1.1 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由硬件和軟件兩部分組成的，其中網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的軟件核心和基礎(chǔ)，是網(wǎng)絡(luò)的心臟和靈魂。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與單機(jī)操作系統(tǒng)之間并沒有本質(zhì)的區(qū)別，僅僅是增加了網(wǎng)絡(luò)連接功能和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，它是向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)提供服務(wù)的特殊操作系統(tǒng)。由于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是運(yùn)行在服務(wù)器之上的，所以有時(shí)也將它稱為服務(wù)器操作系統(tǒng)。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的概念

嚴(yán)格地說，單機(jī)操作系統(tǒng)只能為本地用戶使用本機(jī)資源提供服務(wù)，不能滿足開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求。與單機(jī)操作系統(tǒng)不同，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)服務(wù)的對(duì)象是整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)大的功能，必須支持多用戶、多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源共享。

對(duì)于聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，它們的資源既是本地資源，又是網(wǎng)絡(luò)資源；既要為本地用戶使用資源提供服務(wù)，又要為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)用戶使用資源提供服務(wù)。這就要求網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)能夠屏蔽本地資源與網(wǎng)絡(luò)資源的差異性，為用戶提供各種基本網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，完成網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)資源的管理，并提供網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用于管理網(wǎng)絡(luò)通信和共享資源，協(xié)調(diào)各主機(jī)上任務(wù)的運(yùn)行，并向用戶提供統(tǒng)一的有效的網(wǎng)絡(luò)接口的軟件集合。從邏輯上看，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件由以下3個(gè)層次組成。

位于低層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

位于中間層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

位于高層的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件。

它們相互之間是一種高層調(diào)用低層，低層為高層提供服務(wù)的關(guān)系。

與一般操作系統(tǒng)不同的是，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以將它們的功能分配給連接到網(wǎng)絡(luò)上的多臺(tái)計(jì)算機(jī)，另一方面，它又依賴于每臺(tái)計(jì)算機(jī)的本地操作系統(tǒng)，使多個(gè)用戶可以并發(fā)訪問共享資源。

一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)除了運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，還要運(yùn)行本地（客戶機(jī)）操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)運(yùn)行在稱為服務(wù)器的計(jì)算機(jī)上，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，指揮和監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)中的非服務(wù)器的計(jì)算機(jī)通常稱為工作站或客戶機(jī)，它們運(yùn)行桌面操作系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫目蛻舳瞬僮飨到y(tǒng)。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的工作模式

早期網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)采用集中模式，實(shí)際上是由分時(shí)操作系統(tǒng)加上網(wǎng)絡(luò)功能演變而成的，系統(tǒng)由一臺(tái)主機(jī)和若干臺(tái)與主機(jī)相連的終端構(gòu)成，將多臺(tái)主機(jī)連接形成網(wǎng)絡(luò)，信息的處理和控制都是集中在主機(jī)上，UNIX就是典型的例子?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有以下兩種工作模式。

1.客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）模式

客戶機(jī)/服務(wù)器模式簡稱C/S模式，是目前較為流行的工作模式。它將網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)分成兩類站點(diǎn)，一類是作為網(wǎng)絡(luò)控制中心或數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器，提供文件打印、通信傳輸、數(shù)據(jù)庫等各種服務(wù)；另一類是本地處理和訪問服務(wù)器的客戶機(jī)?？蛻魴C(jī)具有獨(dú)立處理和計(jì)算能力，僅在需要某種服務(wù)時(shí)才向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求。服務(wù)器與客戶機(jī)之間的關(guān)系如圖1-1所示。

提示：服務(wù)器與客戶機(jī)的概念有多重含義，有時(shí)指硬件設(shè)備，有時(shí)又特指軟件（進(jìn)程）。在指軟件的時(shí)候，也可以稱服務(wù)（Service）和客戶（Client）。

采用這種模式的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件由兩部分組成，即服務(wù)器軟件和客戶機(jī)軟件，兩者之間的關(guān)系如圖1-2所示，其中服務(wù)器軟件是系統(tǒng)的主要部分。同一臺(tái)計(jì)算機(jī)可同時(shí)運(yùn)行服務(wù)器軟件和客戶端軟件，既可充當(dāng)服務(wù)器，也可充當(dāng)客戶機(jī)。

