دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب

يدعم نظام التشغيل العملية الكاملة للحواسيب الحديثة، فهو عنصر أساسي في معمارية الحواسيب، لذا سنتعرّف في هذا المقال على دوره وكيفية تنظيمه.

تجريد العتاد

تتمثل العملية الأساسية لنظام التشغيل Operating System -أو OS اختصارًا- في تجريد Abstraction العتاد للمبرمج والمستخدِم، إذ يوفّر نظام التشغيل واجهات عامة للخدمات التي يقدمها العتاد الأساسي، كما يجب على المبرمجين معرفة تفاصيل العتاد الأساسي الأكثر خصوصيةً لتشغيل أيّ شيء في عالم خال من أنظمة التشغيل، إذ لن تعمل برامجهم على عتاد آخر حتى عند وجود اختلافات طفيفة في هذا العتاد.

تعدد المهام Multitasking

نتوقع من الحواسيب الحديثة تنفيذ العديد من الأشياء المختلفة في وقت واحد، لذا يجب التحكيم بين جميع البرامج المختلفة التي تعمل على النظام، ويُعَدً ذلك وظيفة أنظمة التشغيل التي تسمح بحدوث ذلك بسلاسة، فنظام التشغيل مسؤول عن إدارة الموارد داخل النظام، إذ تتنافس المهام المتعددة على موارده أثناء تشغيله بما في ذلك وقت المعالج والذاكرة والقرص الصلب ودخل المستخدِم، كما تتمثل وظيفته في التحكيم في وصول المهام المتعددة لهذه الموارد بطريقة منظمة.

لا بد أنك مررت بفشل حاسوبك وتعطله مثل ظهور شاشة الموت الزرقاء Blue Screen of Death الشهيرة بسبب التنافس على هذه الموارد.

الواجهات الموحدة Standardised Interfaces

يرغب المبرمجون في كتابة برامج تعمل على أكبر عدد ممكن من المنصات العتادية، ويمكن ذلك من خلال دعم نظام التشغيل للواجهات الموحَّدة المعيارية، فإذا كانت دالة فتح ملف مثلًا على أحد الأنظمة open()‎ وكانت open_file()‎ و openf()‎ على نظام آخر، فسيواجه المبرمجون مشكلةً مزدوجةً تتمثل في الاضطرار إلى تذكّر ما يفعله كل نظام مع عدم عمل البرامج على أنظمة متعددة.

تُعَدّ واجهة نظام التشغيل المتنقلة Portable Operating System Interface -أو POSIX اختصارًا- معيارًا مهمًا للغاية تطبّقه أنظمة تشغيل من نوع يونيكس UNIX، كما يملك نظام مايكروسوفت ويندوز معايير مشابهة، ويأتي حرف X في POSIX من نظام يونيكس Unix الذي نشأ منه المعيار، وهو اليوم الإصدار رقم 3 من مواصفات يونيكس الواحدة Single UNIX Specification Version 3 أو ISO/IEC 9945:2002 نفسه، كما أنه معيار مجاني ومتاح على الإنترنت.

كانت مواصفات يونيكس الواحدة ومعايير POSIX كيانات منفصلةً سابقًا، وقد أصدر اتحاد يسمّى المجموعة المفتوحة Open Group مواصفات يونيكس الواحدة، وكان متاحًا مجانًا وفقًا لمتطلبات هذا الاتحاد، وأحدث إصدار هو الإصدار الثالث من مواصفات يونيكس الواحدة، كما أُصدِرت معايير IEEE POSIX بوصفها معايير بالشكل [رقم المراجعة، رقم الإصدار].IEEE Std 1003، ولم تكن متاحةً مجانًا، وأحدث إصدار منها هو IEEE 1003.1-2001 وهو مكافئ للإصدار الثالث من مواصفات يونيكس الواحدة.

دُمِج هذان المعياران المنفصلان فيما يُعرف باسم الإصدار الثالث من مواصفات يونيكس الواحدة، ووحّدته منظمة ISO بالاسم ISO/IEC 9945:2002 في بداية عام 2002، لذا عندما يتحدث الناس عن معيار POSIX أو SUS3 أو ISO/IEC 9945:2002، فإنهم يعنون الشيء نفسه.

