變得日益突出，單純的局域網范圍的操作系統（網絡管理軟件）已經不適合應用和管理的發展，因此，產生了所謂網際操作系統（Interworking Operating System———IOS），也稱網間網操作系統。網際操作系統的優勢不同于局域網操作系統，它可以將各種網際互聯設備，如ATM交換機、局域網交換機、路由器等平滑地連接成一體，同時給用戶提供一個可支持任意硬件界面、任意鏈路層、網絡層協議的可擴展的開放型網絡。例如:美國Cisco（思科）公司的IOS系統，不僅能夠支持以太網、令牌環網、FDDI、CDDI、ATM、X2.5、VSAT、PSTN、ISDN、幀中繼等常用數據網絡，也支持TCP/IP、Novell IPX、DECnet IBMSNA、OSI、SDLC、VINES、Apple TALK、PPP、XNS、橋接等網絡通信協議、路由協議和交換機協議，形成了一種事實上的操作系統工業標準。

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