這一模式的信息處理和控制都是分布式的，任務(wù)由服務(wù)器和客戶機(jī)共同承擔(dān)，主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分布處理、應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方便，適用于計(jì)算機(jī)數(shù)量較多、位置相對(duì)分散、信息傳輸量較大的網(wǎng)絡(luò)。NetWare和Windows網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)采用的就是這種模式。

2.對(duì)等（Peer to Peer）模式

采用對(duì)等模式的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)允許用戶之間通過共享方式互相訪問對(duì)方的資源，聯(lián)網(wǎng)的各臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)扮演服務(wù)器和客戶機(jī)兩個(gè)角色，并且具有對(duì)等的地位。這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)是平等性、可靠性和可擴(kuò)展性較好。它適用于小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間資源共享的場合，無需購置專用服務(wù)器。Windows 8操作系統(tǒng)就內(nèi)置了對(duì)等式操作系統(tǒng)，通過相應(yīng)的設(shè)置可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)等模式網(wǎng)絡(luò)。

1.1.3 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法都在不斷更新，就網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)來說，主要有層次結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)兩種類型，其中微內(nèi)核結(jié)構(gòu)與客戶機(jī)/服務(wù)器模式結(jié)合起來。

1.內(nèi)核組織方式：單內(nèi)核與微內(nèi)核

無論采用哪種體系結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)的任務(wù)至少都可劃分為兩類：內(nèi)核模式和用戶模式。內(nèi)核是操作系統(tǒng)最底層的核心部分。以內(nèi)核模式運(yùn)行的代碼可訪問系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。為保護(hù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，只允許某些代碼以內(nèi)核模式運(yùn)行，而讓其他代碼都以用戶模式運(yùn)行。

操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本問題就是內(nèi)核的功能設(shè)計(jì)。由于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和環(huán)境不同，內(nèi)核的大小和功能有很大差別。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有兩種內(nèi)核組織方式：單內(nèi)核（monolithic kernel）和微內(nèi)核（microkernel）。

（1）單內(nèi)核

單內(nèi)核結(jié)構(gòu)在硬件層之上定義了一個(gè)抽象接口，以實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能，如進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)和存儲(chǔ)管理等，這些功能由多個(gè)運(yùn)行在內(nèi)核模式（核心態(tài)）的模塊來完成。這些模塊通常按層次劃分（圖1-3），形成垂直型結(jié)構(gòu)。盡管其中每一模塊都各自實(shí)現(xiàn)自己的功能，但內(nèi)核代碼是高度集成的，所有模塊都在同一內(nèi)核空間上運(yùn)行，模塊之間的聯(lián)系通過函數(shù)或過程調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。

單內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行效率高、核心部分簡潔。但是由于內(nèi)核具有較多的功能，整個(gè)內(nèi)核偏大，內(nèi)部模塊之間互相調(diào)用的關(guān)系較為復(fù)雜，一個(gè)很小的bug就有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。Linux和FreeBSD采用的就是典型的單內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

（2）微內(nèi)核

微內(nèi)核是一種新型結(jié)構(gòu)，其基本思想就是內(nèi)核要盡可能小，將大量的操作系統(tǒng)功能放到內(nèi)核之外去實(shí)現(xiàn)。如圖1-4所示，微內(nèi)核用水平型結(jié)構(gòu)代替垂直型結(jié)構(gòu)，內(nèi)核中僅存放那些最基本的核心操作系統(tǒng)功能；內(nèi)核外部的其他服務(wù)和應(yīng)用，作為獨(dú)立的服務(wù)器進(jìn)程，在用戶模式下運(yùn)行，這些模塊之間的聯(lián)系通過微內(nèi)核提供的消息傳遞機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

微內(nèi)核體現(xiàn)了操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思想，將內(nèi)核和核外服務(wù)程序的開發(fā)分離，可為特定應(yīng)用程序或運(yùn)行環(huán)境要求定制服務(wù)程序，具有較好的可伸縮性，簡化了實(shí)現(xiàn)，提供了靈活性，很適合網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)的構(gòu)造。另外，微內(nèi)核還能執(zhí)行保護(hù)功能。