الأمن

يُعَدّ الأمن مهمًا جدًا في الأنظمة متعددة المستخدِمين، إذ يكون نظام التشغيل -بصفته المتحكّم في الوصول إلى النظام- مسؤولًا عن ضمان أنّ الأشخاص الذين لديهم الأذونات الصحيحة فقط يمكنهم الوصول إلى الموارد، فإذا امتلك مستخدِم أحد الملفات مثلًا، فلا ينبغي السماح لمستخدِم آخر بفتحه وقراءته، ولكن هناك حاجة لوجود آليات لمشاركة هذا الملف بأمان بين المستخدِمين إذا أرادوا ذلك.

أنظمة التشغيل هي برامج كبيرة ومعقدة تحتوي على مشكلات أمنية في أغلب الأحيان، إذ يستفيد الفيروس أو الدودة الفيروسية من هذه الأخطاء غالبًا للوصول إلى الموارد التي لا ينبغي السماح لها بالوصول إليها مثل الملفات أو اتصال الشبكة، لذا يجب عليك تثبيت حزم التصحيح أو التحديثات التي يوفرها مصنّع نظام التشغيل لمحاربتها.

الأداء

يوفِّر نظام التشغيل العديد من الخدمات للحاسوب، لذلك يُعَدّ أداؤه أمرًا بالغ الأهمية، إذ تعمل أجزاء كثيرة من نظام التشغيل بصورة متكررة، كما يمكن أن تؤدي زيادة عدد دورات المعالج إلى انخفاض كبير في أداء النظام، ويحتاج نظام التشغيل لاستغلال ميزات العتاد الأساسي للتأكد من الحصول على أفضل أداء ممكن لإجراء العمليات، وبالتالي يجب على مبرمجي الأنظمة فهم التفاصيل الدقيقة للمعمارية التي يبنون نظام التشغيل من أجلها.

تكون مهمة مبرمجي الأنظمة في كثير من الحالات هي تحديد سياسات النظام، إذ تؤدي الآثار الجانبية لجعل جزء من نظام التشغيل يعمل بصورة أسرع إلى جعل جزء آخر يعمل بصورة أبطأ أو أقل كفاءة، لذا يجب على مبرمجي الأنظمة فهم كل هذه المقايضات عند بناء نظام التشغيل.

تنظيم نظام التشغيل

يُعَدّ نظام التشغيل منظمًا تقريبًا كما في الصورة التالية:

تنظيم النواة Kernel: تُشغَّل عمليات النواة مباشرةً في مجال المستخدِم Userspace، وتتواصل النواة مباشرةً مع العتاد Hardware وعبر المشغّلات Drivers.

النواة Kernel

تُعَدّ النواة نظام تشغيل، وتجرّد المشغّلات Drivers العتاد للنواة كما تجرّد النواة العتاد لبرامج المستخدِم، حيث يوجد العديد من أنواع بطاقات الرسوم المختلفة على سبيل المثال، ولكل منها ميزات مختلفة قليلًا عن بعضها البعض، ولكن طالما أن النواة تصدّر واجهة برمجة تطبيقات API، فيمكن للأشخاص الذين لديهم إذن الوصول إلى مواصفات العتاد كتابةُ برامج للمشغّلات لتطبيق هذه الواجهة، ويمكن للنواة باستخدام هذه الطريقة الوصول إلى أنواع مختلفة من العتاد.

تُوصَف النواة بأن لها صلاحيات Privileged، فللعتاد أدوار مهمة يؤديها لتشغيل مهام متعددة والحفاظ على أمان النظام، ولكن لا تُطبَّق هذه القواعد على النواة، كما يجب أن تتعامل النواة مع البرامج التي تتعطل، فوظيفة أنظمة التشغيل هي فقط تنظيم العمل والتحكيم بين العديد من البرامج التي تعمل على النظام نفسه، وليس هناك ما يضمن أنها ستتصرف لحل المشاكل، ولكن سيصبح النظام بأكمله عديم الفائدة في حالة تعطل أي جزء داخلي من نظام التشغيل، كما يمكن أن تستغل عمليات المستخدِم مشاكل الأمان لترفع مستواها إلى مستوى صلاحيات النواة، وبالتالي يمكنها الوصول إلى أيّ جزء من النظام.

النواة الأحادية Monolithic والنواة الدقيقة Microkernel

أحد الأمور الجدلية التي تُطرَح غالبًا حول أنظمة التشغيل هو ما إذا كانت النواة أحادية Monolithic أو نواة دقيقة Microkernel.

تُعَدّ النواة الأحادية الأكثر شيوعًا كما هو الحال في معظم أنظمة يونيكس الشائعة مثل لينكس، إذ تكون النواة في هذا النموذج ذات صلاحيات كبيرة، وتحتوي على مشغّلات العتاد ومتحكمات الوصول إلى نظام الملفات وفحص الأذونات والخدمات مثل نظام ملفات الشبكة Network File System -أو NFS اختصارًا.

تتمتع النواة دائمًا بصلاحيات، لذلك إذا تعطل أيّ جزء منها، فيُحتمَل أن يتوقف النظام بأكمله، وإذا كان لدى مشغّل خطأ برمجي ما bug، فيمكنه الكتابة في أيّ ذاكرة في النظام دون أيّ مشاكل، مما يؤدي في النهاية إلى تعطل النظام.

تحاول معمارية النواة الدقيقة تقليل هذا الاحتمال من خلال جعل الجزء الذي يمتلك الصلاحيات من النواة صغيرًا قدر الإمكان. هذا يعني أن معظم النظام يعمل كبرامج دون صلاحيات، مما يحد من الضرر الذي يمكن أن يسبّبه أيّ مكونٍ معطَّل، فمثلًا يمكن تشغيل مشغّلات العتاد في عمليات منفصلة، وبالتالي إذا تعطّل أحد هذه المشغّلات، فلن يتمكّن من الكتابة في أيّ ذاكرة غير تلك المخصصة له.

تبدو معمارية النواة الدقيقة جيدةً، ولكنها ستؤدي إلى المشكلتين التاليتين:

انخفاض الأداء، إذ يمكن أن يؤدي التواصل بين العديد من المكونات المختلفة إلى تقليل الأداء.
يُعَدّ تطبيقها أصعب قليلًا على المبرمجين.

تأتي هذه المشاكل بسبب تطبيق معظم الأنوية الدقيقة باستخدام نظام قائم على تمرير الرسائل Message Passing بهدف الحفاظ على الفصل بين المكونات، ويشار إلى هذا النظام عادةً باسم التواصل بين العمليات Inter-process Communication أو IPC اختصارًا.

يحدث التواصل بين المكونات باستخدام رسائل منفصلة يجب تجميعها ضمن حزم وإرسالها إلى المكوِّن الآخر وتفكيكها وتشغيلها وإعادة تجميعها وإعادة إرسالها ثم تفكيكها مرةً أخرى للحصول على النتيجة، وهذه خطوات كثيرة لطلبٍ بسيط إلى حد ما من مكون خارجي، ويمكن أن تجعل أحد الطلبات المكون الآخر يُجري طلبات أكثر لمكونات أكثر، وستتفاقم المشكلة.

كانت تطبيقات تمرير الرسائل البطيئة مسؤولة إلى حد كبير عن الأداء الضعيف لأنظمة النواة الدقيقة القديمة، وكانت مفاهيم تمرير الرسائل أصعب قليلًا على المبرمجين، ولم تكن الحماية المُحسَّنة من تشغيل المكونات بصورة منفصلة كافيةً للتغلب على هذه العقبات في أنظمة النواة الدقيقة القديمة، لذا أصبحت قديمة الطراز، في حين تكون الاستدعاءات بين المكونات استدعاءات وظيفيةً بسيطةً في النواة الأحادية كما هو معتاد لدى جميع المبرمجين.

لا توجد إجابة محددة حول أفضل تنظيم، وقد بدأت العديد من المناقشات في الأوساط الأكاديمية وغير الأكاديمية حول ذلك، لذا نأمل أن تكون قادرًا على اتخاذ قرار بنفسك عندما تتعلم المزيد عن أنظمة التشغيل.

الوحدات Modules

تطبّق نواة لينكس نظام الوحدات، حيث يمكن تحميل المشغّلات في النواة المشغَّلة مباشرةً كما هو مطلوب، وهذا أمر جيد لأنّ المشغّلات التي تشكّل جزءًا كبيرًا من شيفرة نظام التشغيل لا تُحمَّل للأجهزة غير الموجودة في النظام، كما يمكن لأيّ شخص يريد أن يصنع أكثر نواة عامة ممكنة -أي تعمل على العديد من الأجهزة المختلفة مثل RedHat أو Debian- تضمينَ معظم المشغّلات بوصفها وحدات تُحمَّل فقط إذا احتوى النظام الذي يعمل عليه على العتاد المتاح، لكن تُحمَّل الوحدات مباشرةً في النواة ذات الصلاحيات وتعمل على مستوى الصلاحيات نفسه لبقية أجزاء النواة، لذلك لا يزال يُعَدّ النظام نواةً أحاديةَ.

