“Ｌｉｎｕｘ操作系統實驗室”的分析和設計

周　鳴　劉保中

摘要:文章主要對“Linux操作系統實驗室”進行可行性分析和功能設計。當今,開源軟件技術蓬勃發展,Linux開源操作系統成為特別重要的核心,也對Linux操作系統提出了更新的要求和更高的挑戰,“Linux操作系統實驗室”是軟件實驗室中最基礎和重要的實驗室,建設好它是順應全球Linux發展趨勢的迫切要求。

關鍵詞:Linux;操作系統;軟件測試;軟件工程;系統分析

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

世界經濟正在進入知識經濟形態,信息產業是知識經濟的支柱產業,其中軟件產業具有很高的戰略地位,是我國在知識經濟時代的戰略制高點和信息產業圖強的重點,軟件產業對于推動國民經濟發展、優化產業結構、保證文化不受侵蝕、對出口創匯具有重大意義。

近幾年,Linux發展迅速,國內Linux產業也在高速推進中,國外企業集團包括IBM、HP、Intel、Oracle、DELL、Sun、RedHat、Novell等現都是讓Linux回歸到商業路途陣營中的重要推進者,不管他們是以Linux為主業,還是將其作為一種戰略投資。2005年以后的市場容量更是極速增長,Linux商業陣營已經初具規模。這些國際知名企業紛紛投入巨資在其全球研發中心建實驗室和與高校聯合組建其實驗室。

從技術趨勢看,操作系統實驗室日益普及,軟件工具、平臺、環境開始廣泛使用,對軟件開發過程的研究開始轉向對軟件評測過程的研究,基于軟件質量評測受到廣泛關注,成為主要技術熱點,開放性、標準化成為主要潮流。這些技術趨勢反映出信息市場的需求,在我國軟件實驗室及軟件產業的發展中應予以高度重視。

2操作系統實驗室重要性分析

“Linux操作系統實驗室”是軟件實驗室中最基礎和重要的實驗室。建設“Linux操作系統實驗室”主要致力于Linux相關技術研究,目的是為中國廣大Linux軟件產品創新提供一個開放的實驗和資源平臺,為Linux軟件產品的開發、測試、教育、認證等提供全面的技術支持。

建設“Linux操作系統實驗室”,是順應全球Linux發展趨勢,加速培養Linux產業急需的人才,也是Linux各類產品誕生的搖籃。通過建設“Linux操作系統實驗室”,可以開發、評測、認證出具有自主知識產權的操作系統軟件,并實現相應的技術要求,通過成果轉化,進行規模化和產業化的生產、銷售和技術服務,促進我國基礎軟件、應用軟件的研發、生產、銷售、教育培訓整個信息產業鏈的發展。“Linux操作系統實驗室”建設將以安全性、可靠性、高效性、自主及開放性贏得廣闊的前景,將為我國信息產業的飛速發展和GDP的增長做出更大貢獻。

建設“Linux操作系統實驗室”有利于軟件產業的發展,成為軟件產業及人才的基礎設施,成為一種公共技術服務平臺。實驗室本著發展民族軟件事業的精神,根據任務要求,開放思想、創新研究方法,本著消化吸收國內外同類先進技術、嚴謹工作、積極開拓的精神,在設計、開發、使用過程中堅持技術先進、功能適用、操作簡單、性能高效的原則,不斷創新。

3操作系統實驗室職能分析

操作系統實驗室計劃設計如下職能:

(1) 開發、測試和認證服務

? 提供Linux操作系統開發及底層應用相關平臺,建立開源技術資源數據庫。

? 提供Linux軟硬件可靠性、兼容性測試和認證服務。

? 提供基于Linux的應用系統測試服務(性能、功能測試等)。

(2) 咨詢服務

? 實驗室將為電子政務、電信、金融、能源、教育等重點行業提供基于Linux的行業解決方案咨詢(包括系統架構設計、技術選型、項目實施監理等)。

? 供Linux技術情報。

(3) 培訓服務

實驗室將提供中高級Linux技術培訓,培養高級Linux技能型人才。

? Linux系統開發高級培訓

? Linux系統開發中級培訓

(4) 協同開發服務

? 為企業提供先進的協同開發環境,幫助企業建立新的外包、監理和離岸開發的工作模式;

? 為企業和開源社區架起溝通的橋梁,為優秀的開源項目在企業中牽線搭橋,促進商業化,也為企業尋找新的利潤增長點。

4操作系統實驗室的技術特征分析設計

(1) 安全、穩定的內核分析設計

“Linux操作系統實驗室”以單體內核為基礎,并引入模塊化機制,將文件系統、驅動程序、網絡協議等用模塊方式予以支持,從而分析操作系統達到了怎樣的性能,具有怎樣的靈活性。

(2) 優化內存管理,操作系統宕機分析設計

“Linux操作系統實驗室”劃分用戶空間和內核空間,用戶程序有很多的地址空間可供使用。同時采用內存分頁技術,支持4K和4M(PAE方式下為2M)兩種大小的內存頁面,并可以用參數指定部分內存使用大頁面方式而另外一部分使用小頁面方式,適應系統中不同應用的特點,保證需要大內存的操作系統程序使用大頁面以提高性能,而需要內存不多的各種小操作系統使用小頁面以節省內存,同時內存換頁的技術避免了因為內存管理而出現的數據溢出(即藍屏)現象,測試操作系統藍屏的問題,提升了操作系統的安全和穩定性。

(3) 支持多文件系統格式,異構系統間文件兼容與交換分析設計

“Linux操作系統實驗室”支持的文件系統應是操作系統中最多的(包括NTFS)。當前Linux操作系統支持的日志文件系統有ext3、ReiserFS、JFS(IBM開發)、XFS(SGI開發)、VxFS(Veritas開發),其中JFS/XFS/VxFS由成熟文件系統移植而來,具備高穩定性、高性能和高可靠的特點,獨立開發的加密文件系統模塊,與具體文件系統無關,在各種文件系統上都可以實現細粒度/高強度的加密,并且具備很高的靈活性和易用性。

(4) 完善的網絡環境分析設計

網絡功能分析是“Linux操作系統實驗室”的重要特色,作為Internet網絡技術和異種機連接重要手段的TCP/IP協議就是在原Linux上開發和發展起來的。而TCP/IP是所有Linux不可分割的組成部分。因此,Linux在Internet服務器中占絕對優勢。同時Linux操作系統支持所有常用的網絡通信協議,包括NFS、DCE、IPX/SPX、SLIP、PPP等,提供主機系統,以及各種廣域網和局域網相連接的環境,這也是Linux操作系統具有出色的互操作性(Interoperability)的根本原因。

(5) 支持異步I/O分析設計

“Linux操作系統實驗室”支持異步I/O,且符合POSIX標準,使用POSIX異步I/OAPI開發的操作系統程序在Linux操作系統和其它操作系統之間測試其可移植性。

(6) 多種數據庫支持能力分析設計

由于Linux具有強大的支持數據庫的能力和良好的開發環境,所有主要數據庫廠商,包括Oracle、Informix、Sybase、Postgress等,都把Linux作為主要的數據庫開發和運行平臺。從某方面來講Linux操作系統就是作為強大數據庫的基礎進行開發的,支持能力的測試也很重要。

(7) 完善的開發接口分析設計

“Linux操作系統實驗室”應該為軟件開發人員提供豐富的開發工具,迄今為止,Linux工作站仍是軟件開發廠商和工程研究設計部門主要的工作平臺。有重大意義的軟件新技術的出現幾乎都在Linux上,如TCP/IP、WWW、OODBMS等。Linux操作系統是Posix標準的執行者,且開放源代碼。由于開放源代碼,Linux操作系統才得以高速的發展,更多的應用程序得以在Linux操作系統上開發,更多的功能在Linux操作系統得以實現。這也為Linux操作系統的后續開發提供了強大的后臺支持。

(8) 安全分析,實現災難自動恢復功能設計

目前操作系統安全中,用戶最擔心的問題是主機硬盤出現物理損壞將造成整個工作的癱瘓,“Linux操作系統實驗室”使系統完成聯合文件系統(aufs)的支持,實現了在硬盤出現物理損壞后可立刻通過一張光盤恢復運行整個操作系統的功能,使用戶工作不受到影響,提高系統的可用性。

(9) 創新思維方法,測試兼容Windows應用的運行設計

在應用軟件的兼容問題上,“Linux操作系統實驗室”擺脫傳統思維方法,科學的采用虛擬機技術,使用戶不用修改Windows 的二進制文件,就可以運行,解決以往困擾Linux推廣應用中Office文件不能兼容的測試難點。

(10) 迎合用戶習慣,嵌入桌面環境支持KDE4.2,滿足用戶使用習慣設計

現有用戶基本上都習慣使用微軟提供的視窗界面和操作方法,對此,在使用方法上要積極創新,“Linux操作系統實驗室”要采用了KDE4.2技術,實現視窗模式的用戶界面,使用戶在操作習慣上不需要進行改變,就可以完全掌握操作系統的使用。

(11) 辦公環境支持,完全兼容MS Office文檔格式設計

“Linux操作系統實驗室”在辦公環境方面,改變以往的依靠應用軟件的支持才可以使用Office軟件的問題,預置Office辦公組件,完全支持XML、MS office 下的doc、Excel、ppt文件等格式,集成pdf輸出功能,解決MS Office文檔格式兼容的問題。

(12) 總體性能指標分析設計

“Linux操作系統實驗室”結構的設計,直接影響到其穩定性和可靠性。因為操作系統需要肩負對硬件設備的兼容和對上層應用的支撐,所以系統的穩定性成為衡量操作系統好壞與否的最重要標志。

(13) 實驗室可靠性分析設計

“Linux操作系統實驗室”借助的是類UNIX原理和成熟的技術手段,是能達到大型主機(mainframe)可靠性要求的。它將在大中型企業中每天24小時、每年365天不間斷地運行,需要極高的可靠性。

(14) 實驗室可伸縮性分析設計

“Linux操作系統實驗室”不僅有筆記本電腦、PC、工作站,甚至小型機,而且能在所有主要CPU芯片搭建的體系結構上運行。此外,由于“Linux操作系統實驗室”要很好地支持SMP、MPP和Cluster等技術,使其可伸縮性又有了很大的增強。系統能支持的SMP,CPU數要達到幾百甚至更多個,MPP系統中的節點甚至要超過1024個,支持的異種平臺Cluster技術也將投入使用。它的伸縮性遠遠超過了傳統操作系統實驗室所能達到的水平。

(15) 實驗室開放性分析設計

開放性是“Linux操作系統實驗室”最重要的本質特性。由于開放系統深入人心,幾乎所有系統宣稱自己的產品是開放系統,確實每一種系統都能滿足某種開放的特性,如可移植性、可兼容性、可伸縮性、互操作性等。但所有這些系統與開放系統的本質特征相去甚遠,只有遵守GPL協議,及時公布新產品源代碼,使開放性更加充分也更符合開放系統的要求。

(16) 實驗室安全性分析設計

“Linux操作系統實驗室”的設計參考Linux的體系結構,在安全性及代碼結構安全性上,相對于Windows操作系統來說更勝一籌。首先,病毒代碼不可以在“Linux操作系統實驗室”上存在并破壞系統,因為無論是正常的代碼還是病毒代碼,都需要權限來運行,病毒代碼將無法獲得足夠的權限來進行感染和破壞工作。“Linux操作系統實驗室”對于病毒這種形式的破壞要具備免疫力,可以在測試期內減少大量的維護費用。其次,“Linux操作系統實驗室”完全開放的模式,可以在極短的時間內獲得足夠的用戶反饋,并及時修補安全漏洞。

(17) 實驗室兼容性分析設計

“Linux操作系統實驗室”可以使用在所有的硬件架構之上,從IBM的Z系列大型機到個人手中的移動電話。而在主流的企業級計算架構中,“Linux操作系統實驗室”應該支持IA32、IA64、X86-64、IBM Power這些所有的計算平臺,可以有Sun Sparc、HP小型機和Alpha計算機,它的兼容性比Windows操作系統主機更加強大,各個廠商也必將看中這一點,開發出更多的驅動程序和應用軟件以適應快速的發展。

5發展方向與探討

隨著操作系統開發領域的應用和不斷發展,操作系統實驗室也由最初各種單機擴展到了針對操作系統半成品甚至過程產品的全過程網絡測試,這是對操作系統測試的一種必然發展趨勢。操作系統實驗室也會隨著這一思想,不斷地擴展到產品各個生命周期中去,這將使操作系統的版本升級工作更加順利,這也是我們以后需要進一步研究的內容。

參考文獻:

[1] Daniel Bovet. 深入理解Linux內核[M]. 3版. 北京:中國電力出版社,2007.

[2] 趙炯. Linux內核完全剖析-基于0.12內核[M]. 北京:機械工業出版社,2009.

[3]Jonathan Corbet. Linux設備驅動程序[M]. 3版. 北京:中國電力出版社,2005.

[4]Jon Masters. Linux高級程序設計[M]. 北京:人民郵電出版社,2008.

[5] 朱少民. 全程軟件測試[M]. 北京:電子工業出版社,2007.

[6] 于秀山. 軟件測試新技術與實踐[M]. 北京:電子工業出版社,2006.

[7] William E.Perry. 軟件測試求生法則[M]. 北京:清華大學出版社,2004.

[8] 楊明華. Linux系統與網絡服務管理技術大全[M]. 北京:電子工業出版社,2008.

[9]Gerald D. Everett. 軟件測試跨越整個軟件開發生命周期[M]. 北京:清華大學出版社,2008.