Заглянуть в ядро: насколько сильна Windows

Чтобы выяснить, насколько хороша Windows на самом деле, нужно изучить ее ядро и понять, как оно устроено и что оно может. В данной статье мы сравниваем Windows с Linux и Mac OS X и выявляем сильные и слабые стороны этой операционной системы, имеющей так много пользователей и так мало поклонников.

Многие области операционной системы от Microsoft в повседневной работе от нас скрыты. Как правило, пользователь видит лишь то, что работает в пользовательском режиме; режим ядра, в котором операционная система общается с оборудованием, ему недоступен.

Windows Debugger анализирует образ памяти и показывает причины сбоев — в нашем случае виноват драйвер режима ядра Файл NTOS — сердце ядра Windows, логически подразделяется на два слоя. Особенность состоит в том, что из соображений повышения производительности драйверы могут обращаться к оборудованию напрямую Ядро Linux отвечает за управление командами ввода-вывода, памятью и процессами. На самом низком уровне ядра находятся функции, управляющие прерыванием процессов Доступ к ядру Linux открыт каждому. На рисунке — фрагмент конфигурации ядра версии 2.6.19 Ядро системы Apple основано на двух источниках: в нем используются функции основанной на Unix подсистемы BSD наряду с частями микроядра Mach Со словом «Windows» связано много предубеждений и мифов. Например, бытует мнение, что работать в Windows крайне опасно, так как миллионы вирусов, гуляющих по Интернету, атакуют исключительно эту ОС. К тому же многие уверены, что детище Microsoft не отличается высокой производительностью: чем дольше вы пользуетесь этой системой, тем медленнее она работает. Что касается стабильности, то всем хорошо знаком пресловутый «синий экран». Это и неудивительно: Vista состоит из семидесяти миллионов строк кода — как тут не запутаться! Чтобы выяснить, справедливы ли все эти обвинения, необходимо заглянуть в самое ядро операционной системы и проверить, насколько оно отвечает трем критериям: безопасность, производительность и стабильность. А для сравнения возьмем ядра двух других систем — Linux и Mac OS X. Кроме того, мы подробно расскажем, какие методы используют Windows и ее конкуренты.

Контроль над системой

Ядро управляет операционной системой, и ее качество зависит именно от качества ядра. На нем держится буквально все. в частности, ядро выполняет роль интерфейса для компьютерного оборудования: оно общается с внешними устройствами и управляет встроенными компонентами, такими как оперативная память, центральный процессор и жесткий диск.

Чтобы обеспечить безопасность системы, ядро следит за всеми текущими процессами, определяя, какие программы и как долго могут пользоваться аппаратными ресурсами. Стабильность достигается за счет структурирования ресурсов. За этим стоят функции, к которым обращаются каждый день — например, отображение файловых систем на жестком диске. Высокая производительность важна при возникновении конфликтов доступа — например, когда две программы пытаются записать данные на жесткий диск одновременно. В этом случае ядро расставляет приоритеты и предоставляет доступ одной из программ, в то время как второй приходится ждать. Ниже мы подробно расскажем, как именно Windows справляется со всеми этими задачами.

Обзор типов ядер

Монолитное.

Одно большое ядро для всех задач — в этом заключается идея монолита. Такое ядро отвечает за управление памятью и процессами, за коммуникацию между процессами, а также предлагает функции для поддержки драйверов и оборудования. Именно к этой категории относятся Windows, Linux и Mac OS X.

Микро. Ошибка в ядре может вывести из строя всю операционную систему. Поэтому микроядро отличается предельно малыми размерами — чтобы свести ошибки и сбои к минимуму. Но поскольку ядро должно поддерживать широкий набор функций, оно подразделяется на несколько модулей, из которых только один работает в режиме ядра. Классическим примером является Mach — компонент Mac OS X. Так или иначе, до сих пор ни одна операционная система с микроядром не завоевала популярности среди домашних пользователей.

Гибрид.

Гибридное ядро представляет собой нечто среднее между монолитным и микроядром. Само ядро делается облегченным, а для дополнительных задач существуют динамические модули. В Linux и OS X тоже можно подгружать части ядра, но не в таких масштабах, чтобы отнести их ядра к гибридным.

Windows : работает на любом оборудовании

Начиная с NT, в архитектуре Windows выделяется два режима: пользовательский и привилегированный, или режим ядра. Это относится и к Vista.

В режиме пользователя работает практически все, что видит пользователь, то есть приложения вроде Word или Photoshop. В этом режиме программы не имеют прямого доступа к оборудованию или оперативной памяти. Таким образом, пользовательский режим надежно изолирован, а все обращения к глубинам системы направляются через специальные интерфейсы, такие как Win32 API с системными библиотеками DLL (Dynamic Link Libraries).

Такой режим ядра — фоновый и практически незаметен для пользователя. Все хорошо до тех пор, пока не возникнет какая-либо проблема — например, драйвер режима ядра (см. схему ядра Windows) не обрушит всю систему, и взору пользователя предстанет синий экран.

Центральное значение здесь имеет файл ntoskrnl.exe.

По аналогии с режимом ядра и пользовательским режимом его задачи также делятся на две группы — слой ядра и исполнительная система. Главная задача слоя ядра — планировать загрузку центрального процессора, то есть распределять процессорное время между отдельными программами. Исполнительная система отвечает за виртуальную память, процессы ввода-вывода и другие задачи.

Глубже всего в системе располагается уровень аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Layer, HAL). Он предоставляет другим слоям ОС службы для работы со встроенным оборудованием. Так, слой ядра может распределять процессорное время между программами независимо от того, какой процессор используется в компьютере — двуядерный AMD или четырехъядерный Intel. Если бы не HAL, Microsoft пришлось бы разрабатывать отдельную Windows для каждого компьютера.

Средства для отладки Windows WINDBG Чтобы проанализировать состояние памяти при выдаче «синего экрана», вам понадобится программа-отладчик, такая как WinDbg. На странице загрузок Microsoft вы найдете также соответствующий файл символов. www.microsoft.com/whdc/DevTools/Debugging NotMyFault тестирует систему на прочность: эта программа провоцирует ошибки в Windows и пытается ее обрушить. Экспериментируйте осторожно! Process Explorer. Управление процессами — одна из главных задач операционных систем. Process Explorer показывает все текущие процессы, соответствующие дескрипторы и связи между процессами. http://download.sysinternals.com

Linux : подгружает модули при необходимости

Хотя ядро Linux (см. схему) основано на Unix, но сходства с Windows у него больше, чем можно подумать. Оно также располагается непосредственно над оборудованием и играет роль своеобразной прослойки между оборудованием и работающими программами. Стандартные задачи тоже сходны: как и в Windows, ядро сотрудничает с устройствами ввода-вывода и берет на себя управление памятью. Оно также управляет процессами, то есть решает, какая задача в данный момент имеет приоритет, и получает доступ к процессорному времени. Для этого на самых нижних уровнях ядра располагаются функции управления прерываниями (interrupts).

Запрос на прерывание посылает, к примеру, клавиатура, когда пользователь нажимает на любую клавишу. Этот запрос обрабатывается специальным системным механизмом — диспетчером. Он решает, насколько высока приоритетность прерывания и включает его в очередь текущих процессов. Как только появляется возможность выполнить прерывание, диспетчер приостанавливает протекающий процесс и сохраняет его статус. Только после этого прерывание, то есть введенная с клавиатуры команда, может быть реализовано.

Архитектура Linux, как и Windows, имеет монолитное строение. Тем не менее, ядро может динамически догружать различные модули. В основном они дополняют имеющиеся компоненты или даже полностью заменяют их.

В ядро Linux встроены интерфейсы системных и библиотечных вызовов, а также пользовательский интерфейс. При этом важную роль играет интерфейс системных вызовов: он отвечает за процессы в целом. Специальной командой процессы переключаются из пользовательского режима в режим ядра.

Mac OS X : сила двух ядер

Ядро Mac OS X сокращенно обозначается как XNU — X is Not Unix.

Эта аббревиатура соответствует действительности, потому что ядро операционной системы Apple скомбинировано из двух источников, и лишь его часть имеет отношение к Unix (см. рис.). Остальное компания взяла из проекта Mach — классического примера микроядра (см. рис.). При этом Mach используется только для передачи сообщений (message passing), то есть эффективной коммуникации между отдельными частями ядра. Помимо Mach XNU содержит код проекта FreeBSD, который основан на Unix. Эта часть отвечает за взаимодействие с пользователем, обработку сигналов и совместимость со стандартами POSIX.

Последнее гарантирует, что большинство программ для Unix будут функционировать и в Mac OS X.

Важным компонентом Mach является система ввода-вывода (I/O Kit).

Именно здесь заключается существенное отличие от Windows и Linux: I/O Kit представляет собой дополнительный слой абстракций между оборудованием и остальной системой.

Здесь находятся стандартные модели драйверов, на основе которых разработчики пишут специализированные драйверы. Это способствует стабильности и повышает вычислительную мощность.

Помимо служб ядра Mac OS X позволяет также использовать расширения ядра. Система загружает их динамически по мере необходимости. Часто в таких случаях говорят о гибридном ядре, однако эксперты относят ядро Mac OS X скорее к монолитным из-за особенностей его строения.

Процессы: цифровая подпись как средство защиты

Важной задачей ядра является управление процессами.

Под этим подразумевается не только расстановка приоритетов, но и обеспечение безопасности. В классическом варианте в Windows процессы запускаются и управляются через интерфейс Win32 API.

В ядре этим занимается исполнительная система NTOS.

Доступ к объектам ядра, относящимся к про цессу обеспечивают так называемые дескрипторы (handles). Процессы в Windows могут запускать новые процессы. Так, Word (процесс 1) может открыть новый документ (процесс 2). В классической модели Windows Word имеет право также стереть или изменить новый документ. Иными словами, по общему правилу процесс может распоряжаться порожденными собою же процессами.

Однако в стандартных процессах есть одна лазейка, позволяющая обойти структуру доступа. Это возможно при наличии полномочий на отладку программ — в данном случае администратору предоставляется полный доступ к процессу. Так он может заглянуть в адресное пространство процесса, считать и изменять используемые в процессе данные. Злоумышленникам это дает возможность добавить в процесс новые потоки.

В связи с этим Vista пересмотрела процессную модель специально для мультимедийных файлов и ввела новый тип процессов — защищенные. Возможности манипулирования ими существенно ограничены: хоть ядро и предоставляет диагностическую информацию о таких процессах, но непосредственный доступ закрыт даже для администраторов.

Согласно этому методу, кодек для просмотра фильма, например, может работать как защищенный процесс только при одном условии — его полный исполняемый код должен быть подписан цифровой подписью.

Защищенные процессы — показательный пример того, как Microsoft приспосабливает устаревшую архитектуру Windows к современным проблемам.

В Linux и Mac OS X процессная модель сходна с моделью Windows: процессы-«родители» контролируют порожденных ими «детей». Однако защищенных процессов, таких как в Vista, нет. Это неудивительно: Microsoft использует эту технологию в первую очередь для цифрового управления правами (Digital Rights Management).

Таким образом, при наличии администраторских (root) прав в Linux и Mac OS X можно делать все, даже анализировать процессы и манипулировать ими.

ASLR : «неуловимые» адреса

Современные процессоры имеют адресную шину шириной 64 бит, однако несколько бит изначально отводится под другие задачи.

Например, NX-бит препятствует исполнению данных DEP (Data Execution Prevention).

При попытке выполнить код, который находится в участке памяти, помеченном «не для исполнения», возникает внутренняя ошибка. В Windows отключить DEP для 64-битных программ и драйверов нельзя, зато для 32-битных (все еще весьма распространенных) — без проблем. Это позволяет злоумышленникам вызвать переполнение буфера. В результате они могут инфицировать такие процессы, как Internet Explorer, и проникнуть внутрь системы. После того как вредитель закрепился в Windows, он может использовать Windows-API в своих интересах — например, для того, чтобы считать нужные ему данные или изменить конфигурацию системы.

Поэтому Microsoft ввела новую функцию защиты ядра — Address Space Load Randomization (ASLR, «рандомизация адресного пространства»). Частично она была реализована уже в SP2 для ХР, но полностью — только в Vista. Ее суть заключается в следующем. В Windows входными воротами для злоумышленников обычно являются библиотеки DLL, которые в предшествовавших версиях системы всегда загружались в одни и те же участки памяти. С ASLR системные DLL и исполняемые файлы при каждой загрузке системы попадают в разные участки оперативной памяти, чтобы вредоносное ПО больше не могло атаковать системные операции по стандартным адресам. Для этого менеджер памяти имеет в своем распоряжении 256 различных адресов и при загрузке DLL выбирает один из них случайным образом. Такая «плавающая» стратегия ASLR имеет дополнительное преимущество: адресное пространство упаковано плотнее, чем в более ранних версиях Windows, так что непрерывных свободных участков в памяти остается больше.

В специальных дистрибутивах Linux, таких как Hardened Gentoo, ASLR уже полностью реализована. В стандартном же ядре содержится лишь неполный вариант. В современном OS X Build ASLR используется для нескольких библиотек, но их полноценная реализация, к сожалению, отсутствует.

Проверка подлинности: надежный код

В качестве противоядия Microsoft использует в Vista подпись кода в режиме ядра (KMCS), которая разрешает загружать лишь те драйверы устройств, которые снабжены цифровой подписью. Большинство драйверов получают подписи через лабораторию WHQl (Windows Hardware Quality Lab), однако разработчики могут подписывать свой код сами — правда, для этого им нужен действительный сертификат. Windows проверяет также, имеет ли выданный сертификат отношение к одному из центров сертификации, данные о которых содержатся в загрузчике Windows и ядре ОС. Надо сказать, что 32-битные системы Vista хотя и проверяют цифровые подписи драйверов, все-таки позволяют загрузить неподписанные драйверы.

В 64-битных Windows такой номер не пройдет.

Все модули ядра в Mac OS X и Linux, в принципе, могут иметь цифровую подпись. Хотя теоретически это относится и к драйверам, никаких механизмов проверки в этих операционных системах не встроено.

MMCSS : приоритет видео

Планировщик Windows жонглирует несколькими процессами, открытыми одновременно. Каждое приложение на определенное время получает доступ к вычислительным мощностям центрального процессора, затем уступает место другим и ждет снова своей очереди.

Чтобы такого не происходило, например, когда вы смотрите фильм, в Windows встроены специальные функции для мультимедийных файлов. Поэтому антивирусы и службы Windows в основном работают в фоновом режиме и не мешают просмотру.

В Vista приоритет фильмов и музыки обеспечивается службой планирования мультимедийных классов — MMCSS. Для этого мультимедийное приложение, такое как Media Player, сначала должно зарегистрироваться в этой службе. Данная служба, реализованная в файле %SystemRoot%System32Mmcss.dll, включает в себя поток для управления приоритетами. Windows предусматривает ступени приоритетности от 0 до 31, при этом MMCSS имеет очень высокую приоритетность — 27. Соответственно, приоритетность всех зарегистрированных мультимедийных потоков поднимается до 27. С 16-й ступени начинается режим реального времени, то есть потоку с приоритетом 16 остальные помешать уже не могут.

Linux предлагает еще более высокую градацию шкалы приоритетности — от 0 до 99. Для мультимедийных задач, например, на медиасерверах, такая разбивка подходит лучше. В Mac OS X планировщик является одним из используемых компонентов Mach.

Шкала приоритетности здесь еще мельче — от 0 до 127, и это не единственное подтверждение того, что Mach намного современнее, чем Linux и Windows. В OS X мультимедийное приложение может даже присвоить себе фиксированную долю вычислительного времени. При достаточной мощности это практически исключает риск образования узких мест.

Ввод-вывод: приоритетность задач

Высокая приоритетность при просмотре фильмов может негативно отразится на многозадачности. Так, до ХР в Windows существовали серьезные проблемы с фоновыми службами, например, автоматической дефрагментацией.

Конечно, это помогало поддерживать жесткий диск в порядке, но кому же понравится, когда, к примеру, Outlook выпадает из обоймы на два часа? Однако благодаря приоритетности ввода-вывода ждать больше не придется. Так, в Vista процессы «переднего плана» (не фоновые) всегда пользуются преимуществом, и дефрагментация приостановится до тех пор, пока пользователь не сделает в своей работе очередную паузу. Система ввода-вывода в Vista предполагает пять ступеней приоритетности — от «очень низкая» до «критически важная»; стандартный уровень — «нормальная». Фоновым задачам Windows автоматически присваивает низкую приоритетность, однако менеджер памяти всегда считается критически важным: действительно, когда оперативной памяти начинает не хватать, он должен незамедлительно сбросить данные на жесткий диск.