الافتراضية Virtualisation

يرتبط مفهوم العتاد الوهمي أو الافتراضي ارتباطًا وثيقًا بالنواة، إذ تُعَدّ الحواسيب الحديثة قوية جدًا، ولا يُفضَّل استخدامها على أساس نظام واحد كامل، وإنما تقسيم الحاسوب الحقيقي الواحد إلى آلات افتراضية منفصلة virtual machines، إذ تبحث كلٌّ من هذه الآلات الافتراضية عن جميع الأهداف والأغراض بوصفها آلة منفصلة تمامًا بالرغم من أنها فيزيائيًا موجودة في المكان نفسه.

بعض طرق تطبيق الافتراضية المختلفة

يمكن تنظيم الافتراضية بعدة طرق مختلفة، إذ يمكن تشغيل مراقب آلة افتراضية Virtual Machine Monitor صغير مباشرةً على العتاد وتوفير واجهة لأنظمة تشغيل المضيف التي تعمل في الأعلى، ويُطلَق على مراقب الآلة الافتراضية VMM اسم المشرف Hypervisor من الكلمة Supervisor.

يشترك المشرف في كثير الأمور مع النواة الدقيقة، كما يسعيان ليكوّنا طبقات صغيرةً لتقديم العتاد بطريقة آمنة عن الطبقات التي تعلوها، ويمكن ألّا يكون لدى نظام التشغيل الموجود في الطبقة العليا أيّ فكرة عن وجود المشرف Hypervisor على الإطلاق، إذ يقدم هذا المشرف ما يبدو أنه نظام كامل، ويعترض العمليات بين نظام التشغيل المضيف والعتاد ويقدّم مجموعةً فرعيةً من موارد النظام لكل منها.

يُستخدَم المشرف غالبًا على الأجهزة الكبيرة التي تحتوي على العديد من وحدات المعالجة المركزية والكثير من ذواكر RAM لتطبيق عملية التجزيء Partitioning، وهذا يعني أنه يمكن تقسيم الجهاز إلى أجهزة افتراضية أصغر، كما يمكنك تخصيص المزيد من الموارد لتشغيل الأنظمة حسب المتطلبات، ويُعَدّ المشرفون الموجودون على العديد من أجهزة IBM الكبيرة معقدةً للغاية مع ملايين الأسطر من الشيفرة البرمجية مع توفير العديد من خدمات إدارة النظام.

الخيار الآخر هو جعل نظام التشغيل على دراية بالمشرف الأساسي وطلب موارد النظام عبره، إذ يشار إلى ذلك في بعض الأحيان باسم شبه الوهمية Paravirtualisation نظرًا لطبيعته غير المكتملة، وهو مشابه للطريقة التي تعمل بها الإصدارات الأولى من نظام Xen الذي يُعَدّ حلًا وسطًا، إذ توفّر هذه الطريقة أداءً أفضل لأن نظام التشغيل يطلب صراحةً موارد النظام من المشرف عند الحاجة بدلًا من أن يطبّق المشرف الأمور آليًا.

أخيرًا، يمكن أن تصادف موقفًا حيث يقدّم التطبيق الذي يعمل على نظام التشغيل الحالي نظامًا وهميًا يتضمن وحدة معالجة مركزية وذاكرةً ونظام BIOS وقرص صلب وغير ذلك، ويمكن تشغيل نظام تشغيل عادي عليه، إذ يحوّل التطبيق الطلبات إلى العتاد ثم إلى العتاد الأساسي عبر نظام التشغيل الحالي، وهذا مشابه لكيفية عمل برنامج VMWare.

تتطلب هذه الطريقة تكلفةً أكبر، إذ يتعين على عملية التطبيق محاكاة نظام بأكمله وتحويل كل شيء إلى طلبات من نظام التشغيل الأساسي، ولكنها تتيح محاكاةً معماريةً مختلفةً تمامًا، إذ يمكنك ترجمة التعليمات آليًا من نوع معالج إلى آخر كما يفعل نظام روزيتا Rosetta مع برمجيات Apple التي انتقلت من معالج PowerPC إلى المعالجات القائمة على إنتل Intel.

يُعَدّ الأداء مصدر قلق كبير عند استخدام أيّ من تقنيات الوهمية، إذ يجب أن تمر العمليات -التي كانت تُعَدّ سابقًا عمليات سريعةً ومباشرةً على العتاد- عبر طبقات التجريد.

ناقشت شركة إنتل Intel دعم العتاد للوهمية لتكون موجودةً في أحدث معالجاتها، إذ تعمل هذه التوسعات من خلال رفع استثناء خاص للعمليات التي يمكن أن تتطلب تدخّل مراقب الآلة الافتراضية، وبالتالي فإن المعالج يشبه المعالج غير الافتراضي الخاص بالتطبيق الذي يعمل عليه، ولكن يمكن استدعاء مراقب الآلة الافتراضية عندما يقدّم هذا التطبيق طلبات للحصول على موارد يمكن مشاركتها بين أنظمة تشغيل المضيف الأخرى.

يوفّر ذلك أداءً فائقًا لأنّ مراقب الآلة الافتراضية لا يحتاج إلى مراقبة كل عملية لمعرفة ما إذا كانت آمنةً، ولكن يمكنه الانتظار حتى يُعلِم المعالج بحدوث شيء غير آمن.

القنوات السرية Covert Channels

إذا لم يكن تقسيم النظام ساكنًا وإنما آليًا، فهناك مشكلة أمنية محتملة متضمنة في النظام ويُعَدّ هذا عيبًا أمنيًا يتعلق بالآلات الافتراضية. تُخصَّص الموارد لأنظمة التشغيل التي تعمل في الطبقة العليا حسب الحاجة في النظام الآلي، وبالتالي إذا كان أحد هذه الأنظمة ينفّذ عمليات مكثفةً لوحدة المعالجة المركزية بينما ينتظر النظام الآخر وصول البيانات من الأقراص الصلبة، فستُمنَح المهمة الأولى مزيدًا من طاقة وحدة المعالجة المركزية، في حين سيحصل كل منهما على 50% من طاقة وحدة المعالجة المركزية في النظام الساكن، وسيُهدَر الجزء غير المستخدَم.

يفتح التخصيص الآلي قناة اتصال بين نظامَي التشغيل التي تكون كافيةً للتواصل في نظام ثنائي في أيّ مكان يمكن الإشارة فيه إلى تلك الحالتين، لكن تخيل أنّ كلا النظامين آمنان جدًا، ولا ينبغي أن تكون أيّ معلومات قادرةً على المرور بينهما على الإطلاق، كما يمكن أن يتآمر شخصان لديها إذن وصول لتمرير المعلومات فيما بينهما من خلال كتابة برنامجين يحاولان أخذ كميات كبيرة من الموارد في الوقت نفسه.

إذا أخذ أحدهما مساحةً كبيرةً من الذاكرة، فسيكون هناك قدر أقل من المساحة المتاحة للآخر؛ أما إذا تعقّبا الحد الأقصى من التخصيصات، فيمكن نقل القليل من المعلومات فقط، ولنفترض أنهما اتفقا على التحقق في كل ثانية مما إذا كان بإمكانهما تخصيص هذا القدر الكبير من الذاكرة، فإذا كان الطرف الهدف قادرًا على ذلك، فستُعَدّ هذه الحالة 0 ثنائيًا، وإذا لم يستطع ذلك -أيّ أن الجهاز الآخر يحتوي على كل الذاكرة-، فستُعَدّ هذه الحالة 1 ثنائيًا، كما أنه ليس معدل البيانات المُقدَّر ببت واحد في الثانية مذهلًا، ولكن هذا يدل على وجود تدفق للمعلومات.

يسمى ذلك بالقناة السرية Covert Channel، وهذا يظهِر أنّ الأمور ليست بهذا البساطة على مبرمج الأنظمة بالرغم من وجود أمثلة عن انتهاكات أمنية في مثل هذه الآليات.

مجال المستخدم

نسمي المكان الذي يشغِّل فيه المستخدِم البرامج باسم مجال المستخدِم Userspace، إذ يعمل كل برنامج في مجال مستخدِم، ويتواصل مع النواة عبر استدعاءات النظام التي سنوضحّها في المقال القادم، كما لا يتمتع مجال المستخدِم بصلاحيات Unprivileged، إذ يمكن لبرامج المستخدِم تطبيق مجموعة محدودة فقط من الأشياء، ويجب ألّا تكون قادرةً على تعطيل البرامج الأخرى حتى إذا تعطلت هي نفسها.

ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين Operating System Organisation و The role of the operating system من الفصل The Operating System من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand.