Обзор операционных систем семейства WINDOWS

4.3.1 История WINDOWS 95/98/Me, WINDOWS NT/2000/XP

Операционные системы корпорации Microsoft для настольных и переносных компьютеров можно разделить на три семейства: MS-DOS, Consumer WINDOWS (WINDOWS 95/98/Me) и WINDOWS NT.

В 1981г. корпорация IBM создала ПК IBM PC, оснащенный 16-разрядной однопользовательской системой реального режима с командной строкой, названной MS DOS 1.0.

С годами в ОС MS DOS появилось много новых функций , но она по прежнему оставалась операционной системой, ориентированной на командную строку.

WINDOWS 95/98/Me

Вдохновленная пользовательским интерфейсом компьютера Apple Lisa, предшественника Apple Macintosh, корпорация Microsoft решила добавить к операционной системе MS DOS графический интерфейс пользователя (оболочку), которую она назвала WINDOWS. Наибольшего коммерческого успеха добилась WINDOWS 3.0, и особенно последовавшие за ней версии 3.1 и 3.11. Ни одна из этих ранних версий WINDOWS не являлась настоящей операционной системой, скорее графическим интерфейсом пользователя поверх MS DOS, которая продолжала управлять машиной и файловой системой.

Выход в августе 1995г. WINDOWS’95 до сих пор не привел к полному вытеснению MS DOS, хотя почти все функции MS DOS были перенесены в WINDOWS. Как WINDOWS’95, так и новая версия MS DOS 7.0 содержали большинство особенностей монолитной ОС, монолитное ядро – большое ядро виртуально содержащее всю ОС, включая планировщики, файловую систему, драйверы устройств и управление памятью. Все функциональные компоненты ядра имеют доступ ко всем его внутренним структурам данных и подпрограмм. Обычно монолитное ядро реализуется как единый процесс, все элементы в котором разделяют одно и тоже адресное пространство, включая виртуальную память и управление процессами. Однако ОС WINDOWS’95 не была полностью 32-разрядной программой. Она содержала большие куски 16-разрядного ассемблерного кода (а также немного 32-разрядного) и продолжала использовать файловую систему MS DOS, практически со всеми ее ограничениями. Единственное значительное изменение файловой системы заключалось в добавлении длинных имен файлов к именам из 8+3 символа, разрешенным в MS DOS.

Даже в выпуске WINDOWS’98 в июне 1998 года MS DOS все еще присутствовала (теперь она называлась версией 7.1) и состояла из 16-разрядного кода. Хотя теперь еще больших функций было переведено из MS DOS части системы в часть WINDOWS, а поддержка больших дисковых разделов стала стандартом, по своему строению операционная система WINDOWS’98 не сильно отличалась от WINDOWS’95. Основное отличие заключалось в том, что эта ОС была в большей степени интегрирована с Интернет. Именно эта интеграция и привлекла внимание Министерство юстиции США, которое за тем выдвинула против корпорации Microsoft иск, обвиняя корпорацию Microsoft в нарушении закона о монополиях. Корпорация Microsoft яростно отрицала свою вину, в апреле 2000 года Федеральный суд США согласился с правительством.

Кроме того, что в ядре операционной системы WINDOWS’98 содержало большой кусок 16-разрядного ассемблерного кода, у этой системы были еще две серьезные проблемы. Во-первых, хотя эта система была многозадачной, само ядро было нереентабельным. Реентабельная процедура – подпрограмма, вход в которую может быть выполнен до завершения её предыдущего выполнения. Если процесс был занят управлением какой либо структурой данных в ядре, а затем его квант времени заканчивался и начинал работу другой процесс, новый процесс мог получить структуру данных в противоречивом состоянии. Чтобы предотвратить возникновение подобной проблемы, большинство процессов, зайдя в ядро, первым делом получали гигантский мьютекс, покрывающий всю систему, прежде чем приступить к каким-либо действием. Хотя такой подход и устранял потенциальную угрозу противоречивости структур данных, он также уничтожал большую часть преимуществ многозадачности, так как процессам, чтобы войти в ядро, часто приходилось ждать, пока другой процесс ядро покинет.

Во-вторых, у каждого процесса было 4-гигабайтное пространство, в котором первые 2 Гбайт полностью принадлежали процессу. Однако следующий 1Гбайт совместно использовался (с возможностью записи) всеми процессами системы. Нижний 1 Мбайт также совместно использовался всеми процессами, что бы все они могли получать доступ к векторам прерываний MS DOS. Эта возможность вовсю использовалась большинством приложений WINDOWS’98. В результате ошибка в одной программе могла повредить ключевые структуры данных, используемые посторонними процессами, вследствие чего все эти процессы рушились.

В 2000г. корпорация Microsoft выпустила слегка измененную версию системы WINDOWS’98, названную WINDOWS Me (WINDOWS Millenium Edition – WINDOWS, выпуск тысячелетия) Хотя в данной версии были исправлены некоторое ошибки, а также добавлены новые функции, под внешней оболочкой скрывалась все та же WINDOWS’98. Новые функции включали в себя улучшенные возможности организации и совместного использования изображений, музыки и фильмов, серьезнее поддерживали работу с сетью на дому и многопользовательские игры, а также содержали больше функций, относящихся к Интернету, таких как поддержка мгновенных сообщений и широкополосных соединений (кабельных модемов и ADSL).

Одна интересная новая конфигурация состояла в возможности восстановить прежние настройки компьютера после неверной установки каких-либо параметров.

WINDOWS’NT

К началу 90-х корпорация Microsoft осознала, что построение современной 32-разрядной ОС поверх 16-разрядной системы MS DOS представляет собой не лучшее решение. Компания Microsoft наняла Дэвида Катлера, одного из ключевых разработчиков ОС VMS, созданной корпорацией DEC, и поручила ему возглавить работу над совершенно новой 32-разрядной ОС, совместной с WINDOWS. Эта новая система названная позднее WINDOWS NT (NEW Technology – новая технология) предназначалась для деловых приложений, решающих критически важные, ответственные задачи, а также для домашнего использования.

Такие свойства, как безопасность и высокая надежность, отсутствовавшие в версиях WINDOWS, основанных на MS DOS, были поставлены в данном проекте во главу угла. Опыт работы с VMS, полученный Кетлером, отчетливо проявлялся при создании системы, и в строении NT и VMS есть нечто большее, чем просто поверхностное сходство.

Проект оказался успешным и в 1993г. была выпушена первая версия названная WINDOWS NT 3.1. Начальный номер версии был выбран так, что бы он соответствовал номеру версии популярной тогда 16-разрядной WINDOWS 3.1. Корпорация Microsoft ожидала, что ОС NT быстро вытеснит WINDOWS 3.1, т.к. его формальным показателем NT значительно превосходила её.

К большому удивлению разработчиков, почти все пользователи предпочли остаться на уже знакомой им старой 16-разрядной версии, а не переходить на 31-разрядную систему. Для ОС NT требовалось значительно больше памяти, чем для WINDOWS 3.1, к тому же для новой системы не было 32-разрядных программ, поэтому зачем нужны были пользователям все эти хлопоты? Поскольку ОС NT 3.1 потерпела неудачу на рынке, корпорация Microsoft решила выпустить 32-разрядную версию WINDOWS 3.1, а именно WINDOWS’95. Пользователи продолжали упорствовать, не желая переходить на NT, и корпорация Microsoft выпустила WINDOWS’98, и наконец WINDOWS Me. О каждой из которых заявлялось, что это самый последний выпуск ОС, основанной на MS DOS.

ОС NT стала пользоваться некоторым спросом на рынке серверов. В 1994 и 1995 годах было выпушено несколько новых 3.х версий с небольшими изменениями. Эти версии начали также медленно приобретать сторонников среди пользователей настольных машин.

Первое значительное усовершенствование системы NT появилось в 1996г. в виде версии NT 4.0. Эта система обладала мощностью, безопасностью и надежностью современной ОС, но она также использовала тот же самый пользовательский интерфейс, что и очень популярная тогда WINDOWS’95. Эта совместимость облегчала пользователям переход с WINDOWS’95 на NT, и многие пользователи так и поступили.

С самого начала ОС NT разрабатывалась в расчете на другие платформы, поэтому она была практически полностью написана на С с очень небольшими включениями на ассемблере для низкоуровневых функций, таких как обработка прерываний.

Таблица 1 - Некоторые отличия между WINDOWS’95/98 и WINDOWS NT

WINDOWS 2000

Следом за NT 4.0 предполагалось выпустить версию NT 5.0. Однако в 1999г. корпорация Microsoft изменила ее название на WINDOWS 2000, в основном из-за попыток найти нейтральное имя, выглядящее логическим продолжением, как для пользователей WINDOWS’98, так и для пользователей NT. Таким образом, корпорация Microsoft рассчитывала иметь единую ОС построенную на основе надежной 32-разрядной технологии, но использующую популярный интерфейс пользователя системы WINDOWS’98.

Поскольку в действительности ОС WINDOWS’2000 представляет собой NT 5.0, она унаследовала множество свойств NT 4.0. Она является полностью 32-разрядной (планируется переход на 64-разрядную) многозадачной системой с индивидуально защищенными процессами. У каждого процесса есть собственные 32-разрядное виртуальное адресное пространство. ОС работает в режиме ядра, тогда как процессы пользователя работают в пользовательском режиме, что обеспечивает полноценную защиту (в отличии от WINDOWS’98) У процессов может быть один или несколько потоков, видимых для операционной системы и управляемых ею. Она удовлетворяет требованием безопасности уровня С2 Министерства обороны США для всех файлов, каталогов и процессов, а также других объектов, которые могут использоваться совместно (по крайней мере, если гибкий диск вынут, а сеть отключена). Наконец она обладает полной поддержкой симметричных многопроцессорных систем с числом от 2 до 32.

Тот факт, что WINDOWS’2000 в действительности представляет собой NT 5.0, проявляется во многом. Например, системный каталог называется \Winnt, а двоичный файл ОС (в каталоге \Winnt\system32) называется ntoskrnl.exe. Если щелкнуть на этом файле правой кнопкой мыши и посмотреть его свойства, мы увидим, что номер его версии представляет собой 5ххх.ууу.zzz, где 5 означает NT5, ххх – номер выпуска, yyy – номер сборки (компиляции), а zzz – дополнительный номер версии.

Кроме того, многие файлы в каталоге \Winnt и его подкаталогах содержат буквы nt в своих именах, как, например, виртуальный эмулятор MS DOS ntvam

ОС WINDOWS’2000 – это не просто улучшенная версия NT 4.0 с интерфейсом WINDOWS’98. Начнем с того, что она содержит множество других функций, которые ранее были только в WINDOWS’98. К ним относится полная поддержка устройств plug and play, шины USB, стандарта IEEE 1394 (Fire Wire), IrDA (Infrared Data Association – стандарт на инфракрасную передачу данных и вывод на печать, разработанный ассоциацией IrDA ), а также, среди прочего, управление питанием.

Кроме того, были добавлены несколько новых функций, не присутствовавших ранее в других ОС корпорации Microsoft, включая каталоговую службу Active Directory, систему безопасности Kerberos, поддержку сматр-карт, инструменты мониторинга системы, лучшую интеграцию лэптопов и настольных компьютеров, инфраструктуру системного администрирования и рабочие объекты. Другая новая особенность файловой системы NTFS состоит в разновидности связи, при использовании которой два пользователя могут совместно использовать один связанный файл. Как только один из пользователей начинает запись в этот файл, автоматически создается копия файла.

Еще одно значительное усовершенствование заключается в интернационализации. Операционная система NT 4.0 поставлялась в виде отдельных версий для различных языков, т.к. текстовые строки были внедрены в программный код. При установке английского программного пакета на голландский компьютер часто части операционной системы переставали использовать голландский язык и переходили на английский, поскольку определенные файлы, содержащие программные и текстовые строки, были перезаписаны. Эта проблема была устранена. OC WINDOWS 2000 состоит из единого двоичного кода, работающего во всех странах мира. Для каждой установки системы и даже для каждого пользователя можно выбрать язык, который будет использоваться во время работы системы. Это возможно потому, что все пункты меню, строки диалоговых окон, сообщения об ошибках и другие текстовые строки были удалены из операционной системы и помещены в специальные каталоги, по одному для каждого языка. Как и предыдущие версии ОС NT, WINDOWS 2000 использует кодировку Unicode для поддержки языков, не использующих латинский алфавит, например русского, греческого, иврита, японского.

Единственная вещь, которой нет в WINDOWS 2000 – это MS DOS. Её просто нет здесь ни в каком виде (как не было в NT). Есть интерфейс командной строки, но это новая 32-разрядная программа, включающая функциональность старой системы MS DOS, а также некоторые новые функции. (16-разрядного кода в NT действительно нет, но это не мешает запускать в NT и в WINDOWS 2000 большинство старых программ, написанных для MS DOS и WINDOWS’3.1. Для этого в системе содержится специальная система эмуляции 16-разрядной машины.)

Несмотря на многочисленные свойства, способствующие переносимости системы с точки зрения программ, аппаратуры, языков и т.д., в одном отношении операционная система WINDOWS’2000 обладает меньшей переносимостью, чем NT 4.0. Она работает только на двух платформах Pentium и Intel IA-64. Изначально ОС ИТ поддерживала дополнительные платформы, включая Power PC, MIPS и Alpha, но с годами корпорация Microsoft перестала поддерживать эти процессоры один за другим по коммерческим соображениям.

Как и предыдущие версии NT, в настоящее время WINDOWS’2000 поставляется в виде нескольких уровней продукта: Professional, Server, Advanced Server и Datacenter Server. Однако между этими версиями незначительны, и во всех версиях используется один и тот же исполняемый двоичный код. При установке системы тип продукта записывается во внутренней базе данных (системном реестре). Во время загрузки ОС проверяет содержимое реестра, определяя версию программного продукта. Различия между ними показаны в таблице.

Таблица 2 - Различные версии WINDOWS 2000

Как видно из таблицы, различия включают максимальный размер поддерживаемой оперативной памяти, максимальное количество центральных процессоров (для многопроцессорной конфигурации) и максимальное число клиентов, которые могут быть, обслужены данной системой в качестве сервера. [Размер кластера означает способность операционной системы Windows 2000 представить для окружающего мира две или четыре отдельные машины в виде одного сервера, что часто бывает полезно, например, для web-серверов. Наконец на Windows 2000 Professional по-другому настраиваются параметры по умолчанию. В этой системе интерактивным процессам предоставляется преимущество перед пакетными заданиями, хотя это можно изменить, если необходимо. Последнее отличие заключается в том, что на серверах, в отличие от Windows 2000 Professional, предоставляется дополнительное программное обеспечение, а с системой Windows 2000 Datacenter server поставляются дополнительные средства управления большими заданиями.]

Причина существования нескольких версий является исключительно коммерческой: это позволяет корпорации Microsoft получать с крупных компаний больше денег, чем с индивидуальных клиентов, за практически один и тот же программный продукт.

Операционная система Windows XP была официально выпущена 25 октября 2001г. Системы Windows XP продолжают линейку систем Windows NT и Windows 2000 и, следовательно, базируются на надежном и защищенном ядре, чего нельзя сказать о Windows 95/98/Me.

Windows XP выпущена в трех версиях: Windows XP Professional; Windows XP Home Edition; Windows XP 64-bit Edition (в русской редакции не выпускается)

В процессе проектирования Windows XP преследовались следующие цели:

– упростить работу с системой;

– сохранить традиционные достоинства систем Windows NT/2000;

– перенести в систему лучшие качества семейства Windows 98/Me;

– создать легко контролируемую настольную систему.

Легкость использования новой системы корпоративными клиентами обусловлена следующими факторами:

– используется привычный интерфейс Windows, но более простой и «интеллектуальный». Пользователи могут применять новый стиль оформления системы, а могут поменять его на классический;

– упрощена настройка системы благодаря использованию новых программ-мастеров (для подключения новых устройств, создания сетевых соединений и т. д.).

Программные достоинства систем Windows NT/2000.

Windows XP наследует традиционно сильные черты систем Windows NT/2000: защищенность информации, высокую надежность, производительность.

Защищенность информации обеспечивается благодаря использованию модифицированной ФС NTFS 5.0, информирующей файловой системы (EFS), коммуникационных протоколов, позволяющих создавать закрытые виртуальные частные сети (VPN), протокола аутентификации Kerberos и технологий управления доступом, таких, как смарт-карты.

В системе реализовано многозадачное выполнение приложений, обеспечивается масштабируемая поддержка памяти и процессов, ускоряется допуск к информации на локальных дисках и в сети.

Лучшие качества систем Windows 9x/Me

Новая система поддерживает множество имеющихся 32-разрядных приложений, а также 16-разрядные Win- и DOS – приложения. Для запуска устаревших приложений можно также использовать мастер совместимости программ. Однако приложения, не соответствующие модели безопасности Windows NT, не будет работать в Windows XP.

Новая система имеет значительно расширенный список совместимых аппаратных устройств. Поддерживаются устройства нового поколения: компьютеры с возможностями управления питанием, шины AGP, USB, IEEE 1394, DVD-диски, адаптеры ATM, канальные модемы и т.д. имеется встроенная сетевая поддержка для подключения к системам WШr NT/2000 Server, Rovell NetWare или vNTX.

Windows XP Professional ориентирована на корпоративных пользователей, т.е. на работу в средних и больших сетях. Этой системой могут заинтересоваться и домашние пользователи, которых не устраивают некоторые ограничения Win XP Home Edition, Win XP 64-bit Edition. 64-разрядная версия Windows XP, предназначенная для профессиональных пользователей, работающих с большими объемами данных и предъявляемые новейшие требования к производительности системы. Поэтому в ней отсутствует компоненты, более присущие пользовательским системам: средства мультимедиа, поддержка мобильных пользователей, устаревшие транспортные протоколы и так далее.