Команды ввода-вывода, посылаемые от драйверов устройств (такие как движение мыши), поступают в очередь со средней приоритетностью.

Еще одна ценная возможность заключается в том, что Vista может резервировать для операций ввода-вывода фиксированные диапазоны. Так, например, Media Player может потребовать от системы ввода-вывода гарантию, что фильм будет считываться с DVD в определенном темпе.

Тогда как в Vista приоритетность ввода-вывода — нововведение, в Mac OS X и Linux данный прием используется давно. В Mac OS X это заложено в архитектуре, так как для передачи сообщений используется Mach. В системах семейства Linux, начиная с ядра 2.6, тоже встроена эффективная схема приоритетов.

Адресное пространство: динамическое управление

32-битные процессоры накладывают на Windows и инсталлированные программы серьезные ограничения в отношении адресного пространства. Так, ядро Windows не может занимать больше 2 Гбайт. Когда нужно выделить место для драйверов, кеша файловой системы и стека, это может привести к определенным трудностям. Поэтому в Vista адресное пространство ядра динамическое. Оно занимается раздачей и разблокированием участков в зависимости от рабочих потребностей.

Операционные системы Linux и Mac OS X не имеют строгих ограничений. И в этих операционных системах общие размеры ядра имеют свой предел. В целом формат отдельных компонентов никак не ограничен. Действительно, в отличие от Windows в этих системах нет четкого разграничения между пространством ядра и пространством драйверов.

КТМ: предотвращение программных сбоев

Если приложение намерено предпринять ряд взаимосвязанных изменений, оно может создать либо дескриптор КТм («диспетчера транзакций ядра») и транзакцию DTC (Distributed Transaction Coordinator, «координатора распределенных транзакций»), либо просто дескриптор КТМ, и выполнять изменения файлов и ключей реестра в рамках этой транзакции. Если все прошло успешно, транзакция подтверждается — изменения приняты. До этого программа может в любой момент отменить весь процесс. Дополнительное преимущество заключается в том, что другие приложения видят эти изменения только после того, как транзакция принята.

Ядра Mac OS X и Linux тоже работают с транзакциями.

Пользователь, как правило, этого совсем не замечает, если не считать сбоев при установке обновлений. Впрочем, в обеих ОС это никак не подрывает стабильность системы, просто транзакции не будут исполнены.

Windows 7, 8, 9…

Не секрет, что Microsoft работает над новой архитектурой Windows. Прототипом операционной системы будущего (после Win7) должны стать два проекта.

Singularity обещает нам Windows без «синих экранов» и зависаний. Проект основан на трех ключевых функциях: программно-изолированные процессы (SIP), микроядро и каналы (channels).

Микроядро обеспечивает лишь неотъемлемые «ядерные» функции, такие как управление памятью, процессами и каналами, планировка процессорного времени и управление вводом-выводом. Все другие функции перекладываются на модули и реализуются изолированно друг от друга через SIP-процессы.

Проект Midori рассчитан на отдаленную перспективу. Его ядро будет иметь модульную структуру.

Преимущество заключается в том, что Windows будет лучше работать на различных платформах, таких как нетбуки, КПК или мобильные телефоны.

Вывод

Прошлые версии Windows на фоне Linux и Mac OS X смотрятся совсем неплохо. Хотя конкуренты несколько моложе, они во многом основаны на старых принципах Unix. Vista доказывает, что устаревшую архитектуру Windows можно компенсировать современными технологиями безопасности, такими как защищенные процессы или цифровые подписи кода для модулей ядра. Но, к сожалению, эти функции часто работают только в 64-битном мире, а в ХР они и вовсе отсутствуют. К тому же Linux и OS X не нуждаются в уловках вроде ASLR, поскольку они не так сильно подвержены атакам хакеров. Да и получить права администратора в Linux и Mac OS X сложнее, чем в Windows.

В Windows много застарелых проблем: например, даже в Vista дефектный драйвер все еще может обрушить всю систему. OS X выглядит несколько более современно: высокая производительность обеспечивается главным образом за счет использования компонентов Mach для коммуникаций внутри ядра, а также системы ввода-вывода I/O Kit.

В этом смысле Windows отстает, и компенсировать разрыв сумела только Vista. В пользу Linux говорит ее открытость: каждый может сконфигурировать ядро по своему усмотрению.