Les systèmes d'exploitation

V 1.0 le 17/01/2012

Système d'exploitation : logiciel servant d'interface entre le matériel et les logiciels applicatifs

Appelé Operating System (OS) en anglais

permet d'assurer l'exploitation des périphériques

• disques durs

et ressources diverses

• processeur
• mémoire
• …

• SE :
  • mono-utilisateur : une seule sessions utilisateurs simultanée (MS/DOS)
  • multi-utilisateur : permet plusieurs sessions utilisateurs simultanées (Linux)
  • mono-tâche : ne permet pas l'exécution simultanée de plusieurs programmes (ex. : MS/DOS)
  • multi-tâche : permet l'exécution simultanée de plusieurs programmes (Windows XP, Linux)
  • mono-processeur : MS-DOS
  • multi-processeur : (Sun Solaris, Linux, …)

• un SE peut être adapté à :
  • un gros système (mainframe): Sun Solaris, IBM AIX, HP-UX, Linux, …
  • un poste de travail : Windows Seven, Vista, XP, …, Linux, Mac/OS, …
  • un serveur : Windows Server 2k3/8, Linux, Mac/OS server, …
  • une tablette : Android, Apple IOS, Windows
  • un téléphone portable : Android, Windows Phone, Blackberry OS
  • un routeur ou un switch : Cisco IOS
  • des appliances (box internet, NAS, …) : base Linux

• un SE propose une bibliothèque de fonctions et procédures standardisées utilisables par les programmes
  • on parle d'API : Application Programming Interface
  • API POSIX : systèmes Unix
  • API Windows pour les systèmes Microsoft

• il est chargé de l'exécutution des programmes
• dans un environnement multi-tâches, il doit être considéré comme une ressource à partager entre les différentes tâches ou processus

• un processus est un programme en exécution : il comporte
  • un espace mémoire qu'il est le seul à utiliser :
    • les instructions
    • les données en mémoire
• un processus est lancé par un utilisateur avec des droits spécifiques
• un processus est identifié par un PID (Process Identifier)
• le système gère une table des processus du système
• on peut les examiner avec les commandes
  • ps, top, pstree (Linux)
  • Gestionnaire de tâches (Windows)
• ou les interrompre (kill) si l'on dispose des droits ad-hoc.

• scheduler : c'est le programme du système d'exploitation qui contrôle le déroulement des autres programmes dans un SE multi-tâche
• il répartit le temps processeur entre les différents processus en exécution : il alloue des tranches (slices) de temps CPU (de l'ordre de 100 ms) à chacun des processus puis passe au processus suivant

• le noyau (kernel) partie fondamentale du SE qui gère les ressources (processeur, mémoire, systèmes de fichier, réseau, périphérique divers, …)
• partie critique du SE
• le noyau fonctionne en mode noyau :
  • il dispose de l'accès intégral aux ressources et de priorités élevées
• les autres programmes non fondamentaux (Firefox, OpenOffice, …) comme ceux lancés par l'utilisateur fonctionnent en mode user
  • ils disposent de droits et de priorités limités pour ne pas mettre en péril l'intégrité du stytème

• le système doit :
  • allouer un espace mémoire pour la mettre à disposition d'un programme
  • libérer l'espace mémoire à la fin du programme
  • assurer la protection et limiter l'accès à une zone mémoire

• ce mécanisme permet au SE d'exécuter des programmes dont la taille peut dépasser celle de la mémoire physique
• il libère de l'espace en stockant sur disque des blocs mémoire occupés (mécanisme de swap)
• ce stockage peut se faire dans un fichier d'échange (Windows : pagefile.sys) ou dans une partition spécifique (Linux).
• ce dispositif permet de fonctionner avec très peu de mémoire mais au prix de performances très faibles :
  • un système en production devrait disposer de suffisamment de mémoire pour ne pas swapper

• le SE pour fonctionner doit utiliser des logiciels permettant de gérer chacun des périphériques
• ces logiciels sont appelés des pilotes ou drivers
• ils sont spécifiques :
  • au matériel lui même ( Carte réseau Ethernet Intel Pro 1000 )
  • au système d'exploitation et à sa version (Windows Seven 64 bits)
• ils sont
  • soit livrés avec le SE,
  • soit avec le matériel lui-même
  • ou encore intégrés au SE (Linux)

• les dispositifs de stockage à long terme

• un disque physique est fréquemment scindé en plusieurs disques logiques pour
  • organiser plus efficacement l'espace disque
  • améliorer la séparation entre différents espaces de stockage (système, applicatifs, espace utilisateur, …)
  • améliorer la sécurité
  • permettre éventuellement l'installation de plusieurs SE (Windows, Linux, …)
  • simplifier les sauvegardes et les réinstallations
• on effectue un partitionnement du disque dur en plusieurs disques logiques

• partition primaire
  • peut démarrer
  • 4 maxi sur un disque
• partition étendue
  • nécessaire si on veut plus de 4 partitions
  • une seule partition étendue par disque
  • une partition étendue peut comporter 4 lecteurs logiques maxi

pb:/home/lee# fdisk -l
Disk /dev/sda: 40.0 GB, 40007761920 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 4864 cylinders
Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0xe02ae02a
   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sda1   *           1        1930    15502693+   7  HPFS/NTFS
/dev/sda2            1932        4864    23559322+   f  W95 Ext'd (LBA)
/dev/sda5            1932        2660     5855629+  83  Linux
/dev/sda6            2661        2757      779121   82  Linux swap / Solaris
/dev/sda7            2758        4864    16924446   83  Linux

• sous Windows, les unités ou disques logiques sont repérés par des lettres : A:, B:, C:, D:, E: … Z:
• sous Linux, les unités logiques (sda2, sd3, …) sont raccordées à la racine (root) au moyen d'une opération de montage

• file system : il permet de stocker les fichiers dans des structures en forme d'arbre
• le SE comporte un certain nombre d'utilitaires permettant d'effectuer les opérations de base :
  • copier : cp (Linux), copy (DOS)
  • renommer : mv (Linux), ren (DOS)
  • supprimer : rm (Linux), del (DOS)
  • créer/supprimer un répertoire : mkdir, rmdir
  • formatter : mkfs (Linux), format (DOS)
  • …

• chaque SE propose ses propres systèmes de fichiers
• Windows
  • FAT16, FAT32
  • NTFS
• Linux
  • ext2, ext3
  • xfs
  • ext4
• MacOS
  • HFS

• FAT : File Allocation Table
• FAT16 : taille maxi 2 Gio
• FAT32 :
  • pas de sécurité locale (pas de permissions)
  • taille maxi fichier : 4 Gio - partition : 8 TiO
  • très utilisé sur les clés USB et cartes mémoire
  • résistance moyenne aux pannes ⇒ scandisk au démarrage

• NT File System
• système de journalisation permettant une “réparation automatique” au démarrage : raisonnablement robuste
• sécurité locale
• compression éventelle
• support des quotas
• le standard pour les systèmes de fichiers windows
• taille maxi fichier : 16 Tio - partition : 256 Tio
• chiffrement possible

• ext3
• système de journalisation
• sécurité locale
• support des quotas
• le standard actuel pour les systèmes de fichiers Linux

• l'accès au système doit être réglementé pour ne pas mettre en péril son intégrité et sa sécurité
  • ⇒ nécessité d'utiliser un mécanisme d'authentification et des comptes utilisateurs
• un utilisateur est caractérisé par divers attributs (selon le SE - ici Linux) :
  • login : adupont
  • nom complet : Albert Dupont
  • son home directory : /home/adupont
  • son mot de passe (stocké sous forme chiffrée) : $1$ni0H4A2x$hQxRycgLCYE13QjAid11K0
  • son shell (Linux) : /bin/bash
  • son appartenance à différents groupes : users, …
  • …

• la gestion d'un système requiert un minimum de structuration
• on répartit les utilisateurs en groupes
• on affecte les droits et permissions à chacun des groupes plutôt qu'aux utilisateurs
• le groupe Administrateurs dispose de l'ensemble des droits d'administration sous Windows
• on dispose de groupes équivalents sous Linux (root, admin, …)

• chaque SE dispose d'utilisateurs bénéficiant de droits d'administration étendus
  • sous Linux : l'utilisateur root encore appelé superutilisateur (cf. commande su)
  • sous Windows : l'utilisateur administrateur ou les membres du groupe administrateurs
• l'administrateur a le droit de tout faire (surtout sous Linux: Linux vous donne la longueur de corde qu'il vous faut pour vous pendre. Et pour être sûr, on rajoute un mètre !

• l'authentification consiste à vérifier l'identité d'une personne ou d'un ordinateur au moyen de divers procédés : mot de passe, paire de clés, …
• elle peut être locale : quand elle est effectuée avec une base de comptes locale (SAM locale pour Windows, fichier /etc/password pour Linux, …)
• ou centralisée et distante au moyen d'un serveur d'annuaire (Active Directory pour Windows, LDAP pour Linux, …)
• les comptes utilisateur décrits plus haut peuvent être des comptes
  • locaux : situés sur la machine à laquelle on se connecte
  • globaux : situé sur un machine distante (Contrôleur de domaine Microsoft, serveur d'annuaire ,…)

• historiquement mode texte (25 lignes x 80 colonnes) en “ligne de commande”
  • efficace mais austère et peu convivial : peu adapté au grand public
  • utilise un interpréteur de commande
    • sh, bash, … en Linux
    • command, cmd pour Windows
• depuis les année 80, interface graphique avec la souris
  • Mac d'Apple
  • X-Window pour les machines Unix
  • Windows

• à l'origine, les SE sont des SE pour les gros systèmes
• dans les années 80, apparaissent la micro-informatique et des SE simples :(MS/DOS, CPM, …) dans un environnement en mode texte
• au milieu des années 80, apparaissent les interfaces graphiques sur Mac et sur PC avec Windows
• c'est aussi l'apparition de la famille Unix, orientée multi-utilisateur et gestion puis un mode graphique apparaît avec X-Window,
• enfin cette famille donnera naissance à Linux et à Mac/OS

• famille poste de travail
  • MS-DOS : année 80 - système 16 bits - mode texte
  • Windows 1 2, 3.1 : 16 bits - interface graphique
  • Windows 95 : système 32 bit -“vrai multitâche”
  • Windows 2000, XP
  • Windows Vista, Seven

• famille serveur
  • Windows NT server 3.5, 4.0 (1996)
  • Windows 2000 Server
  • Windows 2003, 2008 server

• Linux depuis 1991 (distributions Debian, Ubuntu, Redhat, Centos, Suse, …)
• famille BSD -
  • NetBSD
  • OpenBSD
  • FreeBSD,
• Mac/OS
• AIX (IBM)
• Solaris (Sun)
• HP/UX (HP)

• s'assurer de disposer des ressources nécessaires
  • espace disque
  • mémoire
  • processeur
  • carte réseau
  • carte graphique
• et du support d'installation : CD/DVD, clé USB, …

• machine
  • physique
  • virtuelle
• péripérique d'installation
  • CD/DVD (ou image ISO si machine virtuelle)
  • clé USB
  • réseau (PXE)
• schéma de partitionnement
  • monopartition (le plus simple)
  • multipartition : plus élaboré - adapté à un serveur mais nécessite de faire un plan de partitionnement

• MBR : Master Boot Record
  • ou zone amorce : premier secteur d'un disque dur - 512 octets
    • cylindre 0, tête 0 et secteur 1, ou secteur 0 en adressage logique)
  • contient la table des partitions (4 primaires)
  • comporte aussi un code d'amorçage permettant de charger le SE (ou le boot loader/chargeur d'amorçage s'il existe) présent sur la partition active.

• bootloader: chargeur d'amorçage : il permet de choisir le SE à lancer
• le BIOS lit le MBR puis le VBR de la partition active
• à partir de ces informations, il peut déterminer l'emplacement du chargeur d'amorçage et le lancer
  • exemples de chargeurs d'amorçage :
    • GRUB, GRUB
    • LILO
    • ntldr (Windows NT et XP)
    • winload.exe (Vista et Seven)
• remarque : les bootloaders Windows ne tiennent pas compte des partitions Linux existantes
• à la fin d'une installation Linux, si on n'installe pas GRUB, on n'est pas capable de redémarrer …