Komputerowe i sieciowe systemy operacyjne

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

KSO

1

Głównym celem przedmiotu jest wprowadzenie studentów do zagadnień współczesnych systemów operacyjnych stosowanych w działaniu wszelkiego rodzaju współczesnych systemów sprzętowo-programowych takich jak komputery, platformy mobilne czy urządzenia sieciowe. Tematami fundamentalnymi dla przedmiotu są interfejsy wejścia-wyjścia, dyski, systemy plików, wątki i procesy, przełączanie zadań, pamięć wirtualna, bezpieczeństwo, obsługa przerwań, zrównoleglanie i synchronizacja oraz. W kontekście poznanych zagadnień fundamentalnych zostaną omówione podstawowe architektury systemów operacyjnych dla systemów komputerowych, platform mobilnych i urządzeń sieciowych. Przedmiot podsumowuje wprowadzenie do bezpieczeństwa w systemach operacyjnych. Założeniem prowadzenia przedmiotu jest ukierunkowanie się na naukę praktyczną. Zajęcia projektowe będą oparte na pracy nad stworzeniem własnego systemu operacyjnego od podstaw, który będą mogli uruchomić na dedykowanych edukacyjnych platformach sprzętowych.

Głównym celem przedmiotu jest wprowadzenie studentów do zagadnień współczesnych systemów operacyjnych stosowanych w działaniu wszelkiego rodzaju współczesnych systemów sprzętowo-programowych takich jak komputery, platformy mobilne czy urządzenia sieciowe. Tematami fundamentalnymi dla przedmiotu są interfejsy wejścia-wyjścia, dyski, systemy plików, wątki i procesy, przełączanie zadań, pamięć wirtualna, bezpieczeństwo, obsługa przerwań, zrównoleglanie i synchronizacja oraz. W kontekście poznanych zagadnień fundamentalnych zostaną omówione podstawowe architektury systemów operacyjnych dla systemów komputerowych, platform mobilnych i urządzeń sieciowych. Przedmiot podsumowuje wprowadzenie do bezpieczeństwa w systemach operacyjnych. Założeniem prowadzenia przedmiotu jest ukierunkowanie się na naukę praktyczną. Zajęcia projektowe będą oparte na pracy studentów nad stworzeniem własnego systemu operacyjnego od podstaw, który będą mogli następnie uruchomić na dedykowanych edukacyjnych platformach sprzętowych.