2.層次式體系結(jié)構(gòu)

層次式體系結(jié)構(gòu)參照了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的分層，使得整個(gè)操作系統(tǒng)層次分明，如圖1-5所示。UNIX和Linux系統(tǒng)采用的就是這種體系結(jié)構(gòu)。

在采用層次結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)中，各個(gè)模塊都有相對(duì)固定的位置和相對(duì)固定的層次。在嚴(yán)格的分層結(jié)構(gòu)中，任何一層只能調(diào)用比它低的層次所提供的服務(wù)，并為其上層提供服務(wù)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是功能明確，調(diào)用關(guān)系清晰（即高層對(duì)低層單向依賴），保證設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性；各層可分別實(shí)現(xiàn)，且便于擴(kuò)充；高層錯(cuò)誤不會(huì)影響到低層。缺點(diǎn)主要是效率低、層次之間的調(diào)用開銷大、系統(tǒng)內(nèi)核比較大。

3.微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)

微內(nèi)核的提出是為了克服內(nèi)核由于功能的增加而逐漸變大的缺點(diǎn)，基本的設(shè)計(jì)思想是將操作系統(tǒng)中與硬件直接相關(guān)的部分抽取出來作為一個(gè)公共層，稱之為硬件抽象層（HAL）。如圖1-6所示，這個(gè)硬件抽象層其實(shí)就是一種虛擬機(jī)，它向所有基于該層的其他層通過API接口提供一系列標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。操作系統(tǒng)的大部分代碼只要在一種統(tǒng)一的硬件體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了。這種體系結(jié)構(gòu)將必要的核心功能集成到微內(nèi)核中，將絕大部分功能都放在微內(nèi)核外面的一組服務(wù)器（進(jìn)程）中實(shí)現(xiàn)。

微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是具有靈活性和可擴(kuò)展性，增加新的功能或設(shè)備，不必修改內(nèi)核；可靠性高，較少的微內(nèi)核代碼容易進(jìn)行測(cè)試，較少的API接口為內(nèi)核之外的操作系統(tǒng)服務(wù)生成高質(zhì)量代碼創(chuàng)造了條件；可移植性好，所有與特定CPU有關(guān)的代碼均在內(nèi)核中，因而把系統(tǒng)移植到一個(gè)新CPU上所做修改較小；支持分布式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但是，現(xiàn)代微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)還存在著許多問題，目前主要用于研究性操作系統(tǒng)。

4.與客戶機(jī)/服務(wù)器模式結(jié)合的微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)

由于客戶機(jī)/服務(wù)器模式具有很多優(yōu)點(diǎn)，微內(nèi)核操作系統(tǒng)中幾乎都采用這種模式。它將操作系統(tǒng)分成兩大部分，一部分是運(yùn)行在用戶模式并以客戶機(jī)/服務(wù)器方式運(yùn)行的進(jìn)程；另一部分是運(yùn)行在內(nèi)核模式的內(nèi)核（即操作系統(tǒng)最基本部分）。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)與客戶機(jī)/服務(wù)器模式結(jié)合方式如圖1-7所示，這種結(jié)合非常適合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及分布式計(jì)算環(huán)境。

除內(nèi)核部分外，操作系統(tǒng)的其他部分被分成若干相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)程，每一個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)一類服務(wù)，稱為服務(wù)器進(jìn)程。用戶進(jìn)程也在該層并以客戶機(jī)/服務(wù)器方式活動(dòng)，是一種客戶機(jī)進(jìn)程。用戶進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程形成了客戶機(jī)/服務(wù)器關(guān)系?？蛻魴C(jī)進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程之間是借助微內(nèi)核提供的消息傳遞機(jī)制來實(shí)現(xiàn)信息交互的。客戶機(jī)和服務(wù)器都運(yùn)行于相同的微內(nèi)核中，讓用戶和服務(wù)器都以用戶進(jìn)程的方式運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)器可以運(yùn)行單個(gè)進(jìn)程，多個(gè)客戶機(jī)、多個(gè)服務(wù)器或二者的混合。

