itmo_conspects

Лекция 2. Архитектура, управление и конфигурация Windows

Windows, как и другие операционные системы, представляет собой слой абстракции между программным обеспечение и устройством, на котором обеспечение запускается

Архитектура Windows

Изначально, проект Multics, прародитель Unix, ставил цель сделать ОС для многих пользователей, поэтому в Multics было 8 колец защиты (или привилегий). Кольцо 0 было наиболее привилегированным и использовалось для ядра или супервизора системы, а остальные 7 колец использовались для других подсистем, служб супервизора и пользовательских приложений. Чем больше номер кольца, тем менее возможностей взаимодействия с устройствами ПК имел процесс

Операционная система Windows же разрабатывалась для IBM-PC-совместимых компьютеров, то есть компьютеров с процессором архитектуры x86. Компания Intel, разработавшая архитектуру x86 и процессор Intel 80286, аппаратно реализовала 4 кольца привилегий в процессоре:

• Кольцо 0 - ядро операционной системы и драйвера
• Кольцо 1 - вспомогательные службы
• Кольцо 2 - системы ввода/вывода и драйвера файловых систем
• Кольцо 3 - пользовательские приложения

Процессор знает, в каком кольце исполняется текущий код благодаря машинному регистру, отвечающему за это, из-за чего понимал, что делать, если инструкция обращается к памяти чужого процесса или выполняемая инструкция неправильная

На практике ранние версии Windows (3.x, 95, 98 и Millennium Edition) использовали 2 кольца - 0 и 3. Затем при создании Windows NT учитывалось, что операционная система будет работать на процессорах не только архитектуры x86, но MIPS, Alpha и PowerPC, которые имеют только 2 кольца привилегий: привилегированный и пользовательский режимы. Также, Поэтому кольца 1 и 2 в системе Windows (как и в других системах, таких как Linux и macOS) не используются

---

Современное ядро Windows NT имеет гибридную архитектуру, хотя изначально OS/2 планировалась как система с микроядерной архитектурой. Из-за этого некоторые существенные компоненты работают в пользовательском режиме

В пользовательском режиме работают:

• 32-разрядные и 64-разрядные пользовательские приложения Windows (а также приложения POSIX)
• Процессы служб, например, службы планировщика задач и диспетчера печати
• Системные процессы, такие как диспетчера сеанса Windows (smss.exe, от Session Manager Subsystem), программа входа в систему Windows (winlogon.exe) и согласованный пользовательский интерфейс для административных приложений (consent.exe)
• Подсистемы окружения Windows, которые дают среды выполнения ля приложений разных программных программ, например, WSL (с Windows 10) или OS/2 (до Windows 2000)

Отличия пользовательских приложений и процесс служб от системных процессов и подсистем окружения являются в использовании разных интерфейсов:

• Программный интерфейс DLL, который хорошо задокументирован
• NTDLL.DLL, у которого нет публичной документации, но имеет расширенные возможности

В режим ядра работают:

• Исполнительная система - низкоуровневые функции операционной системы, такие как диспетчеризация потоков, диспетчеризация прерываний и исключений и мультипроцессорная синхронизация

  Исполнительная система состоит из этих компонентов:

  • Менеджер ввода/вывода связывает устройства с подсистемами пользовательского режима и преобразует команды чтения и записи пользовательского режима в I/O Request Packets, которые передаются драйверам устройств
  • Контрольный монитор безопасности (SRM, Security Reference Monitor) обеспечивает соблюдение правил безопасности и определяет, можно ли получить доступ к объекту или ресурсу, используя ACL
  • Диспетчер PnP (от Plug-and-Play, “подключи и играй”) управляет и поддерживает обнаружение и установку устройства во время загрузки, остановку и запуск устройств, основная часть фактически реализована в пользовательском режиме, в службе Plug-and-Play
  • Диспетчер памяти управляет виртуальной памятью, ее защитой и подкачкой из физической
  • Менеджер питания работает с событиями питания (отключение питания, режим ожидания, спящий режим) и уведомляет затронутые драйверы, используя внутрипроцессные коммуникации
  • Менеджер процессов управляет созданием и завершением процессов, потоков и задач (Job - группы процессов, которые могут быть завершены как единое целое или помещены под общие ограничения)
  • Локальный вызов процедур (Local Procedure Call, LPC) - компонент, который предоставляет порты межпроцессного взаимодействия. Порты LPC используются подсистемами пользовательского режима для связи со своими клиентами, подсистемами исполнительной системы для связи с подсистемами пользовательского режима и в качестве основы для локального транспорта для Microsoft RPC
  • Диспетчер объектов - интерфейс между модулями исполнительной подсистемы и ядром с драйверами, который транслирует системные вызовы в ядро

• Графический пользовательский интерфейс (GUI) - реализация функция графического интерфейса, работа с окнами, элементы пользовательского интерфейса и графический вывод

• Ядро Windows (ntoskrnl.exe) - низкоуровневые функции ОС: планирование потоков, диспетчеризация прерываний и исключений и многопроцессорная синхронизация. Оно также предоставляет набор функций и базовых объектов, которые используются исполнительной системой для реализации высокоуровневых конструкций

• Драйверы устройств (*.sys в папке Windows\System32\Drivers) - драйверы физических устройств, преобразующие вызовы пользовательских функций ввода/вывода в конкретные запросы к устройству, и драйверы устройств, не относящихся к физическому оборудованию, например драйверы файловой системы, сети

• Слой абстрагирования оборудования (он же HAL, Hardware Abstraction Layer или машинно-зависимые модули, hal.dll), который изолирует ядро, драйверы устройств и прочий исполняемый код от платформенно-зависимых различий в работе оборудования

Отдельно уровнем ниже существует гипервизор, который состоит из нескольких внутренних уровней и служб: собственный диспетчер памяти, планировщик виртуальных процессов, управление прерываниями и таймером, функции синхронизации, разделы (экземпляры виртуальных машин), внутрипроцессные коммуникации (IPC, Inter-Process Communication) и другое

---

Сейчас Windows 11 работает на процессорах с архитектурой x86-64 и ARM64. Версии с Windows 95 по Windows 10 поддерживают 32-битные процессоры архитектуры x86. Отдельная версия Windows RT (основанная на Windows 8 и 8.1) поддерживает процессоры архитектуры ARM32 (в том числе отдельные системы на чипе из семейства Nvidia Tegra). Ранние версии Windows работала на процессорах с архитектурой Itanium, DEC Alpha, PowerPC, MIPS

Сама система Windows написана на языках C, C++ и на языке ассемблера. Независимость от архитектуры в Windows обеспечивается изменение машинно-зависимых модулей и ядра

Ядро Windows поддерживает симметричную мультипроцессорность, то есть потоки процесса исполняются на любых ядрах с общей памятью, а также многоядерные, гиперпотоковые (Hyper-Threading) процессоры и технологию доступа к неоднородной памяти NUMA (Non-Uniform Memory Architecture) для систем с несколькими процессорами (память в NUMA разделяется NUMA-группы, которые распределяются отдельным процессорам)

Также Windows имеет ограничения до 64 физических процессоров (при этом неограниченное число логических ядер) и до 20 сокетов NUMA

Управление

Операционная система Windows Server может управляться с помощью таких инструментов:

• Microsoft Management Console (mmc.exe) - консоль управления Microsoft
• Windows Admin Center
• Microsoft System Center - программный пакет для управления и мониторинга, а именно:
  • System Center Configuration Manager - управление и развертывание
  • System Center Data Protection Manager - бекап и антивирус
  • System Center Operations Manager - мониторинг
  • System Center Orchestrator - оркестрация, автоматизация развертывания
  • System Center Service Manager - HelpDesk и ServiceDesk
  • System Center Virtual Machine Manager - управляет HyperV, VMWare ESXi, VMWare vCenter
• Оболочка PowerShell
• Командная строка и скрипты BAT/CMD
• WMI (Windows Management Instrumentation)

Файловая структура

Windows имеет стандартную структуру каталогов:

• Системный каталог Windows (в пользовательских компьютерах чаще всего C:\Windows, полный путь хранится в переменной окружения SystemRoot). В качестве ссылки на каталог Windows используются %SystemRoot% или %WinDir%
  • Windows\System32 - основные 64-битные системные файлы (динамические библиотеки .dll и исполняемые файлы .exe)
  • Windows\SysWOW64 (от Windows on Windows 64-bit) - 32-битные версии файлов для запуска старых программ
  • Windows\WinSxS (от Side-by-Side) и Windows\Servicing\Packages - компоненты Windows
  • Windows\SoftwareDistribution и Windows\servicing\LCU (от Last Cumulative Update) - каталоги пакетов обновлений
• Каталог ProgramData для хранения данных приложений и установочных файлов
• Каталоги Program Files и Program Files (x86) для приложений (соответственно 64-битные и 32-битные)
• Каталог PerfLogs для хранения журналов производительности
• Каталог Recovery для хранения образа среды восстановления
• Каталог $Recycle.Bin, который представляет “Корзину”
• Каталог System Volume Information, который хранит файлы, позволяющие восстановить состояние системы в случае серьезных сбоев
• Каталог Users (в русской версии отображается как Пользователи) для хранения данных пользователей
  • Каталоги Users/All Users и Users/Default для хранения специальных профилей
  • Users\%имя-пользователя%\Documents (Документы) - документы
  • Users\%имя-пользователя%\Desktop (Рабочий стол) - каталог файлов, иконки которых отображаются на рабочем столе системы
  • Users\%имя-пользователя%\AppData - данные приложений этого пользователя
    • Users\%имя-пользователя%\AppData\Local - локальные для этого компьютера данные приложений (например, кэш браузера)
    • Users\%имя-пользователя%\AppData\LocalLow - данные приложений, работающих в изолированной среде
    • Users\%имя-пользователя%\AppData\Roaming - данные приложений, которые должны следовать за пользователем при входе в одну учетную запись на разных компьютерах (полезно для офисов)
• pagefile.sys - виртуальный файл подкачки
• swapfile.sys - аналог pagefile.sys для приложений, созданных на UWP (Universal Windows Platform)
• hiberfil.sys - файл для работы гибернации. При входе в режим гибернации оперативная память копируется в этот файл, из-за чего экономится больше энергии, чем в спящем режиме

Каталоги Windows, Recovery и файл Hiberfil.sys обязаны находится на системного разделе диска, а Program Files, ProgramData и Users могут находится вне, но через костыли

Конфигурация

Конфигурация Windows хранится в конфигурационных файлах разных форматов (.ini, .xml, .json, .conf) и в реестре

Реестр Windows - это набор бинарных файлов для хранения конфигурации в виде дерева

Преимущества:

• Единое хранилище конфигурации и единый механизм хранения настроек
• Типизация параметров
• Встроенная безопасность
• Возможность бекапов

Недостатки:

• Единая точка отказа
• Затрудненность работы с параметрами
• Плохая документированность и читаемость

Реестр хранит значения этих типов:

• Двоичный. Получил наибольшее распространение и используется во всех разделах. При выдаче в редакторе реестра предусматривается применение 16х формата.
• DWORD - 4-байтное слово. Необходимо для осуществления хранения параметров драйверов и различных программ
• Расширяемая строка данных. Основное отличие от строкового параметра заключается в отсутствии четкого фиксирования длины.
• Многострочный. Используется более чем одна строка. Довольно часто применяется при необходимости хранения табличных данных.
• Строковый. Строка текста, которая обладает фиксированной длиной.
• QWORD - 8-байтное слово

• Ссылка - символическая ссылка в формате Unicode

• REG_SZ - обычная текстовая строка, используется для хранения путей, имен и других текстовых данных фиксированной длины.
• REG_DWORD - 32-разрядное число, применяется для хранения числовых параметров конфигурации, флагов и настроек
• REG_QWORD - 64-разрядное число
• REG_BINARY- двоичные данные, информация отображается в шестнадцатеричном формате, чаще всего применяется для параметров оборудования и графических настроек
• REG_MULTI_SZ - множественная строковая последовательность (список строк, разделенных нулевым символом \0)
• REG_EXPAND_SZ - расширяемая строковая переменная. Текст, содержащий переменные окружения (например, %SystemRoot%), которые автоматически заменяются на реальные пути при чтении
• REG_LINK - символическая Unicode-ссылка на другой раздел реестра

Реестр также поддерживает ACL (Access Control List) - список управления доступом, который определяет, какие пользователи или группы имеют права на чтение, запись, изменение или удаление конкретных разделов и параметров в реестре

Значения в реестре разбиты на несколько основных веток:

• HKEY_LOCAL_MACHINE (HKLM) - глобальные настройки компьютера, которые применяются ко всем пользователям и самой операционной системе
  • HKEY_LOCAL_MACHINE\HARDWARE - информация о текущем аппаратном обеспечении компьютера, создаваемая динамически (аналог /dev в Linux)
• HKEY_USERS (HKU) - профили всех пользователей, зарегистрированных в системе
• HKEY_CURRENT_USER (HKCU) - настройки текущего вошедшего пользователя (ссылка на подраздел внутри HKEY_USERS)
• HKEY_CLASSES_ROOT (HKCR) - сопоставления типов файлов и регистрация COM-компонентов. Эта ветка указывает системе, какое приложение должно открывать конкретный формат (например, .txt или .pdf), а также хранит настройки для контекстного меню проводника. Она является динамическим объединением данных из HKLM\Software\Classes (для всех пользователей) и HKCU\Software\Classes (личные ассоциации пользователя, которые имеют приоритет)
• HKEY_CURRENT_CONFIG (HKCC) - текущая конфигурация оборудования (ссылка на ветку HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Hardware Profiles\Current). Здесь хранятся временные параметры подключенных в данный момент устройств, профили мониторов, принтеров и других аппаратных средств, которые активны при текущем запуске системы.

Сам реестр хранится во множестве файлов. Расположение основных веток:

• HKEY_LOCAL_MACHINE\BCD00000000 хранится в %SystemRoot%\Boot\BCD
• HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM - хранится в %SystemRoot%\System32\config\SYSTEM
• HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE - хранится в %SystemRoot%\System32\config\SOFTWARE
• HKEY_LOCAL_MACHINE\SECURITY - параметры безопасности, хранящиеся в %SystemRoot%\System32\config\SECURITY
• HKEY_LOCAL_MACHINE\SAM - формируется в %SystemRoot%\System32\config\SAM
• HKEY_USERS\DEFAULT - формируется из %SystemRoot%\System32\config\DEFAULT
• HKEY_USERS\S-1-5-18, HKEY_USERS\S-1-5-19 и HKEY_USERS\S-1-5-20 - формируются из документов NTUSER.DAT, которые лежат в директориях %SystemRoot%\System32\config\systemprofile\, %SystemRoot%\ServiceProfiles\LocalService\ и %SystemRoot%\ServiceProfiles\NetworkService\
• HKEY_USERS\%SID_пользователя% - формируется из %USERPROFILE%\NTUSER.DAT
• HKEY_USERS\%SID_пользователя%_Classes - формируется из %USERPROFILE%\AppData\Local\Microsoft\Windows\UsrClass.dat

Также каталог %SystemRoot%\System32\config\RegBak применяется для бекапа реестра

Для изменения реестра существуют:

• Графическое приложение regedit.exe (или regedt32.exe - устаревший редактор для Windows NT/2000, сейчас является ссылкой на regedit.exe)
• Консольная утилита reg.exe
• Или командами в PowerShell, таким как Get-ChildItem, Get-ItemProperty, Set-ItemProperty, New-Item, New-ItemProperty, Remove-Item

Установка компонентов

• Раньше было обслуживание на основе файлов (File-Based Servicing, FBS): были .inf файлы с описанием изменений, а обновляемые системные файлы перезаписывались новыми версиями непосредственно в %SystemRoot%\System32, а копия новой версии помещалась еще и в кэш защищенных системных файлов %SystemRoot%\System32\DLLcache

• Сейчас используется обслуживание на основе компонентов (Component-Based Servicing, CBS) с помощью TrustedInstaller.exe

  Компонент представляет набор файлов, сгруппированных по назначению, функциональности и возможности многократного использования. В компонент входят библиотеки, исполняемые файлы, манифесты и так далее

  Также появились статусы компонентов/обновлений (такие как установлен, активирован) и возможность ставить определенный функционал в операционной системе по мере необходимости

  Благодаря этому обеспечиваются:

  • полный цикл сопровождения (установка/удаление/предоставление/восстановление) всех версий общих модулей/библиотек,
  • надежный, стабильный и безопасный механизм обновлений
  • более управляемый процесс установки, позволяющий добавлять драйверы и компоненты
  • возможность упаковывать любые компоненты и виде небольших модулей, которые обеспечивают весь функционал компонента
  • обеспечивает хранение множества версий объектов (файлов) при помощи механизма WinSxS

Управление компонентами осуществляется через:

• Графическое приложение “Компоненты Windows” (OptionalFeatures.exe)
• Консольная утилита Dism.exe
• Команды PowerShell Get-WindowsFeature и Enable-WindowsOptionalFeature
• Консольная утилита winget для установки пакетов:
  • winget install <пакет> - установка пакета
  • winget uninstall <пакет> - удаление пакета
  • winget list - список установленных пакетов
  • winget show <пакет> - показать информацию о пакете
  • winget source <опции> - управление репозиториями пакетов
  • и другие

Системный службы

Службы могут быть:

• Как .exe-файл, которые перечислены в реестре HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services
• Как .dll-библиотека, запускаемые через svchost.exe, например “Брандмауер Защитника Windows”

Для служб в реестре есть поля:

• тип службы (служба относится к запускаемым в собственном процессе или делит процесс с другими службами)
• размещение исполняемого файла службы
• (необязательное) отображаемое имя службы
• учетная запись запуска службы
• тип запуска (автоматически, произвольно, запрещено)
• код ошибки, показывающий, как система должна реагировать при обнаружении службой ошибки в процессе запуска
• если служба запускается автоматически, дополнительную информацию, указывающую, когда служба должна запускаться относительно других служб

This site is open source. Improve this page.