Přehled
OS - I
Obsah
• Úvod
• Cíle předmětu
• Přehled témat
• Hodnocení
• Konzultace
• Úvod do operačních systémů
Cíle předmětu
• Porozumět základním funkcím a službám operačních systémů
• Naučit se základy práce s příkazovým řádkem
• Umět instalovat, spravovat a konfigurovat operační systémy
Přehled témat
1. Úvod do Operačních Systémů
2. Architektura Operačního Systému
3. Správa Procesů
4. Správa Paměti
5. Souborové Systémy
6. Ovladače zařízení a Hardware
7. Bezpečnost a Ochrana
8. Virtualizace a Cloud Computing
9. Současné Trendy v OS
10. Práce s příkazovým řádkem
Úvod do operačních systémů
• Operační systém: Efektivně využívá zdroje, funguje jako prostředník mezi uživatelem a hardwarem, poskytuje základní operace.
Základní funkce OS
• Správa procesů
• Správa paměti
• Souborový systém
• Ovladače zařízení
• Uživatelské rozhraní
Příklady OS
• Desktop a server: Microsoft Windows, macOS, Linux
• Mobilní OS: Android, iOS
Historie Operačních Systémů
• 1950 – První generace: Dávkové zpracování, žádné OS
• 1960 – Druhá generace: Multiprogramming, IBM OS/360
• 1970 – Třetí generace: Interaktivní systémy, UNIX
• 1980 – Čtvrtá generace: GUI a PC, Windows, Mac OS
• 1990 – Pátá generace: Internetová éra, Windows 95
• 2000 – Šestá generace: Mobilní a vestavěné systémy, Android, iOS
• 2010 – Sedmá generace: Cloud a virtualizace
• 2020 – Současnost: AI a Edge computing
Počítačový software
• Firmware: Nízkoúrovňový software v čipu zařízení
• Operační systém: Rozhraní mezi uživatelem a hardwarem
• Aplikace: Provádění specifických úkolů pro uživatele
Struktura počítače
• Paměť programu a dat: Uchovává instrukce a data
• Dlouhodobá: HDD, SSD
• Krátkodobá: RAM
• Vstupní a výstupní zařízení
• Vstup: Klávesnice, myš
• Výstup: Monitor, tiskárna
• Procesor: Řídí operace počítače, zpracovává data
• ALU: Pro aritmeticko-logické operace
• Mezipaměť: L1, L2, L3
• Řadič: Řízení přenosu dat mezi počítačem a periferiemi
Architektura počítače
• Von Neumannova: Jednotná paměť pro instrukce i data
• Harvardská: Oddělená paměť, rychlejší zpracování
Komponenty OS
• Jádro (Kernel): Centrální část, správa paměti, plánování úloh
• Rozhraní (Shell): Textová komunikace s jádrem OS
• Souborový systém: Organizace, ukládání a načítání dat
• Ovladače zařízení: Komunikace OS s hardwarem
Procesy
• Proces: Spuštěný program
• PCB: Obsahuje PID, stav, prioritu a další atributy
• Přepínání kontextu: Mezi procesy během běhu
• Stavy procesu: New, Ready, Running, Blocked, Exit
Vlákna
• Vlákno: Samostatná jednotka aktivity v rámci procesu
• Výhody: Nezávislost, rychlost, sdílení paměti
Plánování procesů
• Cíle: Optimalizace odezvy, propustnosti a využití CPU
• Typy: Dlouhodobé, střednědobé, krátkodobé
• Online plánování: Reakce na signály, systémové volání
Problémy plánování
• Vyhladovění: Procesy s nízkou prioritou nejsou provedeny
• Inverze priorit: Blokování procesu s vysokou prioritou
Synchronizace vláken
• Kritická sekce: Přístup ke sdílenému prostředku
• Podmínky: Výhradní přístup, omezené čekání
OS - II
Komunikace mezi procesy
• Meziprocesová komunikace (IPC) – výměna informací mezi více procesy/vlákny
• Zahrnuje zasílání zpráv, sdílení paměti, vzdálené volání
• Může probíhat na jednom i více počítačích
Zasílání zpráv
• Základní operace
• send (destination, message) – vysílání zprávy
• receive (source, message) – přijímání zprávy
Sdílená paměť
• Jeden proces alokuje prostor v paměti, ke kterému mohou přistupovat další procesy
• Využití v Unixu
Problémy při synchronizaci procesů/vláken
• Uváznutí (zablokování) – čekání na událost, kterou může generovat pouze jiný proces
• Vyhladovění – trvalé odpírání požadovaného sdíleného prostředku, znemožňující dokončení úlohy
Podmínky pro vznik uváznutí
• Výlučný přístup – prostředek je přidělen pouze jednomu procesu
• Neodnímatelnost – prostředek nelze násilně odebrat
• Podmínka „drž a čekej“ – proces může žádat další prostředky, i když už nějaké vlastní
• Cyklické čekání – existuje smyčka, kde každý proces čeká na prostředek přidělený jinému procesu
Řešení uváznutí
• Prevence – narušení některé podmínky uváznutí
• Vyhnutí – pečlivá alokace prostředků
• Detekce a zotavení – řešení problému až při jeho vzniku
• Pštrosí algoritmus – ignorování problému
Klasické synchronizační problémy
• Producent-konzument – producent vkládá data do sdílené paměti, konzument je odebírá
• Čtenáři a písaři – procesy přistupují ke sdílené paměti, nutno zaručit integritu dat
• Večeřící filosofové – konkurence o omezené zdroje (příklad: filosofové potřebují dvě vidličky k jídlu)
Správa paměti
Typy paměti
• RAM – volatilní, rychlá paměť pro dočasná data
• SIMM/DIMM – různé typy paměťových modulů
• DRAM/SDRAM/DDR – různé generace dynamické paměti
• SRAM – nevyžaduje obnovování dat, je rychlá, ale dražší
• ROM/PROM/EPROM/FLASH – různé typy nevolatilní paměti pro dlouhodobé ukládání dat
• VRAM – paměť pro grafická data
Fragmentace
• Fragmentace souborů – data nejsou uložena jako souvislý blok, což může zpomalovat přístup
• Fragmentace volného prostoru – volný prostor není souvislý, ztížené ukládání nových dat
Správa disků – Nástroje
• Windows – grafické nástroje jako Správa disků, Defragmentace a optimalizace disků, příkaz chkdsk
• Linux – GParted, KDE Partition Manager, příkazy fdisk, mkfs, fsck
Počítačové sítě
Základní pojmy
• Počítačové sítě – propojení počítačů a dílčích sítí
• Typy podle dosahu – PAN, LAN, WAN, Internet
• Typy podle vlastnictví – veřejné, soukromé, virtuální privátní sítě
Komunikační modely
• Klient-server – server čeká na žádost klienta o zdroje nebo služby
• Peer-to-peer – zdroje jsou přímo mezi uživateli, bez centrálního serveru
Spojovaná vs. nespojovaná komunikace
• Spojovaná (TCP) – data přenášena stejnou trasou, zachování pořadí
• Nespojovaná (UDP) – každý blok se přenáší samostatně, bez záruky zachování pořadí
OS - III
Referenční Modely ISO/OSI a TCP/IP
ISO/OSI i TCP/IP modely popisují síťové protokoly a interakce v počítačových sítích. Hlavní rozdíly:
• ISO/OSI: 7 vrstev, dnes se moc nepoužívá.
• TCP/IP: 4 vrstvy, nejpoužívanější model.
Vrstev modelu ISO/OSI
1. Fyzická vrstva – fyzický přenos signálů.
2. Linková vrstva – třídění a řazení dat do paketů.
3. Síťová vrstva – adresace a směrování dat.
4. Transportní vrstva – zajištění kvality přenosu dat.
5. Relační vrstva – navázání a ukončení relací.
6. Prezenční vrstva – formátování dat.
7. Aplikační vrstva – přístup pro koncové uživatele.
Vrstev modelu TCP/IP
1. Vrstva síťového rozhraní – fyzický přenos dat.
2. Síťová vrstva – IP adresace a směrování.
3. Transportní vrstva – spolehlivý přenos (TCP/UDP).
4. Aplikační vrstva – aplikační protokoly (HTTP, FTP).
IP adresy
Třídy IPv4 adres
• Třída A (1.0.0.0 - 126.0.0.0): pro velké organizace.
• Třída B (128.0.0.0 - 191.255.0.0): pro středně velké organizace.
• Třída C (192.0.0.0 - 223.255.255.0): pro menší organizace.
• Třída D (224.0.0.0 - 239.255.255.0): multicast.
• Třída E (240.0.0.0 - 255.255.255.255): experimentální účely.
IPv6
• 128-bitová adresa s hexadecimálním zápisem.
• Typy adres:
• Unicast (pro konkrétní zařízení).
• Multicast (pro skupiny zařízení).
• Anycast (nejbližší dostupné zařízení).
Porty
• Identifikátory pro aplikace v TCP/IP.
• Rozsahy:
• 0-1023: známé porty (např. HTTP - 80, HTTPS - 443).
• 1024-49151: registrované porty pro aplikace.
• 49152-65535: dynamické porty pro libovolné aplikace.
Síťové příkazy
Windows a Linux
• ipconfig (Linux ifconfig) – zobrazení TCP/IP konfigurace.
• ping – test dostupnosti zařízení.
• tracert (Linux traceroute) – cesta k cílovému zařízení.
Síťové topologie
• Hvězdicová – všechny uzly k centrálnímu bodu.
• Sběrnicová – všechny uzly na jednom komunikačním médiu.
• Kruhová – uzly propojené do kruhu.
• Stromová – hierarchické spojení, rozšiřitelná.
• Mesh – každý uzel propojen s ostatními, vysoká redundance.
Windows Server
Vývoj verzí
• Od Windows NT 3.1 (1993) až po Windows Server 2019 s podporou cloudu a hybridní infrastruktury.
Hlavní komponenty
• Active Directory – správa uživatelských účtů a skupin.
• Group Policy – nastavení práv pro uživatelské skupiny.
• Webové a aplikační servery – např. IIS pro webové aplikace.
• Virtualizace – Hyper-V pro správu virtuálních strojů.
• Síťové služby – DNS, DHCP pro správu adresace a směrování.
• Cloudová integrace – Microsoft Azure (virtuální stroje, úložiště, databáze).
OS - IV