提示：在實(shí)際應(yīng)用中，以單內(nèi)核結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)卻一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。微軟聲稱Windows網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)基于改良的微內(nèi)核架構(gòu)。

1.1.4 常用的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，市場上出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)并存的局面。各種操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面都有各自的優(yōu)勢(shì)，都極力提供跨平臺(tái)的應(yīng)用支持。目前主流的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有Windows、UNIX和Linux。Windows操作系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是便于部署、管理和使用，深受國內(nèi)企業(yè)的青睞；UNIX 版本很多，大多要與硬件相配套，一般提供關(guān)鍵任務(wù)功能的完整套件，在高端市場處于領(lǐng)先地位；Linux 憑借其開放性和高性價(jià)比等特點(diǎn)，近年來獲得了長足發(fā)展，市場份額不斷增加。

1.1.5 服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中的部署

服務(wù)器是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為用戶計(jì)算機(jī)提供各種服務(wù)的計(jì)算機(jī)，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)布等關(guān)鍵任務(wù)，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)和核心。運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵作用。

服務(wù)器一般要為網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶提供服務(wù)，用戶對(duì)服務(wù)器訪問的頻繁程度遠(yuǎn)高于對(duì)其他計(jì)算機(jī)的訪問，與服務(wù)器的連接往往成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸，為此在網(wǎng)絡(luò)中部署服務(wù)器應(yīng)當(dāng)遵循以下4項(xiàng)基本原則。

服務(wù)器應(yīng)當(dāng)直接連接到中心集線設(shè)備（交換機(jī)或路由器）。

服務(wù)器應(yīng)當(dāng)連接至集線設(shè)備所能提供的最高速率的端口上。

服務(wù)器應(yīng)當(dāng)連接至性能最高的交換機(jī)上。

將需要頻繁訪問服務(wù)器的計(jì)算機(jī)與服務(wù)器連接到同一集線設(shè)備，如果中心集線設(shè)備端口受限，盡可能將其連接到該集線設(shè)備的直接下級(jí)集線設(shè)備，以減少交換層次。

這里給出常見的服務(wù)器部署的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

1.單一服務(wù)器部署

中小型網(wǎng)絡(luò)通常部署一臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器往往承擔(dān)多種角色，如文件服務(wù)器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等，部署在網(wǎng)絡(luò)的中心位置，如圖1-8所示。

2.多服務(wù)器分層部署

大中型網(wǎng)絡(luò)通常部署多臺(tái)服務(wù)器，根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)分層級(jí)部署。如圖1-9所示，在核心層部署企業(yè)級(jí)服務(wù)器，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，如Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；在接入層或分支區(qū)域部署部門級(jí)服務(wù)器，主要為部門或分支機(jī)構(gòu)提供服務(wù)，如文件和打印服務(wù)器。

3.服務(wù)器鏈?zhǔn)讲渴?/p>

大型網(wǎng)站訪問量大，對(duì)帶寬要求高，往往需要多臺(tái)服務(wù)器來承擔(dān)不同角色并提供服務(wù)，最簡單的是鏈?zhǔn)讲渴?，讓用戶首先訪問緩存服務(wù)器，如圖1-10所示。

4.服務(wù)器群集部署

群集（Cluster）將多臺(tái)服務(wù)器連接到一起，以一臺(tái)服務(wù)器的形式向用戶提供服務(wù)，旨在提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和可用性。群集中的所有服務(wù)器通過高速網(wǎng)絡(luò)相互連接，往往共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，擁有一個(gè)公共接口，用戶通過該接口可以訪問其中任意一臺(tái)服務(wù)器，如圖1-11所示。

目前主要有兩種服務(wù)器群集類型，一種以故障轉(zhuǎn)移或容錯(cuò)為主，一旦其中有一臺(tái)或幾臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)停機(jī)，其運(yùn)行的應(yīng)用由群集中的其他服務(wù)器自動(dòng)接管，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可用性；另一種以負(fù)載均衡為主，將服務(wù)和應(yīng)用程序部署到多臺(tái)服務(wù)器，將用戶網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求分散到多臺(tái)服務(wù)器上，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。