Detail předmětu
Operační systémy a sítě
FEKT-MOSSAk. rok: 2014/2015
První část předmětu je věnována základním principům operačních systémů, správě procesů a vláken, komunikaci mezi procesy, synchronizaci procesů a vláken, správě paměti, souborovým systémům, strukturám operačních systémů a virtualizaci. Druhá část předmětu se zabývá počítačovými sítěmi. Studenti získají informace o síťových protokolech a standardech jako Ethernet, IEEE 802.1Q VLAN, PoE, TCP/IP, HTTP, SMTP, fungování systému DNS a DHCP a směrování v IP sítích. Zvláštní pozornost je věnována novému protokolu IPv6.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Absolvent je schopen:
- vytvořit jednoduchý aplikační program pro operační systém UNIX/Linux,
- vytvořit jednoduchou síťovou aplikaci založenou na rozhraní BSD socket,
- vytvářet programy s více vlákny,
- aplikovat synchronizační prostředky jako mutex, semafor, podmínková proměnná,
- popsat síťové protokoly a standardy Ethernet, IEEE 802.1Q VLAN, PoE, TCP/IP, IPv6, DNS, DHCPv4/DHCPv6, HTTP, SMTP,
- vysvětlit navázání a ukončení TCP spojení,
- vysvětlit mechanismy objevování sousedů u IPv6.
- vytvořit jednoduchý aplikační program pro operační systém UNIX/Linux,
- vytvořit jednoduchou síťovou aplikaci založenou na rozhraní BSD socket,
- vytvářet programy s více vlákny,
- aplikovat synchronizační prostředky jako mutex, semafor, podmínková proměnná,
- popsat síťové protokoly a standardy Ethernet, IEEE 802.1Q VLAN, PoE, TCP/IP, IPv6, DNS, DHCPv4/DHCPv6, HTTP, SMTP,
- vysvětlit navázání a ukončení TCP spojení,
- vysvětlit mechanismy objevování sousedů u IPv6.
Prerekvizity
Student, který si předmět zapíše, by měl být schopen vytvořit jednoduchý program v jazyce C, využívat základní knihovní funkce jazyka C, vysvětlit základní činnost Von Neumannova počítače a popsat činnost procesoru při obsluze přerušení.
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Metody vyučování zahrnují přednášky a cvičení na počítači. Student vypracuje osm úloh.
Způsob a kritéria hodnocení
Počítačová cvičení jsou hodnocena max. 30 body, z toho 15 bodů za samostatné naprogramování zadaných úloh a 15 bodů za závěrečný test.
Závěrečná zkouška má písemnou část a je hodnocena max. 70 body.
Závěrečná zkouška má písemnou část a je hodnocena max. 70 body.
Osnovy výuky
1. Operační systém (dále OS), typy OS. Uniprogramming, multiprogramming, sdílení času. Jádro. Systémová volání. Procesy: stavy procesu, vytvoření a ukončení procesu.
2. Identifikátory spojené s procesy. Čekání na ukončení procesu. Plánování procesů. Signály. Řízení úloh.
3. Souborové systémy. Správa paměti.
4. Přesměrování vstupů a výstupů v UNIXu. Vlákna: implementace vláken, vytvoření vláken, ukončování a spojování vláken.
5. Synchronizace procesů a vláken (kritická sekce, mutex, semafor, podmíněná proměnná, bariéry). Problém uváznutí.
6. Struktura OS, typy jader. Virtualizace. Počítačové sítě: ISO OSI a TCP/IP model. Fyzická a linková vrstva. Ethernet.
7. Přepínaný Ethernet, přepínače (switches). IEEE 802.1Q VLAN Tagging. PoE.
8. IPv4 protokol: IPv4 datagram, IPv4 adresy. ICMP protokol. ARO protokol. Směrování, směrovací tabulka, agregace položek směrovací tabulky, základní algoritmus směrování.
9. Protokoly UDP a TCP. Navázání a ukončení TCP spojení.
10. DHCPv4. IPv6: IPv6 datagram, IPv6 adresy, identifikátory rozhraní.
11. IPv6: Objevování sousedů. Automatická konfigurace. DHCPv6.
12. DNS: domény, zóny, DNS záznamy (Resource Record, RR), typy RR, DNS dotazy, DNS servery, resolvery. DNSSEC.
13. Protokol HTTP, SMTP. Firewally. DMZ (demilitarizovaná zóna).
2. Identifikátory spojené s procesy. Čekání na ukončení procesu. Plánování procesů. Signály. Řízení úloh.
3. Souborové systémy. Správa paměti.
4. Přesměrování vstupů a výstupů v UNIXu. Vlákna: implementace vláken, vytvoření vláken, ukončování a spojování vláken.
5. Synchronizace procesů a vláken (kritická sekce, mutex, semafor, podmíněná proměnná, bariéry). Problém uváznutí.
6. Struktura OS, typy jader. Virtualizace. Počítačové sítě: ISO OSI a TCP/IP model. Fyzická a linková vrstva. Ethernet.
7. Přepínaný Ethernet, přepínače (switches). IEEE 802.1Q VLAN Tagging. PoE.
8. IPv4 protokol: IPv4 datagram, IPv4 adresy. ICMP protokol. ARO protokol. Směrování, směrovací tabulka, agregace položek směrovací tabulky, základní algoritmus směrování.
9. Protokoly UDP a TCP. Navázání a ukončení TCP spojení.
10. DHCPv4. IPv6: IPv6 datagram, IPv6 adresy, identifikátory rozhraní.
11. IPv6: Objevování sousedů. Automatická konfigurace. DHCPv6.
12. DNS: domény, zóny, DNS záznamy (Resource Record, RR), typy RR, DNS dotazy, DNS servery, resolvery. DNSSEC.
13. Protokol HTTP, SMTP. Firewally. DMZ (demilitarizovaná zóna).
Učební cíle
Cílem předmětu je seznámit studenty se základními principy operačních systémů, základy programování uživatelských a síťových aplikací pro OS UNIX/Linux a síťovými protokoly a standardy jako Ethernet, IEEE 802.1Q VLAN, PoE, TCP/IP, IPv6, DNS, DHCPv4/DHCPv6, HTTP, SMTP.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Počítačová cvičení jsou povinná, řádně omluvené zmeškané počítačové cvičení lze po domluvě s vyučujícím nahradit.
Základní literatura
Dostálek, L., Kabelová, A. Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. 5. akt. vyd. Brno: Computer Press, 2008. 488 s. ISBN 978-80-251-2236-5. (CS)
Mitchell, M., Oldham, J., Samuel, A. Pokročilé programování v operačním systému Linux. Praha: SoftPress, 2002. 320 s. ISBN 80-86497-29-1. (CS)
Perlík, L. Jemný úvod do systému UNIX. Dotisk prvního vydání. České Budějovice: Koop, 2000. 189 s. ISBN 80-85828-28-6. (CS)
Silberschatz, A., Galvin, P., B., Gagne, G. Operating System Concepts. 8th ed. Hoboken: Wiley, 2010. 972 p. ISBN 978-0-470-233399-3. (EN)
Tanenbaum, S., A. Modern operating systems. 3.ed. Upper Saddle River, New Jersey 07458: Pearson Prentice Hall, 2008. 1076 p. ISBN 0-13-600663-9. (EN)
Mitchell, M., Oldham, J., Samuel, A. Pokročilé programování v operačním systému Linux. Praha: SoftPress, 2002. 320 s. ISBN 80-86497-29-1. (CS)
Perlík, L. Jemný úvod do systému UNIX. Dotisk prvního vydání. České Budějovice: Koop, 2000. 189 s. ISBN 80-85828-28-6. (CS)
Silberschatz, A., Galvin, P., B., Gagne, G. Operating System Concepts. 8th ed. Hoboken: Wiley, 2010. 972 p. ISBN 978-0-470-233399-3. (EN)
Tanenbaum, S., A. Modern operating systems. 3.ed. Upper Saddle River, New Jersey 07458: Pearson Prentice Hall, 2008. 1076 p. ISBN 0-13-600663-9. (EN)
Zařazení předmětu ve studijních plánech
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1.Klasický model operačního systému, funkce jednotlivých vrstev, požadavky na OS, model OS UNIX, jádro, systémová volání, knihovní funkce. Historie a rodokmen OS UNIX, standardizace, adresářová struktura. Příkazové interprety a práce v nich: zástupné znaky, regulární výrazy, standardní vstup a výstup, přesměrování vstupů a výstupů, roury.
2.Shell: proměnné, speciální proměnné shellu, operátory && a ||, podmínky, příkazy expr, test, konstrukce case, cykly, funkce, interaktivní skripty (příkazy read, switch).
3.Souborový systém UNIXU, typy souborových systémů, inode, adresáře, tvrdé a měkké odkazy. Přístupová práva. Funkce pro práci se soubory a s adresáři.
4.Procesy - kontext procesu, stavy procesu, prostředí procesu, proměnné prostředí, spouštění procesů (funkce fork a exec), ukončení procesu(funkce exit, wait, wait3, wait4), proces init.
5.Sdílení souborů mezi procesy. Přesměrování vstupů a výstupů. Komunikace a synchronizace mezi procesy: roury, FIFO (pojmenované roury), signály, sdílená paměť, semafory.
6.Vlákna, synchronizace mezi vlákny (kritická sekce, mutex, semafor, podmíněná proměnná).
7.Bloková a znaková zařízení, ovladače zařízení, speciální soubory, programování ovladačů zařízení pro Linux.
8.Protokoly Ethernet, IEEE 802.11 (WiFi), TCP/IP, směrování paketů.
9.Protokoly ICMP, DHCP, DNS, SNMP.
10.SMTP, POP3, IMAP4, LDAP. Zabezpečená komunikace pomocí SSL, SSH.
11.Sokety. Síťová komunikace pomocí soketů. Klient. Server.
12.Deamoni (cron, at, xinetd, ...), časová synchronisace. Start OS UNIX, inicializační soubory.
13.OS reálného času - požadavky, základní principy, příklady (Windows CE a RT-Linux).
2.Shell: proměnné, speciální proměnné shellu, operátory && a ||, podmínky, příkazy expr, test, konstrukce case, cykly, funkce, interaktivní skripty (příkazy read, switch).
3.Souborový systém UNIXU, typy souborových systémů, inode, adresáře, tvrdé a měkké odkazy. Přístupová práva. Funkce pro práci se soubory a s adresáři.
4.Procesy - kontext procesu, stavy procesu, prostředí procesu, proměnné prostředí, spouštění procesů (funkce fork a exec), ukončení procesu(funkce exit, wait, wait3, wait4), proces init.
5.Sdílení souborů mezi procesy. Přesměrování vstupů a výstupů. Komunikace a synchronizace mezi procesy: roury, FIFO (pojmenované roury), signály, sdílená paměť, semafory.
6.Vlákna, synchronizace mezi vlákny (kritická sekce, mutex, semafor, podmíněná proměnná).
7.Bloková a znaková zařízení, ovladače zařízení, speciální soubory, programování ovladačů zařízení pro Linux.
8.Protokoly Ethernet, IEEE 802.11 (WiFi), TCP/IP, směrování paketů.
9.Protokoly ICMP, DHCP, DNS, SNMP.
10.SMTP, POP3, IMAP4, LDAP. Zabezpečená komunikace pomocí SSL, SSH.
11.Sokety. Síťová komunikace pomocí soketů. Klient. Server.
12.Deamoni (cron, at, xinetd, ...), časová synchronisace. Start OS UNIX, inicializační soubory.
13.OS reálného času - požadavky, základní principy, příklady (Windows CE a RT-Linux).
Cvičení na počítači
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1.Manuálové stránky (man, info), použití základních příkazů UNIXu: cat, less, more, head, tail, cut, sort, mail, chmod, chown, chgrp, du, df, tar, bzip. Přesměrování vstupu a výstupu.
2.Regulární výrazy, příkazy grep, find, sed, awk, kolony.
3.Interaktivní programy v shellu.
4.Programy gcc, gmake. Použití služeb pro práci se soubory a adresáři. Vytváření dočasných souborů.
5.Prostředí procesu. Vytváření procesů (funkce fork, exec), ukončení procesu (funkce wait, wait3, wait4, exit, abort). Získávání informací o procesech.
6.Přesměrování vstupů a výstupů (funkce dup, dup2), kolony (funkce pipe, popen, pclose).
7.Pojmenované roury (FIFO), signály, sdílená paměť.
8.Vlákna - vytváření, spojování vláken, zrušení vlákna, data specifická pro vlákna.
9.Synchronizace vláken - příklady na použití mutexů a semafororů.
10.Synchronizace vláken - příklad na synchronizaci vláken pomocí podmíněné proměnné.
11.Programování klienta pomocí soketů.
11.Programování servru pomocí soketů.
12.Dokončení programování klienta pomocí soketů.
13.Zápočtový test.
2.Regulární výrazy, příkazy grep, find, sed, awk, kolony.
3.Interaktivní programy v shellu.
4.Programy gcc, gmake. Použití služeb pro práci se soubory a adresáři. Vytváření dočasných souborů.
5.Prostředí procesu. Vytváření procesů (funkce fork, exec), ukončení procesu (funkce wait, wait3, wait4, exit, abort). Získávání informací o procesech.
6.Přesměrování vstupů a výstupů (funkce dup, dup2), kolony (funkce pipe, popen, pclose).
7.Pojmenované roury (FIFO), signály, sdílená paměť.
8.Vlákna - vytváření, spojování vláken, zrušení vlákna, data specifická pro vlákna.
9.Synchronizace vláken - příklady na použití mutexů a semafororů.
10.Synchronizace vláken - příklad na synchronizaci vláken pomocí podmíněné proměnné.
11.Programování klienta pomocí soketů.
11.Programování servru pomocí soketů.
12.Dokončení programování klienta pomocí soketů.
13.Zápočtový test.