Estrutura de um Sistema Linux Moderno Padrões de um Sistema Linux. Prof. Claudio Silva

Transcrição

1 Estrutura de um Sistema Linux Moderno Padrões de um Sistema Linux

2 Estrutura de um Sistema Linux Por ter sua origem universitária, a forma como o Linux foi concebido é de perfeito agrado para o seu estudo. Devido à sua modularização podemos trabalhar com ele para os mais diversos fins. É possível encontrar Linux em sistemas que vão desde um único disquete até supercomputadores..

3 Estrutura de um Sistema Linux O sistema operacional é formado por um conjunto de componentes que oferecem serviços aos usuários e suas aplicações, bem como as rotinas do próprio sistema. A sua estrutura, ou seja, a maneira como o código do sistema é organizado e o inter-relacionamento entre seus diversos componentes variam conforme a concepção do projeto. Em sua forma mais genérica, a estrutura de um sistema operacional pode ser visualizada em camadas hierárquicas, onde a camada mais interna correspondente ao hardware e suporta todas as outras camadas de software.

4 Visão Geral do Sistema O Kernel por si só não tem funcionalidade alguma; já que participa como uma parte de um sistema maior, que só num todo torna-se útil. Faz sentido então discutir o contexto do sistema inteiro. Se dividirmos um sistema completo, podemos claramente destacar quatro partes que o compõem, conforme figura a seguir. 3 Aplicativo de usuário 2 Utilitarios do sistema 1 Kernel 0 Hardware

5 Visão Geral do Sistema As partes que compõem o sistema são: Aplicativo do usuário: encontram-se nesta categoria todos os programas que usamos no nosso dia a dia, como: processador de texto, navegador de internet e cliente de . Utilitários do sistema: estes são os programas considerados tipicamente parte do sistema operacional. O interpretador de comandos, a interface gráfica, bibliotecas e compiladores são alguns exemplos. Kernel: por função o kernel livra-nos de um conhecimento mais aprofundado em relação ao hardware, sendo que ele é o responsável pelo gerenciamento de todo o computador.

6 Visão Geral do Sistema Hardware: este subsistema é compreendido por todos os dispositivos físicos possíveis; para o exemplo, o processador central, memória, os discos rígidos, placas, são todos membros deste subsistema, ou seja, o computador. Para o nosso estudo vamos nos concentrar apenas no nível 1 e 2, mais precisamente no kernel, sistemas de arquivos, bibliotecas e interpretador de comandos.

7 Kernel Visão Geral do Sistema O kernel apresenta uma relação virtual da máquina com os processos do usuário. Os processos são escritos sem a necessidade de conhecer qual dispositivo de hardware está instalado no computador; O kernel abstrai todo hardware em uma relação virtual consistente. Além disso, o kernel suporta a multitarefa de uma maneira que seja transparente aos processos do usuário: cada processo pode agir como se fosse o único processo no computador, com uso exclusivo da memória principal e dos outros recursos de hardware.

8 Kernel Visão Geral do Sistema O kernel funciona realmente com diversos processos simultaneamente, sendo também o responsável por mediar o acesso aos recursos de hardware, de modo que cada processo tenha o acesso justo enquanto a segurança de interprocessos é mantida. Na verdade, quando falamos das características do Linux, estamos descrevendo nada mais nada menos que as funcionalidades do kernel. Multitarefa, multiusuário, proteção na memória, suporte a sistemas de arquivos, etc. Tudo isso é o kernel!

9 Visão geral da estrutura do kernel Podemos afirmar que o kernel é composto de cinco subsistemas principais: Gerenciador de processos: um programa não faz nada até que suas instruções sejam executadas por uma CPU. Por isso podemos dizer que um processo é um programa em execução. O gerenciador de processo é responsável por controlar o acesso de processos na CPU. O gerenciador põe em vigor uma política que garante aos processos um acesso justo à CPU e aos outros componentes de hardware. Gerenciador de memória: permite que múltiplos processos compartilhem com segurança a memória principal do sistema. Além disso, o gerenciador de memória suporta a memória virtual (swap), característica que permite ao Linux suportar processos que usam mais memória do que avaliada em hardware.

10 Visão geral da estrutura do kernel Sistema de arquivo virtual (VFS): abstrai os detalhes de uma variedade de dispositivos de hardware, apresentando uma comum interface de arquivo para todos os dispositivos. O VFS introduz um modelo de arquivo comum, capaz de representar todos os sistemas de arquivos existentes, isto é, todos os detalhes do sistema de arquivo do Linux são traduzidos via software, por isso todos parecem iguais para o kernel e programas. Interface de rede: provê acessos a vários padrões de rede e a uma grande variedade de dispositivos de rede.

11 Visão geral da estrutura do kernel Comunicação Inter-Processo: subsistema que suporta vários mecanismos de comunicação entre processos num sistema Linux. KernelAnalysis-HOWTO The Linux Kernel HOWTO

12 Linux kernel Módulos

13 Linux kernel Módulos O sistema operacional Linux foi o primeiro sistema no mundo a introduzir o conceito de Módulos. Nenhum outro sistema tinha antes este conceito, mas com certeza vários o terão no futuro. O módulos são partes do kernel que não foram vinculados (linked) diretamente no kernel. Foram compilados separadamente e podem ser inseridos e removidos no kernel em tempo real, ou seja, enquanto o kernel está sendo executado. Isso nos dá a possibilidade de usarmos alguma característica do sistema ou, principalmente, drivers de dispositivos somente quando esse recurso é necessário. Podemos instalar e remover drives do sistema sem precisar reiniciar a máquina ou recompilar o kernel. Linux Loadable Kernel Module HOWTO

14 Linux kernel Módulos Bibliotecas do Sistema A linguagem de programação C na qual o kernel e outros aplicativos importantes são desenvolvidos não possui em seu padrão estruturas para desempenho de operações comuns como I/O, gerenciamento de memória, manipulação de strings e assim por diante. Deste modo, essas estruturas são definidas em uma biblioteca padrão, na qual você compila e vincula seus programas.

15 Linux kernel Módulos Bibliotecas do Sistema O pacote glibc contém os principais conjuntos de bibliotecas do Linux. As principais bibliotecas do pacote glibc são as bibliotecas padrão C e a biblioteca padrão de matemática. As bibliotecas padrão são usadas por múltiplos programas, e são parte obrigatória do sistema, caso contrário o Linux não funcionaria. Uma das razões para o uso da glibc é para salvar espaço em disco e memória, assim como facilitar atualizações.

16 Linux kernel Módulos Bibliotecas do Sistema O código comum do sistema é mantido em um lugar e compartilhado entre programas. São essas bibliotecas que fazem as system calls ou chamadas do sistema. Isso porque a todo instante funções do kernel são requeridas e, se todo programa tivesse acesso direto ao kernel, teríamos sérios problemas de segurança, desempenho, etc. para evitar isso foram criadas as chamadas do sistema. Assim, quando um programa necessitar de alguma função do kernel, o mesmo faz o pedido a uma system call e esta interage diretamente com o kernel.

17 Linux kernel Módulos Sistemas de Arquivos Um sistema de arquivos (filesystem) é o método e a estrutura de dados que o sistema operacional usa para manter registro de seus arquivos no disco. Para o usuário, o sistema de arquivos aparece como uma árvore de diretórios hierárquicos semelhantes à semântica do Unix. Internamente, o Linux utiliza uma camada de abstrações (VFS) para gerenciar múltiplos sistemas de arquivos diferentes.

18 Linux kernel Módulos Conceitos básicos de um sistema de arquivos Cada sistema de arquivos Linux implementa uma série comum de conceitos derivados do sistema operacional Unix, que serão vistos a seguir. Inodes: cada arquivo é representado por uma estrutura chamada inode. Cada inode contém uma lista de atributos e os endereços dos blocos (no disco) que formam o arquivo. Informações como quem é o dono dos arquivos, a quais grupos pertencem, data de última modificação, permissões de acesso, entre outras, fazem parte do inode. Diretórios: diretórios são estruturados em uma árvore hierárquica. Cada diretório pode conter arquivos e subdiretórios. Os diretórios são implementados com um tipo especial de arquivo. Na verdade, um diretório é um arquivo contendo uma lista de anotações. Cada anotação contém um inode e um nome de arquivo.

19 Linux kernel Módulos Links: os sistemas de arquivos usados no Unix implementam o conceito de link (vínculo). Vários nomes podem ser associados a um inode. O inode contém um campo no qual armazena um número associado com o arquivo. Arquivos de dispositivos: em sistemas operacionais tipo Unix, dispositivos de hardware podem ser acessados com um arquivo especial. Um arquivo de dispositivo não ocupa espaço no sistema de arquivos, já que ele apenas aponta para um driver. Existem dois tipos especiais de arquivos: dispositivos de caractere e de blocos. No primeiro caso a operação de E/S é feita via caracteres, enquanto no segundo caso os dados são escritos em modo de blocos através das funções de cache.

20 Linux kernel Módulos Interpretador de Comandos Podemos afirmar que shell é um simples processador de macro que executa comandos. No Linux o shell é tanto um interpretador de comandos no qual provê uma interface para o usuário utilizar os utilitários GNU como uma linguagem de programação, permitindo a combinação desses utilitários. Existem muitos tipos de shell. Cada um provendo de modo diferente a interface entre o usuário e o kernel. Os mais importantes shell foram originados do sistema operacional Unix, são eles: bash (bourne again shell), csh (c shell) e ksh (korn shell). O padrão dos sistemas operacionais Linux é o Bash. Bash Reference Manual

21 Padrões de um Sistema Linux

22 Padrões de um Sistema Linux Padrões de um Sistema Linux Tendo o Linux o caráter de livre distribuição que tem, é natural que várias entidades passem a distribuí-lo, proliferando-se assim as chamadas distribuições Linux, que podem ser construídas por qualquer pessoa ou empresa, sem nenhum tipo de restrição. É graças a essa liberdade que desta maneira chegamos às mais de 400 distribuições existentes ao redor do mundo.

23 Padrões de um Sistema Linux Padrões de um Sistema Linux Essa grande variedade pode levar ao caos e à incompatibilidade entre distribuições, conseqüentemente, a uma maior resistência ao Linux, caso não seja seguido um padrão preestabelecido nas suas construções. Perante esse problema nasceu o trabalho conjunto entre várias empresas e organizações para regulamentar as distribuições de Linux e criar um núcleo comum para evitar a tão temida incompatibilidade. Este esforço é chamado de LSB (Linux Standard Base) que visa criar a plataforma padrão de Linux a ser seguida por todos os distribuidores.

24 Padrões de um Sistema Linux A LSB (Linux Standard Base) padroniza as diferentes distribuições Linux, permitindo que softwares de aplicações funcionem em quaisquer distribuições Linux, sem torná-las idênticas. Além disso, a LSB coordenara esforços para estimular empresas de software a portarem e desenvolverem produtos para Linux. Tal iniciativa é uma garantia de que um número cada vez maior de aplicações estarão disponíveis para os usuários Linux em todo o mundo.

25 Padrões de um Sistema Linux Linux Standard Base O objetivo do LSB é desenvolver e promover um conjunto de padrões que aumentam a compatibilidade entre distribuições Linux e permitir que aplicações de softwares funcionem em qualquer sistema Linux. Certamente por esse motivo a LSB hoje é o foco das atenções quando o assunto é padrão em sistemas Linux. O LSB na verdade não é um padrão, e sim, uma família de Standards (padrões); contando mais ou menos uns 20 padrões. É da união de todos esses padrões que nasceu o LSB. Na verdade, o que definirá a compatibilidade entre as distribuições será o quanto do LSB os desenvolvedores ou as empresas adotarão para o seu sistema.

26 Padrões de um Sistema Linux A especificação do sistema define a chamada BAI (Binary Application Interface Interface Binária de Aplicação), que é o ambiente que toda aplicação desenvolvida, levando em conta o LSB, deverá esperar encontrar em qualquer distribuição de Linux, incluindo o nome e a localização dos arquivos, versão das bibliotecas e diversos outros fatores. A atual versão de especificação do LSB define itens tais como as bibliotecas do sistema, comandos disponíveis, a localização dos arquivos (definida pelo FHS), a inicialização e processos associados, a Shell, usuários e grupos, o gerenciamento de pacotes, formato dos arquivos executáveis e outros.

27 Padrões de um Sistema Linux Aprofundando-se um pouco mais nas especificações, descobre-se que a documentação do LSB é composta por duas partes. A primeira é uma especificação comum, a glsb que descreve as partes em comum para todas às arquiteturas e implementações do LSB. A segunda parte é referente às arquiteturas específicas, archlsb. Nesta etapa o documento descreve as partes que variam de arquitetura para arquitetura. Para completar tudo isso temos as ferramentas de testes cuja finalidade é revelar o quanto o seu sistema operacional está LSB compatível. São feitos simples testes de verificação para lhe dar em porcentagem o grau de compatibilidade com o padrão LSB. Quanto maior o resultado, mais compatível a sua distribuição está. Fontes:

28 Padrões de um Sistema Linux Filesystem Hierarchy Standard O FHS consiste em um conjunto de requerimentos e diretrizes para a localização de arquivos e diretórios sob sistema operacional tipo Unix. As diretrizes têm como pretensão suportar interoperabilidade de aplicações, ferramentas de administração de sistema, ferramentas de desenvolvimento e scripts, assim como maior uniformidade de documentação para esses sistemas. O que veremos a seguir é um resumo das normas do FHS versão 2.2, que fazem parte do padrão LSB.

29 Padrões de um Sistema Linux Para estar de acordo com o FHS, os seguintes diretórios, ou links simbólicos para os diretórios, devem existir: / _bin _boot _dev _etc _lib _mnt _opt _sbin _tmp _usr _var _home _lib _root

30 Padrões de um Sistema Linux Na seqüência analisaremos as funções de cada um dos diretórios listados. / O sistema de arquivos no Linux começa com /, o diretório root. Todos os demais diretórios são descendentes deste diretório. / bin O diretório / bin contém vários comandos úteis que são usados tanto pelo administrador do sistema como por usuários comuns. Esses programas são considerados essenciais e devem sempre estar disponíveis. De acordo com o FHS, não devem existir subdiretórios em / bin. / boot Este diretório contém tudo que é requerido para o processo de boot, exceto os arquivos de configuração. Isso inclui backups do MBR, arquivos de mapas do sistema, o kernel e outros arquivos.

31 Padrões de um Sistema Linux / dev Contém os arquivos de dispositivos, sendo o diretório que melhor ressalta um aspecto do sistema de arquivos do Linux tudo é um arquivo. Procurando através deste diretório você encontrará hda1, hda2 etc, representando as várias participações do primeiro disco rígido do sistema; cdrom e fd0 representando respectivamente o seu CD-ROM e o drive de disquete. A maioria dos dispositivos são de bloco ou de caractere; entretanto outros tipos de dispositivos existem e podem ser criados. No geral, dispositivos de bloco são os dispositivos que armazenam dados, dispositivos de caracteres podem ser pensados como dispositivos que transmitem dados. Para o exemplo, os drives de disquete, os discos rígidos e o drive do CD-ROM são todos dispositivos de bloco, enquanto as portas seriais, o mouse e as portas de impressora são todos dispositivos de caractere. Se for possível criar dispositivos manualmente em / dev, o mesmo deverá conter um arquivo chamado MAKEDEV, que será usado para a criação dos dispositivos.

32 Padrões de um Sistema Linux / lib O diretório / lib contém os módulos do kernel e bibliotecas compartilhadas necessárias para a execução do sistema. As bibliotecas são prontamente identificadas pela sua extensão do nome de arquivo *.so ou *.a. / mnt Este é um ponto genérico de montagem sob o qual você monta seus sistemas de arquivos ou dispositivos. Os pontos padrão da montagem são /mnt/cdrom e /mnt/floppy. / etc Este é o centro nervoso do sistema, e contém todos os arquivos relativos à configuração do sistema. Arquivos binários não devem se encontrar neste diretório. O subdiretório /opt, ou link simbólico para o diretório, é requerido em /etc. / root Este é o diretório home do administrador de sistema, root.

33 Padrões de um Sistema Linux / sbin Armazena os arquivos utilizados pelo sistema para administração e inicialização. Neste diretório somente o root tem acesso à execução dos programas. / usr É um dos diretórios mais importantes do sistema e com certeza o maior deles, já que contém praticamente quase todos os binários, bibliotecas, documentos e outros arquivos usados pelos usuários e o root. Os diretórios a seguir, ou links simbólicos para diretórios, são requeridos em /usr: / usr _bin _include _lib _local _sbin _share

34 Padrões de um Sistema Linux / var Contém arquivos de dados variáveis. Os diretórios a seguir, ou links simbólicos para diretórios, são requeridos em /var: / var _cache _lib _local _lock _log _opt _run _spool _tmp

35 Padrões de um Sistema Linux / tmp O diretório /tmp deve estar disponível para programas que requerem arquivos temporários. / home O Linux trabalha em um ambiente multiusuário; então, cada usuário tem o seu próprio diretório que é somente acessado por ele mesmo e pelo administrador de sistema. Esse diretório se localiza no /home.

36 Padrões de um Sistema Linux Extras Além dos diretórios mostrados, qualquer sistema Linux faz uso de mais dois diretórios. / proc Este é um diretório especial. Na verdade o proc é um diretório virtual, já que o mesmo não existe, sendo criado pelo kernel. Este diretório contém informação a respeito do estado do kernel em tempo real. / lost+found Aqui é onde o Linux mantém os arquivos restaurados após uma falha ou queda de energia. Linux Filesystem Hierarchy