Treść wykładu

1. Wprowadzenie do przedmiotu. (2 godz.)
   Wprowadzenie do przedmiotu. Co to jest system operacyjny? Cel stosowania systemów operacyjnych. Architektura systemu operacyjnego ogólnego przeznaczenia. Przegląd zagadnień współczesnych systemów operacyjnych. System operacyjny – fundament bezpieczeństwa systemów IT.
2. Interfejsy wejścia-wyjścia i dyski. (6 godz.)
   Komunikacja ze sprzętem: mapowanie pamięci, komunikacja bezpośrednia, instrukcje specjalne, DMA. Przerwania i wyjątki. Konstrukcja sterownika sprzętu; sieciowe operacje wejścia/wyjścia. Stos sieciowy w systemie operacyjnym. Dyski: przechowywanie; odnajdywanie danych; sektory; interfejsy; partycje; woluminy logiczne; systemy plików w kontekście dysków – wirtualne systemy plików; dyski magnetyczne i flash.
3. Zarządzanie pamięcią. (4 godz.)
   Fizyczna alokacja pamięci; mapowanie fizycznej alokacji pamięci na wirtualną; zarządzanie pamięcią: segmentacja; stronicowanie; bezpieczeństwo stronicowania; ochrona pamięci; algorytmy stronicowania; współdzielenie pamięci; metody alokacji pamięci w systemie; stos; sterta.
4. Systemy plików. (4 godz.)
   Cel systemu plików: organizacja danych w pliki odnajdywalne po nazwie i wbudowaną kontrolą dostępu. Plik. Metadane pliku; ścieżka pliku. Wyszukiwanie plików w systemie. Kontrola dostępu do pliku. Typy plików. Katalogi. Operacje systemu plików. Przegląd implementacji systemów plików: FAT32, FFS, NTFS, ZFS. Wirtualna przestrzeń adresowa. Rozproszone systemy plików.
5. Jądro, procesy, wątki. Komunikacja międzyprocesowa. (2 godz.)
   Jądro systemu; interfejsy programistyczne; proces; wątek; wieloprocesowość; wielowątkowość; komunikacja międzyprocesowa. Kontekst; przełączanie kontekstu; implementacja procesów we współczesnych systemach operacyjnych; rodzaje wątków; implementacja wątków; wpływ przerwań i wyjątków na sterowanie procesami.
6. Synchronizacja. Przełączanie zadań. (4 godz.)
   Synchronizacja dostępu do pamięci dzielonej: mutex, semafor, zmienne warunkowe, monitory; wzorce i problemy synchronizacji; sygnały synchronizacji; algorytmy synchronizacji; sposoby i polityki przełączania zadań; rodzaje priorytetyzacji i zastosowania; mechanizm przerwań i wyjątków; wpływ przerwań i wyjątków na sterowanie kontekstem, priorytetyzacją i przełączaniem zadań. Wieloprocesorowość; przydzielanie zadań do wielu rdzeni.
7. Wywołania systemowe i izolacja. Maszyny wirtualne. (2 godz.)
   Przestrzeń użytkownika, przestrzeń jądra. Wywołania systemowe; konstrukcja wywołań systemowych; mapowanie żądań użytkownika na żądania jądra; sygnały synchronizacji; algorytmy synchronizacji. Maszyny wirtualne; wirtualizacja zasobów; rodzaje wirtualizacji; hypervisor. Konteryzacja.
8. Stosowanie systemów operacyjnych. (2 godz.)
   Systemy operacyjne dla urządzeń wbudowanych, urządzeń sieciowych i platform mobilnych. Sieciowe systemy operacyjne. Systemy czasu rzeczywistego. Systemy operacyjne centrów danych.
9. Wstęp do bezpieczeństwa systemów operacyjnych. (4 godz.)
   Program w pamięci; konwencja wywołań funkcji; stos i sterta w kontekście wywołania funkcji; eksploitacja systemów operacyjnych; przechwytywanie kontroli wywoływania funkcji; atak z przepełnieniem bufora; wykonywanie złośliwego kodu z pamięci procesu; Return Oriented Programming; Sig-Return Oriented Programming; mechanizmy obrony: kanarki, blokada wykonywania danych z pamięci, weryfikacje adresów powrotu z funkcji, randomizacja adresów regionów w pamięci (ASLR) i inne; obchodzenie mechanizmów obrony.

Zakres projektu

W ramach projektu 2-osobowe zespoły projektowe będą prowadzić od podstaw implementację własnego systemu operacyjnego, który będą mogli uruchomić na edukacyjnych platformach sprzętowych.

Projekt będzie realizowany iteracyjne w kolejnych etapach:

• podstawowe ćwiczenia z komunikacją ze sprzętową platformą edukacyjną: piny wejścia-wyjścia (GPIO), interfejs szeregowy UART, interfejs mapowania pamięci;
• utworzenie własnych sterowników, narzędzi pomocniczych, powłoki systemu oraz systemu startowego;
• utworzenie własnego alokatora pamięci, systemu plików oraz implementacja instrukcji powłoki dla systemu plików;
• implementacja własnej struktury procesu.

W kontekście bezpieczeństwa systemów operacyjnych przewiduje się realizację zadań związanych z:

• poznaniem sposobów pisania własnego kodu wykonywalnego z powłoki (shellcode), sposobów jego wstrzykiwania i wywoływania;
• poznaniem działania mechanizmów kanarków, ASLR, no-execute.

Książki:

1. T. Anderson, M. Dahlin: Operating Systems: Principle and Practice; 2014; Recursive Books.
2. W. Stallings: Operating Systems: Internals and Design Principles; 2014; Pearson.
3. A. S. Tanenbaum, H. Bos: Modern Operating Systems; 2014; Pearson.
4. A. Silberschatz: Operaring System Concepts, 9th Ed.; 2012; Wiley.

Oprogramowanie:

• Systemy operacyjne Windows, Linux, macOS – wersje klienckie i serwerowe;
• Kompilatory.

Sprawdzanie założonych efektów kształcenia realizowane jest przez:

• ocenę wiedzy i umiejętności związanych z realizacją zadań projektowych – ocena raportu, kodu i działania systemu operacyjnego;
• ocenę wiedzy i umiejętności wykazanych na sprawdzianie pisemnym o charakterze problemowym.

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji