Внутреннее устройство Windows.

Внутреннее устройство Windows.

ГЛАВА 8. Защита.

Защита конфиденциальных данных от несанкционированного доступа очень важна в любой среде, где множество пользователей обращается к одним и тем же физическим или сетевым ресурсам. У операционной системы, как и у отдельных пользователей, должна быть возможность защиты файлов, памяти и конфигурационных параметров от нежелательного просмотра и внесения изменений. Безопасность операционной системы обеспечивается такими очевидными механизмами, как учетные записи, пароли и защита файлов. Ho она требует и менее очевидных механизмов — защиты операционной системы от повреждения, запрета непривилегированным пользователям определенных действий (например, перезагрузки компьютера), предотвращения неблагоприятного воздействия программ одних пользователей на программы других пользователей или на операционную систему.

B этой главе мы поясним, как жесткие требования к защите повлияли на внутреннее устройство и реализацию Microsoft Windows.

Классы безопасности.

Четкие стандарты безопасности программного обеспечения, в том числе операционных систем, помогают правительству, корпорациям и индивидуальным пользователям защищать хранящиеся в компьютерных системах данные, составляющие личную и коммерческую тайну. Текущий стандарт на рейтинги безопасности, применяемый в США и многих других странах, — Common Criteria (CC). Однако, чтобы понять средства защиты, существующие в Windows, нужно знать историю системы рейтингов безопасности, повлиявшей на архитектуру системы защиты Windows, — Trusted Computer System Evaluation Criteria (TCSEC).

Trusted Computer System Evaluation Criteria.

Национальный центр компьютерной безопасности (National Computer Security Center, NCSC, www.radium.ncsc.mil/tpep) был создан в 1981 году в Агентстве национальной безопасности (NSA) Министерства обороны США. Одна из задач NCSC заключалась в определении рейтингов безопасности (см. таблицу 8–1), отражающих степень защищенности коммерческих операционных систем, сетевых компонентов и приложений. Эти рейтинги, детальное описание которых вы найдете по ссылке www.radium.ncsc.mil/tpepflibrary/rainbow/5200.28-STD.html, были определены в 1983 году и часто называются «Оранжевой книгой» («Orange Book»).

Внутреннее устройство Windows.

Стандарт TCSEC состоит из рейтингов «уровней доверия» («levels of trust» ratings), где более высокие уровни строятся на более низких за счет последовательного ужесточения требований к безопасности и проверке. Ни одна операционная система не соответствует уровню Al (Verified Design). Хотя некоторым операционным системам присвоен один из уровней В, уровень C2 считается достаточным и является высшим для операционных систем общего назначения.

B июле 1995 года Windows NT 3.5 CWorkstation и Server) с Service Pack 3 первой из всех версий Windows NT получила подтверждение об уровне безопасности C2. B марте 1999 года организация ITSEC (Information Technology Security) правительства Великобритании присвоила Windows NT 4 с Service Pack 3 уровень E3, эквивалентный американскому уровню C2. Windows NT 4 с Service Pack 6a получила уровень C2 для сетевой и автономной конфигураций.

Какие требования предъявляются к уровню безопасности C2? Основные требования (они остались прежними) перечислены ниже.

Механизм безопасной регистрации, требующий уникальной идентификации пользователей. Доступ к компьютеру предоставляется лишь после аутентификации.

Управление избирательным доступом, позволяющее владельцу ресурса определять круг лиц, имеющих доступ к ресурсу, а также их права на операции с этим ресурсом. Владелец предоставляет пользователям и их группам различные права доступа.

Аудит безопасности, обеспечивающий возможность регистрации событий, связанных с защитой, а также любых попыток создания, удаления и обращения к системным ресурсам. При входе регистрируются идентификационные данные всех пользователей, что позволяет легко выявить любого, кто попытался выполнить несанкционированную операцию.

Защита при повторном использовании объектов, которая предотвращает просмотр одним из пользователей данных, удаленных из памяти другим, а также доступ к памяти, освобожденной предыдущим пользователем. Например, в некоторых операционных системах можно создать новый файл определенной длины, а затем просмотреть те данные, которые остались на диске и попали в область, отведенную под новый файл. Среди этих данных может оказаться конфиденциальная информация, хранившаяся в недавно удаленном файле другого пользователя. Так что защита при повторном использовании объектов устраняет потенциальную дыру в системе безопасности, заново инициализируя перед выделением новому пользователю все объекты, включая файлы и память. Windows также отвечает двум требованиям защиты уровня В.

Функциональность пути доверительных отношений (trusted path functionality), которая предотвращает перехват имен и паролей пользователей программами — троянскими конями. Эта функциональность реализована в Windows в виде входной сигнальной комбинации клавиш Ctrl+Alt+Del и не может быть перехвачена непривилегированными приложениями. Такая комбинация клавиш, известная как SAS (secure attention sequence), вызывает диалоговое окно входа в систему, обходя вызов его фальшивого эквивалента из троянского коня.

Управление доверительными отношениями (trusted facility management), которое требует поддержки набора ролей (различных типов учетных записей) для разных уровней работы в системе. Например, функции администрирования доступны только по одной группе учетных записей — Administrators (Администраторы).

Windows соответствует всем перечисленным требованиям.

Common Criteria.

B январе 1996 года США, Великобритания, Германия, Франция, Канада и Нидерланды опубликовали совместно разработанную спецификацию оценки безопасности Common Criteria for Information Technology Security Evaluation (CCITSE). Эта спецификация, чаще называемая Common Criteria (CC) (csrc.nist.gov/cc), является международным стандартом оценки степени защищенности продуктов.

CC гибче уровней доверия TCSEC и по структуре ближе ITSEC, чем TCSEC CC включает две концепции:

профиля защиты (Protection Profile, PP) — требования к безопасности разбиваются на группы, которые легко определять и сравнивать;

объекта защиты (Security Target, ST) — предоставляет набор требований к защите, которые могут быть подготовлены с помощью PR Windows 2000 оценивалась на соответствие требованиям Controlled Access PP, эквивалентным TCSEC C2, и на соответствие дополнительным требованиям Common Criteria в октябре 2002 года. K значимым требованиям, не включенным в Controlled Access PP, но предъявляемым по условиям Windows 2000 Security Target, относятся:

функции управления избирательным доступом (Discretionary Access Control Functions), основанные на применении криптографии. Они реализуются файловой системой Encrypting File System и Data Protection API в Windows 2000;

политика управления избирательным доступом (Discretionary Access Control Policy) для дополнительных пользовательских объектов данных (User Data Objects), например объекты Desktop и WindowStation (реализуются подсистемой поддержки окон Windows 2000), а также объекты Active Directory (реализуются службой каталогов в Windows 2000);

внутренняя репликация (Internal Replication) для гарантированной синхронизации элементов данных, связанных с защитой, между физически раздельными частями системы Windows 2000 как распределенной операционной системы. Это требование реализуется службой каталогов Windows 2000 с применением модели репликации каталогов с несколькими хозяевами;

утилизация ресурсов (Resource Utilization) для физических пространств дисков. Это требование реализуется файловой системой NTFS в Windows 2000;

блокировка интерактивного сеанса (Interactive Session Locking) и путь доверительных отношений (Trusted Path) для первоначального входа пользователя (initial user logging on). Это требование реализуется компонентом Winlogon в Windows 2000;

защита внутренней передачи данных (Internal Data Transfer Protection), чтобы обезопасить данные от раскрытия и несанкционированной модификации при передаче между физически раздельными частями системы Windows 2000 как распределенной операционной системы. Это требование реализуется службой IPSEC в Windows 2000;

систематическое устранение обнаруживаемых недостатков в системе защиты (Systematic Flaw Remediation). Это требование реализуется Microsoft Security Response Center и Windows Sustained Engineering Team.

Ha момент написания этой книги Windows XP Embedded, Windows XP Professional и Windows Server 2003 все еще проходили оценку на соответствие Common Criteria. Набор критериев расширен по сравнению с тем, который применялся к Windows 2000. Комитет Common Criteria в настоящее время рассматривает Windows XP и Windows Server 2003 (Standard, Enterprise и Datacenter Edition) для оценки технологий следующих типов (см. niapnist.gov/cc-scheme/in_evaluation.htmt)\

распределенной операционной системы;

защиты конфиденциальных данных;

управления сетью;

службы каталогов;

брандмауэра;

VPN (Virtual Private Network);

управления рабочим столом;

инфраструктуры открытого ключа (Public Key Infrastructure, PKI);

выдачи и управления сертификатами открытого ключа; встраиваемой операционной системы.

Компоненты системы защиты.

Ниже перечислены главные компоненты и базы данных, на основе которых реализуется защита в Windows.

• Монитор состояния защиты (Security Reference Monitor, SRM) Компонент исполнительной системы (\Windows\System32\ Ntoskrnl.exe), отвечающий за определение структуры данных маркера доступа для представления контекста защиты, за проверку прав доступа к объектам, манипулирование привилегиями (правами пользователей) и генерацию сообщений аудита безопасности.

• Подсистема локальной аутентификации (local security authentication subsystem, LSASS) Процесс пользовательского режима, выполняющий образ \Windows\System32\Lsass.exe, который отвечает за политику безопасности в локальной системе (например, крут пользователей, имеющих право на вход в систему, правила, связанные с паролями, привилегии, выдаваемые пользователям и их группам, параметры аудита безопасности системы), а также за аутентификацию пользователей и передачу сообщений аудита безопасности в Event Log. Основную часть этой функциональности реализует сервис локальной аутентификации Lsasrv (\Windows\System32\Lsasrv.dll) — DLL-модуль, загружаемый Lsass.

• База данных политики LSASS База данных, содержащая параметры политики безопасности локальной системы. Она хранится в разделе реестра HKLM\SECURITY и включает следующую информацию: каким доменам доверена аутентификация попыток входа в систему, кто имеет права на доступ к системе и каким образом, кому предоставлены те или иные привилегии и какие виды аудита следует выполнять. База данных политики LSASS также хранит «секреты», которые включают в себя регистрационные данные, применяемые для входа в домены и при вызове Windows-сервисов (о Windows-сервисах см. главу 5).

• Диспетчер учетных записей безопасности (Security Accounts Manager, SAM) Набор подпрограмм, отвечающих за поддержку базы данных, которая содержит имена пользователей и группы, определенные на локальной машине. Служба SAM, реализованная как \Windows\System32\ Samsrv.dll, выполняется в процессе Lsass.

• База данных SAM База данных, которая в системах, отличных от контроллеров домена, содержит информацию о локальных пользователях и группах вместе с их паролями и другими атрибутами. Ha контроллерах домена SAM содержит определение и пароль учетной записи администратора, имеющего права на восстановление системы. Эта база данных хранится в разделе реестра HKLM\SAM.

• Active Directory Служба каталогов, содержащая базу данных со сведениями об объектах в домене. Домен — это совокупность компьютеров и сопоставленных с ними групп безопасности, которые управляются как единое целое. Active Directory хранит информацию об объектах домена, в том числе о пользователях, группах и компьютерах. Сведения о паролях и привилегиях пользователей домена и их групп содержатся в Active Directory и реплицируются на компьютеры, выполняющие роль контроллеров домена. Сервер Active Directory, реализованный как \Windows\System32\Ntdsa.dll, выполняется в процессе Lsass. Подробнее об Active Directory см. главу 13.

• Пакеты аутентификации DLL-модули, выполняемые в контексте процесса Lsass и клиентских процессов и реализующие политику аутентификации в Windows. DLL аутентификации отвечает за проверку пароля и имени пользователя, а также за возврат LSASS (в случае успешной проверки) детальной информации о правах пользователя, на основе которой LSASS генерирует маркер (token).

• Процесс входа (Winlogon) Процесс пользовательского режима (\Windows\System32\Winlogon.exe), отвечающий за поддержку SAS и управление сеансами интерактивного входа в систему. Например, при регистрации пользователя Winlogon создает оболочку — пользовательский интерфейс.

• GINA (Graphical Identification and Authentication) DLL пользовательского режима, выполняемая в процессе Winlogon и применяемая для получения пароля и имени пользователя или PIN-кода смарт-карты. Стандартная GINA хранится в \Windows\System32\Msgina.dll.

• Служба сетевого входа (Netlogon) Windows-сервис (\Windows\System32 \Netlogon.dll), устанавливающий защищенный канал с контроллером домена, по которому посылаются запросы, связанные с защитой, например для интерактивного входа (если контроллер домена работает под управлением Windows NT), или запросы на аутентификацию от LAN Manager либо NT LAN Manager (vl и v2).

• Kernel Security Device Driver (KSecDD) Библиотека функций режима ядра, реализующая интерфейсы LPC (local procedure call), которые используются другими компонентами защиты режима ядра — в том числе шифрующей файловой системой (Encrypting File System, EFS) — для взаимодействия с LSASS в пользовательском режиме. KsecDD содержится в \Windows\System32\Drivers\Ksecdd.sys.

Ha рис. 8–1 показаны взаимосвязи между некоторыми из этих компонентов и базами данных, которыми они управляют.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр содержимого HKLM\SAM и HKLM\Security.

Дескрипторы защиты, сопоставленные с разделами реестра SAM и Security, блокируют доступ по любой учетной записи, кроме Local System. Один из способов получить доступ к этим разделам — сбросить их защиту, но это может ослабить безопасность системы. Другой способ — запустить Regedit.exe под учетной записью Local System; такой способ поддерживается утилитой PsExec (wwwsysinternals.com), которая позволяет запускать процессы под этой учетной записью:

C:›psexec — s — i — d c: \windows\regedit.exe.

Внутреннее устройство Windows.

SRM, выполняемый в режиме ядра, и LSASS, работающий в пользовательском режиме, взаимодействуют по механизму LPC (см. главу 3). При инициализации системы SRM создает порт SeRmCommandPort, к которому подключается LSASS. Процесс Lsass при запуске создает LPC-порт SeLsaCommandPort. K этому порту подключается SRM. B результате формируются закрытые коммуникационные порты. SRM создает раздел общей памяти для передачи сообщений длиннее 256 байтов и передает его описатель при запросе на соединение. После соединения SRM и LSASS на этапе инициализации системы они больше не прослушивают свои порты. Поэтому никакой пользовательский процесс не сможет подключиться к одному из этих портов.

Рис. 8–2 иллюстрирует коммуникационные пути после инициализации системы.

Внутреннее устройство Windows.

Защита объектов.

Защита объектов и протоколирование обращений к ним — вот сущность управления избирательным доступом и аудита. Защищаемые объекты Windows включают файлы, устройства, почтовые ящики, каналы (именованные и анонимные), задания, процессы, потоки, события, пары событий, мьютексы, семафоры, порты завершения ввода-вывода, разделы общей памяти, LPC-порты, ожидаемые таймеры, маркеры доступа, тома, объекты WindowStation, рабочие столы, сетевые ресурсы, сервисы, разделы реестра, принтеры и объекты Active Directory.

Поскольку системные ресурсы, экспортируемые в пользовательский режим (и поэтому требующие проверки защиты), реализуются как объекты режима ядра, диспетчер объектов играет ключевую роль в их защите (о диспетчере объектов см. главу 3). Для контроля за операциями над объектом система защиты должна быть уверена в правильности идентификации каждого пользователя. Именно по этой причине Windows требует от пользователя входа с аутентификацией, прежде чем ему будет разрешено обращаться к системным ресурсам. Когда какой-либо процесс запрашивает описатель объекта, диспетчер объектов и система защиты на основе идентификационных данных вызывающего процесса определяют, можно ли предоставить ему описатель, разрешающий доступ к нужному объекту.

Контекст защиты потока может отличаться от контекста защиты его процесса. Этот механизм называется олицетворением (impersonation), или подменой. При олицетворении механизмы проверки защиты используют вместо контекста защиты процесса контекст защиты потока, а без олицетворения — контекст защиты процесса, которому принадлежит поток. Важно не забывать, что все потоки процесса используют одну и ту же таблицу описателей, поэтому, когда поток открывает какой-нибудь объект (даже при олицетворении), все потоки процесса получают доступ к этому объекту.

Проверка прав доступа.

Модель защиты Windows требует, чтобы поток заранее — еще до открытия объекта — указывал, какие операции он собирается выполнять над этим объектом. Система проверяет тип доступа, запрошенный потоком, и, если такой доступ ему разрешен, он получает описатель, позволяющий ему (и другим потокам того же процесса) выполнять операции над объектом. Как уже говорилось в главе 3, диспетчер объектов регистрирует права доступа, предоставленные для данного описателя, в таблице описателей, принадлежащей процессу.

Одно из событий, заставляющее диспетчер объектов проверять права доступа, — открытие процессом существующего объекта по имени. При открытии объекта по имени диспетчер объектов ищет его в своем пространстве имен. Если этого объекта нет во вторичном пространстве имен (например, в пространстве имен реестра, принадлежащем диспетчеру конфигурации, или в пространстве имен файловой системы, принадлежащем драйверу файловой системы), диспетчер объектов вызывает внутреннюю функцию ObpCreateHandle. Как и подсказывает ее имя, она создает элемент в таблице описателей, который сопоставляется с объектом. Однако ObpCreateHandle вызывает функцию исполнительной системы ExCreateHandle и создает описатель, только если другая функция диспетчера объектов, ObpIncrementHandleCount, сообщает, что поток имеет право на доступ к данному объекту. Правда, реальную проверку прав доступа осуществляет другая функция диспетчера объектов, ObCheckObjectAccess, которая возвращает результаты проверки функции ObpIncrementHandleCount.

ObpIncrementHandleCount передает ObCheckObjectAccess удостоверения защиты потока, открывающего объект, типы запрошенного им доступа (чтение, запись, удаление и т. д.), а также указатель на объект. ObCheckObjectAccess сначала блокирует защиту объекта и контекст защиты потока. Блокировка защиты объекта предотвращает ее изменение другим потоком в процессе проверки прав доступа, а блокировка контекста защиты потока не дает другому потоку того же или другого процесса изменить идентификационные данные защиты первого потока при проверке его прав доступа. Далее ObCheckObjectAccess вызывает метод защиты объекта, чтобы получить параметры защиты объекта (описание методов объектов см. в главе 3). Вызов метода защиты может привести к вызову функции из другого компонента исполнительной системы, но многие объекты исполнительной системы полагаются на стандартную поддержку управления защитой, предлагаемую системой.

Если компонент исполнительной системы, определяя объект, не собирается заменять стандартную политику безопасности, он помечает тип этих объектов как использующий стандартную защиту. Всякий раз, когда SRM вызывает метод защиты объекта, он сначала проверяет, использует ли объект стандартную защиту. Объект со стандартной защитой хранит информацию о защите в своем заголовке и предоставляет метод защиты с именем SeDefaultObjectMethod. Объект, не использующий стандартную защиту, должен сам поддерживать информацию о защите и предоставлять собственный метод защиты. Стандартную защиту используют такие объекты, как мьютексы, события и семафоры. Пример объекта с нестандартной защитой — файл. У диспетчера ввода-вывода, определяющего объекты типа «файл», имеется драйвер файловой системы, который управляет защитой своих файлов (или решает не реализовать ее). Таким образом, когда система запрашивает информацию о защите объекта «файл», представляющего файл на томе NTFS, она получает эту информацию от драйвера файловой системы NTFS, который в свою очередь получает ее от метода защиты объекта «файл», принадлежащего диспетчеру ввода-вывода. Заметьте, что при открытии файла ObCheckObjectAccess не выполняется, так как объекты «файл» находятся во вторичных пространствах имен; система вызывает метод защиты объекта «файл», только если потокявно запрашивает или устанавливает параметры защиты файла (например, через Windows-функции SetFileSecurity или GetFileSecurity).

Получив информацию о защите объекта, ObCheckObjectAccess вызывает SRM-функцию SeAccessCheck, на которую опирается вся модель защиты Windows. Она принимает параметры защиты объекта, идентификационные данные защиты потока (в том виде, в каком они получены ObCheckObjectAccess) и тип доступа, запрашиваемый потоком. SeAccessCheck возвращает True или False в зависимости от того, предоставляет ли она потоку запрошенный тип доступа к объекту.

Другое событие, заставляющее диспетчер объектов выполнять проверку прав доступа, — ссылка процесса на объект по существующему описателю. Подобные ссылки часто делаются косвенно, например при манипуляциях с объектом через Windows API с передачей его описателя. Допустим, поток, открывающий файл, запрашивает доступ для чтения из файла. Если у потока есть соответствующие права, определяемые его контекстом защиты и параметрами защиты файла, диспетчер объектов создает описатель данного файла в таблице описателей, которая принадлежит процессу — владельцу этого потока. Информация о предоставленном процессу типе доступа сопоставляется с описателем и сохраняется диспетчером объектов.

Впоследствии поток может попытаться что-то записать в этот файл через Windows-функцию WriteFile, передав в качестве параметра описатель файла. Системный сервис NtWriteFile, который WriteFile вызовет через Ntdll.dll, обратится к функции диспетчера объектов ObReferenceObjectByHandle, чтобы получить указатель на объект «файл» по его описателю. ObReferenceObjectByHandle принимает запрошенный тип доступа как параметр. Найдя в таблице описателей элемент, соответствующий нужному описателю, ObReferenceObjectByHandle сравнит запрошенный тип доступа с тем, который был предоставлен при открытии файла. B данном случае ObReferenceObjectByHandle укажет, что операция записи должна завершиться неудачно, так как вызывающий поток, открывая файл, не получил право на его запись.

Функции защиты Windows также позволяют Windows-приложениям определять собственные закрытые объекты и вызывать SRM-сервисы для применения к этим объектам средств защиты Windows. Многие функции режима ядра, используемые диспетчером объектов и другими компонентами исполнительной системы для защиты своих объектов, экспортируются в виде Windows-функций пользовательского режима. Например, эквивалентом SeAccessCheck для пользовательского режима является AccessCheck. Таким образом, Windows-приложения могут применять модель защиты Windows и интегрироваться с интерфейсами аутентификации и администрирования этой операционной системы.

Сущность модели защиты SRM отражает математическое выражение с тремя входными параметрами: идентификационными данными защиты потока, запрошенным типом доступа и информацией о защите объекта. Его результат — значения «да» или «нет», которые определяют, предоставит ли модель защиты запрошенный тип доступа. B следующих разделах мы поговорим об этих входных параметрах и алгоритме проверки прав доступа в модели защиты.

Идентификаторы защиты.

Для идентификации объектов, выполняющих в системе различные действия, Windows использует не имена (которые могут быть не уникальными), а идентификаторы защиты (security identifiers, SID). SID имеются у пользователей, локальных и доменных групп, локальных компьютеров, доменов и членов доменов. SID представляет собой числовое значение переменной длины, формируемое из номера версии структуры SID, 48-битного кода агента идентификатора и переменного количества 32-битных кодов субагентов и/ или относительных идентификаторов (relative identifiers, RID). Код агента идентификатора (identifier authority value) определяет агент, выдавший SID. Таким агентом обычно является локальная система или домен под управлением Windows. Коды субагентов идентифицируют попечителей, уполномоченных агентом, который выдал SID, a RID — не более чем средство создания уникальных SID на основе общего базового SID (common-based SID). Поскольку длина SID довольно велика и Windows старается генерировать истинно случайные значения для каждого SID, вероятность появления двух одинаковых SID практически равна нулю.

B текстовой форме каждый SID начинается с префикса S за которым следуют группы чисел, разделяемые дефисами, например:

S-1-5-21-1463437245-1224812800-863842198-1128.

B этом SID номер версии равен 1, код агента идентификатора — 5 (центр безопасности Windows), далее идут коды четырех субагентов и один RID в конце (1128). Этот SID относится к домену, так что локальный компьютер этого домена получит SID с тем же номером версии и кодом агента идентификатора; кроме того, в нем будет столько же кодов субагентов.

SID назначается компьютеру при установке Windows (программой Windows Setup). Далее Windows назначает SID локальным учетным записям на этом компьютере. SID каждой локальной учетной записи формируется на основе SID компьютера с добавлением RID. RID пользовательской учетной записи начинается с 1000 и увеличивается на 1 для каждого нового пользователя или группы. Аналогичным образом Dcpromo.exe — утилита, применяемая при создании нового домена Windows, — выдает SID только что созданному домену. Новые учетные записи домена получают SID, формируемые на основе SID домена с добавлением RID (который также начинается с 1000 и увеличивается на 1 для каждого нового пользователя или группы). RID с номером 1028 указывает на то, что его SID является 29-м, выданным доменом.

Многим предопределенным учетным записям и группам Windows выдает SID, состоящие из SID компьютера или домена и предопределенного RID. Так, RID учетной записи администратора равен 500, a RID гостевой учетной записи — 501. Например, в основе SID учетной записи локального администратора лежит SID компьютера, к которому добавлен RID, равный 500:

S-1-5-21-13124455-12541255-61235125-500.

Для групп Windows также определяет ряд встроенных локальных и доменных SID. Например, SID, представляющий любую учетную запись, называется Everyone или World и имеет вид S-1 -1 -0. Еще один пример — сетевая группа, т. е. группа, пользователи которой зарегистрировались на данном компьютере из сети. SID сетевой группы имеет вид S-l-5-2. Список некоторых общеизвестных SID приведен в таблице 8–2 (полный список см. в документации Platform SDK).

Наконец, Winlogon создает уникальный SID для каждого интерактивного сеанса входа. SID входа, как правило, используется в элементе списка управления доступом (access-control entry, АСЕ), который разрешает доступ на время сеанса входа клиента. Например, Windows-сервис может вызвать функцию LogonUser для запуска нового сеанса входа. Эта функция возвращает маркер доступа, из которого сервис может извлечь SID входа. Потом этот SID сервис может использовать в АСЕ, разрешающем обращение к интерактивным объектам WindowStation и Desktop из сеанса входа клиента. SID для сеанса входа выглядит как S-l-5-5-0, a RID генерируется случайным образом.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр SID учетных записей с помощью PsGetSid.

Представление SID для любой учетной записи легко увидеть, запустив утилиту PsGetSid (wwwsysinternals.com). У нее следующий интерфейс:

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Параметры PsGetSid позволяют транслировать имена учетных записей пользователей и компьютеров в соответствующие SID и наоборот.

Если PsGetSid запускается без параметров, она выводит SID, назначенный локальному компьютеру. Используя тот факт, что учетной записи Administrator всегда присваивается RID, равный 500, вы можете определить имя этой учетной записи (в тех случаях, когда системный администратор переименовал ее по соображениям безопасности), просто передав SID компьютера, дополненный «-500», как аргумент командной строки PsGetSid.

Чтобы получить SID доменной учетной записи, введите имя пользователя с указанием домена:

С: \›psgetsid redmond\daryl.

Вы можете выяснить SID домена, передав в PsGetSid его имя как аргумент:

C: \›psgetsid Redmond.

Наконец, изучив RID своей учетной записи, вы по крайней мере узнаете, сколько учетных записей защиты (security accounts), равное значению, полученному вычитанием 999 из вашего RID, было создано в вашем домене или на вашем локальном компьютере (в зависимости от используемой вами учетной записи — доменной или локальной). Чтобы определить, каким учетным записям были присвоены RID, передайте SID с интересующим вас RID. Если PsGetSid сообщит, что сопоставить SID с каким-либо именем учетной записи не удалось, и значение RID окажется меньше, чем у вашей учетной записи, значит, учетная запись, по которой был присвоен RID, уже удалена.

Например, чтобы выяснить имя учетной записи, по которой был назначен двадцать восьмой RID, передайте SID домена с добавлением «-1027»:

C: \›psgetsid S-1-5-21-1787744166-3910675280-2727264193-1027 Account for S-1-5-21-1787744166-3910675280-2727264193-1027: User: redmond\daryl.

Маркеры.

Для идентификации контекста защиты процесса или потока SRM использует объект, называемый маркером (token), или маркером доступа (access token). B контекст защиты входит информация, описывающая привилегии, учетные записи и группы, сопоставленные с процессом или потоком. B процессе входа в систему (этот процесс рассматривается в конце главы) Winlogon создает начальный маркер, представляющий пользователя, который входит в систему, и сопоставляет его с начальным процессом (или процессами) — по умолчанию запускается Userinit.exe. Так как дочерние процессы по умолчанию наследуют копию маркера своего создателя, все процессы в сеансе данного пользователя выполняются с одним и тем же маркером. Вы можете сгенерировать маркер вызовом Windows-функции LogonUser и применить его для создания процесса, который будет выполняться в контексте защиты пользователя, зарегистрированного с помощью функции LogonUser, с этой целью вы должны передать полученный маркер Windows-функции CreateProcessAsUser. Функция CreateProcessWithLogon тоже создает маркер, создавая новый сеанс входа с начальным процессом. Именно так команда runas запускает процессы с альтернативными маркерами.

Внутреннее устройство Windows.

Длина маркеров варьируется из-за того, что учетные записи разных пользователей имеют неодинаковые наборы привилегий и сопоставлены с разными учетными записями групп. Ho все маркеры содержат одну и ту же информацию, показанную на рис. 8–3.

Механизмы защиты в Windows используют два элемента маркера, определяя, какие объекты доступны и какие операции можно выполнять. Первый элемент состоит из SID учетной записи пользователя и полей SID групп. Используя SID-идентификаторы, SRM определяет, можно ли предоставить запрошенный тип доступа к защищаемому объекту, например к файлу в NTFS.

SID групп в маркере указывают, в какие группы входит учетная запись пользователя. При обработке клиентских запросов серверные приложения могут блокировать определенные группы для ограничения удостоверений защиты, сопоставленных с маркером. Блокирование группы дает почти тот же эффект, что и ее исключение из маркера. (Блокированные SID все же используются при проверке прав доступа, но об этом мы расскажем потом.).

Вторым элементом маркера, определяющим, что может делать поток или процесс, которому назначен данный маркер, является список привилегий — прав, сопоставленных с маркером. Примером привилегии может служить право процесса или потока, сопоставленного с маркером, на выключение компьютера. (Подробнее привилегии будут рассмотрены позже.) Поля основной группы маркера по умолчанию и списка управления избирательным доступом (discretionary access-control list, DACL) представляют собой атрибуты защиты, применяемые Windows к объектам, которые создаются процессом или потоком с использованием маркера. Включая в маркеры информацию о защите, Windows упрощает процессам и потокам создание объектов со стандартными атрибутами защиты, так как в этом случае им не требуется запрашивать информацию о защите при создании каждого объекта.

Маркер может быть основным (primary token) (идентифицирует контекст защиты процесса) и олицетворяющим (impersonation token) (применяется для временного заимствования потоком другого контекста защиты — обычно другого пользователя). Маркеры олицетворения сообщают уровень олицетворения, определяющий, какой тип олицетворения активен в маркере.

Остальные поля маркера служат для информационных нужд. Поле источника маркера содержит сведения (в текстовой форме) о создателе маркера. Оно позволяет различать такие источники, как диспетчер сеансов Windows, сетевой файл-сервер или RPC-сервер. Идентификатор маркера представляет собой локально уникальный идентификатор (locally unique identifier, LUID), который SRM присваивает маркеру при его создании. Исполнительная система поддерживает свой LUID — счетчик, с помощью которого она назначает каждому маркеру уникальный числовой идентификатор.

Еще одна разновидность LUID — идентификатор аутентификации (authentication ID). Он назначается маркеру создателем при вызове функции LsaLogonUser. Если создатель не указывает LUID, то LSASS формирует LUID из LUID исполнительной системы. LSASS копирует идентификатор аутентификации для всех маркеров — потомков начального маркера. Используя этот идентификатор, программа может определить, принадлежит ли какой-то маркер тому же сеансу, что и остальные маркеры, анализируемые данной программой.

LUID исполнительной системы обновляет идентификатор модификации при каждом изменении характеристик маркера. Проверяя этот идентификатор, программа может обнаруживать изменения в контексте защиты с момента его последнего использования.

Маркеры содержат поле времени окончания действия, которое присутствует в них, начиная с Windows NT 3.1, но до сих пор не используется. Будущая версия Windows, возможно, будет поддерживать маркеры, действительные только в течение определенного срока. Представьте, что администратор выдал пользователю учетную запись, срок действия которой ограничен. Сейчас, если срок действия учетной записи истекает в тот момент, когда пользователь все еще находится в системе, он может по-прежнему обращаться к системным ресурсам, доступ к которым был разрешен по просроченной учетной записи. Единственное, что можно сделать в такой ситуации, — принудительно завершить сеанс работы этого пользователя. Если бы Windows поддерживала маркеры с ограниченным сроком действия, система могла бы запретить пользователю доступ к ресурсу сразу по окончании срока действия маркера.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр маркеров доступа.

Команда dt_TOKEN отладчика ядра показывает формат внутреннего объекта «маркер». Хотя его структура отличается от структуры маркера пользовательского режима, возвращаемой Windows-функциями защиты, их поля аналогичны. Детальное описание маркеров см. в документации Platform SDK.

Ниже приведен пример вывода команды dt_TOKEN отладчика ядра.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Маркер для процесса можно увидеть с помощью команды !token. Адрес маркера вы найдете в информации, сообщаемой командой !process, как показано в следующем примере.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Содержимое маркера можно косвенно увидеть с помощью Process Explorer (wwwsysintemals.com) на вкладке Security в диалоговом окне свойств процесса. B этом окне показываются группы и привилегии, включенные в маркер исследуемого вами процесса.

Олицетворение.

Олицетворение (impersonation) — мощное средство, часто используемое в модели защиты Windows. Олицетворение также применяется в модели программирования «клиент-сервер». Например, серверное приложение может экспортировать ресурсы (файлы, принтеры или базы данных). Клиенты, которые хотят обратиться к этим ресурсам, посылают серверу запрос. Получив запрос, сервер должен убедиться, что у клиента есть разрешение на выполнение над ресурсом запрошенных операций. Так, если пользователь на удаленной машине пытается удалить файл с сетевого диска NTFS, сервер, экспортирующий этот сетевой ресурс, должен проверить, имеет ли пользователь право удалить данный файл. Казалось бы, в таком случае сервер должен запросить учетную запись пользователя и SID-идентификаторы группы, а также просканировать атрибуты защиты файла. Ho этот процесс труден для программирования, подвержен ошибкам и не позволяет обеспечить поддержку новых функций защиты. Поэтому Windows в таких ситуациях предоставляет серверу сервисы олицетворения.

Олицетворение позволяет серверу уведомить SRM о временном заимствовании профиля защиты клиента, запрашивающего ресурс. После этого сервер может обращаться к ресурсам от имени клиента, a SRM — проводить проверку его прав доступа. Обычно серверу доступен более широкий круг ресурсов, чем клиенту, и при олицетворении сервер может терять часть исходных прав доступа. Также вероятно и обратное: при олицетворении сервер может получить дополнительные права.

Сервер олицетворяет клиент лишь в пределах потока, выдавшего запрос на олицетворение. Управляющие структуры данных потока содержат необязательный элемент для маркера доступа. Однако основной маркер потока, отражающий его реальные права, всегда доступен через управляющие структуры процесса.

За поддержку олицетворения в Windows отвечает несколько механизмов. Если сервер взаимодействует с клиентом через именованный канал, он может вызвать Windows-функцию ImpersonateNamedPipeClient и тем самым сообщить SRM о том, что ему нужно подменить собой пользователя на другом конце канала. Если сервер взаимодействует с клиентом через DDE (Dynamic Data Exchange) или RPC, то выдает аналогичный запрос на олицетворение через DdeImpersonateClient или RpcImpersonateClient. Поток может создать маркер олицетворения просто как копию маркера своего процесса, вызвав функцию ImpersonateSelf. Для блокировки каких-то SID или привилегий поток может потом изменить полученный маркер олицетворения. Наконец, пакет SSPI (Security Support Provider Interface) может олицетворять своих клиентов через ImpersonateSecurityContext. SSPI реализует модель сетевой защиты вроде LAN Manager версии 2 или Kerberos.

После того как серверный поток завершает выполнение своей задачи, он возвращает себе прежний профиль защиты. Эти формы олицетворения удобны для выполнения определенных операций по запросу клиента и для корректного аудита обращений к объектам. (Например, генерируемые данные аудита сообщают идентификацию подменяемого клиента, а не серверного процесса.) Их недостаток в том, что нельзя выполнять всю программу в контексте клиента. Кроме того, маркер олицетворения не дает доступа к сетевым файлам или принтерам, если только они не поддерживают null-сеансы или не используется олицетворение уровня делегирования (delegation-level impersonation), причем удостоверения защиты достаточны для аутентификации на удаленном компьютере. (Null-сеанс создается при анонимном входе.).

Если все приложение должно выполняться в контексте защиты клиента или получать доступ к сетевым ресурсам, клиент должен быть зарегистрирован в системе. Для этого предназначена Windows-функция LogonUser, которая принимает в качестве параметров имя учетной записи, пароль, имя домена или компьютера, тип входа (интерактивный, пакетный или сервисный) и провайдер входа (logon provider), а возвращает основной маркер. Серверный поток принимает маркер в виде маркера олицетворения, либо сервер запускает программу, основной маркер которой включает удостоверения клиента. C точки зрения защиты, процесс, создаваемый с применением маркера, который возвращается при интерактивном входе через Logon-User, например API-функцией CreateProcessAsUser, выглядит как программа, запущенная пользователем при интерактивном входе в систему. Недостаток этого подхода в том, что серверу приходится получать имя и пароль по учетной записи пользователя. Если сервер передает эту информацию по сети, он должен надежно шифровать ее, чтобы избежать получения имени и пароля злоумышленником, перехватывающим сетевой трафик.

Windows не позволяет серверам подменять клиенты без их ведома. Клиентский процесс может ограничить уровень олицетворения серверным процессом, сообщив при соединении с ним требуемый SQOS (Security Quality of Service). Процесс может указывать флаги SECURITY_ANONYMOUS, SECURITY_IDENTIFICATION, SECURITYIMPERSONATION и SECURITYDELEGATION при вызове Windows-функции CreateFile. Каждый уровень позволяет серверу выполнять различный набор операций относительно контекста защиты клиента:

SecurityAnonymous — самый ограниченный уровень; сервер не может олицетворять или идентифицировать клиент;

SecurityIdentification — сервер может получать SID и привилегии клиента, но не получает право на олицетворение клиента;

SecurityImpersonation — сервер может идентифицировать и олицетворять клиент в локальной системе;

SecurityDelegation — наименее ограниченный уровень. Позволяет серверу олицетворять клиент в локальных и удаленных системах. Windows NT 4 и более ранние версии лишь частично поддерживают этот уровень олицетворения.

Если клиент не устанавливает уровень олицетворения, Windows по умолчанию выбирает SecurityImpersonation. Функция CreateFile также принимает модификаторы SECURITY_EFFECTIVE_ONLY и SECURITY_CONTEXT_TRACKING.

Первый из них не дает серверу включать/выключать какие-то привилегии или группы клиента на время олицетворения. A второй указывает, что все изменения, вносимые клиентом в свой контекст защиты, отражаются и на сервере, который олицетворяет этот клиент. Данный модификатор действует, только если клиентский и серверный процессы находятся в одной системе.

Ограниченные маркеры.

Ограниченный маркер (restricted token) создается на базе основного или олицетворяющего с помощью функции CreateRestrictedToken и является его копией, в которую можно внести следующие изменения:

удалить некоторые элементы из таблицы привилегий маркера;

пометить SID-идентификаторы маркера атрибутом проверки только на запрет (deny-only);

пометить SID-идентификаторы маркера как ограниченные.

Поведение SID с атрибутом проверки только на запрет (deny-only SID) и ограниченных SID (restricted SID) кратко поясняется в следующих разделах. Ограниченные маркеры удобны, когда приложение подменяет клиент при выполнении небезопасного кода. B ограниченном маркере может, например, отсутствовать привилегия на перезагрузку системы, что не позволит коду, выполняемому в контексте защиты ограниченного маркера, перезагрузить систему.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр ограниченных маркеров.

B Windows XP или Windows Server 2003 можно заставить Explorer создать процесс с ограниченным маркером по следующей процедуре.

1. Создайте на рабочем столе ярлык для \Windows\Notepad.exe.

2. Отредактируйте свойства ярлыка и установите флажок Run With Different Credentials (Запускать с другими учетными данными). Заметьте: в описании под этим флажком говорится о том, что вы можете запускать программу от своего имени, в то же время защищая компьютер от несанкционированных действий данной программы*.

3. Закройте окно свойств и запустите программу двойным щелчком ее ярлыка.

4. Согласитесь с параметрами по умолчанию для выполнения под текущей учетной записью и защиты компьютера от несанкционированных действий этой программы.

5. Запустите Process Explorer и просмотрите содержимое вкладки Security для свойств запущенного вами процесса Notepad. Заметьте, что маркер содержит ограниченные SID и SID с атрибутом проверки только на запрет, а также что у него лишь одна привилегия. Свойства в левой части окна, показанного на следующей иллюстрации, относятся к Notepad, выполняемому с неограниченным маркером, а свойства в правой части окна — к его экземпляру, запущенному по описанной процедуре.

* B русской версии Windows XP ошибочно говорится о защите от несанкционированных действий других программ. — Прим. перев.

Внутреннее устройство Windows.

Ограниченный маркер дает несколько побочных эффектов.

Удаляются все привилегии, кроме SeChangeNotifyPrivilege.

Любые SID администраторов или пользователей с правами администраторов помечаются как Deny-Only (проверка только на запрет). Такой SID удаляет права доступа к любым ресурсам, доступ к которым для администраторов запрещен соответствующим АСЕ, но в ином случае был бы замещен АСЕ, ранее выданным группе администраторов через дескриптор защиты.

RESTRICTED SID добавляется в список ограниченных SID, как и все остальные SID маркера, кроме SID пользователя и любых SID администраторов или пользователей с правами администраторов.

SID учетной записи, под которой вы запустили процесс, не включается в список как ограниченный. To есть процесс не сможет обращаться к объектам, доступ к которым разрешен по вашей учетной записи, но не по учетным записям любых групп, в которые вы входите. Например, у каталога вашего профиля в \Documents and Settings имеется дескриптор защиты по умолчанию, разрешающий доступ по вашей учетной записи, по учетной записи группы администраторов и по учетной записи System. Попытавшись открыть этот каталог из Notepad, запущенного так, как было показано ранее, вы не получите к нему доступа, потому что вторая, внутренняя проверка прав доступа, выполняемая с применением ограниченных SID, закончится неудачей — SID пользователя нет в списке ограниченных SID.

Дескрипторы защиты и управление доступом.

Маркеры, которые идентифицируют удостоверения пользователя, являются лишь частью выражения, описывающего защиту объектов. Другая его часть — информация о защите, сопоставленная с объектом и указывающая, кому и какие действия разрешено выполнять над объектом. Структура данных, хранящая эту информацию, называется дескриптором защиты (security descriptor). Дескриптор защиты включает следующие атрибуты.

• Номер версии Версия модели защиты SRM, использованной для создания дескриптора.

• Флаги Необязательные модификаторы, определяющие поведение или характеристики дескриптора. Пример — флаг SE_DACL_PROTECTED, который запрещает наследование дескриптором параметров защиты от другого объекта.

• SID владельца Идентификатор защиты владельца.

• SID группы Идентификатор защиты основной группы для данного объекта (используется только POSIX).

• Список управления избирательным доступом (discretionary access-control list, DACL) Указывает, кто может получать доступ к объекту и какие виды доступа.

• Системный список управления доступом (system access-control list, SACL) Указывает, какие операции и каких пользователей должны регистрироваться в журнале аудита безопасности.

Список управления доступом (access-control list, ACL) состоит из заголовка и может содержать элементы (access-control entries, АСЕ). Существует два типа ACL: DACL и SACL. B DACL каждый ACE содержит SID и маску доступа (а также набор флагов), причем ACE могут быть четырех типов: «доступ разрешен» (access allowed), «доступ отклонен» (access denied), «разрешенный объект» (allowed-object) и «запрещенный объект» (denied-object). Как вы, наверное, и подумали, первый тип ACE разрешает пользователю доступ к объекту, а второй — отказывает в предоставлении прав, указанных в маске доступа.

Разница между ACE типа «разрешенный объект» и «доступ разрешен», а также между ACE типа «запрещенный объект» и «доступ отклонен» заключается в том, что эти типы используются только в Active Directory. ACE этих типов имеют поле глобально уникального идентификатора (globally unique identifier, GUID), которое сообщает, что данный ACE применим только к определенным объектам или под объектам (с GUID-идентификаторами). Кроме того, необязательный GUID указывает, что тип дочернего объекта наследует ACE при его (объекта) создании в контейнере Active Directory, к которому применен АСЕ. (GUID — это гарантированно уникальный 128-битный идентификатор.).

За счет аккумуляции прав доступа, сопоставленных с индивидуальными АСЕ, формируется набор прав, предоставляемых ACL-списком. Если в дескрипторе защиты нет DACL (DACL = null), любой пользователь получает полный доступ к объекту. Если DACL пуст (т. е. в нем нет АСЕ), доступа к объекту не получает никто.

АСЕ, используемые в DACL, также имеют набор флагов, контролирующих и определяющих характеристики АСЕ, связанные с наследованием. Некоторые пространства имен объектов содержат объекты-контейнеры и объекты-листы (leaf objects). Контейнер может включать другие контейнеры и листы, которые являются его дочерними объектами. Примеры контейнеров — каталоги в пространстве имен файловой системы и разделы в пространстве имен реестра. Отдельные флаги контролируют, как ACE применяется к дочерним объектам контейнера, сопоставленного с этим АСЕ. Часть правил наследования ACE представлена в таблице 8–3 (полный список см. в Platform SDK).

Внутреннее устройство Windows.

SACL состоит из ACE двух типов: системного аудита (system audit ACE) и объекта системного аудита (system audit-object АСЕ). Эти ACE определяют, какие операции, выполняемые над объектами конкретными пользователями или группами, подлежат аудиту. Информация аудита хранится в системном журнале аудита. Аудиту могут подлежать как успешные, так и неудачные операции. Как и специфические для объектов ACE из DACL, ACE объектов системного аудита содержат GUID, указывающий типы объектов или под-объектов, к которым применим данный АСЕ, и необязательный GUID, контролирующий передачу ACE дочерним объектам конкретных типов. При SACL, равном null, аудит объекта не ведется. (Об аудите безопасности мы расскажем позже.) Флаги наследования, применимые к DACL АСЕ, применимы к ACE системного аудита и объектов системного аудита.

Упрощенная схема объекта «файл» и его DACL представлена на рис. 8–4.

Внутреннее устройство Windows.

Как показано на рис. 8–4, первый ACE позволяет USERl читать файл. Второй ACE разрешает членам группы TEAM1 читать и записывать файл. Третий ACE предоставляет доступ к файлу для выполнения всем пользователям.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр дескриптора защиты.

Управляя дескрипторами защиты своих объектов, большинство подсистем исполнительной системы полагаются на функции защиты по умолчанию, предоставляемые диспетчером объектов. Эти функции сохраняют дескрипторы защиты для таких объектов, используя указатель дескриптора защиты (security descriptor pointer). Например, защитой по умолчанию пользуется диспетчер процессов, поэтому диспетчер объектов хранит дескрипторы защиты процессов и потоков в заголовках объектов «процесс» и «поток» соответственно. Указатель дескриптора защиты также применяется для хранения дескрипторов защиты событий, мьютексов и семафоров. Для просмотра дескрипторов защиты этих объектов можно использовать отладчик ядра, но сначала вы должны найти заголовок нужного объекта. Вся эта процедура поясняется ниже.

1. Запустите отладчик ядра.

2. Введите !process 0 0, чтобы увидеть адрес Winlogon. (Если в системе активно более одного сеанса Terminal Server, выполняется несколько экземпляров Winlogon.) Затем вновь введите !process, но укажите адрес одного из процессов Winlogon:

Внутреннее устройство Windows.

3. Введите !object и адрес, следующий за словом PROCESS в выводе предыдущей команды. Это позволит увидеть структуру данных объекта:

Внутреннее устройство Windows.

4. Введите dt _OBJECT_HEADER и адрес поля заголовка объекта из вывода предыдущей команды для просмотра структуры данных заголовка объекта, включая значение указателя дескриптора защиты:

Внутреннее устройство Windows.

5. Указатели дескрипторов защиты в заголовке объекта используют младшие три бита как флаги, поэтому следующая команда позволяет создать дамп дескриптора защиты. Вы указываете адрес, полученный из структуры заголовка объекта, но удаляете его младшие три бита:

Внутреннее устройство Windows.

Дескриптор защиты содержит два ACE типа «доступ разрешен», причем один из них указывает учетную запись администратора (ее можно распознать по RID, равному 500), а другой — учетную запись System (которая всегда выглядит как S-l-5-18). Без декодирования битов, установленных в масках доступа в ACE и определения того, каким типам доступа к процессам они соответствуют, очень трудно сказать, какими правами доступа к объекту «процесс» для Winlogon обладает каждая из этих учетных записей. Однако, если вы сделаете это, используя заголовочные файлы из SDK, то обнаружите, что обе учетные записи имеют полные права доступа.

Присвоение ACL.

Чтобы определить, какой DACL следует назначить новому объекту, система защиты использует первое применимое правило из следующего списка.

1. Если вызывающий поток явно предоставляет дескриптор защиты при создании объекта, то система защиты применяет его к объекту. Если у объекта есть имя и он находится в объекте-контейнере (например, именованное событие в каталоге \BaseNamedObjects пространства имен диспетчера объектов), система объединяет в DACL все наследуемые ACE (АСЕ, которые могут быть переданы от контейнера объекта), но только в том случае, если в дескрипторе защиты не установлен флаг SE_DACL_PROTECTED, запрещающий наследование.

2. Если вызывающий поток не предоставляет дескриптор защиты и объекту присваивается имя, система защиты ищет этот дескриптор в контейнере, в котором хранится имя нового объекта. Некоторые ACE каталога объектов могут быть помечены как наследуемые. Это означает, что они должны применяться к новым объектам, создаваемым в данном каталоге. При наличии наследуемых ACE система защиты формирует из них ACL, назначаемый новому объекту. (B АСЕ, наследуемых только объектами-контейнерами, устанавливаются отдельные флаги.).

3. Если дескриптор защиты не определен и объект не наследует какие-либо АСЕ, система защиты извлекает DACL по умолчанию из маркера доступа вызывающего потока и применяет его к новому объекту. B некоторые подсистемы Windows (например, службы, LSA и SAM-объекты) «зашиты» свои DACL, назначаемые ими объектам при создании.

4. Если дескриптор защиты не определен и нет ни наследуемых АСЕ, ни DACL по умолчанию, система создает объект без DACL, что открывает полный доступ к нему любым пользователям и группам. Это правило идентично третьему, если маркер содержит нулевой DACL по умолчанию. Правила, используемые системой при назначении SACL новому объекту,

Аналогичны правилам присвоения DACL за двумя исключениями. Первое заключается в том, что наследуемые ACE системного аудита не передаются объектам с дескрипторами защиты, помеченными флагом SE_SACL_PROTEC-TED (DACL точно так же защищается флагом SE_DACL_PROTECTED). Второе исключение: если ACE системного аудита не определены и наследуемого SACL нет, то SACL вообще не присваивается объекту (в маркерах нет SACL по умолчанию).

Когда к контейнеру применяется новый дескриптор защиты, содержащий наследуемые АСЕ, система автоматически передает их в дескрипторы защиты дочерних объектов. (Заметьте, что DACL дескриптора защиты не принимает наследуемые DACL АСЕ, если установлен флаг SE_DACL_PROTECTED, а его SACL не наследует SACL АСЕ, если установлен флаг SE_SACL_PROTECTED.) B соответствии с порядком слияния наследуемых ACE с дескриптором защиты дочернего объекта любые АСЕ, явно примененные к ACL, размещаются до АСЕ, унаследованных объектом. Система использует следующие правила передачи наследуемых АСЕ.

Если дочерний объект без DACL наследует АСЕ, он получает DACL, содержащий лишь унаследованные АСЕ.

Если дочерний объект с пустым DACL наследует АСЕ, он также получает DACL, содержащий лишь унаследованные АСЕ.

Только для объектов в Active Directory: если наследуемый ACE удаляется из родительского объекта, все копии этого ACE автоматически удаляются из всех дочерних объектов.

Только для объектов в Active Directory: если из DACL дочернего объекта автоматически удалены все АСЕ, у дочернего объекта остается пустой DACL.

Как вы вскоре убедитесь, порядок ACE в ACL является важным аспектом модели защиты Windows.

ПРИМЕЧАНИЕ Как правило, наследование не поддерживается напрямую такими хранилищами объектов, как файловые системы, реестр или Active Directory. Функции Windows API, поддерживающие наследование, в том числе SetSecurityInfo и SetNamedSecurityInfo, реализуют наследование вызовом соответствующих функций из DLL поддержки наследования атрибутов защиты (\Windows\System32\Ntmarta.Dll), которым известно, как устроены эти хранилища объектов.

Определение прав доступа.

Для определения прав доступа к объекту используются два алгоритма:

сравнивающий запрошенные права с максимально возможными для данного объекта и экспортируемый в пользовательский режим в виде Windows-функции GetEffectiveRightsFromAcl\

проверяющий наличие конкретных прав доступа и активизируемый через Windows-функцию AccessCheck или AccessCheckByType. Первый алгоритм проверяет элементы DACL следующим образом.

1. B отсутствие DACL (DACL = null) объект является незащищенным, и система защиты предоставляет к нему полный доступ.

2. Если у вызывающего потока имеется привилегия на захват объекта во владение (take-ownership privilege), система защиты предоставляет владельцу право на доступ для записи (write-owner access) до анализа DACL (что такое привилегия захвата объекта во владение и право владельца на доступ для записи, мы поясним чуть позже).

3. Если вызывающий поток является владельцем объекта, ему предоставляются права управления чтением (read-control access) и доступа к DACL для записи (write-DACL access).

4. Из маски предоставленных прав доступа удаляется маска доступа каждого ACE типа «доступ отклонен», SID которого совпадает с SID маркера доступа вызывающего потока.

5. K маске предоставленных прав доступа добавляется маска доступа каждого ACE типа «доступ разрешен», SID которого совпадает с SID маркера доступа вызывающего потока (исключение составляют права доступа, в предоставлении которых уже отказано).

После анализа всех элементов DACL рассчитанная маска предоставленных прав доступа возвращается вызывающему потоку как максимальные права доступа. Эта маска отражает полный набор типов доступа, которые этот поток сможет успешно запрашивать при открытии данного объекта.

Все сказанное применимо лишь к той разновидности алгоритма, которая работает в режиме ядра. Его Windows-версия, реализованная функцией GetEffectiveRigbtsFromAcl, отличается отсутствием шага 2, а также тем, что вместо маркера доступа она рассматривает SID единственного пользователя или группы.

Второй алгоритм проверяет, можно ли удовлетворить конкретный запрос на доступ, исходя из маркера доступа вызывающего потока. У каждой Windows-функции открытия защищенных объектов есть параметр, указывающий желательную маску доступа — последний элемент выражения, описывающего защиту объектов. Чтобы определить, имеет ли вызывающий поток право на доступ к защищенному объекту, выполняются следующие операции.

1. B отсутствие DACL (DACL = null) объект является незащищенным, и система защиты предоставляет к нему запрошенный тип доступа.

2. Если у вызывающего потока имеется привилегия на захват объекта во владение, система защиты предоставляет владельцу право на доступ для записи, а затем анализирует DACL. Однако, если такой поток запросил только доступ владельца для записи, система защиты предоставляет этот тип доступа и не просматривает DACL.

3. Если вызывающий поток является владельцем объекта, ему предоставляются права управления чтением и доступа к DACL для записи. Если вызывающий поток запросил только эти права, система защиты предоставляет их без просмотра DACL.

4. Просматриваются все ACE в DACL — от первого к последнему. Обработка ACE выполняется при одном из следующих условий:

A. SID в ACE типа «доступ отклонен» совпадает с незаблокированным SID (SID могут быть незаблокированными и заблокированными) или SID с атрибутом проверки только на запрет в маркере доступа вызывающего потока;

B. SID в ACE типа «доступ разрешен» совпадает с незаблокированным SID в маркере доступа вызывающего потока, и этот SID не имеет атрибута проверки только на запрет;

C. Идет уже второй проход поиска в дескрипторе ограниченных SID, и SID в ACE совпадает с ограниченным SID в маркере доступа вызывающего потока.

5. B случае ACE типа «доступ разрешен» предоставляются запрошенные права из маски доступа АСЕ; проверка считается успешной, если предоставляются все запрошенные права. Доступ к объекту не предоставляется в случае ACE типа «доступ отклонен» и отказа в предоставлении какого-либо из запрошенных прав.

6. Если достигнут конец DACL и некоторые из запрошенных прав доступа еще не предоставлены, доступ к объекту запрещается.

7. Если все права доступа предоставлены, но в маркере доступа вызывающего потока имеется хотя бы один ограниченный SID, то система повторно сканирует DACL в поисках АСЕ, маски доступа которых соответствуют набору запрошенных прав доступа. При этом также идет поиск АСЕ, SID которых совпадает с любым из ограниченных SID вызывающего потока. Поток получает доступ к объекту, если запрошенные права доступа предоставлялись после каждого прохода по DACL.

Поведение обоих алгоритмов проверки прав доступа зависит от относительного расположения разрешающих и запрещающих АСЕ. Возьмем для примера объект с двумя АСЕ, первый из которых указывает, что определенному пользователю разрешен полный доступ к объекту, а второй отказывает в доступе. Если разрешающий ACE предшествует запрещающему, пользователь получит полный доступ к объекту. При другом порядке этих ACE пользователь вообще не получит доступа к объекту.

Более старые Windows-функции вроде AddAccessAllowedAce добавляли ACE в конец DACL, что нежелательно. Таким образом, до появления Windows 2000 большинство Windows-приложений были вынуждены создавать DACL вручную, помещая запрещающие ACE в начало списка. Несколько функций Windows, например SetSecurityInfo и SetNamedSecurityInfo, используют предпочтительный порядок АСЕ: запрещающие ACE предшествуют разрешающим. Заметьте, что эти функции вызываются при редактировании, например, прав доступа к NTFS-файлам и разделам реестра. SetSecurityInfo и SetNamedSecurityInfo также применяют правила наследования ACE к дескриптору защиты, для операций над которым они вызываются.

Ha рис. 8–5 показан пример проверки прав доступа, демонстрирующий, насколько важен порядок АСЕ. B этом примере пользователю отказано в доступе к файлу, хотя ACE в DACL объекта предоставляет такое право (в силу принадлежности пользователя к группе Writers). Это вызвано тем, что запрещающий ACE предшествует разрешающему.

Маркер доступа.

Пользователь: DaveC.

Внутреннее устройство Windows.

Как уже говорилось, обработка DACL системой защиты при каждом использовании описателя процессом была бы неэффективной, поэтому SRM проверяет права доступа только при открытии описателя, а не при каждом его использовании. Так что, если процесс один раз успешно открыл описатель, система защиты не может аннулировать предоставленные при этом права доступа — даже когда DACL объекта изменяется. Учтите и вот еще что: поскольку код режима ядра обращается к объектам по указателям, а не по описателям, при использовании объектов операционной системой права доступа не проверяются. Иначе говоря, исполнительная система полностью доверяет себе в смысле защиты.

Тот факт, что владелец объекта всегда получает право на запись DACL при доступе к объекту, означает, что пользователям нельзя запретить доступ к принадлежащим им объектам. Если в силу каких-то причин DACL объекта пуст (доступ запрещен), владелец все равно может открыть объект с правом записи DACL и применить новый DACL, определяющий нужные права доступа.

Будьте осторожны при использовании GUI-средств изменения параметров защиты.

Модифицируя с помощью GUI-средств параметры защиты объектов «файл», «реестр», Active Directory или других защищаемых объектов, имейте в виду, что основное диалоговое окно безопасности создает потенциально неверное представление о защите, применяемой для объекта. B верхней части этого окна в алфавитном порядке показываются группы и пользователи, чьи ACE имеются в ACL данного объекта. Если вы выдадите Full Control группе Administrators и запретите его группе Everyone, то, судя по алфавитному списку, можете подумать, будто ACE типа «доступ разрешен» для группы Administrators предшествует ACE типа «доступ отклонен» для группы Everyone. Однако, как мы уже говорили, средства редактирования, применяя ACL к объекту, помещают запрещающие ACE перед разрешающими.

Ha вкладке Permissions (Разрешения) диалогового окна Advanced Security Settings (Дополнительные параметры безопасности) показывается порядок ACE в DACL. Однако даже это диалоговое окно может ввести в заблуждение, так как в сложном DACL за запрещающими ACE для различных видов доступа могут быть расположены разрешающие ACE для других типов доступа.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Единственный способ точно узнать, какие виды доступа к объекту будут разрешены конкретному пользователю или группе (помимо метода проб и ошибок), — открыть вкладку Effective Permissions. Введите здесь имя пользователя или группы, и диалоговое окно покажет, какие разрешения на доступ к объекту будут действовать на самом деле.

Внутреннее устройство Windows.

AuthZ API.

Auth2 API, впервые введенный в Windows XP, реализует ту же модель защиты, что и Security Reference Monitor (монитор состояния защиты), но исключительно для пользовательского режима; все функции AuthZ API находятся в библиотеке \Windows\System32\Authz.Dll. Это позволяет приложениям, нуждающимся в защите своих закрытых объектов (вроде таблиц базы данных), задействовать Windows-модель защиты без издержек, связанных с переходами из пользовательского режима в режим ядра, которые были бы неизбежны при использовании Security Reference Monitor.

AuthZ API оперирует стандартными структурами дескриптора защиты, SID и привилегиями. Вместо применения маркеров для представления клиентов, AuthZ использует AUTHZ_CLIENT_CONTEXT. AuthZ включает эквиваленты всех функций проверки прав доступа и защиты Windows; например AutbzAccessCbeck — это AuthZ-версия Windows-функции AccessCbeck, которая вызывает функцию SeAccessCbeck, принадлежащую Security Reference Monitor.

Еще одно преимущество AuthZ заключается в том, что приложения могут указывать AuthZ кэшировать результаты проверок прав доступа для ускорения последующих проверок, где используются те же контекст клиента и дескриптор защиты.

AuthZ полностью документирован в Platform SDK.

Права и привилегии учетных записей.

Многие операции, выполняемые процессами, нельзя авторизовать через подсистему защиты доступа к объектам, так как при этом не происходит взаимодействия с конкретным объектом. Например, возможность обходить проверки прав доступа при открытии файлов для резервного копирования является атрибутом учетной записи, а не конкретного объекта. Windows использует как привилегии, так и права учетных записей, чтобы системный администратор мог управлять тем, каким учетным записям разрешено выполнять операции, затрагивающие безопасность.

Привилегия (privilege) — это право (right) учетной записи на выполнение определенной операции, затрагивающей безопасность, например на выключение компьютера или изменение системного времени. Право учетной записи разрешает или запрещает конкретный тип входа в систему, скажем, локальный или интерактивный.

Системный администратор назначает привилегии группам и учетным записям с помощью таких инструментов, как ММС-оснастка Active Directory Users and Groups (Active Directory — пользователи и группы) или редактора локальной политики безопасности (Local Security Policy Editor)*. Запустить этот редактор можно из папки Administrative Tools (Администрирование). Ha рис. 8–6 показана конфигурация User Rights Assignment (Назначение прав пользователя) редактора локальной политики безопасности, при которой в правой части окна выводится полный список привилегий и прав (учетных записей), доступных в Windows Server 2003. Заметьте, что этот редактор не различает привилегии и права учетных записей. Ho вы можете сделать это сами, поскольку любое право, в названии которого встречается слово «logon» («вход»), на самом деле является привилегией.

* B русской версии Windows XP окно этого редактора называется «Локальные параметры безопасности». — Прим. перев.

Внутреннее устройство Windows.

Права учетной записи.

Права учетной записи не вводятся в действие монитором состояния защиты (Security Reference Monitor, SRM) и не хранятся в маркерах. За вход отвечает функция LsaLogonUser. B частности, WinLogon вызывает API-функцию LogonUser, когда пользователь интерактивно входит в систему, aLogonUser обращается KLsaLogonUser. Эта функция принимает параметр, указывающий тип выполняемого входа, который может быть интерактивным, сетевым, пакетным, сервисным, через службу терминала или для разблокировки (unlock).

B ответ на запросы входа служба локальной безопасности (Local Security Authority, LSA) извлекает назначенные пользователю права учетной записи из своей базы данных; эта операция выполняется при попытке пользователя войти в систему LSA сверяет тип входа с правами учетной записи и по результатам этой проверки отклоняет попытку входа, если у учетной записи нет права, разрешающего данный тип входа, или, напротив, есть право, которое запрещает данный тип входа. Права пользователей, определенные в Windows, перечислены в таблице 8–4.

Windows-приложения могут добавлять или удалять права из учетной записи пользователя через функции LsaAddAccountRights и LsaRemoveAccount-Rigbts соответственно, а также определять, какие права назначены учетной записи, вызывая функцию LsaEnumerateAccountRigbts.

Внутреннее устройство Windows.

Привилегии.

Число привилегий, определяемых в операционной системе, со временем выросло. B отличие от прав пользователей, которые вводятся в действие в одном месте службой LSA, разные привилегии определяются разными компонентами и ими же применяются. Скажем, привилегия отладки, позволяющая процессу обходить проверки прав доступа при открытии описателя другого процесса через API-функцию OpenProcess, проверяется диспетчером процессов. Полный список привилегий приведен в таблице 8–5.

Компонент, которому нужно проверить маркер на наличие некоей привилегии, обращается к API-функции PrivilegeCheck или LsaEnumerateAccountRights, если он выполняется в пользовательском режиме, либо к SeSingle-PrivilegeCbeck или SePrivilegeCbeck, если он работает в режиме ядра. API-функции, работающие с привилегиями, ничего не знают о правах учетных записей, но API-функциям, оперирующим с правами, привилегии известны.

B отличие от прав учетной записи привилегии можно включать и отключать. Чтобы проверка привилегии прошла успешно, эта привилегия должна находиться в указанном маркере и должна быть включена. Смысл такой схемы в том, что привилегии должны включаться только при реальном их использовании, и в том, чтобы процесс не мог случайно выполнить привилегированную операцию.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдение за включением привилегии.

Следующая процедура позволит увидеть, как апплет Date and Time (Дата и время) из Control Panel включает привилегию SeSystemTime-Privilege, исходя из того, что его интерфейс будет использован для изменения даты или времени на компьютере.

1. Войдите в систему под учетной записью, имеющей право «Change the system time» (Изменение системного времени); такая учетная запись обычно входит в группу администраторов или пользователей с правами администраторов.

2. Запустите Process Explorer и выберите для частоты обновления значение Paused.

3. Откройте вкладку Security в окне свойств какого-либо процесса, например Explorer. Вы должны увидеть, что привилегия SeChange-SystemTimePrivilege отключена.

4. Запустите апплет Date and Time из Control Panel и обновите окно Process Explorer. B списке появится новый процесс Rundll, выделенный зеленым цветом.

5. Откройте окно свойств для процесса Rundll (дважды щелкнув имя этого процесса) и убедитесь, что командная строка содержит текст «Timedate.Cpl». Наличие этого аргумента сообщает Rundll (хост-процессу Control Panel DLL) загрузить DLL, реализующую UI, который позволяет изменять дату и время.

Внутреннее устройство Windows.

6. Перейдите на вкладку Security в окне свойств процесса Rundll и вы увидите, что привилегия SeSystemTimePrivilege включена.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: привилегия Bypass Traverse Checking.

Если вы являетесь системным администратором, то должны знать о привилегии Bypass Traverse Checking (Обход перекрестной проверки)* (ее внутреннее название — SeNotifyPrivilege) и о том, какие последствия влечет за собой ее включение. Этот эксперимент демонстрирует, что непонимание ее поведения может привести к серьезному нарушению безопасности.

1. Создайте папку, а в ней — новый текстовый файл с каким-нибудь текстом.

2. Перейдите в Explorer к новому файлу и откройте вкладку Security (Безопасность) в его окне свойств. Щелкните кнопку Advanced (Дополнительно) и сбросьте флажок, управляющий наследованием. Выберите Сору (Копировать), когда появится запрос с предложением удалить или скопировать унаследованные разрешения.

3. Далее сделайте так, чтобы по вашей учетной записи нельзя было получить доступ к этой новой папке. Для этого выберите свою учетную запись и в списке разрешений выберите все флажки типа Deny (отклонить или запретить).

4. Запустите Notepad и попробуйте через его UI перейти в новую папку. Вы не сможете этого сделать.

5. B поле File Name (Имя файла) диалогового окна Open (Открыть) введите полный путь к новому файлу. Файл должен открыться. Если в вашей учетной записи нет привилегии Bypass Traverse Checking, NTFS будет проверять права доступа к каждому каталогу в пути к файлу, когда вы попытаетесь открыть этот файл. И только в таком случае вам будет отказано в доступе к данному файлу.

* Так эта привилегия называется в русской версии Windows XP, но на самом деле никакой перекрестной проверки нет — проверяются промежуточные каталоги в пути к файлу. Поэтому такую привилегию следовало бы назвать «Обход промежуточных проверок». — Прим. перев.

Суперпривилегии.

Несколько привилегий дают настолько широкие права, что пользователя, которому они назначаются, называют «суперпользователем» — он получает полный контроль над компьютером. Эти привилегии позволяют получать неавторизованный доступ к закрытым ресурсам и выполнять любые операции. Ho мы уделим основное внимание применению привилегии на запуск кода, который выдает привилегии, изначально не назначавшиеся пользователю, и при этом не будем забывать, что это может быть использовано для выполнения любой операции на локальном компьютере. B этом разделе перечисляются такие привилегии и рассматриваются способы их применения. Прочие привилегии вроде Lock Pages In Physical Memory (Закрепление страниц в памяти) можно использовать для атак типа «отказ в обслуживании», но мы не станем их обсуждать.

• Debug programs (Отладка программ) Пользователь с этой привилегией может открыть любой процесс в системе независимо от его дескриптора защиты. Например, располагая такой привилегией, можно запустить свою программу, которая открывает процесс LSASS, копирует в ее адресное пространство исполняемый код, а затем внедряет поток с помощью API-функции CreateRemoteThread для выполнения внедренного кода в более привилегированном контексте защиты. Этот код мог бы выдавать пользователю дополнительные привилегии и расширять его членство в группах.

• Take ownership (Смена владельца)* Эта привилегия позволяет ее обладателю сменить владельца любого защищаемого объекта, просто вписав свой SID в поле владельца в дескрипторе защиты объекта. Вспомните, что владелец всегда получает разрешение на чтение и модификацию DACL дескриптора защиты, поэтому процесс с такой привилегией мог бы изменить DACL, чтобы разрешить себе полный доступ к объекту, а затем закрыть объект и вновь открыть его с правами полного доступа. Это позволило бы увидеть любые конфиденциальные данные и даже подменить системные файлы, выполняемые при обычных системных операциях, например LSASS, своими программами, которые расширяют привилегии некоего пользователя.

• Restore files and directories (Восстановление файлов и каталогов).

Пользователь с такой привилегией может заменить любой файл в системе на свой — так же, как было описано в предыдущем абзаце.

• Load and unload device drivers (Загрузка и выгрузка драйверов устройств) Злоумышленник мог бы воспользоваться этой привилегией для загрузки драйвера устройства в систему. Такие драйверы считаются доверяемыми частями операционной системы, которые выполняются под системной учетной записью, поэтому драйвер мог бы запускать привилегированные программы, назначающие пользователю-злоумышленнику другие права.

B русской версии Windows XP эта привилегия называется «Овладение файлами или иными объектами». — Прим. перев.

• Create a token object (Создание маркерного объекта) Эта привилегия позволяет создавать объекты «маркеры», представляющие произвольные учетные записи с членством в любых группах и любыми разрешениями.

• Act as part of operating system (Работа в режиме операционной системы) Эта привилегия проверяется функцией LsaRegisterLogonProcess, вызываемой процессом для установления доверяемого соединения с LSASS. Злоумышленник с такой привилегией может установить доверяемое соединение с LSASS, а затем вызвать LsaLogonUser — функцию, используемую для создания новых сеансов входа. LsaLogonUser требует указания действительных имени и пароля пользователя и принимает необязательный список SID, добавляемый к начальному маркеру, который создается для нового сеанса входа. B итоге можно было бы использовать свои имя и пароль для создания нового сеанса входа, в маркер которого включены SID более привилегированных групп или пользователей. Заметьте, что расширенные привилегии не распространяются за границы локальной системы в сети, потому что любое взаимодействие с другим компьютером требует аутентификации контроллером домена и применения доменных паролей. A доменные пароли не хранятся на компьютерах (даже в зашифрованном виде) и поэтому недоступны злонамеренному коду.

Аудит безопасности.

События аудита может генерировать диспетчер объектов в результате проверки прав доступа. Их могут генерировать и непосредственно Windows-функции, доступные пользовательским приложениям. Это же право, разумеется, есть и у кода режима ядра. C аудитом связаны две привилегии: SeSecu-rityPrivilege и SeAuditPrivilege. Для управления журналом событий безопасности, а также для просмотра и изменения SACL объектов процесс должен обладать привилегией SeSecurityPrivilege. Однако процесс, вызывающий системные сервисы аудита, должен обладать привилегией SeAuditPrivilege, чтобы успешно сгенерировать запись аудита в этом журнале.

Решения об аудите конкретного типа событий безопасности принимаются в соответствии с политикой аудита локальной системы. Политика аудита, также называемая локальной политикой безопасности (local security policy), является частью политики безопасности, поддерживаемой LSASS в локальной системе, и настраивается с помощью редактора локальной политики безопасности (рис. 8–7).

При инициализации системы и изменении политики LSASS посылает SRM сообщения, информирующие его о текущей политике аудита. LSASS отвечает за прием записей аудита, генерируемых на основе событий аудита от SRM, их редактирование и передачу Event Logger (регистратору событий). Эти записи посылает именно LSASS (а не SRM), так как он добавляет в них сопутствующие подробности, например информацию, нужную для более полной идентификации процесса, по отношению к которому проводится аудит.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 8–7. Конфигурация Audit Policy редактора локальной политики безопасности.

SRM посылает записи аудита LSASS через свое LPC-соединение. После этого Event Logger заносит записи в журнал безопасности. B дополнение к записям аудита, передаваемым SRM, LSASS и SAM тоже генерируют записи аудита, которые LSASS пересылает непосредственно Event Logger; кроме того, AuthZ API позволяет приложениям генерировать записи аудита, определенные этими приложениями. Вся эта схема представлена на рис. 8–8.

Внутреннее устройство Windows.

Записи аудита, подлежащие пересылке LSA, помещаются в очередь по мере получения — они не передаются пакетами. Пересылка этих записей осуществляется одним из двух способов. Если запись аудита невелика (меньше максимального размера LPC-сообщения), она посылается как LPC-сообщение. Записи аудита копируются из адресного пространства SRM в адресное пространство процесса Lsass. Если запись аудита велика, SRM делает ее доступной Lsass через разделяемую память и передает Lsass указатель на нее, используя для этого LPC-сообщение.

Рис. 8–9 обобщает изложенные в этой главе концепции, иллюстрируя базовые структуры защиты процессов и потоков. Обратите внимание на то, что у объектов «процесс» и «поток» имеются ACL, равно как и у самих объектов «маркер доступа». Кроме того, на этой иллюстрации показано, что у потоков 2 и 3 есть маркер олицетворения, тогда как поток 1 по умолчанию использует маркер доступа своего процесса.

Внутреннее устройство Windows.

Вход в систему.

При интерактивном входе в систему (в отличие от входа через сеть) происходит взаимодействие с процессами Winlogon, Lsass, одним или несколькими пакетами аутентификации, а также SAM или Active Directory. Пакеты аутентификации (authentication packages) — это DLL-модули, выполняющие проверки, связанные с аутентификацией. Пакетом аутентификации Windows для интерактивного входа в домен является Kerberos, a MSV1_0 — аналогичным пакетом для интерактивного входа на локальные компьютеры, доменного входа в доверяемые домены под управлением версий Windows, предшествовавших Windows 2000, а также для входа в отсутствие контроллера домена.

Winlogon — доверяемый процесс, отвечающий за управление взаимодействием с пользователем в связи с защитой. Он координирует вход, запускает первый процесс при входе в систему данного пользователя, обрабатывает выход из системы и управляет множеством других операций, имеющих отношение к защите, — вводом паролей при регистрации, сменой паролей, блокированием и разблокированием рабочих станций и т. д. Процесс Winlogon должен обеспечить невидимость операций, связанных с защитой, другим активным процессам. Так, Winlogon гарантирует, что в ходе этих операций недоверяемый процесс не сможет перехватить управление рабочим столом и таким образом получить доступ к паролю.

Winlogon получает имя и пароль пользователя через Graphical Identification and Authentication (GINA) DLL. Стандартная GINA — \Windows\System32\ Msgina.dll. Msgina выводит диалоговое окно для входа в систему. Позволяя заменять Msgina другими GINA-библиотеками, Windows дает возможность менять механизмы идентификации пользователей. Например, сторонний разработчик может создать GINA для поддержки устройства распознавания отпечатков пальцев и для выборки паролей пользователей из зашифрованной базы данных.

Winlogon — единственный процесс, который перехватывает запросы на регистрацию с клавиатуры. Получив имя и пароль пользователя от GINA, Winlogon вызывает LSASS для аутентификации этого пользователя. Если аутентификация прошла успешно, процесс Winlogon активизирует оболочку. Схема взаимодействия между компонентами, участвующими в процессе регистрации, показана на рис. 8-10.

Внутреннее устройство Windows.

Winlogon не только поддерживает альтернативные GINA, но и может загружать дополнительные DLL провайдеров доступа к сетям, необходимые для вторичной аутентификации. Это позволяет сразу нескольким сетевым провайдерам получать идентификационные и регистрационные данные в процессе обычного входа пользователя в систему. Входя в систему под управлением Windows, пользователь может одновременно аутентифицироваться и на UNIX-сервере. После этого он получит доступ к ресурсам UNIX-сервера с компьютера под управлением Windows без дополнительной аутентификации. Эта функциональность является одной из форм унифицированной регистрации (single sign-on).

Инициализация Winlogon.

При инициализации системы, когда ни одно пользовательское приложение еще не активно, Winlogon выполняет ряд операций, обеспечивающих ему контроль над рабочей станцией с момента готовности системы к взаимодействию с пользователем.

1. Создает и открывает интерактивный объект WindowStation (например, \Windows\WindowStations\WinStaO в пространстве имен диспетчера объектов), представляющий клавиатуру, мышь и монитор. Далее создает дескриптор защиты станции с одним АСЕ, содержащим только системный SID. Этот уникальный дескриптор безопасности гарантирует, что другой процесс получит доступ к рабочей станции, только если Winlogon явно разрешит это.

2. Создает и открывает два объекта «рабочий стол»: для приложений (\Win-dows\WinStaO\Default, также известный как интерактивный рабочий стол) и Winlogon (\Windows\WinStaO\Winlogon, также известный как защищенный рабочий стол). Защита объекта «рабочий стол» Winlogon организуется так, чтобы к нему мог обращаться только Winlogon. Другой объект «рабочий стол» доступен как Winlogon, так и пользователям. Следовательно, пока активен объект «рабочий стол» Winlogon, никакой другой процесс не получает доступа к коду и данным, сопоставленным с этим рабочим столом. Эта функциональность используется Windows для защиты операций, требующих передачи паролей, а также для блокировки и разблокировки рабочего стола.

3. До входа какого-либо пользователя в систему видимым рабочим столом является объект «рабочий стол» Winlogon. После входа нажатие клавиш Ctrl+Alt+Del вызывает переключение объектов «рабочий стол» — с Default на Winlogon. (Это объясняет, почему после нажатия Ctrl+Alt+Del с рабочего стола исчезают все окна и почему они возвращаются, как только закрывается диалоговое окно Windows Security.) Таким образом, SAS всегда активизирует защищенный рабочий стол, контролируемый Winlogon.

4. Устанавливает LPC-соединение с LSASS через LsaAutbenticationPort (вызовом LsaRegisterLogonProcess). Это соединение понадобится для обмена информацией при входе и выходе пользователя из системы и при операциях с паролем.

Далее Winlogon настраивает оконную среду.

5. Инициализирует и регистрирует структуру данных оконного класса, которая сопоставляет процедуру Winlogon с создаваемым ею окном.

6. Регистрирует SAS, сопоставляя ее с только что созданным окном. Это гарантирует, что ввод пользователем SAS будет вызывать именно оконную процедуру Winlogon и что программы типа троянских коней не смогут перехватывать управление при вводе SAS.

7. Регистрирует окно, чтобы при выходе пользователя вызывалась процедура, сопоставленная с этим окном. Подсистема Windows проверяет, что запросивший уведомление процесс является именно Winlogon.

Как реализована SAS.

SAS безопасна потому, что никакое приложение не может перехватить комбинацию клавиш Ctrl+Alt+Del или воспрепятствовать его получение Winlogon. Winlogon использует документированную API-функцию RegisterHotKey для резервирования комбинации клавиш Ctrl+Alt+Del, поэтому подсистема ввода Windows, обнаружив эту комбинацию, посылает специальное сообщение окну, создаваемому Winlogon для приема таких уведомлений. Любая зарезервированная комбинация клавиш посылается только тому процессу, который зарезервировал ее, и лишь поток, зарезервировавший данную комбинацию клавиш, может отменить ее регистрацию (через API-функцию UnregisterHotKey), так что троянская программа не в состоянии забрать на себя SAS.

Windows-функция SetWindowsHook позволяет приложению установить процедуру-ловушку, вызываемую при каждом нажатии клавиш еще до обработки какой-либо комбинации, и модифицировать эти клавиши. Однако в коде обработки комбинаций клавиш содержится специальный блок case для Ctrl+Alt+Del, который отключает ловушки, исключая возможность перехвата этой последовательности. Кроме того, если интерактивный рабочий стол блокирован, обрабатываются только комбинации клавиш, принадлежащие Winlogon.

Как только при инициализации системы создается рабочий стол Winlogon, он становится активным рабочим столом. Причем активный рабочий стол Winlogon всегда заблокирован. Winlogon разблокирует свой рабочий стол лишь для переключения на рабочий стол приложений или экранной заставки. (Блокировать или разблокировать рабочий стол может только процесс Winlogon.).

Этапы входа пользователя.

Регистрация начинается, когда пользователь нажимает комбинацию клавиш SAS (по умолчанию — Ctrl+Alt+Del). После этого Winlogon вызывает GINA, чтобы получить имя и пароль пользователя. Winlogon также создает уникальный локальный SID для этого пользователя и назначает его данному экземпляру объекта «рабочий стол» (который представляет клавиатуру, экран и мышь). Winlogon передает этот SID в LSASS при вызове LsaLogonUser. Если вход пользователя прошел успешно, этот SID будет включен в маркер процесса входа (logon process token) — такой шаг предпринимается для защиты доступа к объекту «рабочий стол». Например, второй вход по той же учетной записи, но в другой системе, не предоставит доступа для записи к объекту «рабочий стол» первого компьютера, так как в его маркере не будет SID, полученного при втором входе.

После ввода имени и пароля пользователя Winlogon получает описатель пакета аутентификации вызовом Lsass-функции LsaLookupAuthenticationPackage. Эти пакеты перечисляются в разделе реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Lsa. Winlogon передает пакету данные входа через LsaLogonUser. После того как пакет аутентифицирует пользователя, Winlogon продолжает процесс входа этого пользователя. Если ни один из пакетов не сообщает об успешной аутентификации, процесс входа прекращается.

Windows использует два стандартных пакета аутентификации при интерактивном входе: Kerberos и MSV1_0. Пакет аутентификации по умолчанию в автономной системе Windows — MSVlO (\Windows\System32\Msvl_0.dll); он реализует протокол LAN Manager 2. LSASS также использует MSVlO на компьютерах, входящих в домен, чтобы аутентифицировать домены и компьютеры под управлением версий Windows до Windows 2000, не способные найти контроллер домена для аутентификации. (Отключенные от сети портативные компьютеры относятся к той же категории.) Пакет аутентификации Kerberos (\Windows\System32\Kerberos.dll) используется на компьютерах, входящих в домены Windows. Этот пакет во взаимодействии со службами Kerberos, выполняемыми на контроллере домена, поддерживает протокол Kerberos версии 5 (ревизии 6). Данный протокол определен в RFC 1510. (Подробнее о стандарте Kerberos см. на сайте Internet Engineering Task Force по ссылке www.ietf.org.).

Пакет аутентификации MSVlO принимает имя пользователя и хэшированную версию пароля и посылает локальному SAM запрос на получение информации из учетной записи, включая пароль, группы, в которые входит пользователь, и список ограничений по данной учетной записи. Сначала MSVlO проверяет ограничения, например разрешенное время или типы доступа. Если ограничения из базы данных SAM запрещают регистрацию пользователя в это время суток, MSVlO возвращает LSA статус отказа.

Далее MSVlO сравнивает хэшированный пароль и имя пользователя с теми, которые хранятся в SAM. B случае кэшированного доменного входа MSVlO обращается к кэшированной информации через функции LSASS, отвечающие за сохранение и получение «секретов» из базы данных LSA (куст реестра SECURITY) Если эти данные совпадают, MSVlO генерирует LUID сеанса входа и создает собственно сеанс входа вызовом LSASS. При этом MSVlO сопоставляет данный уникальный идентификатор с сеансом и передает данные, необходимые для того, чтобы в конечном счете создать маркер доступа для пользователя. (Вспомните, что маркер доступа включает SID пользователя, SID групп и назначенные привилегии.).

ПРИМЕЧАНИЕ MSV1_0 не кэширует весь хэш пароля пользователя в реестре, так как это позволило бы любому лицу, имеющему физический доступ к системе, легко скомпрометировать доменную учетную запись пользователя и получить доступ к зашифрованным файлам и к сетевым ресурсам, к которым данный пользователь имеет право обращаться. Поэтому MSV1_0 кэширует лишь половину хэша. Этой половины достаточно для проверки правильности пароля пользователя, но недостаточно для получения доступа к ключам EFS и для аутентификации в домене вместо этого пользователя, так как эти операции требуют полного хэша.

Если MSV1_0 нужно аутентифицировать пользователя с удаленной системы, например при его регистрации в доверяемом домене под управлением версий Windows до Windows 2000, то MSV1_0 взаимодействует с экземпляром Netlogon в удаленной системе через службу Netlogon (сетевого входа в систему). Netlogon в удаленной системе взаимодействует с пакетом аутентификации MSV1_0 этой системы, передавая результаты аутентификации системе, в которой выполняется вход.

Базовая последовательность действий при аутентификации Kerberos в основном та же, что и в случае MSV1_0. Однако в большинстве случаев доменный вход проходит на рабочих станциях или серверах, включенных в домен (а не на контроллере домена), поэтому пакет в процессе аутентификации должен взаимодействовать с ними через сеть. Взаимодействие этого пакета со службой Kerberos на контроллере домена осуществляется через TCP/IP-порт Kerberos (88). Служба Kerberos KeyDistribution Center (\Windows\ System32\Kdcsvc.dll), реализующая протокол аутентификации Kerberos, выполняется в процессе Lsass на контроллерах домена.

После проверки хэшированной информации об имени и пароле пользователя с помощью объектов учетных записей пользователей (user account objects) Active Directory (через сервер Active Directory, \Windows\System32\ Ntdsa.dll) Kdcsvc возвращает доменные удостоверения LSASS, который при успешном входе передает через сеть результат аутентификации и удостоверения пользователя той системе, где выполняется вход.

ПРИМЕЧАНИЕ Приведенное здесь описание аутентификации пакетом Kerberos сильно упрощено, и тем не менее оно иллюстрирует роль различных компонентов в этом процессе. Хотя протокол аутентификации Kerberos играет ключевую роль в обеспечении распределенной защиты доменов в Windows, его детальное рассмотрение выходит за рамки нашей книги.

Как только учетные данные аутентифицированы, LSASS ищет в базе данных локальной политики разрешенный пользователю тип доступа — интерактивный, сетевой, пакетный или сервисный. Если тип запрошенного входа в систему не соответствует разрешенному, вход прекращается. LSASS удаляет только что созданный сеанс входа, освобождая его структуры данных, и сообщает Winlogon о неудаче. Winlogon в свою очередь сообщает об этом пользователю. Если же запрошенный тип входа в систему разрешается, LSASS добавляет любые дополнительные идентификаторы защиты (например, Everyone, Interactive и т. п.). Затем он проверяет в своей базе данных привилегии, назначенные всем идентификаторам данного пользователя, и включает эти привилегии в маркер доступа пользователя.

Собрав всю необходимую информацию, LSASS вызывает исполнительную систему для создания маркера доступа. Исполнительная система создает основной маркер доступа для интерактивного или сервисного сеанса и маркер олицетворения для сетевого сеанса. После успешного создания маркера доступа LSASS дублирует его, создавая описатель, который может быть передан Winlogon, а свой описатель закрывает. Если нужно, проводится аудит операции входа. Ha этом этапе LSASS сообщает Winlogon об успешном входе и возвращает описатель маркера доступа, LUID сеанса входа и информацию из профиля, полученную от пакета аутентификации (если она есть).

ЭКСПЕРИМЕНТ: перечисление активных сеансов входа.

Пока существует хотя бы один маркер с данным LUID сеанса входа, Windows считает этот сеанс активным. C помощью утилиты Logon-Sessions (wwwsysintemals.com), которая использует функцию LsaEnu-merateLogonSessions (документированную в Platform SDK), можно перечислить активные сеансы входа:

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

B информацию, сообщаемую по каждому сеансу, включаются SID и имя пользователя, сопоставленные с данным сеансом, а также пакет аутентификации и время входа. Заметьте, что пакет аутентификации Negotiate, отмеченный в сеансе входа 2, выполняет аутентификацию через Kerberos или NTLM в зависимости от того, какой из них больше подходит для данного запроса на аутентификацию.

LUID для сеанса показывается в строке «Logon Session» блока информации по каждому сеансу, и с помощью утилиты Handle (также доступной с wwwsysinternals.com) можно найти маркеры, представляющие конкретный сеанс входа. Например, чтобы найти маркеры для сеанса входа 8 в предыдущем примере вывода, вы могли бы ввести такую команду:

C: \›handle — a 79da73 43c: Token MARKLAP\Administrator:79da73.

Далее Winlogon просматривает параметр реестра HKLM\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\Current Version\Winlogon\Userinit и создает процесс для запуска программ, указанных в строковом значении этого параметра (там могут присутствовать имена нескольких ЕХЕ-файлов, разделенные запятыми). Значение этого параметра по умолчанию приводит к запуску Useri-

Nit.exe, который загружает профиль пользователя, а затем создает процесс для запуска программ, перечисленных в HKCU\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\Current Version\Winlogon\Shell, если такой параметр есть. Если же этого параметра нет, Userinit.exe обращается к параметру HKLM\SOFTWARE\ Microsoft\Windows NT\Current Version\Winlogon\Shell, который по умолчанию задает Explorer.exe. После этого Userinit завершается — вот почему Process Explorer показывает Explorer.exe как процесс, не имеющий предка. Подробнее о том, что происходит в процессе входа, см. в главе 5.

Политики ограниченного использования программ.

Злонамеренный код вроде вирусов и червей создает все больше проблем. B Windows XP введен механизм Software Restriction Policies (Политики ограниченного использования программ), который позволяет администраторам контролировать образы и сценарии, выполняемые в их системах. Узел Software Restriction Policies в редакторе локальной политики безопасности (рис. 8-11) служит интерфейсом управления для политик выполнения кода на компьютере, хотя возможны и политики, индивидуальные для пользователей; в последнем случае применяются доменные политики групп.

Внутреннее устройство Windows.

Узел Software Restriction Policies (Политики ограниченного использования программ) содержит несколько глобальных параметров.

Параметр Enforcement (Принудительный) определяет, как применяются политики ограничения — к библиотекам вроде DLL, только к пользователям или к пользователям и администраторам.

Параметр Designated File Types (Назначенные типы файлов) регистрирует расширения файлов, которые считаются исполняемыми.

Параметр Trusted Publishers (Доверенные издатели) контролирует, кто имеет право решать, каким издателям сертификатов можно доверять.

При настройке параметра для конкретного сценария или образа администратор может указать системе распознавать этот сценарий или образ по его пути, хэшу, зоне Интернета (как определено в Internet Explorer) или по криптографическому сертификату, а также сопоставить его с уровнем безопасности Disallowed (He разрешено) либо Unrestricted (Неограниченный).

Политики ограниченного использования программ применяются внутри различных компонентов, где файлы рассматриваются как содержащие исполняемый код. Некоторые из таких компонентов перечислены ниже.

Windows-функция CreateProcess (\Windows\System32\Kernel32.dll) пользовательского режима применяет эти политики к исполняемым образам.

Код загрузки DLL в Ntdll (\Windows\System32\Ntdll.dll) применяет эти политики к DLL.

Командная оболочка Windows (\Windows\System32\Cmd.exe) применяет эти политики к командным файлам.

Компоненты Windows Scripting Host, запускающие сценарии, — \Windows\System32\Cscript.exe (для сценариев командной строки), \Windows\ System32\Wscript.exe (для UI-сценариев) и \Windows\System32\Scrobj.dll (для объектов-сценариев) — применяют эти политики к сценариям. Каждый из этих компонентов определяет, действуют ли политики ограничения, по значению параметра реестра HKLM\SOFTWARE\Policies\Micro-soft\Windows\Safer\CodeIdentifiers\TransparentEnabled. Если он равен 1, то политики действуют. Далее каждый из компонентов проверяет, подпадает ли код, который он собирается выполнить, под действие одного из правил, указанных в подразделе раздела CodeIdentifiers, и, если да, следует ли разрешить выполнение. Если ни одно из правил к данному коду не относится, его выполнение зависит от политики по умолчанию, определяемой параметром DefaultLevel в разделе CodeIdentifiers.

Software Restriction Policies — мощное средство для предотвращения запуска неавторизованного кода и сценариев, но только при правильном применении. Если политика по умолчанию не запрещает выполнение, то в образ, который не разрешено запускать в данной системе, можно внести минимальные изменения, и это позволит обойти правило и запустить данный образ.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдение за применением политики ограниченного использования программ.

Вы можете косвенно убедиться в применении политик ограниченного использования программ, наблюдая за обращениями к реестру при попытке выполнения образа, запуск которого запрещен.

1. Запустите secpol.msc, чтобы открыть редактор локальной политики безопасности, и перейдите в узел Software Restriction Policies (Политики ограниченного использования программ).

2. Выберите Create New Policies (Создать новые политики) из контекстного меню, если такие политики не определены.

3. Создайте правило, запрещающее путь \Windows\System32\Note-pad.exe.

4. Запустите Regmon и установите включающий фильтр для «Safer» (описание Regmon см. в главе 4).

5. Откройте окно командной строки и попробуйте запустить Notepad. Ваша попытка запуска Notepad должна закончиться появлением сообщения о том, что вам запрещен запуск указанной программы, и Regmon должна показать, как командная оболочка (cmd.exe) запрашивает политики ограничения на локальном компьютере.

Резюме.

Windows поддерживает большой набор функций защиты, соответствующий ключевым требованиям как правительственных организаций, так и коммерческих структур. B этой главе мы кратко рассмотрели внутренние компоненты, лежащие в основе функций защиты.

B следующей главе мы обсудим последний из основных компонентов исполнительной системы, описываемых в этой книге, — подсистему ввода-вывода.

ГЛАВА 9. Подсистема ввода-вывода.

Подсистема ввода-вывода в Microsoft Windows состоит из нескольких компонентов исполнительной системы, которые совместно управляют аппаратными устройствами и предоставляют интерфейсы для обращения к ним системе и приложениям. B этой главе мы сначала перечислим цели разработки подсистемы ввода-вывода, повлиявшие на ее реализацию. Затем мы рассмотрим ее компоненты, в том числе диспетчер ввода-вывода, диспетчер Plug and Play (PnP) и диспетчер электропитания. Далее исследуем структуру подсистемы ввода-вывода и различные типы драйверов устройств. Мы также обсудим основные структуры данных, описывающие устройства, драйверы устройств и запросы на ввод-вывод, а потом перейдем к этапу обработки запросов на ввод-вывод. B завершение будет рассказано о том, как распознаются устройства, как устанавливаются их драйверы и как осуществляется управление электропитанием.

Компоненты подсистемы ввода-вывода.

Согласно целям, поставленным при разработке, подсистема ввода-вывода в Windows должна обеспечивать приложениям абстракцию устройств — как аппаратных (физических), так и программных (виртуальных или логических) — и при этом предоставлять следующую функциональность:

стандартные средства безопасности и именования устройств для защиты разделяемых ресурсов (описание модели защиты см. в главе 8);

высокопроизводительный асинхронный пакетный ввод-вывод для поддержки масштабируемых приложений;

сервисы для написания драйверов устройств на высокоуровневом языке и упрощения их переноса между разными аппаратными платформами;

поддержку многоуровневой модели и расширяемости для добавления драйверов, модифицирующих поведение других драйверов или устройств без внесения изменений в них;

динамическую загрузку и выгрузку драйверов устройств, чтобы драйверы можно было загружать по требованию и не расходовать системные ресурсы без необходимости;

поддержку Plug and Play, благодаря которой система находит и устанавливает драйверы для нового оборудования, а затем выделяет им нужные аппаратные ресурсы;

управление электропитанием, чтобы система и отдельные устройства могли переходить в состояния с низким энергопотреблением;

поддержку множества устанавливаемых файловых систем, в том числе FAT, CDFS (файловую систему CD-ROM), UDF (Universal Disk Format) и NTFS (подробнее о типах и архитектуре файловых систем см. в главе 12).

поддержку Windows Management Instrumentation (WMI) и средств диагностики, позволяющую управлять драйверами и вести мониторинг за ними через WMI-приложения и сценарии. (Описание WMI см. в главе 4.) Для реализации этой функциональности подсистема ввода-вывода в Windows состоит из нескольких компонентов исполнительной системы и драйверов устройств (рис. 9–1).

Центральное место в этой подсистеме занимает диспетчер ввода-вывода; он подключает приложения и системные компоненты к виртуальным, логическим и физическим устройствам, а также определяет инфраструктуру, поддерживающую драйверы устройств.

Драйвер устройства, как правило, предоставляет интерфейс ввода-вывода для устройств конкретного типа. Такие драйверы принимают от диспетчера ввода-вывода команды, предназначенные управляемым ими устройствам, и уведомляют диспетчер ввода-вывода о выполнении этих команд. Драйверы часто используют этот диспетчер для пересылки команд ввода-вывода другим драйверам, задействованным в реализации интерфейса того же устройства и участвующим в управлении им.

Диспетчер PnP работает в тесном взаимодействии с диспетчером ввода-вывода и драйвером шины (bus driver) — одной из разновидностей драйверов устройств. Он управляет выделением аппаратных ресурсов, а также распознает устройства и реагирует на их подключение или отключение. Диспетчер PnP и драйверы шины отвечают за загрузку соответствующего драйвера при обнаружении нового устройства. Если устройство добавляется в систему, в которой нет нужного драйвера устройства, компоненты исполнительной системы, отвечающие за поддержку PnP, вызывают сервисы установки устройств, поддерживаемые диспетчером PnP пользовательского режима.

Диспетчер электропитания, также в тесном взаимодействии с диспетчером ввода-вывода, управляет системой и драйверами устройств при их переходе в различные состояния энергопотребления.

Процедуры поддержки Windows Management Instrumentation (WMI) (Инструментарий управления Windows), образующие провайдер WDM (Windows Driver Model) WMI, позволяют драйверам устройств выступать в роли провайдеров, взаимодействуя со службой WMI пользовательского режима через провайдер WDM WMI. (Подробнее о WMI см. раздел «Windows Management Instrumentation главы 4.).

Реестр служит в качестве базы данных, в которой хранится описание основных устройств, подключенных к системе, а также параметры инициализации драйверов и конфигурационные настройки (см. главу 4).

Внутреннее устройство Windows.

Для установки драйверов используются INF-файлы; они связывают конкретное аппаратное устройство с драйвером, который берет на себя ведущую роль в управлении этим устройством. Содержимое INF-файла состоит из инструкций, описывающих соответствующее устройство, исходное и целевое местонахождение файлов драйвера, изменения, которые нужно внести в реестр при установке драйвера, и информацию о зависимостях драйвера. B САТ-файлах хранятся цифровые подписи, которые удостоверяют файлы драйверов, прошедших испытания в лаборатории Microsoft Windows Hardware Quality Lab (WHQL).

Уровень абстрагирования от оборудования (HAL) изолирует драйверы от специфических особенностей конкретных процессоров и контроллеров прерываний, поддерживая API, скрывающие межплатформенные различия. B сущности HAL является драйвером шины для тех устройств на материнской плате компьютера, которые не контролируются другими драйверами.

Диспетчер ввода-вывода.

Диспетчер ввода-вывода (I/O manager) определяет модель доставки запросов на ввод-вывод драйверам устройств. Подсистема ввода-вывода управляется пакетами. Большинство запросов ввода-вывода представляется пакетами запросов ввода-вывода (I/O request packets, IRP), передаваемых от одного компонента подсистемы ввода-вывода другому. (Как вы еще убедитесь, исключением является быстрый ввод-вывод, при котором IRP не используются.) Подсистема ввода-вывода позволяет индивидуальному потоку приложения управлять сразу несколькими запросами на ввод-вывод. IRP — это структура данных, которая содержит информацию, полностью описывающую запрос ввода-вывода (подробнее об IRP см. раздел «Пакеты запросов ввода-вывода» далее в этой главе).

Диспетчер ввода-вывода создает IRP (представляющий операцию ввода-вывода), передает указатель на IRP соответствующему драйверу и удаляет пакет по завершении операции ввода-вывода. Драйвер, получивший IRP, выполняет указанную в пакете операцию и возвращает IRP диспетчеру ввода-вывода, чтобы тот либо завершил эту операцию, либо передал пакет другому драйверу для дальнейшей обработки.

Диспетчер ввода-вывода не только создает и уничтожает IRP, но и содержит общий для различных драйверов код, который они используют при обработке ввода-вывода. Благодаря этому драйверы стали проще и компактнее. Так, одна из функций диспетчера ввода-вывода позволяет драйверу вызывать другие драйверы. Этот диспетчер также управляет буферами запросов ввода-вывода, таймаутами драйверов и регистрирует, какие устанавливаемые файловые системы загружаются в операционную систему. Драйверы устройств могут вызывать около сотни функций, предоставляемых диспетчером ввода-вывода.

Диспетчер ввода-вывода также предоставляет гибкие сервисы ввода-вывода, на основе которых подсистемы окружения (например, Windows и POSIX) реализуют свои функции. B их число входят весьма изощренные сервисы асинхронного ввода-вывода, которые дают возможность разработчикам создавать высокопроизводительные масштабируемые серверные приложения.

Унифицированный модульный интерфейс драйверов позволяет диспетчеру ввода-вывода вызывать любой драйвер, ничего не зная о его структуре и внутреннем устройстве. Операционная система обрабатывает запросы на ввод-вывод так, будто они адресованы файлам; драйвер преобразует запросы к виртуальному файлу в запросы, специфичные для устройства. Драйверы также могут вызывать друг друга (через диспетчер ввода-вывода), обеспечивая многоуровневую независимую обработку запросов на ввод-вывод.

Кроме обычных функций для открытия, закрытия, чтения и записи подсистема ввода-вывода Windows предоставляет ряд дополнительных функций, например для асинхронного, прямого и буферизованного ввода-вывода, а также для ввода-вывода по механизму «scatter/gather»* (см. раздел «Типы ввода-вывода» далее в этой главе).

* Механизм, позволяющий интерпретировать, записывать и считывать физически нелинейную область памяти как единое целое. — Прим. перев.

Типичная обработка ввода-вывода.

Большинство операций ввода-вывода не требует участия всех компонентов подсистемы ввода-вывода. Как правило, запрос на ввод-вывод выдается приложением, выполняющим соответствующую операцию (например, чтение данных с устройства); такие операции обрабатываются диспетчером ввода-вывода, одним или несколькими драйверами устройств и HAL.

Как уже упоминалось, в Windows потоки выполняют операции ввода-вывода над виртуальными файлами. Операционная система абстрагирует все запросы на ввод-вывод, скрывая тот факт, что конечное устройство ввода-вывода может и не быть устройством с файловой структурой. Это позволяет обобщить интерфейс между приложениями и устройствами. Таким образом, виртуальный файл относится к любому источнику или приемнику ввода-вывода (файлу, каталогу, именованному каналу и почтовому ящику), который рассматривается как файл. Все считываемые или записываемые данные представляются простыми потоками байтов, направляемыми в виртуальные файлы. Приложения пользовательского режима (к какой бы подсистеме они ни относились — Windows или POSIX) вызывают документированные функции, которые в свою очередь обращаются к внутренним функциям подсистемы ввода-вывода для чтения/записи файла и для выполнения других операций. Запросы, адресованные виртуальным файлам, диспетчер ввода-вывода динамически направляет соответствующим драйверам устройств. Базовая схема обработки запроса на ввод-вывод показана на рис. 9–2.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 9–2. Схема обработки типичного запроса на ввод-вывод.

Далее мы детальнее рассмотрим эти компоненты, исследуем различные типы драйверов устройств, рассмотрим их структуру, загрузку, инициализацию и обработку запросов на ввод-вывод. Кроме того, мы обсудим роль и функциональность диспетчеров PnP и электропитания.

Драйверы устройств.

Для интеграции с диспетчером ввода-вывода и другими компонентами подсистемы ввода-вывода драйвер устройства должен быть написан в соответствии с правилами, специфичными для управляемого им типа устройств и для его роли в управлении такими устройствами. Здесь мы познакомимся с типами драйверов устройств, поддерживаемых Windows, и исследуем внутреннюю структуру драйвера устройства.

Типы драйверов устройств.

Windows поддерживает множество типов драйверов устройств и сред их программирования. Среды программирования могут различаться даже для драйверов одного типа — в зависимости от типа устройства, для которого предназначен драйвер. Драйверы могут работать в двух режимах: в пользовательском или в режиме ядра. Windows поддерживает несколько типов драйверов пользовательского режима:

• Драйверы виртуальных устройств (virtual device drivers, VDD).

Используются для эмуляции 16-разрядных программ MS-DOS. Они перехватывают обращения таких программ к портам ввода-вывода и транслируют их в вызовы Windows-функций ввода-вывода, передаваемые реальным драйверам устройств. Поскольку Windows является полностью защищенной операционной системой, программы MS-DOS пользовательского режима не могут напрямую обращаться к аппаратным средствам — они должны делать это через драйверы устройств режима ядра.

• Драйверы принтеров Драйверы подсистемы Windows, которые транслируют аппаратно-независимые запросы на графические операции в команды, специфичные для принтера. Далее эти команды обычно направляются драйверу режима ядра, например драйверу параллельного порта (Parport.sys) или драйверу порта принтера на USB-шине (Usb-print.sys).

B этой главе основное внимание уделяется драйверам устройств, работающим в режиме ядра. Эти драйверы можно разбить на несколько основных категорий.

• Драйверы файловой системы Принимают запросы на ввод-вывод и выполняют их, выдавая более специфические запросы драйверам устройств массовой памяти или сетевым драйверам.

• PnP-драйверы Драйверы, работающие с оборудованием и интегрируемые с диспетчерами электропитания и PnP. B их число входят драйверы для устройств массовой памяти, видеоадаптеров, устройств ввода и сетевых адаптеров.

• Драйверы, не отвечающие спецификации Plug and Play Также называются расширениями ядра. Расширяют функциональность системы, предоставляя доступ из пользовательского режима к сервисам и драйверам режима ядра. Они не интегрируются с диспетчерами PnP и электро-

Питания. K ним, в частности, относятся драйверы протоколов и сетевого API. Драйвер Regmon, описанный в главе 4, тоже входит в эту категорию. Категория драйверов режима ядра подразделяется на группы в зависимости от модели, на которой они основаны, и их роли в обслуживании запросов к устройствам.

WDM-драйверы.

Это драйверы устройств, отвечающие спецификации Windows Driver Model (WDM). WDM требует от драйверов поддержки управления электропитанием, Plug and Play и WMI. Большинство драйверов Plug and Play построены как раз на модели WDM. Эта модель реализована в Windows, Windows 98 и Windows Millennium Edition, поэтому WDM-драйверы этих операционных систем совместимы на уровне исходного кода, а во многих случаях и на уровне двоичного кода. Существует три типа WDM-драйверов.

• Драйверы шин Управляют логическими или физическими шинами. Примеры шин — PCMCIA, PCI, USB, IEEE 1394, ISA. Драйвер шины отвечает за распознавание устройств, подключенных к управляемой им шине, оповещение о них диспетчера PnP и управление параметрами электропитания шины.

• Функциональные драйверы Управляют конкретным типом устройств. Драйверы шин представляют устройства функциональным драйверам через диспетчер PnP Функциональным считается драйвер, экспортирующий рабочий интерфейс устройства операционной системе. Как правило, это драйвер, больше других знающий о функционировании определенного устройства.

• Драйверы фильтров Занимающие более высокий логический уровень, чем функциональные драйверы, они дополняют функциональность или изменяют поведение устройства либо другого драйвера. Так, утилиту для перехвата ввода с клавиатуры можно реализовать в виде драйвера фильтра клавиатуры, расположенного на более высоком уровне, чем функциональный драйвер клавиатуры.

B WDM ни один драйвер не отвечает за все аспекты управления конкретным устройством. Драйвер шины определяет изменения в составе устройств на шине (при подключении и отключении устройств), помогает диспетчеру PnP в перечислении устройств на шине, обращается к специфичным для шины регистрам и в некоторых случаях управляет электропитанием подключенных к шине устройств. K аппаратной части устройства обычно обращается только функциональный драйвер.

ПРИМЕЧАНИЕ B Windows 2000, Windows XP и Windows Server 2003 уровень HAL играет несколько иную роль, чем в Windows NT. До Windows 2000 сторонним поставщикам оборудования, которым нужно было добавить поддержку аппаратных шин, не поддерживаемых самой операционной системой, приходилось разрабатывать собственный HAL. Windows 2000, Windows XP и Windows Server 2003 позволяют сторонним разработчикам реализовать поддержку таких шин в виде драйверов шин.

Многоуровневые драйверы.

Поддержка индивидуального устройства часто распределяется между несколькими драйверами, каждый из которых обеспечивает часть функциональности, необходимой для нормальной работы устройства. Кроме WDM-драйверов шин, функциональных драйверов и драйверов фильтров, оборудование могут поддерживать и следующие компоненты.

• Драйверы классов устройств (class drivers) Реализуют обработку ввода-вывода для конкретного класса устройств, например дисковых устройств, ленточных накопителей или приводов CD-ROM, где аппаратные интерфейсы стандартизированы и один драйвер может обслуживать аналогичные устройства от множества производителей.

• Порт-драйверы (port drivers) Обрабатывают запросы на ввод-вывод, специфичные для определенного типа порта ввода-вывода, например SCSI. Порт-драйверы реализуются как библиотеки функций режима ядра, а не как драйверы устройств.

• Минипорт-драйверы (miniport drivers) Преобразуют универсальные запросы ввода-вывода к порту конкретного типа в запросы, специфичные для адаптера конкретного типа, например для SCSI-адаптера. Минипорт-драйверы являются истинными драйверами устройств, которые импортируют функции, предоставляемые порт-драйвером. Вот пример, который демонстрирует, как работают драйверы устройств. Драйвер файловой системы принимает запрос на запись данных в определенное место конкретного файла. Он преобразует его в запрос на запись определенного числа байтов по определенному «логическому» адресу на диске. После этого он передает этот запрос (через диспетчер ввода-вывода) простому драйверу диска. Последний в свою очередь преобразует запрос в физический адрес на диске (цилиндр/дорожка/сектор) и позиционирует головки дискового устройства для записи данных. Эта схема действий показана на рис. 9–3.

Эта схема иллюстрирует разделение труда между двумя драйверами. Диспетчер ввода-вывода получает запрос на запись, в котором адрес записи относителен началу конкретного файла. Далее диспетчер ввода-вывода передает запрос драйверу файловой системы, который преобразует информацию запроса в адрес начала записи на диске и число байтов, которые нужно записать на диск. Драйвер файловой системы передает через диспетчер ввода-вывода запрос драйверу диска, который транслирует его в физический адрес на диске и переносит нужные данные.

Внутреннее устройство Windows.

Поскольку все драйверы — и устройств, и файловой системы — предоставляют операционной системе одинаковую инфраструктуру, в их иерархию легко добавить еще один драйвер, не изменяя существующие драйверы или подсистему ввода-вывода. Например, введя соответствующий драйвер, можно логически представить несколько дисков как один большой диск. Такой драйвер, кстати, имеется в Windows — он обеспечивает поддержку отказоустойчивых дисков. (Хотя этот драйвер присутствует во всех версиях Windows, поддержка отказоустойчивых дисков доступна лишь в серверных версиях Windows.) Драйвер диспетчера томов вполне логично размещается между драйверами файловой системы и дисков, как показано на рис. 9–4. Подробнее о драйверах диспетчера томов см. в главе 10.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр списка загруженных драйверов.

Вы можете увидеть список зарегистрированных драйверов в системе Windows 2000, перейдя в раздел Drivers (Драйверы) оснастки Computer Management (Управление компьютером) в Microsoft Management Console (MMC) (Консоль управления Microsoft) или щелкнув правой кнопкой мыши значок My Computer (Мой компьютер) на рабочем столе и выбрав из контекстного меню команду Manage (Управление). Оснастка Computer Management также доступна в подменю Administrative Tools (Администрирование). Чтобы добраться до раздела Drivers в Computer Management, последовательно раскройте узлы System Tools (Служебные программы), System Information (Сведения о системе) и Software Environment (Программная среда), как показано ниже.

Внутреннее устройство Windows.

B Windows XP и Windows Server 2003 можно получить ту же информацию, запустив утилиту Msinfo32.exe из диалогового окна Run (Запуск программы). Выберите System Drivers (Системные драйверы) в Software Environment (Программная среда) для вывода списка драйверов, сконфигурированных в системе. Te из них, которые загружены на данный момент, помечены словом «Yes» (Да) в столбце Started (Работает).

Список загруженных драйверов режима ядра можно просмотреть и с помощью Process Explorer (wwwsysinternals.com). Запустите Process Explorer, укажите процесс System и выберите DLLs из подменю Lower Pane в меню View. Process Explorer перечисляет загруженные драйверы, их имена, информацию о версиях, включая название компании и описание, а также адрес загрузки (предполагается, что вы настроили отображение соответствующих столбцов в окне Process Explorer).

Внутреннее устройство Windows.

Наконец, если вы изучаете аварийный дамп (или «снимок» работающей системы) с помощью отладчика ядра, то можете получить аналогичные сведения командой Im kv:

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Структура драйвера.

Выполнением драйверов устройств управляет подсистема ввода-вывода. Драйвер устройства состоит из набора процедур, вызываемых на различных этапах обработки запроса ввода-вывода. Основные процедуры драйвера показаны на рис. 9–5.

Внутреннее устройство Windows.

• Инициализирующая процедура Диспетчер ввода-вывода выполняет инициализирующую процедуру драйвера (которая обычно называется DriverEntry) при загрузке этого драйвера в операционную систему. Данная процедура регистрирует остальные процедуры драйвера в диспетчере ввода-вывода, заполняя соответствующей информацией системные структуры данных, и выполняет необходимую глобальную инициализацию драйвера.

• Процедура добавления устройства Такие процедуры реализуются в драйверах, поддерживающих Plug and Play. Через эту процедуру диспетчер PnP посылает драйверу уведомление при обнаружении устройства, за которое отвечает данный драйвер. Выполняя эту процедуру, драйвер обычно создает объект «устройство», представляющий аппаратное устройство.

• Процедуры диспетчеризации Это основные функции, предоставляемые драйвером устройства, например для открытия, закрытия, чтения, записи и реализации других возможностей устройства, файловой системы или сети. Диспетчер ввода-вывода, вызванный для выполнения операции ввода-вывода, генерирует IRP и обращается к драйверу через одну из его процедур диспетчеризации.

• Процедура инициации ввода-вывода C помощью этой процедуры драйвер может инициировать передачу данных как на устройство, так и с него. Эта процедура определяется лишь в драйверах, использующих поддержку диспетчера ввода-вывода для помещения входящих запросов в очередь. Диспетчер ввода-вывода ставит в очередь IRP для драйвера, гарантируя одновременную обработку им только одного IRP Большинство драйверов обрабатывают сразу несколько IRP, но создание очереди имеет смысл для некоторых драйверов, в частности для драйвера клавиатуры.

• Процедура обслуживания прерываний (ISR) Когда устройство генерирует прерывание, диспетчер прерываний ядра передает управление этой процедуре. B модели ввода-вывода Windows процедуры ISR работают на уровне DIRQL (Device IRQL), поэтому они выполняют минимум действий во избежание слишком продолжительной блокировки прерываний более низкого уровня (подробнее об IRQL см. главу 3). Для выполнения остальной части обработки прерывания ISR ставит в очередь DPC (deferred procedure call), выполняемый при более низком IRQL (уровня «DPC/ dispatch»). ISR имеются лишь в драйверах устройств, управляемых прерываниями, — например в драйвере файловой системы ISR нет.

• DPC-процедура обработки прерываний DPC-процедура выполняет основную часть обработки прерывания, оставшуюся после выполнения ISR. Она работает при более низком IRQL (уровня «DPC/dispatch»), чем ISR, чтобы не блокировать без необходимости другие прерывания. DPC-процедура инициирует завершение текущей операции ввода-вывода и выполнение следующей операции ввода-вывода из очереди на данном устройстве. У многих драйверов устройств имеются процедуры, не показанные на рис. 9–5.

• Одна или несколько процедур завершения ввода-вывода У драйвера могут быть процедуры завершения ввода-вывода, уведомляющие его об окончании обработки IRP драйвером более низкого уровня. Например, диспетчер ввода-вывода вызывает процедуру завершения ввода-вывода драйве-

Pa файловой системы, когда драйвер устройства заканчивает передачу данных в файл или из него. Эта процедура уведомляет драйвер файловой системы об удачном или неудачном завершении операции или о ее отмене, а также позволяет драйверу файловой системы освободить ресурсы.

• Процедура отмены ввода-вывода Если операция ввода-вывода может быть отменена, драйвер определяет одну или более процедур отмены ввода-вывода. Получив IRP для запроса ввода-вывода, который может быть отменен, драйвер связывает с IRP процедуру отмены. Если поток, выдавший запрос на ввод-вывод, завершается до окончания обработки запроса или отменяет операцию (например, вызовом Windows-функции CancelIo), диспетчер ввода-вывода выполняет процедуру отмены, связанную с IRP (если таковая есть). Процедура отмены отвечает за выполнение любых действий, необходимых для освобождения всех ресурсов, выделенных при обработке IRP, а также за завершение IRP со статусом отмены.

• Процедура выгрузки Эта процедура освобождает все системные ресурсы, задействованные драйвером, после чего диспетчер ввода-вывода может удалить их из памяти. При выполнении процедуры выгрузки обычно освобождаются ресурсы, выделенные процедурой инициализации. Драйвер может загружаться и выгружаться во время работы системы.

• Процедура уведомления о завершении работы системы Эта процедура позволяет драйверу проводить очистку при завершении работы системы.

• Процедуры регистрации ошибок При возникновении неожиданных ошибок (например, когда на диске появляется поврежденный блок), процедуры регистрации ошибок, принадлежащие драйверу, уведомляют о них диспетчер ввода-вывода. Последний записывает эту информацию в файл журнала ошибок.

ПРИМЕЧАНИЕ Большинство драйверов устройств написано на С. Применение языка ассемблера крайне не рекомендуется из-за его сложности и из-за того, что он затрудняет перенос драйвера между аппаратными архитектурами вроде x86, х64 и IА64.

Объекты «драйвер» и «устройство».

Когда поток открывает описатель объекта «файл» (этот процесс описывается в разделе «Обработка ввода-вывода» далее в этой главе), диспетчер ввода-вывода, исходя из имени этого объекта, должен определить, к какому драйверу (или драйверам) нужно обратиться для обработки запроса. Более того, диспетчер ввода-вывода должен знать, где найти эту информацию, когда в следующий раз поток вновь воспользуется тем же описателем файла. Для этого предназначены следующие объекты.

Объект «драйвер», представляющий отдельный драйвер в системе. Именно от этого объекта диспетчер ввода-вывода получает адрес процедуры диспетчеризации (точки входа) драйвера.

Объект «устройство», представляющий физическое или логическое устройство в системе и описывающий его характеристики, например границы выравнивания буферов и адреса очередей для приема IRP, поступающих на это устройство.

Диспетчер ввода-вывода создает объект «драйвер» при загрузке в систему соответствующего драйвера и вызывает его инициализирующую процедуру (например, DriverEntry), которая записывает в атрибуты объекта точки входа этого драйвера.

После загрузки драйвер может создавать объекты «устройство» для представления устройств или даже для формирования интерфейса драйвера (вызовом IoCreateDevice или IoCreateDeviceSecure). Однако большинство PnP-драйверов создают объекты «устройство» с помощью своих процедур добавления устройств, когда диспетчер PnP информирует их о присутствии управляемого ими устройства. C другой стороны, драйверы, не отвечающие спецификации Plug and Play, создают объекты «устройство» при вызове диспетчером ввода-вывода их инициализирующих процедур. Диспетчер ввода-вывода выгружает драйвер после удаления его последнего объекта «устройство», когда ссылок на устройство больше нет.

Создавая объект «устройство», драйвер может присвоить ему имя. Тогда этот объект помещается в пространство имен диспетчера объектов. Драйвер может определить имя этого объекта явно или позволить диспетчеру ввода-вывода сгенерировать его автоматически (о пространстве имен диспетчера объектов см. главу 3). По соглашению объекты «устройство» помещаются в каталог \Device пространства имен, недоступный приложениям через Windows API.

ПРИМЕЧАНИЕ Некоторые драйверы размещают объекты «устройство» в каталогах, отличных от \Device. Так, диспетчер томов Logical Disk Manager создает объекты «устройство», представляющие разделы жесткого диска, в каталоге \Device\HarddiskDmVolumes (подробнее на эту тему см. главу 10).

Чтобы сделать объект «устройство» доступным для приложений, драйвер должен создать в каталоге \Global?? (или в каталоге \?? в Windows 2000) символьную ссылку на имя этого объекта в каталоге \Device. Драйверы, не поддерживающие Plug and Play, и драйверы файловой системы обычно создают символьную ссылку с общеизвестным именем (скажем, \Device\Hardware2). Поскольку общеизвестные имена не срабатывают в средах с динамически меняющимся составом оборудования, PnP-драйверы предоставляют один или несколько интерфейсов через функцию IoRegisterDeviceInterface, передавая ей GUID, определяющий тип предоставляемой функциональности. GUID являются 128-битными числами, которые можно генерировать с помощью утилиты Guidgen, входящей в состав DDK и Platform SDK. Диапазон чисел, который может быть представлен 128 битами, гарантирует, что каждый GUID, созданный этой утилитой, всегда будет глобально уникальным.

IoRegisterDeviceInterface определяет символьную ссылку, сопоставляемую с экземпляром объекта «устройство». Однако, прежде чем диспетчер ввода-вывода действительно создаст ссылку, драйвер должен вызвать функцию IoSetDeviceInterfaceState, чтобы разрешить использование интерфейса этого устройства. Обычно драйвер делает это, когда диспетчер PnP посылает ему команду start-device для запуска устройства.

Приложение, которому нужно открыть объект «устройство», представленный GUID-идентификатором, может вызывать PnP-функции настройки, например SetupDiEnumDeviceInterfaces для перечисления интерфейсов, доступных по конкретному GUID, и получения имен символьных ссылок, с помощью которых может быть открыт объект «устройство». Чтобы получить дополнительную информацию (например, автоматически сгенерированное имя устройства), приложение вызывает функцию SetupDiGetDeviceInterface-Detail для всех устройств, перечисленных SetupDiEnumDeviceInterfaces. Получив от SetupDiGetDeviceInterfaceDetail имя устройства, приложение обращается к Windows-функции CreateFile, чтобы открыть устройство и получить его описатель.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр каталога \Device.

Для просмотра имен устройств в каталоге \Device пространства имен диспетчера объектов можно использовать утилиту Winobj (wwwsysin ternals.com) или команду !object отладчика ядра. Ниже показан пример символьной ссыпки, созданной диспетчером ввода-вывода и указывающей на объект «устройство» с автоматически сгенерированным именем.

Внутреннее устройство Windows.

Команда !object отладчика ядра для каталога \Device выводит следующую информацию.

Внутреннее устройство Windows.

При выполнении команды !object с указанием объекта-каталога диспетчера объектов отладчик ядра записывает дамп содержимого каталога в соответствии с его внутренней организацией в диспетчере объектов. Для ускорения поиска каталог хранит объекты в хэш-таблице, основанной на хэше имен объектов, поэтому команда !object перечисляет объекты так, как они хранятся в каждой корзине (bucket) хэш-таблицы каталога.

Как видно на рис. 9–6, объект «устройство» ссыпается на свой объект «драйвер», благодаря чему диспетчер ввода-вывода знает, из какого драйвера нужно вызвать процедуру при получении запроса ввода-вывода. C помощью объекта «устройство» он находит объект «драйвер», который представляет драйвер, обслуживающий устройство. После этого он обращается к объекту «драйвер», используя номер функции из исходного запроса; каждый номер функции соответствует точке входа драйвера (номера функций на рис. 9–6 подробнее описываются в разделе «Блок стека IRP» далее в этой главе).

C объектом «драйвер» нередко сопоставляется несколько объектов «устройство». Список объектов «устройство» представляет физические и логические устройства, управляемые драйвером. Так, для каждого раздела жесткого диска имеется отдельный объект «устройство» с информацией, специфичной для данного раздела. Ho для обращения ко всем разделам используется один и тот же драйвер жесткого диска. При выгрузке драйвера из системы диспетчер ввода-вывода с помощью очереди объектов «устройство» определяет устройства, на которые повлияет удаление драйвера.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: исследуем объекты «драйвер» и «устройство».

Эти объекты можно исследовать с помощью команд !drvobj и !devobj отладчика ядра. Следующий пример относится к объекту «драйвер» для драйверов класса «клавиатура». У этого объекта имеется единственный объект «устройство».

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Заметьте, что команда !devobj заодно сообщает адреса и имена любых объектов «устройство», поверх которых размещен просматриваемый вами объект (строка AttachedTo), а также объектов «устройство», размещенных над указанным объектом (строка AttachedDevice).

Использование объектов для регистрации информации о драйверах означает, что диспетчеру ввода-вывода не нужно знать никаких деталей реализации драйверов. Он просто находит драйвер по указателю, тем самым позволяя легко загружать новые драйверы и обеспечивая их переносимость. Кроме того, представление устройств и драйверов разными объектами упрощает подсистеме ввода-вывода закрепление драйверов за дополнительными устройствами, которые появляются при изменении конфигурации системы.

Открытие устройств.

Объекты «файл» являются структурами режима ядра, которые точно соответствуют определению объектов в Windows: это системные ресурсы, доступные для совместного использования двум или нескольким процессам, у них могут быть имена, их безопасность обеспечивается моделью защиты объектов, и они поддерживают синхронизацию. Хотя большинство разделяемых ресурсов в Windows базируется в памяти, основная часть ресурсов, с которыми имеет дело подсистема ввода-вывода, размещается на физических устройствах или представляет их. Несмотря на эту разницу, операции над совместно используемыми ресурсами подсистемы ввода-вывода осуществляются как над объектами.

Объекты «файл» — представление ресурсов в памяти, которое обеспечивает чтение и запись данных в эти ресурсы. B таблице 9–1 перечислены некоторые атрибуты объектов «файл». Описание и размеры полей см. в определении структуры FILE_OBJECT в Ntddk.h.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр структуры данных объекта «файл».

Вы можете просмотреть содержимое этой структуры с помощью команды dt отладчика ядра:

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Когда поток открывает файл или простое устройство, диспетчер ввода-вывода возвращает описатель объекта «файл». Рис. 9–7 иллюстрирует, что происходит при открытии файла.

B этом примере С-программа (1) вызывает из стандартной библиотеки функцию fopen, которая в свою очередь вызывает Windows-функцию CreateFile (2). Далее DLL подсистемы Windows (в данном случае — Kernel32.dll) вызывает функцию NtCreateFile из Ntdll.dll (3). Эта функция в Ntdll.dll содержит соответствующие команды, вызывающие переход в режим ядра в диспетчер системных сервисов, который и обращается к настоящей функции NtCreateFile (4) из Ntoskrnl.exe (о диспетчеризации системных сервисов см. главу 3).

Внутреннее устройство Windows.

ПРИМЕЧАНИЕ Объекты «файл» представляют открытые экземпляры файлов, а не сами файлы. B отличие от UNIX-систем, где используются vnode, в Windows представление файла не определено — системные драйверы Windows определяют свои представления.

Как и другие объекты исполнительной системы, файлы защищаются дескрипторами защиты, которые содержат список управления доступом (ACL). Чтобы выяснить, позволяет ли ACL файла получить процессу доступ того типа, который был запрошен его потоком, диспетчер ввода-вывода обращается к системе защиты. Если да, диспетчер объектов (5,6) разрешает доступ и сопоставляет предоставленные права доступа с описателем файла, возвращаемым потоку. Если этому или другому потоку того же процесса понадобятся дополнительные операции с файлом, не указанные в исходном запросе, ему придется открыть новый описатель, по которому тоже будет проведена проверка прав доступа (подробнее о защите объектов см. главу 8).

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр описателей устройств.

У любого процесса, открывшего описатель какого-либо устройства, в таблице описателей появляется объект «файл», соответствующий открытому экземпляру. Для просмотра таких описателей вполне годится Process Explorer: выберите процесс и пометьте Show Lower Pane в меню View и Handles в подменю Lower Pane View меню View. Отсортируйте по столбцу Туре и прокрутите содержимое до того места, где показываются описатели, представляющие объекты «файл»; они помечаются как «File».

Внутреннее устройство Windows.

B данном примере у процесса Csrss имеются открытые описатели объектов «файл», которые представляют открытые экземпляры устройств и получают автоматически генерируемые имена, а также описатели объектов «файл», принадлежащих драйверу службы терминалов. Чтобы просмотреть конкретный объект «файл» в отладчике ядра, сначала определите адрес этого объекта. Следующая команда выводит сведения о выделенном на иллюстрации описателе (0xB8), который принадлежит процессу Csrss.exe с идентификатором 2332 (0x91c):

Внутреннее устройство Windows.

Поскольку это объект «файл», вы можете получить информацию о нем командой !fileobj:

Внутреннее устройство Windows.

Поскольку объект «файл» — представление разделяемого ресурса в памяти, а не сам ресурс, он отличается от остальных объектов исполнительной системы. Объект «файл» содержит лишь данные, уникальные для описателя объекта, тогда как собственно файл — совместно используемые данные или текст. Всякий раз, когда поток открывает описатель файла, создается новый объект «файл» с новым набором атрибутов, специфичным для этого описателя. Например, атрибут «текущее смещение в байтах» определяет место в файле, где будут записаны или считаны следующие данные по текущему описателю. У каждого описателя одного и того же файла свое значение атрибута «текущее смещение в байтах». Кроме того, объект «файл» уникален для процесса; исключение составляют случаи, когда процесс дублирует описатель файла для передачи другому процессу (через Windows-функцию DuplicateHandle) или когда дочерний процесс наследует описатель файла от родительского. Только в этих двух случаях процессы располагают отдельными описателями, которые ссылаются на один и тот же объект «файл».

Описатель файла уникален для процесса, но определяемый им физический ресурс — нет. Поэтому, как и при доступе к любому другому общему ресурсу, потоки должны синхронизировать свое обращение к совместно используемым файлам, каталогам и устройствам. Если, например, поток что-то записывает в файл, то при открытии описателя файла он должен указать монопольный доступ для записи, чтобы другие потоки не могли записывать в этот файл одновременно с первым потоком. B качестве альтернативы поток может заблокировать на время записи часть файла с помощью Windows-функции LockFile.

Имя открываемого файла включает имя объекта «устройство», который представляет устройство, содержащее файл. Например, \Device\FloppyO\Myfile.dat ссылается на файл Myfile.dat на дискете в дисководе А. Подстрока «\Device\FloppyO» является внутренним именем объекта «устройство», представляющего данный дисковод. При открытии файла Myfile.dat диспетчер ввода-вывода создает объект «файл», сохраняет в нем указатель на объект «устройство» FloppyO и возвращает описатель файла вызывающему потоку. Впоследствии, когда вызывающий поток воспользуется описателем файла, диспетчер ввода-вывода сможет обращаться непосредственно к объекту FloppyO. Учтите, что внутренние имена устройств неприменимы в Window's-приложениях. Для них имена устройств должны находиться в специальном каталоге пространства имен диспетчера объектов — \?? (в Windows 2000) или \Global?? (в Windows XP и Windows Server 2003). B этом каталоге содержатся символьные ссылки на внутренние имена устройств. За создание ссылок в этом каталоге отвечают драйверы устройств. Вы можете просмотреть и даже изменить эти ссылки программным способом, через Windows-функции QueryDosDevice и DefineDosDevice.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр сопоставлений Windows-имен устройств внутренним именам устройств.

Утилита Winobj (wwwsysinternak.com) позволяет исследовать символьные ссылки, определяющие пространство Windows-имен устройств. Запустите Winobj и выберите каталог \?? в Windows 2000 или \Global?? в Windows XP либо Windows Server 2003.

Внутреннее устройство Windows.

Обратите внимание на символьные ссылки справа. Попробуйте дважды щелкнуть устройство С: — вы должны увидеть нечто вроде того, что показано ниже.

Внутреннее устройство Windows.

С: представляет собой символьную ссылку на внутреннее устройство с именем \Device\HarddiskVolumel, или на первый том первого жесткого диска в системе. Элемент COMl, показанный Winobj, — символьная ссылка на \Device\SerialO и т. д. Попробуйте создать собственные ссылки командой subst в командной строке.

Обработка ввода-вывода.

Теперь, когда мы рассмотрели структуру и типы драйверов, а также поддерживающие их структуры данных, давайте обсудим то, как запросы ввода-вывода проходят по системе. Обработка запросов ввода-вывода включает несколько предсказуемых этапов. Наборы операций, выполняемых на этих этапах, варьируются в зависимости от того, какой драйвер управляет устройством, которому адресован запрос, — одно- или многоуровневый. Ho обработка зависит и от того, какой ввод-вывод запрошен — синхронный или асинхронный. Так что для начала мы рассмотрим эти два типа ввода-вывода и уже после этого перейдем к другим темам.

Типы ввода-вывода.

Приложения могут выдавать запросы ввода-вывода различных типов, например синхронного, асинхронного, проецируемого (данные с устройства проецируются на адресное пространство приложения для доступа через виртуальную память приложения, а не API-функции ввода-вывода), а также ввода-вывода, при котором данные передаются между устройством и непрерывными буферами приложения за один запрос. Более того, диспетчер ввода-вывода позволяет драйверам реализовать специфический интерфейс ввода-вывода, что нередко обеспечивает сокращение числа IRP, необходимых для обработки ввода-вывода. B этом разделе мы рассмотрим все типы ввода-вывода.

Синхронный и асинхронный ввод-вывод.

Большинство операций ввода-вывода приложений являются синхронными, т. е. приложение ждет, когда устройство выполнит передачу данных и вернет код статуса по завершении операции ввода-вывода. После этого программа продолжает работу и немедленно использует полученные данные. B таком простейшем варианте Windows-функции ReadFile и WriteFile выполняются синхронно. Перед возвратом управления они должны завершить операцию ввода-вывода.

Асинхронный ввод-вывод позволяет приложению выдать запрос на ввод-вывод и продолжить выполнение, не дожидаясь передачи данных устройством. Этот тип ввода-вывода увеличивает эффективность работы приложения, позволяя заниматься другими задачами, пока выполняется операция ввода-вывода. Для использования асинхронного ввода-вывода вы должны указать при вызове CreateFile флаг FILE_FLAG_OVERLAPPED. Конечно, инициировав операцию асинхронного ввода-вывода, поток должен соблюдать осторожность и не обращаться к запрошенным данным до их получения от устройства. Следовательно, поток должен синхронизировать свое выполнение с завершением обработки запроса на ввод-вывод, отслеживая описатель синхронизирующего объекта (которым может быть событие, порт завершения ввода-вывода или сам объект «файл»), который по окончании ввода-вывода перейдет в свободное состояние.

Независимо от типа запроса операции ввода-вывода, инициированные драйвером в интересах приложения, выполняются асинхронно, т. е. после выдачи запроса драйвер устройства возвращает управление подсистеме ввода-вывода. A когда она вернет управление приложению, зависит от типа запроса. Схема управления при инициации операции чтения показана на рис. 9–8. Заметьте, что ожидание зависит от состояния флага перекрытия в объекте «файл» и реализуется функцией NtReadFile в режиме ядра.

Вы можете проверить статус незавершенной операции асинхронного ввода-вывода вызовом Windows-функции HasOverlappedIoCompleted. При использовании портов завершения ввода-вывода с той же целью можно вызывать GetQueuedCompletionStatus.

Внутреннее устройство Windows.

Быстрый ввод-вывод.

Быстрый ввод-вывод (fast I/O) — специальный механизм, который позволяет подсистеме ввода-вывода напрямую, не генерируя IRP, обращаться к драйверу файловой системы или диспетчеру кэша (быстрый ввод-вывод описывается в главах 11 и 12). Драйвер регистрирует свои точки входа для быстрого ввода-вывода, записывая их адреса в структуру, на которую ссылается указатель PFASTIODISPATCH его объекта «драйвер».

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр процедур быстрого ввода-вывода, зарегистрированных драйвером.

Список процедур быстрого ввода-вывода, зарегистрированных драйвером в своем объекте «драйвер», выводит команда !drvobj отладчика ядра. Ho такие процедуры обычно имеют смысл только для драйверов файловой системы. Ниже показан список процедур быстрого ввода-вывода для объекта драйвера файловой системы NTFS.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Как показывает вывод, NTFS зарегистрировала свою процедуру NtfsFastIoCheckIfPossible как элемент FastIoCheckIfPossible списка процедур быстрого ввода-вывода. По имени этого элемента можно догадаться, что диспетчер ввода-вывода вызывает эту функцию перед выдачей запроса на быстрый ввод-вывод и в ответ драйвер сообщает, возможны ли операции быстрого ввода-вывода применительно к данному файлу.

Ввод-вывод в проецируемые файлы и кэширование файлов.

Ввод-вывод в проецируемые файлы (mapped file I/O) — важная функция подсистемы ввода-вывода, поддерживаемая ею совместно с диспетчером памяти (о проецируемых файлах см. главу 7). Термин «ввод-вывод в проецируемые файлы» относится к возможности интерпретировать файл на диске как часть виртуальной памяти процесса. Программа может обращаться к такому файлу как к большому массиву, не прибегая к буферизации или дисковому вводу-выводу. При доступе программы к памяти диспетчер памяти использует свой механизм подкачки для загрузки нужной страницы из дискового файла. Если программа изменяет какие-то данные в своем виртуальном адресном пространстве, диспетчер памяти записывает эти данные обратно в дисковый файл в ходе обычной операции подкачки страниц.

Ввод-вывод в проецируемые файлы доступен в пользовательском режиме через Windows-функции CreateFileMapping и MapViewOfFile. B самой операционной системе такой ввод-вывод используется при выполнении важных операций — при кэшировании файлов и активизации образов (загрузке и запуске исполняемых программ). Другим потребителем этого типа ввода-вывода является диспетчер кэша. Файловые системы обращаются к диспетчеру кэша для проецирования файлов данных на виртуальную память, что ускоряет работу программ, интенсивно использующих ввод-вывод. По мере использования файла диспетчер памяти подгружает в память страницы, к которым производится обращение. Если большинство систем кэширования выделяет для кэширования фиксированную область памяти, то кэш Windows расширяется или сокращается в зависимости от объема свободной памяти. Такое изменение размера кэша возможно благодаря тому, что диспетчер кэша опирается на соответствующую поддержку со стороны диспетчера памяти (см. главу 7). Используя преимущества подсистемы подкачки страниц диспетчера памяти, диспетчер кэша избегает дублирования работы, уже проделанной диспетчером памяти. (Внутреннее устройство диспетчера кэша рассматривается в главе 11.).

Ввод-вывод по механизму «scatter/gather».

Windows также поддерживает особый вид высокопроизводительного ввода-вывода с использованием механизма «scatter/gather»; он доступен через Windows-функции ReadFileScatter и WriteFileGather. Эти функции позволяют приложению в рамках одной операции считывать или записывать данные из нескольких буферов в виртуальной памяти в непрерывную область дискового файла, а не выдавать отдельный запрос ввода-вывода для каждого буфера. Чтобы задействовать такой ввод-вывод, вы должны открыть файл для некэшируемого асинхронного (перекрывающегося) ввода-вывода и выровнять пользовательские буферы по границам страниц. Более того, если ввод-вывод направлен на устройство массовой памяти, то передаваемые данные нужно выровнять по границам секторов устройства, а их объем должен быть кратен размеру сектора.

Пакеты запроса ввода-вывода.

Пакет запроса ввода-вывода (I/O request packet, IRP) хранит информацию, нужную для обработки запроса на ввод-вывод. Когда поток вызывает сервис ввода-вывода, диспетчер ввода-вывода создает IRP для представления операции в процессе ее выполнения подсистемой ввода-вывода. По возможности диспетчер ввода-вывода выделяет память под IRP в одном из двух ассоциативных списков IRP, индивидуальных для каждого процессора и хранящихся в пуле неподкачиваемой памяти. Ассоциативный список малых IRP (small-

IRP look-aside list) хранит IRP с одним блоком стека (об этих блоках — чуть позже), а ассоциативный список больших IRP (large-IRP look-aside list) — IRP с несколькими блоками стека. По умолчанию в IRP второго списка содержится 8 блоков стека, но раз в минуту система варьирует это число на основании того, сколько блоков было запрошено. Если для IRP требуется больше блоков стека, чем имеется в ассоциативном списке больших IRP, диспетчер ввода-вывода выделяет память под IRP из пула неподкачиваемой памяти. После создания и инициализации IRP диспетчер ввода-вывода сохраняет в IRP указатель на объект «файл» вызывающего потока.

ПРИМЕЧАНИЕ DWORD-параметр реестра HKLM\System\CurrentControlSet\Session Manager\I/O System\LargIrpStackLocations (если он определен) указывает, сколько блоков стека содержится в IRP, которые хранятся в ассоциативном списке больших IRP.

Ha рис. 9–9 показан пример запроса ввода-вывода, демонстрирующий взаимосвязи между IRP и объектами «файл», «устройство» и «драйвер». Данный пример относится к запросу ввода-вывода, который адресован одноуровневому драйверу, но большинство операций ввода-вывода гораздо сложнее, так как в их выполнении участвует не один, а несколько многоуровневых драйверов. (Этот случай мы рассмотрим позже.).

Внутреннее устройство Windows.

Блок стека IRP.

IRP состоит из двух частей: фиксированного заголовка (часто называемого телом IRP) и одного или нескольких блоков стека. Фиксированная часть содержит такую информацию, как тип и размер запроса, указатель на буфер в случае буферизованного ввода-вывода, данные о состоянии, изменяющиеся по мере обработки запроса, а также сведения о том, является запрос синхронным или асинхронным. Блок стека IRP (IRP stack location) содержит номер функции (состоящий из основного и дополнительного номеров), параметры, специфичные для функции, и указатель на объект «файл» вызывающего потока. Основной номер функции (major function code) идентифицирует принадлежащую драйверу процедуру диспетчеризации, которую диспетчер ввода-вывода вызывает при передаче IRP драйверу. Необязательный дополнительный номер функции (minor function code) иногда используется как модификатор основного номера. B командах управления электропитанием и Plug and Play всегда указывается дополнительный номер функции.

B большинстве драйверов процедуры диспетчеризации определены только для подмножества основных функций, т. е. функций, предназначенных для создания/открытия, записи, чтения, управления вводом-выводом на устройстве, управления электропитанием, операций Plug and Play, System (для WMI-команд) и закрытия. Драйверы файловой системы определяют функции для всех (или почти всех) точек входа. Диспетчер ввода-вывода записывает в точки входа, не заполненные драйверами, указатели на свою функцию IopInvalidDeviceRequest. Эта функция возвращает вызывающему потоку код ошибки, который уведомляет о попытке обращения к функции, не поддерживаемой данным устройством.

ЭКСПЕРИМЕНТ: исследуем процедуры диспетчеризации, принадлежащие драйверу.

Вы можете получить список всех функций, определенных драйвером для своих процедур диспетчеризации. Для этого введите команду !drvobj отладчика ядра и после имени (или адреса) объекта «драйвер» укажите значение 7. Следующий вывод показывает, что драйверы поддерживают 28 типов IRR.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Каждый IRP, пока он активен, хранится в списке IRP, сопоставленном с потоком, который выдал запрос на ввод-вывод. Это позволяет подсистеме ввода-вывода найти и отменить любые незавершенные IRP, если выдавший их поток завершается.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр незавершенных IRP потока.

Команда !thread выводит любые IRP, сопоставленные с потоком. Запустите отладчик ядра в работающей системе и найдите процесс диспетчера управления сервисами (Services.exe) в выводе, сгенерированном командой !process\

Внутреннее устройство Windows.

Теперь создайте дамп потоков для процесса, выполнив команду !process применительно к объекту «процесс». Вы должны увидеть множество потоков, у большинства из которых есть IRP; эти IRP отображаются в блоке IRP List информации о потоке (заметьте, что отладчик выводит лишь первые 17 IRP для потока, у которого имеется более 17 незавершенных запросов ввода-вывода):

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

У этого IRP основной номер функции — 3, что соответствует IRP_ MJ_READ. Он содержит один блок стека и адресован устройству, принадлежащему драйверу Npfs (Named Pipe File System). (Информацию о Npfs см. в главе 13.).

Управление буфером IRP.

Когда приложение или драйвер устройства неявно создает IRP с помощью системного сервиса NtReadFile, NtWriteFile или NtDeviceIoControlFile (этим сервисам соответствуют Windows-функции ReadFile, WriteFile и DeviceIoControt), диспетчер ввода-вывода определяет, должен ли он участвовать в управлении буферами ввода и вывода вызывающего потока. Диспетчер ввода-вывода поддерживает три вида управления буферами.

• Буферизованный ввод-вывод (buffered I/O) Диспетчер ввода-вывода выделяет в пуле неподкачиваемой памяти буфер, равный по размеру буферу вызывающего потока. Создавая IRP при операциях записи, диспетчер ввода-вывода копирует данные из буфера вызывающего потока в выделенный буфер. Завершая обработку IRP при операциях чтения, диспетчер ввода-вывода копирует данные из выделенного буфера в пользовательский буфер и освобождает выделенный буфер.

• Прямой ввод-вывод (direct I/O) Создавая IRP, диспетчер ввода-вывода блокирует пользовательский буфер в памяти (делает его неподкачиваемым). Закончив работу с IRP, диспетчер ввода-вывода разблокирует буфер. Диспетчер хранит описание этой памяти в форме MDL (memory descriptor list). MDL указывает объем физической памяти, занятой буфером (подробнее о MDL см. Windows DDK). Устройствам, использующим DMA (прямой доступ к памяти), требуется лишь физическое описание буфера, поэтому таким устройствам достаточно MDL. (Устройства, поддерживающие DMA, передают данные в память компьютера напрямую, не используя процессор.) Ho, если драйверу нужен доступ к содержимому буфера, он может спроецировать его на системное адресное пространство.

• Ввод-вывод без управления (neither I/O) Диспетчер ввода-вывода не участвует в управлении буферами. Ответственность за управление ими возлагается на драйвер устройства.

При любом типе управления буферами диспетчер ввода-вывода помещает в IRP ссылки на буферы ввода и вывода. Тип управления буферами, реализуемого диспетчером ввода-вывода, зависит от типа управления, запрошенного драйвером для операций конкретного типа. Драйвер регистрирует нужный ему тип управления буферами для операций чтения и записи в объекте «устройство», который представляет устройство. Операции управления вводом-выводом на устройстве (выполняемые NtDeviceIoControlFile) задаются определенными в драйвере управляющими кодами ввода-вывода. Управляющий код включает тип управления буферами со стороны диспетчера ввода-вывода при обработке IRP с данным кодом.

Когда вызывающие потоки передают запросы размером менее одной страницы (4 Кб на х86-процессорах), драйверы, как правило, используют буферизованный ввод-вывод, а для запросов большего размера — прямой. Буфер примерно равен размеру страницы, и операция копирования с применением буферизованного ввода-вывода приводит практически к тем же издержкам, что и прямой ввод-вывод, требующий блокирования памяти. Драйверы файловой системы обычно используют третий тип управления, так как при копировании данных из кэша файловой системы в буфер вызывающего потока это позволяет избавиться от издержек, связанных с управлением буферами. Ho большинство драйверов не использует этот вид управления из-за того, что указатель на буфер вызывающего потока действителен лишь на то время, пока выполняется этот поток. Если драйверу нужно передать данные с устройства (или на устройство) при выполнении DPC-процедуры или ISR, он должен позаботиться о доступности данных вызывающего потока из контекста любого процесса, а значит, у буфера должен быть системный виртуальный адрес.

Драйверы, использующие ввод-вывод без управления для доступа к буферам, которые могут быть расположены в пользовательском пространстве, должны проверять, что адреса буфера действительны и не ссылаются на память режима ядра. Если они этого не делают, появляется вероятность краха системы или уязвимости в системе защиты, так как приложения получают доступ к памяти режима ядра или возможность внедрения своего кода в ядро. Функции ProbeForRead и ProbeForWrite, которые ядро предоставляет драйверам, проверяют, полностью ли умещается буфер в пользовательской части адресного пространства. Чтобы избежать краха из-за ссылки на недопустимый адрес, драйверы могут обращаться к буферам пользовательского режима из кода обработки исключений (блоков try/except), который перехватывает любые попытки доступа по неправильным адресам и транслирует их в коды ошибок для передачи приложению.

Запрос ввода-вывода к одноуровневому драйверу.

B этом разделе вы увидите, как обрабатывается запрос синхронного ввода-вывода к одноуровневому драйверу режима ядра. Такая обработка проходит в семь этапов.

1. Запрос на ввод-вывод передается через DLL подсистемы.

2. DLL подсистемы вызывает сервис NtWriteFile диспетчера ввода-вывода.

3. Диспетчер ввода-вывода создает IRP, описывающий запрос, и посылает его драйверу (в данном случае — драйверу устройства), вызывая свою функцию IoCallDriver.

4. Драйвер передает данные из IRP на устройство и инициирует операцию ввода-вывода.

5. Драйвер уведомляет о завершении ввода-вывода, генерируя прерывание.

6. Когда устройство завершает операцию и вызывает прерывание, драйвер устройства обслуживает прерывание.

7. Драйвер вызывает функцию IoCompleteRequest диспетчера ввода-вывода, чтобы уведомить его о завершении обработки IRP, и диспетчер ввода-вывода завершает данный запрос на ввод-вывод.

Эти семь этапов показаны на рис. 9-10.

Внутреннее устройство Windows.

Теперь, когда мы знаем, как инициируется ввод-вывод, рассмотрим обслуживание прерывания и завершение ввода-вывода.

Обслуживание прерывания.

Завершая передачу данных, устройство генерирует прерывание, после чего в дело вступают ядро Windows, диспетчер ввода-вывода и драйвер устройства. Ha рис. 9-11 показана первая фаза этого процесса. (Механизм диспетчеризации прерываний, включая DPC, описывается в главе 3. Мы кратко повторяем этот материал, потому что DPC играют ключевую роль в обработке ввода-вывода.).

Внутреннее устройство Windows.

Когда устройство генерирует прерывание, процессор передает управление обработчику ловушки ядра, который находит ISR для этого устройства по таблице диспетчеризации прерываний. ISR в Windows обычно обрабатывают прерывания от устройств в два этапа. При первом вызове ISR, как правило, остается на уровне Device IRQL ровно столько времени, сколько нужно для того, чтобы сохранить состояние устройства и запретить дальнейшие прерывания от него. После этого ISR помещает DPC в очередь и, закрыв прерывание, завершается. Впоследствии, при вызове DPC-процедуры драйвер устройства заканчивает обработку прерывания, а затем вызывает диспетчер ввода-вывода для завершения ввода-вывода и удаления IRR Этот драйвер также может начать выполнение следующего запроса ввода-вывода, ждущего в очереди устройства.

Преимущество выполнения большей части обработки прерываний от устройств через DPC в том, что это разрешает любые блокируемые прерывания с приоритетами от «Device IRQL» до «DPC/dispatch» — пока не началась обработка DPC, имеющего более низкий приоритет. A за счет этого удается более оперативно (чем это могло бы быть в ином случае) обслуживать прерывания среднего приоритета. Вторая фаза ввода-вывода (обработка DPC) показана на рис. 9-12.

Завершение обработки запроса на ввод-вывод.

После того как DPC-процедура драйвера выполнена, до завершения запроса на ввод-вывод остается проделать кое-какую оставшуюся работу. Третья стадия обработки ввода-вывода называется завершением ввода-вывода (I/O completion) и начинается с вызова драйвером функции IоСотр1еtеRеqиеst для уведомления диспетчера ввода-вывода о том, что обработка запроса, указанного в IRP (и принадлежащих ему блоках стека), закончена. Действия, выполняемые на этом этапе, различны для разных операций ввода-вывода. Например, все сервисы ввода-вывода записывают результат операции в блок статуса ввода-вывода (I/O status block) — структуру данных, предоставляемую вызывающим потоком. Некоторые сервисы, выполняющие буферизованный ввод-вывод, требуют возврата данных вызывающему потоку через подсистему ввода-вывода.

B любом случае подсистема ввода-вывода должна копировать отдельные данные из системной памяти в виртуальное адресное пространство процесса, которому принадлежит вызывающий поток. Если IRP выполняется синхронно, это адресное пространство является текущим и доступно напрямую, но если IRP обрабатывается асинхронно, диспетчер ввода-вывода должен отложить завершение IRP до тех пор, пока у него не появится возможность обращаться к нужному адресному пространству. Чтобы получить доступ к виртуальному адресному пространству процесса, которому принадлежит вызывающий поток, диспетчер ввода-вывода должен передавать данные «в контексте вызывающего потока», т. е. при выполнении этого потока (иначе говоря, процесс этого потока должен быть текущим, а его адресное пространство — активным на процессоре). Эту задачу диспетчер ввода-вывода решает, ставя в очередь данному потоку APC режима ядра (рис. 9-13).

Как уже говорилось в главе 3, APC выполняется только в контексте определенного потока, a DPC — в контексте любого потока. Это означает, что DPC не затрагивает адресное пространство процесса пользовательского режима. Вспомните также, что приоритет программного прерывания у DPC выше, чем у APC.

Внутреннее устройство Windows.

B следующий раз, когда поток начинает выполняться при низком IRQL, ему доставляется отложенный APC Ядро передает управление АРС-процедуре диспетчера ввода-вывода, которая копирует данные (если они есть) и код возврата в адресное пространство процесса вызывающего потока, освобождает IRP, представляющий данную операцию ввода-вывода, и переводит описатель файла (и любое событие или порт завершения ввода-вывода, если таковой объект предоставлен вызывающим потоком) в свободное состояние. Теперь ввод-вывод считается завершенным. Вызывающий поток или любые другие потоки, ждущие на описателе файла (или иного объекта), выходят из состояния ожидания и переходят в состояние готовности к выполнению. Вторая фаза завершения ввода-вывода показана на рис. 9-14.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

И последнее замечание о завершении ввода-вывода. Функции асинхронного ввода-вывода ReadFileEx и WriteFileEx принимают в качестве параметра APC пользовательского режима. Если поток передаст этот параметр, то на последнем этапе диспетчер ввода-вывода направит соответствующий APC в очередь данного потока. Эта функциональность позволяет вызывающему потоку указывать процедуру, которую нужно вызывать после завершения или отмены запроса ввода-вывода. Такие APC выполняются в контексте вызывающего потока и доставляются, только если поток переходит в состояние «тревожного» ожидания (как, например, при вызове Windows-функции SleepEx, WaitForSingleObjectEx или WaitForMultipleObjectsEx).

Синхронизация.

Драйверы должны синхронизировать свое обращение к глобальным данным и регистрам устройств в силу двух причин.

Выполнение драйвера может быть прервано из-за вытеснения потоками с более высоким приоритетом, по истечении выделенного кванта процессорного времени, а также из-за генерации прерывания.

B многопроцессорных системах Windows может выполнять код драйвера сразу на нескольких процессорах.

Без синхронизации данные могут быть повреждены. Например, код драйвера устройства выполняется при IRQL уровня «passive». Какая-то программа инициирует операцию ввода-вывода, в результате чего возникает аппаратное прерывание. Оно прерывает выполнение кода драйвера и активизирует его ISR. Если в этот момент драйвер изменял какие-либо данные, которые модифицирует и ISR (например, регистры устройства, память из кучи или статические данные), они могут быть повреждены после выполнения ISR. Эту проблему демонстрирует рис. 9-15.

Внутреннее устройство Windows.

Bo избежание такой ситуации драйвер, написанный для Windows, должен синхронизировать обращение к любым данным, которые он разделяет со своей ISR Прежде чем обновлять общие данные, драйвер должен заблокировать все остальные потоки (или процессоры, если система многопроцессорная), чтобы запретить им доступ к тем же данным.

Ядро Windows предоставляет специальную синхронизирующую процедуру KeSynchronizeExecution, которую драйверы устройств должны вызывать при доступе к данным, разделяемым с ISR. Эта процедура не допускает выполнения ISR, пока драйвер обращается к общим данным. B однопроцессорных системах перед обновлением общих структур данных она повышает IRQL до уровня, сопоставленного с ISR. Ho в многопроцессорных системах эта методика не гарантирует полной блокировки, так как код драйвера может выполняться на двух и более процессорах одновременно. Поэтому в многопроцессорных системах применяется другой механизм — спин-блокировка (см. раздел «Синхронизация ядра» главы 3). Драйвер также может использовать KeAcquireInterruptSpinLock для прямого доступа к спин-блокировке объекта прерывания, хотя вариант синхронизации с ISR через KeSynchronizeExecution обычно работает быстрее.

Теперь вы понимаете, что не только ISR требуют особого внимания: любые данные, используемые драйвером устройства, могут быть объектом доступа со стороны другой части того же драйвера, выполняемой на другом процессоре. Так что синхронизация доступа к любым глобальным или разделяемым данным (и обращений к самому физическому устройству) критически важна для кода драйвера устройства. Если ISR тоже обращается к этим данным, драйвер устройства должен вызывать KeSynchronizeExecution\ в ином случае драйвер устройства может использовать стандартные спин-блокировки ядра.

Запрос ввода-вывода к многоуровневому драйверу.

B предыдущем разделе мы рассмотрели обработку запроса на ввод-вывод, адресованного простому устройству, которое управляется единственным драйвером устройства. Обработка ввода-вывода для устройств, имеющих дело с файлами, или запросов к другим многоуровневым драйверам во многом аналогична. Конечно, основное отличие в том, что появляется один или несколько дополнительных уровней обработки.

Прохождение запроса на асинхронный ввод-вывод через многоуровневые драйверы показано на рис. 9-l6. Данный пример относится к диску, управляемому файловой системой.

И вновь диспетчер ввода-вывода получает запрос, создает IRP для его представления, но на этот раз передает пакет драйверу файловой системы. C этого момента драйвер файловой системы в основном и управляет операцией ввода-вывода. B зависимости от типа запроса файловая система посылает драйверу диска тот же IRP или генерирует дополнительные IRP и передает их этому драйверу по отдельности.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр стека устройства.

Команда !devstack отладчика ядра показывает стек устройства, содержащий многоуровневые объекты «устройство», сопоставленные с указанным объектом «устройство». B данном примере выводится стек устройства для объекта «устройство» \device\keyboardclass0, который принадлежит драйверу класса клавиатур:

Внутреннее устройство Windows.

Строка для KeyboardClass0 выделяется префиксом «›». Элементы над этой строкой относятся к драйверам, размещаемым над драйвером класса клавиатур, а элементы под выделенной строкой — к драйверам, расположенным ниже драйвера класса клавиатур. B целом, IRP передаются по стеку сверху вниз.

Файловая система скорее всего будет повторно использовать IRP, если полученный запрос можно преобразовать в единый запрос к устройству. Например, если приложение выдаст запрос на чтение первых 512 байтов из файла на дискете, файловая система FAT просто вызовет драйвер диска, попросив его считать один сектор с того места на дискете, где начинается нужный файл.

Для поддержки использования несколькими драйверами IRP содержит набор блоков стека (не путать со стеком потока). Эти блоки данных — по одному на каждый вызываемый драйвер — хранят информацию, необходимую каждому драйверу для обработки своей части запроса (например, номер функции, параметры, сведения о контексте драйвера). Как показано на рис. 9-l6, по мере передачи IRP от одного драйвера другому заполняются дополнительные блоки стека. IRP можно считать аналогом стека в отношении добавления и удаления данных. Ho IRP не сопоставляется ни с каким процессом, и его размер фиксирован. B самом начале операции ввода-вывода диспетчер ввода-вывода выделяет память для IRP в одном из ассоциативных списков IRP или в пуле неподкачиваемой памяти.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: исследуем IRP.

B этом эксперименте вы найдете незавершенные IRP в системе и определите тип IRP, устройство, которому он адресован, драйвер, управляющий этим устройством, поток, выдавший IRP, и процесс, к которому относится данный поток.

B любой момент в системе есть хотя бы несколько незавершенных IRR Это вызвано тем, что существует много устройств, которым приложения могут посылать IRP, а драйвер обрабатывает запрос только при возникновении определенного события, скажем, при появлении данных. Один из примеров — чтение с сетевого устройства. Увидеть незавершенные IRP в системе позволяет команда !irpfind отладчика ядра:

Внутреннее устройство Windows.

Строка, выделенная в выводе, описывает IRP, адресованный драйверу Kbdclass, так что этот IRP скорее всего был выдан потоком необработанного ввода для подсистемы Windows, принимающим ввод с клавиатуры. Изучение IRP с помощью команды !irp показывает следующее:

Внутреннее устройство Windows.

Активный блок стека (помечаемый префиксом «›», находится в самом низу. Основной номер функции равен 3, что соответствует IRP_MJ_READ.

Следующий шаг — выяснить, какому объекту «устройство» адресован IRP Для этого выполните команду !devobj, указав адрес объекта «устройство», взятый из активного блока стека:

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Устройство, которому адресован данный IRP, — KeyboardClassl. Наличие объекта «устройство», принадлежащего драйверу Termdd, сообщает, что этот объект представляет ввод от клиента службы терминалов, а не с физической клавиатуры. (Листинг был получен в системе с Windows XP.).

Детальные сведения о потоке и процессе, выдавшем этот IRP, можно просмотреть командами !thread и /process:

Внутреннее устройство Windows.

Найдя этот поток в Process Explorer (www.sysinternals.com) на вкладке Threads окна свойств для Csrss.exe, вы убедитесь, что, судя по именам функций в его стеке, он действительно является потоком необработанного ввода (raw input thread) для подсистемы Windows.

Внутреннее устройство Windows.

После того как драйвер диска завершает передачу данных, диск генерирует прерывание, и ввод-вывод завершается (рис. 9-17).

Рис. 9-17. Завершение обработки запроса на ввод-вывод к многоуровневым драйверам.

Внутреннее устройство Windows.

B качестве альтернативы повторному использованию единственного IRP файловая система может создать группу сопоставленных IRP (associated IRPs), которые будут обрабатываться параллельно. Например, если данные, которые нужно считать из файла, разбросаны по всему диску, драйвер файловой системы может создать несколько IRP, каждый из которых инициирует чтение данных из отдельного сектора. Этот случай иллюстрирует рис. 9-18.

Внутреннее устройство Windows.

Драйвер файловой системы передает сопоставленные IRP драйверу устройства, который ставит их в очередь устройства. Они обрабатываются по одному, а файловая система отслеживает возвращаемые данные. Когда выполнение всех сопоставленных IRP заканчивается, подсистема ввода-вывода завершает обработку исходного IRP и возвращает управление вызывающему потоку (рис. 9-19).

Внутреннее устройство Windows.

ПРИМЕЧАНИЕ Все драйверы, управляющие дисковыми файловыми системами в Windows, являются частью как минимум трехуровневого стека драйверов: драйвер файловой системы находится на верхнем уровне, диспетчер томов — на среднем, а драйвер диска — на нижнем. Кроме того, между этими драйверами может размещаться любое число драйверов фильтров. Для ясности в предыдущем примере были показаны лишь драйверы файловой системы и диска. Подробнее об управлении внешней памятью см. главу 10.

Порты завершения ввода-вывода.

Создание высокопроизводительного серверного приложения требует реализации эффективной модели многопоточности. Как нехватка, так и избыток серверных потоков, обрабатывающих клиентские запросы, приведет к проблемам с производительностью. Например, если сервер создает единственный поток для обработки всех запросов, клиенты будут «голодать», так как сервер будет обрабатывать по одному запросу единовременно. Конечно, единственный поток мог бы обрабатывать сразу несколько запросов, переключаясь с одной операции ввода-вывода на другую. Однако такая архитектура крайне сложна и не позволяет использовать преимущества многопроцессорных систем. Другая крайность — создание сервером огромного пула потоков, когда для обработки чуть ли не каждого клиентского запроса выделяется свой поток. Этот сценарий обычно ведет к перегрузке процессоров потоками: множество потоков пробуждается, выполняет обработку данных, блокируется в ожидании ввода-вывода, а после обработки запроса снова блокируется в ожидании нового запроса. Одно только наличие слишком большого количества потоков заставило бы планировщик чрезмерно часто переключать контекст, и в итоге он отобрал бы на себя немалую часть процессорного времени.

Задача сервера — свести к минимуму число переключений контекста, чтобы избежать излишнего блокирования потоков, и в то же время добиться максимального параллелизма в обработке за счет множества потоков. C этой точки зрения идеальна ситуация, при которой к каждому процессору подключен один активно обрабатывающий клиентские запросы поток, что позволяет обойтись без блокировки потоков, если на момент завершения обработки текущих запросов их ждут другие запросы. Однако такая оптимизация требует, чтобы у приложения была возможность активизировать другой поток, когда поток, обрабатывающий клиентский запрос, блокируется в ожидании ввода-вывода (например, для чтения файла в процессе обработки).

Объект loCompletion.

Приложения используют объект loCompletion исполнительной системы, который экспортируется в Windows как порт завершения (completion port) — фокальная точка завершения ввода-вывода, сопоставляемая с множеством описателей файлов. Если какой-нибудь файл сопоставлен с портом завершения, то по окончании любой операции асинхронного ввода-вывода, связанной с этим файлом, в очередь порта завершения ставится пакет завершения (completion packet). Ожидание завершения любой из операций ввода-вывода в нескольких файлах может быть реализовано простым ожиданием соответствующего пакета завершения, который должен появиться в очереди порта завершения. Windows API поддерживает аналогичную функциональность через WaitForMultipleObjects, но порты завершения дают одно большое преимущество: число потоков, активно обслуживающих клиентские запросы, контролируется самой системой.

Создавая порт завершения, приложение указывает максимальное число сопоставленных с портом потоков, которые могут быть активны. Как уже говорилось, в идеале на каждом процессоре должно быть по одному активному потоку. Windows использует это значение для контроля числа актив ных потоков приложения. Если число активных потоков, сопоставленных с портом, равно заданному максимальному значению, выполнение потока, ждущего на порте завершения, запрещено. По завершении обработки текущего запроса один из активных потоков проверяет, имеется ли в очереди порта другой пакет. Если да, он просто извлекает этот пакет из очереди и переходит к обработке соответствующих данных; контекст при этом не переключается.

Использование портов завершения.

Высокоуровневая схема работы порта завершения представлена на рис. 9-20. Порт завершения создается вызовом Windows-функции CreateIoCompletionPort. Потоки, блокированные на порте завершения, считаются сопоставленными с ним и пробуждаются по принципу LIFO («последним пришел — первым вышел»), т. е. следующий пакет достается потоку, заблокированному последним. Стеки потоков, блокируемых в течение длительного времени, могут быть выгружены в страничный файл. B итоге, если с портом сопоставлено больше потоков, чем нужно для обработки текущих заданий, система автоматически минимизирует объем памяти, занимаемой слишком долго блокируемыми потоками.

Внутреннее устройство Windows.

Серверное приложение обычно получает клиентские запросы через конечные точки, представляемые как описатели файлов. Пример — сокеты Windows Sockets 2 (Winsock2) или именованные каналы. Создавая конечные точки своих коммуникационных связей, сервер сопоставляет их с портом завершения, и серверные потоки ждут входящие запросы, вызывая для этого порта функцию GetQueuedCompletionStatus. Получив пакет из порта завершения, поток начинает обработку запроса и становится активным. B процессе обработки данных поток может часто блокироваться, например из-за необходимости считать данные из файла или записать их в него, а также из-за синхронизации с другими потоками. Windows обнаруживает такие действия и выясняет, что одним активным потоком на порте завершения стало меньше. Поэтому, как только поток блокируется и становится неактивным, операционная система пробуждает другой ждущий на порте завершения поток (если в очереди есть пакет).

Microsoft рекомендует устанавливать максимальное число активных потоков на порте завершения примерно равным числу процессоров в системе. Имейте в виду, что это значение может быть превышено. Допустим, вы задали, что максимальное значение должно быть равно 1. При поступлении клиентского запроса выделенный для его обработки поток становится активным. Поступает второй запрос, но второй поток не может продолжить его обработку, так как лимит уже достигнут. Затем первый поток блокируется в ожидании файлового ввода-вывода и становится неактивным. Тогда освобождается второй поток и, пока он активен, завершается файловый ввод-вывод для первого потока, в результате чего первый поток вновь активизируется. C этого момента и до блокировки одного из потоков число активных потоков превышает установленный лимит на 1.

API, предусмотренный для порта завершения, также позволяет серверному приложению ставить в очередь порта завершения самостоятельно определенные пакеты завершения; для этого предназначена функция PostQueuedCompletionStatus. Сервер обычно использует эту функцию для уведомления своих потоков о внешних событиях, например о необходимости корректного завершения работы.

Как работает порт завершения ввода-вывода.

Windows-приложения создают порты завершения вызовом Windows-функции CreateIoCompletionPort с указанием NULL вместо описателя порта завершения. Это приводит к выполнению системного сервиса NtCreateIoComple-tion. Объект IoCompletion исполнительной системы, построенный на основе синхронизующего объекта ядра, называется очередью. Таким образом, системный сервис создает объект «порт завершения» и инициализирует объект «очередь» в памяти, выделенной для порта. (Указатель на порт ссылается и на объект «очередь», так как последний находится в начальной области памяти порта.) Максимальное число сопоставленных с портом потоков, которые могут быть активны, указывается в объекте «очередь» при его инициализации; это значение, которое было передано в CreateIoCompletionPort. Для инициализации объекта «очередь» порта завершения NtCreateIoCompletion вызывает функцию KeInitializeQueue.

Когда приложение обращается к CreateIoCompletionPort для связывания описателя файла с портом, вызывается системный сервис NtSetInformationFile, которому передается описатель этого файла. При этом класс информации для NtSetInformationFile устанавливается как FileCompletionInformation, и, кроме того, эта функция принимает описатель порта завершения и параметр CompletionKey, ранее переданный в CreateIoCompletionPort. Функция NtSetInformationFile производит разыменование описателя файла для получения объекта «файл» и создает структуру данных контекста завершения.

Указатель на эту структуру NtSetInformationFile помещает в поле Com-pletionContext объекта «файл». По завершении асинхронной операции ввода-вывода для объекта «файл» диспетчер ввода-вывода проверяет, отличается ли поле CompletionContext от NULL. Если да, он создает пакет завершения и ставит его в очередь порта завершения вызовом KeInsertQueue; при этом в качестве очереди, в которую помещается пакет, указывается порт. (Здесь объект «порт завершения» — синоним объекта «очередь».).

Когда серверный поток вызывает GetQueuedCompletionStatus, выполняется системный сервис NtRemoveIoCompletion. После проверки параметров и преобразования описателя порта завершения в указатель на порт NtRemoveIoCompletion вызывает KeRemoveQueue.

Как видите, KeRemoveQueue и KeInsertQueue — это базовые функции, обеспечивающие работу порта завершения. Они определяют, следует ли активизировать поток, ждущий пакет завершения ввода-вывода. Объект «очередь» поддерживает внутренний счетчик активных потоков и хранит такое значение, как максимальное число активных потоков. Если при вызове потоком KeRemoveQueue текущее число активных потоков равно максимуму или превышает его, данный поток будет включен (в порядке LIFO) в список потоков, ждущих пакет завершения. Список потоков отделен от объекта «очередь». B блоке управления потоком имеется поле для указателя на очередь, сопоставленную с объектом «очередь»; если это поле пустое, поток не связан с очередью.

Windows отслеживает потоки, ставшие неактивными из-за ожидания на каких-либо объектах, отличных от порта завершения, по указателю на очередь, присутствующему в блоке управления потоком. Процедуры планировщика, в результате выполнения которых поток может быть блокирован (KeWaitForSingleObject, KeDelayExecutionThread и т. д.), проверяют этот указатель. Если он не равен NULL, они вызывают функцию KiActivateWaiterQueue, которая уменьшает счетчик числа активных потоков, сопоставленных с очередью. Если конечное число меньше максимального и в очереди есть хотя бы один пакет завершения, первый поток из списка потоков очереди пробуждается и получает самый старый пакет. И напротив, всякий раз, когда после блокировки пробуждается поток, связанный с очередью, планировщик выполняет функцию KiUnwaitTbread, увеличивающую счетчик числа активных потоков очереди.

Наконец, в результате вызова Windows-функции PostQueuedCompletionStatus выполняется системный сервис NtSetIoCompletion, который просто вставляет с помощью KeInsertQueue специальный пакет в очередь порта завершения.

Порт завершения в действии показан на рис. 9-21. Хотя к обработке пакетов завершения готовы два потока, максимум, равный 1, допускает активизацию только одного потока, связанного с портом завершения. Таким образом, на этом порте завершения блокируется два потока.

Внутреннее устройство Windows.

Driver Verifier.

Утилита Driver Verifier (о которой мы уже рассказывали в главе 7) предоставляет несколько параметров для проверки правильности операций, связанных с вводом-выводом. Ha рис. 9-22 в окне Driver Verifier Manager (Диспетчер проверки драйверов) в Windows Server 2003 эти параметры помечены флажками.

Даже если вы не указываете никаких параметров, Verifier наблюдает за работой выбранных для верификации драйверов, следя за недопустимыми операциями, в том числе за вызовом функций пула памяти ядра при неправильном уровне IRQL, попытками повторного освобождения свободной памяти и запроса блоков памяти нулевого размера.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 9-22. Параметры Driver Verifier, относящиеся к операциям ввода-вывода.

Параметры проверки ввода-вывода перечислены ниже.

• I/O Verification (Проверка ввода-вывода) Если этот параметр выбран, диспетчер ввода-вывода выделяет память под IRP-пакеты для проверяемых драйверов из специального пула и отслеживает его использование. Кроме того, Verifier вызывает крах системы по окончании обработки IRP с неправильным состоянием и при передаче неверного объекта «устройство» диспетчеру ввода-вывода. (B Windows 2000 этот параметр назывался I/O Verification Level 1).

• I/O Verification Level 2 (Проверка ввода-вывода уровня 2) Этот параметр существует только в Windows 2000; он просто ужесточает проверку операций обработки IRP и использования стека.

• Enhanced I/O Verification (Расширенная проверка ввода-вывода) Этот параметр впервые появился в Windows XP и включает мониторинг всех IRP для контроля того, что драйверы корректно помечают их при асинхронной обработке, что они правильно управляют блоками стека устройства и что они удаляют каждый объект «устройство» только раз. B дополнение Verifier случайным образом посылает драйверам ложные IRP, связанные с управлением электропитанием и WMI, изменяет порядок перечисления устройств и изменяет состояние IRP, связанных с PnP и электропитанием, по окончании их обработки; последнее позволяет выявить драйверы, возвращающие неверное состояние из своих процедур диспетчеризации.

• DMA Checking (Проверка DMA) DMA — аппаратно поддерживаемый механизм, позволяющий устройствам передавать данные в физическую память или получать их из нее без участия процессора. Диспетчер ввода-вывода поддерживает ряд функций, используемых драйверами для планирования DMA-операций и управления ими. Данный параметр включает проверку правильности применения этих функций и буферов, предоставляемых диспетчером ввода-вывода для DMA-операций.

• Disk Integrity Verification (Проверка целостности диска) После включения этого параметра, доступного только в Windows Server 2003, Verifier ведет мониторинг операций чтения и записи на дисках и проверяет контрольные суммы соответствующих данных. По окончании операций чтения с диска Verifier проверяет ранее сохраненные контрольные суммы и вызывает крах системы, если новая и старая контрольные суммы не совпадают, так как это свидетельствует о повреждении диска на аппаратном уровне.

• SCSI Verification (Проверка SCSI) Этот параметр появился в Windows XP и не виден в диалоговом окне параметров Driver Verifier. Однако он включается, когда вы выбираете для проверки минипорт-драйвер SCSI и отмечаете хотя бы один из других параметров. Тогда Verifier следит, как минипорт-драйвер SCSI использует функции, предоставляемые драйвером библиотеки SCSI-минипорта — storport.sys или scsiport.sys. При этом проверяется, что драйвер не обрабатывает запрос более одного раза, что он не передает недопустимые аргументы и что на выполнение операций не уходит больше определенного времени. (Подробнее о минипорт-драйверах SCSI см. в главе 10.).

Driver Verifier предназначен главным образом разработчикам драйверов устройств и помогает им обнаруживать ошибки в своем коде. Однако это еще и мощный инструмент для системных администраторов, позволяющий анализировать причины краха. Подробнее о роли Driver Verifier в анализе краха системы см. в главе 14.

Диспетчер Plug and Play (PnP).

Диспетчер PnP — основной компонент, от которого зависит способность Windows к распознаванию изменений в аппаратной конфигурации. Благодаря этому от пользователя не требуется знания тонкостей настройки устройств и системы при их установке и удалении. Так, диспетчер PnP позволяет портативному компьютеру с Windows при подключении к стыковочной станции автоматически обнаруживать дополнительные устройства стыковочной станции и делать их доступными пользователю.

Поддержка Plug and Play требует взаимодействия на уровнях оборудования, драйверов устройств и операционной системы. Эта поддержка в Windows базируется на промышленных стандартах перечисления и идентификации подключенных к шинам устройств. Например, стандарт USB определяет способ самоидентификации устройств, подключенных к шине USB. Ha этой основе в Windows реализуются следующие возможности Plug and Play.

Диспетчер PnP автоматически распознает установленные устройства, и этот процесс включает перечисление устройств при загрузке и обнаружение их добавления или удаления во время работы системы.

Диспетчер PnP выделяет аппаратные ресурсы, собирая информацию о требованиях устройств к аппаратным ресурсам (прерывания, диапазоны адресов ввода-вывода, регистры ввода-вывода или ресурсы, специфичные для шин). B ходе арбитража ресурсов (resource arbitration) диспетчер PnP распределяет ресурсы между устройствами с учетом их требований. Поскольку устройства могут быть добавлены в систему после распределения ресурсов на этапе загрузки, диспетчер PnP должен уметь перераспределять ресурсы.

Другая функция диспетчера PnP — загрузка соответствующих драйверов. Ha основе идентификационных данных устройства он определяет, установлен ли в системе драйвер, способный управлять этим устройством. Если да, диспетчер PnP указывает диспетчеру ввода-вывода загрузить его. Если подходящий драйвер не установлен, диспетчер PnP режима ядра взаимодействует с диспетчером PnP пользовательского режима, чтобы установить устройство. При этом он может попросить пользователя указать местонахождение нужных драйверов.

Диспетчер PnP также реализует механизмы, позволяющие приложениям и драйверам обнаруживать изменения в аппаратной конфигурации. Иногда для работы драйверов и приложений требуется определенное устройство, поэтому в Windows имеются средства, которые дают возмож ность таким драйверам и приложениям запрашивать уведомления о наличии, добавлении и удалении устройств.

Уровень поддержки Plug and Play.

Windows нацелена на полную поддержку Plug and Play, но конкретный уровень поддержки зависит от устройств, подключенных к системе, и установленных в ней драйверов. Уровень поддержки Plug and Play может быть снижен, если хотя бы один драйвер или устройство не отвечает стандарту Plug and Play. Более того, драйвер, не поддерживающий Plug and Play может лишить систему возможности использовать другие устройства. B таблице 9–2 показано, к каким результатам приводят различные сочетания устройств и драйверов с поддержкой Plug and Play и без нее.

Внутреннее устройство Windows.

PnP-несовместимое устройство, например унаследованная звуковая плата с ISA-шиной, не поддерживает автоматическое определение. Из-за этого таким устройствам запрещены некоторые операции вроде «горячего» подключения или перехода в один из режимов сна. Если для такого устройства вручную установить РпР-совместимый драйвер, он сможет по крайней мере использовать ресурсы, которые диспетчер PnP будет выделять этому устройству.

Унаследованные драйверы, например драйверы, разработанные для Windows NT 4, не совместимы с Plug and Play. Хотя они работают в Windows, диспетчер PnP не сможет динамически перераспределять ресурсы, назначенные таким устройствам. Допустим, унаследованное устройство использует для ввода-вывода диапазон памяти A или В. При загрузке системы диспетчер PnP выделяет этому устройству диапазон А. Если впоследствии в систему будет добавлено устройство, способное использовать только диапазон А, диспетчер PnP не сможет указать драйверу первого устройства перенастроить его на диапазон В. Из-за этого второе устройство не получит нужные ресурсы и будет недоступно. Унаследованные драйверы также мешают переходу системы в один из режимов сна (см. раздел «Диспетчер электропитания» далее в этой главе).

Поддержка Plug and Play со стороны драйвера.

Для поддержки Plug and Play в драйвере должна быть реализована процедура диспетчеризации Plug and Play, а также процедура добавления устройства. Однако драйверы шин должны поддерживать типы запросов Plug and Play, отличные от тех, которые поддерживаются функциональными драйверами и драйверами фильтров. Так, при перечислении устройств в процессе загрузки диспетчер PnP запрашивает у драйверов шин описание устройств, найденных ими на своих шинах. B это описание входят данные, уникально идентифицирующие каждое устройство, а также требования устройств к аппаратным ресурсам. Диспетчер PnP принимает эту информацию и загружает функциональные драйверы или драйверы фильтров, установленные для обнаруженных устройств. Затем он вызывает процедуру добавления устройства каждого драйвера, установленного для каждого устройства.

Выполняя процедуру добавления устройства, функциональные драйверы и драйверы фильтров готовятся начать управление своими устройствами, но на самом деле пока еще не взаимодействуют с ними. Они ждут команду startdevice, которую диспетчер PnP должен передать их процедурам диспетчеризации Plug and Play. До передачи этой команды диспетчер PnP выполняет арбитраж ресурсов, чтобы решить, какие ресурсы выделить тому или иному устройству. B команде start-device указываются назначенные ресурсы, определенные диспетчером PnP при арбитраже ресурсов. Получив команду start-device, драйвер может настроить свое устройство на использование указанных ресурсов. Если программа пытается открыть устройство, которое не готово к началу работы, она получает код ошибки, указывающий на отсутствие этого устройства.

После запуска устройства диспетчер PnP может посылать драйверу дополнительные PnP-команды, в том числе относящиеся к удалению устройства из системы или перераспределению ресурсов. Например, когда пользователь запускает утилиту, показанную на рис. 9-23, — для ее запуска надо щелкнуть правой кнопкой мыши значок платы PC Card на панели задач и выбрать команду Unplug Or Eject Hardware (Отключение или извлечение аппаратного устройства), — и командует Windows извлечь PCMCIA-плату, диспетчер PnP посылает уведомление query-remove каждому приложению, зарегистрированному на получение PnP-уведомлений об этом устройстве. Как правило, приложения регистрируются на получение уведомлений через свои описатели устройства, которые они закрывают, получая уведомление query-remove. Если ни одно приложение не налагает вето на запрос query-remove, диспетчер PnP посылает команду query-remove драйверу, управляющему извлекаемым устройством. Ha этом этапе драйвер решает, что ему делать дальше: запретить удаление устройства или завершить все операции ввода-вывода на этом устройстве и прекратить дальнейший прием запросов на ввод-вывод, направляемых устройству. Если драйвер отвечает согласием на запрос об удалении и открытых описателей устройства больше нет, диспетчер PnP посылает драйверу команду remove, требующую от него прекратить обращение к устройству и освободить все ресурсы, выделенные им для данного устройства.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 9-23. Утилита для отключения или извлечения платы PC Card.

Когда диспетчеру PnP нужно перераспределить ресурсы для устройства, он сначала запрашивает драйвер, может ли тот временно приостановить операции на устройстве, и с этой целью посылает команду query-stop. Драйвер отвечает на этот запрос согласием, если нет риска потери или повреждения данных; в ином случае он отклоняет такой запрос. Как и в случае команды query-remove, драйвер, согласившись с запросом, заканчивает незавершенные операции ввода-вывода и больше не передает этому устройству запросы на ввод-вывод. (Новые запросы на ввод-вывод драйвер обычно ставит в очередь.) Далее диспетчер PnP посылает драйверу команду stop. Ha этом этапе диспетчер PnP может указать драйверу выделить устройству другие ресурсы, а потом послать команду start-device.

Команды Plug and Play вызывают переход устройства в строго определенные состояния, которые в упрощенной форме представлены на рис. 9-24. (Некоторые состояния и команды Plug and Play на этой иллюстрации опущены. Кроме того, этот вариант относится к диаграмме состояний, реализуемой функциональными драйверами. Диаграмма состояний, реализуемых драйверами шин, гораздо сложнее.) Кстати, на рис. 9-24 показано одно из состояний, которое мы еще не обсудили, — устройство переходит в него после команды surprise-remove диспетчера PnP. Эта команда посылается при неожиданном удалении устройства из системы, например из-за его отказа или из-за извлечения PCMCIA-платы без применения соответствующей утилиты. Команда surprise-remove заставляет драйвер немедленно прекратить всякое взаимодействие с устройством, так как оно больше не подключено к системе, и отменить любые незавершенные запросы ввода-вывода.

Внутреннее устройство Windows.

Загрузка, инициализация и установка драйвера.

Драйвер может загружаться в Windows явно и на основе перечисления. Явную загрузку определяет ветвь реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services, и на эту тему см. раздел «Сервисные приложения» главы 4. Загрузка на основе перечисления происходит при динамической загрузке диспетчером PnP драйверов для устройств, о наличии которых сообщает драйвер шины.

Параметр Start.

B главе 4 мы объяснили, что у каждого драйвера и Windows-сервиса есть свой раздел в ветви реестра Services текущего набора параметров управления. B этот раздел входят параметры, указывающие тип образа (например, Windows-сервис, драйвер или файловая система), путь к файлу образа драйвера или сервиса и параметры, контролирующие порядок загрузки драйвера или сервиса. Между загрузкой Windows-сервисов и явной загрузкой драйверов есть два главных различия:

только для драйверов устройств в параметре Start могут быть указаны значения 0 (запуск при загрузке системы) и 1 (запуск системой);

драйверы устройств могут использовать параметры Group и Tag для контроля порядка своей загрузки при запуске системы, но в отличие от сервисов не могут определять параметры DependOnGroup или DependOnService. B главе 5 мы рассмотрели этапы процесса загрузки и объяснили, что параметр Start драйвера, равный 0, означает, что этот драйвер загружается загрузчиком операционной системы. A если Start равен 1, драйвер загружается диспетчером ввода-вывода после инициализации компонентов исполнительной системы. Диспетчер ввода-вывода вызывает инициализирующие процедуры драйверов в том порядке, в каком драйверы загружались при запуске системы. Как и Windows-сервисы, драйверы используют параметр Group в своем разделе реестра, чтобы указать группу, к которой они принадлежат; порядок загрузки групп определяется параметром HKLM\SYSTEM\ CurrentControlSet\Control\ServiceGroupOrder\List.

Драйвер может еще больше детализировать порядок своей загрузки с помощью параметра Tag, который указывает конкретную позицию драйвера в группе. Диспетчер ввода-вывода сортирует драйверы в группе по значениям параметров Tag, определенных в разделах реестра, соответствующих этим драйверам. Драйверы, не имеющие параметра Tag, перемещаются в конец списка драйверов группы. Вы могли предположить, что диспетчер ввода-вывода сначала инициализирует драйверы с меньшими значениями Tag, потом — с большими, но это не так. Приоритет значений параметров Tag в рамках группы определяется в HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\GroupOrderList; этот раздел реестра дает Microsoft и разработчикам драйверов свободу в определении собственной системы целых чисел.

Вот правила, по которым драйверы устанавливают значение своего параметра Start.

Драйверы, не поддерживающие Plug and Play, настраивают Start так, чтобы система загружала их на определенном этапе своего запуска.

Драйверы, которые должны загружаться системным загрузчиком при запуске операционной системы, указывают в Start значение 0 (запуск при загрузке системы). Пример — драйверы системных шин и драйвер файловой системы, используемый при загрузке системы.

Драйвер, который не требуется для загрузки системы и распознает устройство, не перечисляемое драйвером системной шины, указывает в Start значение, равное 1 (запуск системой). Пример — драйвер последовательного порта, информирующий диспетчер PnP о присутствии стандартных последовательных портов, которые были обнаружены программой Setup и зарегистрированы в реестре.

Драйвер, не поддерживающий Plug and Play, или драйвер файловой системы, не обязательный для загрузки системы, устанавливает значение Start равным 2 (автозапуск). Пример — драйвер многосетевого UNC-nровайдера (Multiple UNC Provider, MUP), поддерживающий UNC-имена удаленных ресурсов (вроде \\REMOTECOMPUTERNAME\SHARE).

PnP-драйверы, не нужные для загрузки системы (например, драйверы сетевых адаптеров), указывают значение Start равным 3 (запуск по требованию). Единственное предназначение параметра Start для PnP-драйверов и драйверов перечисляемых устройств — загрузка драйвера с помощью загрузчика операционной системы, если такой драйвер обязателен для успешного запуска системы.

Перечисление устройств.

Диспетчер PnP начинает перечисление устройств с виртуального драйвера шины с именем Root, который представляет всю систему и выступает в роли драйвера шины для драйверов, не поддерживающих Plug and Play, и для HAL.

HAL работает как драйвер шины, перечисляющий устройства, напрямую подключенные к материнской плате, и такие системные компоненты, как аккумуляторы. Определяя основную шину (обычно это PCI-шина) и устройства типа аккумуляторов и вентиляторов, HAL на самом деле полагается на описание оборудования, зафиксированное программой Setup в реестре еще при установке операционной системы.

Драйвер основной шины перечисляет устройства на этой шине, при этом он может найти другие шины, драйверы которых инициализируются диспетчером PnP Эти драйверы в свою очередь могут обнаруживать другие устройства, включая вспомогательные шины. Такой рекурсивный процесс — перечисление, загрузка драйвера (если он еще не загружен), дальнейшее перечисление — продолжается до тех пор, пока не будут обнаружены и сконфигурированы все устройства в системе.

По мере поступления сообщений от драйверов шин об обнаруженных устройствах, диспетчер PnP формирует внутреннее дерево, называемое деревом устройств (device tree) и отражающее взаимосвязи между устройствами. Узлы этого дерева называются узлами устройств (device nodes, devnodes). Узел устройств содержит информацию об объектах «устройство», представляющих устройства, и другую PnP-информацию, которая записывается в узел диспетчером PnP Упрощенный пример дерева устройств показан на рис. 9-25. Эта система ACPI-совместима, и поэтому перечислителем основной шины является ACPI-совместимый HAL. K основной шине PCI в данной системе подключены шины USB, ISA и SCSI.

Внутреннее устройство Windows.

Диспетчер устройств, доступный из оснастки Computer Management (Управление компьютером) и с вкладки Hardware (Оборудование) окна свойств системы, отображает простой список устройств в системе, сконфигурированной по умолчанию. Для просмотра устройств в виде иерархического дерева можно выбрать в меню View (Вид) диспетчера устройств команду Devices By Connection устройства по подключению). Рис. 9-26 иллюстрирует, как выглядит окно диспетчера устройств при выборе этой команды.

Внутреннее устройство Windows.

C учетом перечисления устройств загрузка и инициализация драйверов происходит в следующем порядке.

1. Диспетчер ввода-вывода вызывает входную процедуру каждого драйвера, запускаемого при загрузке системы. Если у такого драйвера имеются дочерние устройства, диспетчер ввода-вывода перечисляет эти устройства, сообщая о них диспетчеру PnP Дочерние устройства конфигурируются и запускаются, если их драйверы являются запускаемыми при загрузке системы. Если у устройства есть драйвер, не запускаемый при загрузке системы, диспетчер PnP создает для этого устройства узел, но не запускает устройство и не загружает его драйвер.

2. После инициализации драйверов, запускаемых при загрузке системы, диспетчер PnP проходит по дереву устройств, загружая драйверы для узлов устройств, не загруженных на первом этапе, и запускает их устройства. Запуская каждое устройство, диспетчер PnP перечисляет его дочерние устройства (если таковые есть). Для этого он запускает соответствующие драйверы и при необходимости перечисляет их дочерние устройства. Ha данном этапе диспетчер PnP загружает драйверы для обнаруженных устройств независимо om значений параметров Start этих драйверов (кроме тех драйверов, параметр Start которых содержит значение «отключен»). B конце этого этапа драйверы всех PnP-устройств загружены и запущены, кроме драйверов не перечисляемых устройств и их дочерних устройств.

3. Диспетчер PnP загружает любые еще не загруженные драйверы, запускаемые системой. Эти драйверы определяют свои устройства, не перечисляемые обычным образом, и сообщают о них. После этого диспетчер PnP загружает драйверы для этих устройств.

4. Наконец, диспетчер управления сервисами (SCM) загружает автоматически запускаемые драйверы.

Дерево устройств используется диспетчерами PnP и электропитания в то время, когда они выдают устройствам IRP-пакеты, связанные с Plug and Play и управлением электропитанием. Как правило, поток IRP распространяется от верхней части узла устройств вниз, и иногда какой-либо драйвер в одном из узлов устройств создает новые IRP для передачи другим узлам (всегда в направлении корня). O потоках IRP-пакетов, связанных с Plug and Play и управлением электропитанием, мы поговорим позже.

ЭКСПЕРИМЕНТ: получаем дамп дерева устройств.

Команда !devnode отладчика ядра позволяет более подробно изучить дерево устройств. Задав O и 1 в качестве параметров, вы получите дамп внутренних структур узлов этого дерева. При этом элементы структур выводятся с отступами, отражающими позиции элементов в общей иерархии.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Информация, показываемая для каждого узла устройств, включает InstancePath (имя подраздела для перечисленного устройства в HKLM\ SYSTEM\CurrentControlSet\Enum) и ServiceName (имя подраздела для драйвера устройства в HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services). Чтобы просмотреть такие ресурсы, как прерывания, порты и диапазоны памяти, назначенные каждому узлу устройств, используйте команду !devnode 0 3.

Все устройства, обнаруженные после установки системы, регистрируются в подразделах раздела реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Enum. Этим подразделам присваиваются имена в виде ‹Перечислителъ›\‹ID_устройства›\‹ID_экземпляра›, где перечислитель — драйвер шины, ID_усmроиства — уникальный идентификатор устройств данного типа, а ID_экземпляра — уникальный идентификатор данного экземпляра этого устройства.

Узлы устройств.

Узел устройств, который включает минимум два объекта «устройство», показан на рис. 9-27.

Внутреннее устройство Windows.

• Объект «физическое устройство» (physical device object, PDO) Создается драйвером шины по заданию диспетчера PnP, когда драйвер шины, перечисляя устройства на своей шине, сообщает о наличии какого-либо устройства. PDO представляет физический интерфейс устройства.

• Необязательные группы объектов-фильтров (filter device objects, FiDO) Одна группа таких объектов размещается между PDO и FDO (создается драйверами фильтров шин), вторая — между FDO и первой группой FiDO (создается низкоуровневыми драйверами фильтров), третья — над FDO (создается высокоуровневыми драйверами фильтров).

• Объект «функциональное устройство» (functional device object, FDO) Создается функциональным драйвером, который загружается диспетчером PnP для управления обнаруженным устройством. FDO представляет логический интерфейс устройства. Функциональный драйвер может выступать и в роли драйвера шины, если к устройству, представленному FDO, подключены другие устройства. Этот драйвер часто создает интерфейс к PDO, соответствующему данному FDO, что позволяет приложениям и другим драйверам открывать устройство и взаимодействовать с ним. Иногда функциональные драйверы подразделяются на драйвер класса, порт-драйвер и минипорт-драйвер, совместно управляющие вводом-выводом для FDO.

Узлы устройств полагаются на функциональность диспетчера ввода-вывода; поток IRP идет по узлу устройств сверху вниз. Решение об окончании обработки IRP может быть принято на любом уровне узла устройств. Например, функциональный драйвер может обработать запрос на чтение, не пересылая IRP драйверу шины. IRP проходит весь путь сверху вниз и далее к узлу устройств, содержащему драйвер шины, только если функциональному драйверу нужна помощь драйвера шины.

Загрузка драйверов для узла устройств.

До сих пор мы так и не ответили на два важных вопроса: как диспетчер PnP определяет, какой функциональный драйвер нужно загрузить для данного устройства и как драйверы фильтров регистрируют свое присутствие, чтобы их можно было загружать при создании узла устройств?

Ответ на оба вопроса надо искать в реестре. Перечисляя устройства, драйвер шины сообщает диспетчеру PnP идентификаторы обнаруженных устройств. Эти идентификаторы специфичны для конкретной шины. Например, для шины USB такой идентификатор состоит из идентификатора изготовителя (vendor ID, VID) и идентификатора продукта (product ID, PID), назначенного устройству изготовителем (подробнее о форматах идентификаторов устройств см. в DDK). B совокупности эти идентификаторы образуют то, что в терминологии спецификации Plug and Play называется идентификатором устройства (device ID). Диспетчер PnP также запрашивает у драйвера шины идентификатор экземпляра (instance ID), который позволяет различать отдельные экземпляры одного и того же устройства. Идентификатор экземпляра может определять устройство относительно шины (например, USB-порт) или представлять глобально уникальный дескриптор (скажем, серийный номер устройства). Идентификаторы устройства и экземпляра дают идентификатор экземпляра устройства (device instance ID, DIID), используемый диспетчером PnP для поиска раздела устройства в ветви реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Enum. Пример такого раздела для клавиатуры показан на рис. 9-28. B эти разделы помещаются данные, характеризующие устройство, и получаемые из INF-файла параметры Service и ClassGUID, с помощью которых диспетчер PnP находит драйверы, нужные для данного устройства.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр детальных сведений об узлах устройств в диспетчере устройств.

По умолчанию апплет Device Manager (Диспетчер устройств), доступный с вкладки Hardware (Оборудование) окна свойств системы, не показывает детальных сведений об узле устройств. Однако в Windows XP и Windows Server 2003 вы можете активизировать вкладку Details (Сведения), создав переменную окружения devmgr_show_details и присвоив ей значение 1. Ha этой вкладке отображается целый набор полей, в том числе идентификатор экземпляра устройства для узла, имя сервиса, фильтры и возможности в управлении электропитанием.

Самый простой способ запустить диспетчер устройств с вкладкой Details — открыть окно командной строки и ввести:

C: \›set devmgr_show_details=1 C: \›devmgmt.msc.

Ha следующем экранном снимке показано, как выглядит содержимое этой вкладки для одного из устройств.

Внутреннее устройство Windows.

Параметр ClassGUID позволяет диспетчеру PnP найти раздел класса устройства в HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Class. Раздел класса клавиатур показан на рис. 9-29. Раздел, созданный для устройства в процессе перечисления, и раздел класса предоставляют диспетчеру PnP всю информацию, на основе которой он загружает драйверы, необходимые для узла данного устройства. Загрузка драйверов происходит в следующем порядке.

1. Любые низкоуровневые драйверы фильтров, указанные в параметре LowerFilters раздела, созданного для устройства в процессе перечисления.

2. Любые низкоуровневые драйверы фильтров, указанные в параметре Lo-werFilters раздела класса данного устройства.

3. Функциональный драйвер, заданный в параметре Service раздела, созданного для устройства в процессе перечисления. Значение этого параметра интерпретируется как имя раздела драйвера в HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services.

4. Любые высокоуровневые драйверы фильтров, указанные в параметре UpperFilters раздела, созданного для устройства в процессе перечисления.

5. Любые высокоуровневые драйверы фильтров, указанные в параметре UpperFilters раздела класса данного устройства.

Ссылки на драйверы всегда содержат имена их разделов в HKLM\SYSTEM\ CurrentControlSet\Services.

Внутреннее устройство Windows.

ПРИМЕЧАНИЕ B DDK раздел, созданный для устройства в процессе перечисления, называется аппаратным (hardware key), а раздел класса — программным (software key).

Устройство «клавиатура», представленное на рис. 9-28 и 9-29, не имеет низкоуровневых драйверов фильтров. Его функциональный драйвер — i8042prt; в разделе класса клавиатур указано два высокоуровневых драйвера фильтров — kbdclass и ctrl2cap.

Установка драйвера.

Если диспетчер PnP встречает устройство, драйвер которого не установлен, он обращается к диспетчеру PnP пользовательского режима, и тот устанавливает нужный драйвер. Если устройство обнаруживается при загрузке системы, для него определяется узел устройств, но загрузка драйверов откладывается до запуска диспетчера PnP пользовательского режима (он реализован в \Windows\System32\Umpnpmgr.dll и выполняется как сервис в процессе Services.exe).

Компоненты, участвующие в установке драйвера, показаны на рис. 9-30. Серые блоки на этом рисунке соответствуют компонентам, обычно предоставляемым системой, а остальные блоки — компонентам, предоставляемым установочными файлами. Сначала драйвер шины информирует диспетчер PnP о перечисленном устройстве, сообщая его DIID (1). Диспетчер PnP проверяет, определен ли в реестре подходящий функциональный драйвер. Если нет, он уведомляет диспетчер PnP пользовательского режима (2) о новом устройстве, сообщая его DIID. Диспетчер PnP пользовательского режима пытается автоматически установить драйверы для устройства. Если в процессе установки выводятся диалоговые окна, требующие внимания пользователя, а зарегистрированный в данный момент пользователь имеет привилегии администратора (3), то диспетчер PnP пользовательского режима запускает Rundll32.exe (хост-программу апплетов Control Panel) для выполнения мастера установки оборудования (\Windows\System32\Newdev.dll). Если зарегистрированный в данный момент пользователь не имеет привилегий администратора (или в системе нет пользователей), а установка устройства требует взаимодействия с пользователем, диспетчер PnP пользовательского режима откладывает установку до того момента, когда в систему войдет привилегированный пользователь. Для поиска INF-файлов, соответствующих драйверам, совместимым с обнаруженным устройством, мастер установки оборудования использует API-функции Setup и CfgMgr (диспетчера конфигурации). При этом пользователю может быть предложено вставить в один из дисководов носитель с нужными INF-файлами; кроме того, просматриваются INF-файлы в \Windows\Driver Cache\i386\Driver.cab, где содержатся драйверы, поставляемые с Windows.

Внутреннее устройство Windows.

Чтобы найти драйверы для нового устройства, процесс установки получает от драйвера шины список идентификаторов оборудования (hardware ID) и идентификаторов совместимых устройств (compatible ID). Эти идентификаторы описывают все способы, предусмотренные в установочном файле драйвера (INF-файле) для идентификации устройства. Списки упорядочиваются так, чтобы наиболее специфические характеристики устройства описывались первыми. Если совпадения идентификаторов обнаруживаются в нескольких INF-файлах, предпочтение отдается наиболее полным совпадениям. Аналогичным образом предпочтение отдается INF-файлам с цифровой подписью, а среди них — более новым. Если найденный идентификатор соответствует идентификатору совместимого устройства, мастер установки оборудования может запросить носитель с обновленными драйверами для этого устройства.

INF-файл определяет местонахождение файлов функционального драйвера и содержит команды, которые вводят нужные данные в раздел перечисления и раздел класса драйвера. INF-файл может указать мастеру установки оборудования запустить DLL установщика класса или компонента, участвующего в установке устройства (4), — эти модули выполняют операции, специфичные для класса или устройства, например выводят диалоговые окна, позволяющие настраивать параметры устройства.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр INF-файла драйвера.

При установке драйвера или другого программного обеспечения, у которого есть INF-файл, система копирует этот файл в каталог \Win-dows\Inf. Один из файлов, которые всегда будут в этом каталоге, — Keyboard.inf, поскольку это INF-файл для драйвера класса клавиатур. Просмотрите его содержимое, открыв в Notepad. Вы должны увидеть нечто вроде:

; Copyright (с) 1993–1996, Microsoft Corporation.

[Version].

Signature="$Windows NT$" Class=Keyboard.

ClassGUID={4D36E96B-E325-11CE-BFC1-08002BE10318}.

Provider=XMSX.

LayoutFile=layout.inf.

DriverVer=07/01/2001, 5.1.2600.1106.

[ClassInstall32.NT] AddReg=keyboa rd_class_add reg.

Если вы проведете поиск в этом файле по «.sys», то обнаружите запись, указывающую диспетчеру PnP пользовательского режима установить драйверы i8042prt.sys и kbdclass.sys:

[STANDARD_CopyFiles].

I8042prt.sys kbdclass.sys.

Перед установкой драйвера диспетчер PnP пользовательского режима проверяет системную политику проверки цифровых подписей в драйверах. Эта политика хранится в разделе реестра HKLM\SOFTWARE\Microsoft\Driver Signing\Policy, если администратор выбрал общесистемную политику, или в HKCU\Software\Microsoft\Driver Signing\Policy, если в системе применяются политики только по отношению к индивидуальным пользователям. Политика проверки цифровых подписей в драйверах настраивается через диалоговое окно Driver Signing Options (Параметры подписывания драйвера), доступное с вкладки Hardware (Оборудование) окна свойств системы (рис. 9-31). Если указанные параметры заставляют систему блокировать установку неподписанных драйверов или предупреждать о таких попытках, диспетчер PnP пользовательского режима проверяет в INF-файле драйвера запись, указывающую на каталог (файл с расширением. cat), где содержится цифровая подпись драйвера.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 9-31. Параметры проверки цифровых подписей в драйверах.

Лаборатория Microsoft WHQL тестирует драйверы, поставляемые с Windows и предлагаемые изготовителями оборудования. Драйвер, прошедший тесты WHQL, «подписывается» Microsoft. Это означает, что создается хэш, или уникальное значение, представляющее файлы драйвера, в том числе его образ, а затем этот хэш подписывается с применением закрытого ключа Microsoft, предназначенного для подписания драйверов. Подписанный хэш помещается в САТ-файл и записывается на дистрибутив Windows или передается изготовителю, который включает его в свой драйвер.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр САТ-файлов.

При установке компонента, например драйвера, файлы которого включают САТ-файл, Windows копирует этот файл в подкаталог каталога \Windows\System32\Catroot. Перейдите в этот каталог с помощью Explorer и найдите подкаталог с САТ-файлами. B частности, в Nt5.cat и Nt5inf.cat хранятся подписи для системных файлов Windows.

Открыв один из САТ-файлов, вы увидите диалоговое окно с двумя вкладками: General (Общие), на которой показывается информация о подписи в данном файле, и Security Catalog (Каталог безопасности), где представлены хэши компонентов, подписанных с использованием этого САТ-файла. Ниже дан пример САТ-файла для видеодрайверов ATI, где приведено содержимое хэша для минипорт-драйверов видеоадаптера. Остальные хэши в этом файле относятся к вспомогательным DLL, поставляемым с данными драйверами.

Внутреннее устройство Windows.

При установке драйвера диспетчер PnP пользовательского режима извлекает из САТ-файла подпись драйвера, расшифровывает ее с применением открытого ключа Microsoft и сравнивает полученный в результате хэш с хэшем файла устанавливаемого драйвера. Если хэши совпадают, драйвер считается проверенным на соответствие требованиям WHQL. Если проверка заканчивается неудачно, диспетчер PnP пользовательского режима действует так, как это диктует действующая политика: запрещает установку, предупреждает пользователя о том, что драйвер не подписан, или автоматически устанавливает драйвер.

ПРИМЕЧАНИЕ Наличие подписей у драйверов, устанавливаемых программами установки, которые самостоятельно настраивают реестр и копируют файлы драйвера в систему, а также у драйверов, динамически загружаемых приложениями, не проверяется. Политика проверки подписей драйверов распространяется только на драйверы, устанавливаемые с помощью INF-файлов.

После установки драйвера диспетчер PnP режима ядра (этап 5 на рис. 9-30) запускает драйвер и вызывает его процедуру добавления устройства, чтобы уведомить драйвер о присутствии устройства, для управления которым он был загружен. Далее формируется узел устройства, как мы уже объясняли.

ПРИМЕЧАНИЕ B Windows XP и Windows Server 2003 диспетчер PnP пользовательского режима также проверяет, не включен ли устанавливаемый драйвер в защищенный список драйверов (protected driver list), поддерживаемых Windows Update, и, если включен, блокирует установку с выводом предупреждения для пользователя. B этот список вносятся драйверы, которые имеют известные ошибки или просто несовместимы, и их установка блокируется. Детали см. по ссылке www.micro- soft.com/whdc/winlogo/drvsign/drv_protect.mspx.

Диспетчер электропитания.

Как и PnP-функции Windows, управление электропитанием требует аппаратной поддержки. Она должна отвечать спецификации Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) (см. www.teleport.com/acpi/spechtm). Согласно этой спецификации BIOS (Basic Input Output System) тоже должна соответствовать стандарту ACPI. Этим требованиям удовлетворяет большинство x86-компьютеров, выпускавшихся с конца 1998 года.

ПРИМЕЧАНИЕ Некоторые компьютеры — особенно те, которые были изготовлены несколько лет назад, — не полностью совместимы со стандартом ACPI. Они соответствуют более старому стандарту Advanced Power Management (АРМ), определяющему меньшее количество функций управления электропитанием, чем ACPI. Windows поддерживает ограниченный набор функций управления электропитанием для АРМ-систем, но мы не будем вдаваться в детали этого стандарта и основное внимание уделим поведению Windows, установленной на ACPI-совместимых компьютерах.

Стандарт ACPI определяет различные уровни энергопотребления для системы и устройств. Шесть состояний для системы — от SO (полностью активное, или рабочее, состояние) до S5 (полное отключение) — перечислены в таблице 9–3. Каждое из них характеризуется следующими параметрами.

• Энергопотребление (power consumption) Количество энергии, потребляемой компьютером.

• Возобновление работы ПО (software resumption) Состояние программного обеспечения при переходе компьютера в «более активное» состояние.

• Аппаратная задержка (hardware latency) Время, необходимое на то, чтобы вернуть компьютер в полностью активное состояние.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

B состояния ожидания (S1 — S4) компьютер кажется отключенным, так как потребляет меньше энергии. Ho при этом он сохраняет и в памяти, и на диске всю информацию, необходимую для возврата в состояние S0. B состояниях S1-S3 для сохранения содержимого памяти нужно достаточное количество энергии, поскольку при переходе в S0 (при пробуждении компьютера пользователем или устройством) диспетчер электропитания возобновляет работу системы с той точки, где оно было прервано. Когда система переходит в состояние S4, диспетчер электропитания сохраняет содержимое памяти в сжатой форме в файле спящего режима (Hiberfil.sys), который помещается в корневой каталог системного тома. (Этот файл должен быть такого размера, чтобы в нем могло уместиться несжатое содержимое всей памяти; сжатие используется для того, чтобы свести к минимуму операции ввода-вывода на диске, а также ускорить переход в спящий режим и выход из него.) Сохранив содержимое памяти, диспетчер электропитания отключает компьютер. При последующем включении компьютера происходит обычный процесс загрузки — с тем исключением, что Ntldr проверяет наличие действительного образа памяти, сохраненного в файле спящего режима. Если в этом файле сохранены данные о состоянии системы, Ntldr считывает его содержимое в память и возобновляет выполнение с точки, зафиксированной в Hiberfil.sys.

Компьютер никогда не переходит напрямую между состояниями S1 и S4, для этого ему нужно сначала перейти в состояние S0. Как показано на рис. 9-32, переход системы из состояний S1-S5 в состояние S0, называется пробуждением (waking), а переход из состояния SO в состояния Sl-S5 — переходом в сон (sleeping).

Внутреннее устройство Windows.

Хотя система может пребывать в одном из шести состояний энергопотребления, ACPI определяет для устройств четыре состояния: D0-D3. B состоянии DO устройство полностью включено, а в состоянии D3 полностью отключено. ACPI позволяет драйверам и устройствам самостоятельно определять состояния Dl и D2 с единственным условием, что устройство в состоянии D1 должно потреблять столько же или меньше энергии, чем в состоянии D0, а в состоянии D2 — столько же или меньше, чем в состоянии D1. Microsoft совместно с крупными OEM-производителями определила набор спецификаций управления электропитанием (см. www.microsoft.com/whdc/resources/respec/ specs/pmref), в которых описываются состояния энергопотребления для всех устройств конкретного класса (основные классы устройств: видеоадаптеры, сеть, SCSI и т. д.). Некоторые устройства могут быть лишь включены или выключены, поэтому для них промежуточные состояния не определены.

Работа диспетчера электропитания.

Политика управления электропитанием в Windows определяется диспетчером электропитания и драйверами устройств. Владельцем системной политики управления электропитанием является диспетчер электропитания. Это значит, что он принимает решение о том, в каком состоянии энергопотребления должна находиться система в текущий момент. При необходимости выключения либо перехода в ждущий или спящий режим диспетчер электропитания указывает устройствам, поддерживающим управление электропитанием, перейти в соответствующее состояние. Этот диспетчер принимает решение о переходе в другое состояние энергопотребления, исходя из:

уровня активности системы;

уровня заряда аккумуляторов;

наличия запросов приложений на выключение компьютера или переход в ждущий/спящий режим;

действий пользователя, например нажатия кнопки включения электропитания;

параметров электропитания, заданных в Control Panel.

Часть информации, получаемой диспетчером PnP при перечислении устройств, связана с поддержкой устройствами функций управления электропитанием. Драйвер сообщает, поддерживает ли устройство состояния D1 и D2, а также какие задержки требуются ему для перехода из состояний D1-D3 в D0 (последняя часть данных необязательна). Чтобы диспетчеру было легче определять, когда систему следует переводить в другое состояние энергопотребления, драйверы шин также возвращают таблицу сопоставлений между системными состояниями (S0-S5) и состояниями, поддерживаемыми конкретным устройством. B этой таблице указывается состояние устройства с наименьшим энергопотреблением для каждого системного состояния. B таблице 9–4 показан пример таблицы сопоставлений для шины, поддерживающей все четыре возможных состояния устройств. Большинство драйверов полностью выключают свои устройства (D3) при выходе системы из состояния S0, чтобы свести к минимуму энергопотребление, пока машина не используется. Однако некоторые устройства вроде сетевых адаптеров поддерживают функцию вывода системы из состояний сна. O наличии подобной функции также сообщается при перечислении устройств.

Внутреннее устройство Windows.

Участие драйверов в управлении электропитанием.

Диспетчер электропитания, принимая решение о переходе системы в другое состояние, посылает команды процедуре драйвера, отвечающей за диспетчеризацию электропитания. Управлять устройством могут несколько драйверов, но только один из них является владельцем политики управления электропитанием устройства. Этот драйвер определяет состояние устройства в зависимости от состояния энергопотребления системы. Например, при переходе системы из состояния S0 в состояние S1 драйвер может принять решение о переводе устройства из состояния D0 в состояние D1. Вместо того чтобы напрямую оповещать об этом другие драйверы, участвующие в управлении устройством, владелец политики управления электропитанием устройства делает это через диспетчер электропитания, вызывая функцию PoRequestPowerIrp.

Диспетчер электропитания реагирует посылкой соответствующей команды процедурам драйверов, отвечающим за диспетчеризацию электропитания. Такое поведение позволяет диспетчеру контролировать число активных команд управления электропитанием в системе: включение некоторых устройств требует значительного количества электроэнергии, поэтому активизация сразу нескольких таких устройств недопустима.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр сопоставлений состояний электропитания в драйвере.

B Windows XP и Windows Server 2003 это можно сделать с помощью диспетчера устройств. Откройте окно свойств для какого-либо устройства и выберите запись Power State Mappings (Сопоставления энергосбережения) в раскрывающемся списке на вкладке Details (Сведения). (По умолчанию диспетчер устройств не показывает эту вкладку. Как ее включить, см. в эксперименте «просмотр детальных сведений об узлах устройств в диспетчере устройств» ранее в этой главе.).

Ha иллюстрации ниже показаны такие сопоставления для драйвера диска. Кроме состояний DO (полное включение) и D3 (полное отключение), он поддерживает промежуточное состояние D1, сопоставленное с S1.

Внутреннее устройство Windows.

Для многих команд управления электропитанием предусмотрены соответствующие команды-запросы. Так, при переходе системы в ждущий режим, диспетчер электропитания сначала опрашивает устройства о допустимости такого перехода. Устройство, занятое выполнением критичных по времени операций или взаимодействующее с другим аппаратным устройством, может отклонить запрос, и система останется в прежнем состоянии.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр возможностей и системной политики управления электропитанием.

Вы можете выяснить возможности своего компьютера в управлении электропитанием с помощью команды !pocaps отладчика ядра. Ниже приведен пример вывода этой команды для ACPI-совместимого портативного компьютера с Windows Professional.

Внутреннее устройство Windows.

Строка Misc Supported Features сообщает, что кроме SO данная система поддерживает состояния S1, S3, S4 и S5 (S2 не реализовано) и имеет действительный файл спящего режима, в который можно сохранить содержимое системной памяти при переходе в спящий режим (состояние S4).

Диалоговое окно Power Options Properties (Свойства: Электропитание), показанное на следующей иллюстрации (оно открывается через Control Panel), позволяет настроить различные аспекты системной политики управления электропитанием. Конкретные параметры, доступные для настройки, зависят от степени поддержки системой функций управления электропитанием.

ACPI-совместимый портативный компьютер с Windows Professional или Home предоставляет максимум возможностей в управлении электропитанием. B таких системах можно установить интервалы простоя, по истечении которых отключается монитор, останавливаются жесткие диски и осуществляется переход в ждущий (состояние Sl) и спящий режимы (состояние S4). Кроме того, вкладка Advanced (Дополнительно) в диалоговом окне Power Options Properties позволяет указать поведение системы при нажатии кнопок включения электропитания и перехода в спящий режим, а также при закрытии крышки ноутбука.

Внутреннее устройство Windows.

Параметры, установленные в окне Power Options Properties, прямо влияют на системную политику управления электропитанием, параметры которой можно просмотреть с помощью команды !popolicy отладчика ядра. Вот как выглядит информация, сообщаемая этой командой для той же системы:

Внутреннее устройство Windows.

Первые строки описывают, как будет реагировать система на нажатие кнопок включения электропитания и перехода в спящий режим. B данной системе нажатие кнопки включения электропитания интерпретируется как выключение электропитания, нажатие кнопки перехода в спящий режим переводит систему в ждущий режим, а закрытие крышки ноутбука вызывает переход в спящий режим.

Значения таймаутов, показанные в конце листинга, выражаются в секундах и выводятся в шестнадцатеричной форме. Эти значения соответствуют параметрам, настроенным в окне свойств электропитания (ноутбук при этом питается от сети).

Как драйвер управляет электропитанием устройства.

Драйвер не только отвечает на команды диспетчера электропитания, связанные с изменением состояния системы, но и может сам управлять состоянием энергопотребления своих устройств. B некоторых случаях драйвер может снизить энергопотребление управляемого им устройства, если оно неактивно в течение определенного времени. Драйвер может обнаруживать простаивающие устройства самостоятельно или через механизмы, предоставляемые диспетчером электропитания. Bo втором случае устройство регистрируется в диспетчере электропитания вызовом функции PoRegister-DeviceForIdleDetection. Эта функция сообщает диспетчеру электропитания пороговые интервалы простоя устройства и указывает, в какое состояние следует переводить устройство, если оно простаивает. Драйвер задает два таймаута: первый — для энергосберегающей конфигурации, второй — для максимально производительной. Вызвав PoRegisterDeviceForIdleDetection, драйвер должен уведомлять диспетчер электропитания об активности устройства через функцию PoSetDeviceBusy.

Резюме.

Подсистема ввода-вывода определяет модель обработки ввода-вывода в Windows и предоставляет функции, необходимые многим драйверам. Основная сфера ее ответственности — создание IRP, представляющих запросы ввода-вывода, передача этих пакетов через различные драйверы и возврат результатов вызывающему потоку по завершении ввода-вывода. Диспетчер ввода-вывода находит драйверы и устройства с помощью объектов подсистемы ввода-вывода, в том числе объектов «драйвер» и «устройство». Для большего быстродействия подсистема ввода-вывода Windows всегда работает асинхронно — даже при обработке синхронного ввода-вывода, запрошенного из пользовательского режима.

K драйверам устройств относятся не только традиционные драйверы, управляющие аппаратными устройствами, но и драйверы файловой системы, сетевые драйверы, а также многоуровневые драйверы фильтров. Все драйверы имеют общую структуру и используют одинаковые механизмы для взаимодействия как друг с другом, так и с диспетчером ввода-вывода. Интерфейсы подсистемы ввода-вывода позволяют писать драйверы на высокоуровневом языке, что ускоряет их разработку. Поскольку драйверы имеют общую структуру, они могут располагаться один над другим, а это обеспечивает модульность и уменьшает дублирование функций между драйверами. Все драйверы устройств, создаваемые для Windows, должны разрабатываться с учетом необходимости корректной работы в многопроцессорных системах.

Роль диспетчера PnP заключается в том, чтобы совместно с драйверами устройств динамически распознавать оборудование и формировать внутреннее дерево устройств, упрощающее перечисление устройств и установку драйверов. Диспетчер электропитания по возможности переводит устройства в состояния с пониженным энергопотреблением для экономии электроэнергии и продления срока службы аккумуляторов.

Следующие четыре главы мы посвятим смежной тематике: управлению устройствами внешней памяти, файловым системам (особое внимание будет уделено NTFS), диспетчеру кэша и поддержке сетей.

ГЛАВА 10. Управление внешней памятью.

Термин внешняя память (storage) относится к носителям, применяемым в самых разнообразных устройствах, в том числе к магнитным лентам, оптическим дискам, гибким дискам, локальным жестким дискам и сети устройств хранения данных (storage area networks, SAN). Windows предоставляет специализированную поддержку для каждого класса носителей внешней памяти. Поскольку основное внимание в этой книге уделяется компонентам ядра, мы рассмотрим лишь фундаментальные принципы работы той части подсистемы управления внешней памятью, которая имеет дело с жесткими дисками. Существенную часть поддержки сменных носителей и удаленных устройств внешней памяти Windows реализует в пользовательском режиме.

B этой главе мы исследуем, как драйверы устройств режима ядра взаимодействуют с драйверами файловой системы и дисками. Мы также рассмотрим разметку дисков на разделы, принципы абстрагирования и управления томами, применяемые диспетчером томов, а также реализацию средств управления дисками с несколькими разделами в Windows, включая репликацию и распределение данных файловой системы между физическими дисками для большей надежности и производительности. B заключение мы опишем, как драйверы файловой системы монтируют свои тома.

Базовая терминология.

Чтобы полностью усвоить материал этой главы, вы должны четко понимать базовую терминологию.

Диск — физическое устройство внешней памяти, например жесткий диск, 3,5-дюймовая дискета или компакт-диск (CD-ROM).

Диск делится на секторы, блоки фиксированного размера. Размер сектора определяется аппаратно. Например, размер сектора жесткого диска, как правило, составляет 512 байтов, а размер сектора CD-ROM — обычно 2048 байт.

Раздел (partition) — набор непрерывных секторов на диске. Адрес начального сектора раздела, размер и другие характеристики раздела хранятся в таблице разделов или иной базе данных управления диском, которая размещается на том же диске, что и данный раздел.

Простой том (simple volume) — объект, представляющий секторы одного раздела, которым драйверы файловых систем управляют как единым целым.

Составной том (multipartition volume) — объект, представляющий секторы нескольких разделов, которыми драйверы файловых систем управляют как единым целым. По таким параметрам, как производительность, надежность и гибкость в изменении размеров, составные тома превосходят простые.

Драйверы дисков.

Драйверы устройств, участвующие в управлении конкретным устройством внешней памяти (накопителем), обобщенно называются стеком драйверов внешней памяти (storage stack). Ha рис. 10-1 показаны все типы драйверов, которые могут присутствовать в стеке. B этой главе мы описываем поведение драйверов устройств, расположенных в стеке ниже уровня файловой системы. (O драйвере файловой системы см. главу 12.).

Внутреннее устройство Windows.

Ntldr.

Как вы уже видели в главе 4, первой частью процесса загрузки операционной системы Windows дирижирует Ntldr. Хотя с технической точки зрения Ntldr не является частью стека внешней памяти, он участвует в управлении ею, поскольку предоставляет поддержку для доступа к дисковым устройствам до того, как начнет работать подсистема ввода-вывода Windows. Он находится на системном томе и запускается кодом, размещенным в загрузочном секторе этого тома. Ntldr считывает с системного тома файл Boot.ini и предлагает пользователю выбрать вариант загрузки. Имена разделов в Boot.ini представлены в виде multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(l). Эти имена являются частью стандартной схемы именования разделов Advanced RISC Computing (ARC), используемой микрокодом Alpha и других RISC-процессоров. Ntldr транслирует имя выбранного пользователем элемента Boot.ini в имя загрузочного раздела и загружает в память системные файлы Windows (начиная с реестра, Ntoskrnl.exe и загрузочных драйверов). Bo всех случаях Ntldr использует BIOS для чтения диска, содержащего системный том, но, как описано в главе 4, иногда полагается на функции минипорт-драйвера диска для чтения с диска, где находится загрузочный том.

Драйвер класса дисков, порт- и минипорт-драйверы.

При инициализации диспетчер ввода-вывода запускает драйверы жестких дисков. Драйверы устройств внешней памяти в Windows соответствуют архитектуре «класс-порт-минипорт». Согласно этой архитектуре, Microsoft предоставляет драйвер класса внешней памяти, который реализует функциональность, общую для всех устройств внешней памяти, и порт-драйвер, который поддерживает функциональность, общую для конкретной шины, например SCSI (Small Computer System Interface) или IDE (Integrated Device Electronics). A изготовители оборудования поставляют минипорт-драйверы, подключаемые к порт-драйверам и формирующие интерфейс между Windows и конкретными устройствами.

B архитектуре драйверов дисковой памяти только драйверы класса имеют стандартные интерфейсы драйверов устройств Windows. Минипорт-драйверы вместо интерфейса драйверов устройств используют интерфейс порт-драйверов, который просто реализует набор процедур, служащих интерфейсом между Windows и минипорт-драйверами. Такой подход упрощает разработку минипорт-драйверов, поскольку Microsoft предоставляет порт-драйверы, специфичные для операционной системы, а также обеспечивает переносимость минипорт-драйверов на уровне двоичного кода между Windows 98, Windows Millennium Edition и Windows.

Windows включает драйвер класса дисков (\Windows\System32\Drivers\ Disk.sys), реализующий стандартную функциональность дисков. Windows также предоставляет разнообразные порт-драйверы дисков. Например, Scsi-port.sys — это порт-драйвер дисков, подключаемых к SCSI-шине, a Atapi.sys — порт-драйвер для систем на базе IDE. B Windows Server 2003 введен порт драйвер Storport.sys, заменяющий Scsiport.sys. Storport.sys был разработан для реализации функциональности высокопроизводительных аппаратных RAID-контроллеров и адаптеров Fibre ChanneI. Модель Storport аналогична Scsiport, что упрощает изготовителям задачу переноса существующих SCSI-минипортов под Storport. Минипорт-драйверы, создаваемые разработчиками для использования Storport, используют преимущества нескольких механизмов Storport, повышающих производительность, в частности поддержки параллельной инициации и завершения запросов на ввод-вывод в многопроцессорных системах, более управляемой архитектуры очереди запросов на ввод-вывод и выполнения большей части кода при более низком уровне IRQL, чтобы свести к минимуму длительность маскирования аппаратных прерываний.

Драйверы Scsiport.sys и Atapi.sys реализуют версию алгоритма планирования дисковых операций, известную под названием C–LOOK. Эти драйверы помещают запросы на дисковый ввод-вывод в списки с сортировкой по первому сектору, которому адресован запрос; этот сектор также называется номером логического блока (logical block number, LBN). C помощью функций KeInsertByKeyDeviceQueue и KeRemoveByKeyDeviceQueue (документированных в Windows DDK) они представляют запросы ввода-вывода как элементы (items) и используют начальный сектор запроса в качестве ключа, требуемого этими функциями. Обслуживая запросы, драйвер проходит по списку с самого младшего сектора до самого старшего. Достигнув конца списка, он возвращается в его начало, так как за это время в список могли быть вставлены новые запросы. Если адреса запросов распределены по всему диску, этот подход приводит к постоянному перемещению головок из начальной области диска к его концу. Storport.sys не реализует планирование дисковых операций, поскольку он в основном применяется для управления вводом-выводом, адресованным массивам накопителей, где нет четкого определения начала и конца диска.

C Windows поставляются некоторые минипорт-драйверы, включая Aha 154x.sys для SCSI-контроллеров семейства Adaptec 1540. B системах, где установлено минимум одно IDE-устройство на основе ATAPI, функциональность минипортов предоставляют драйверы Pciidex.sys и Pciide.sys. Один или несколько упомянутых драйверов присутствует в большинстве систем Windows.

Драйверы iSCSI.

ISCSI — это транспортный протокол для дисковых устройств, который интегрирует протокол SCSI с TCP/IP, благодаря чему компьютеры могут взаимодействовать с блочными накопителями, включая диски, по IP-сетям. Архитектура сети устройств хранения данных (storage area networking, SAN) обычно базируется на сети Fibre ChanneI, но администраторы могут использовать iSCSI для создания сравнительно недорогих SAN на основе таких сетевых технологий, как гигабитная Ethernet, что позволяет обеспечить масштабируемость, защиту от катастроф, эффективное резервное копирование и защиту данных. B Windows поддержка iSCSI реализуется в виде Microsoft iSCSI Software Initiator, который можно скачать с сайта Microsoft и который работает в Windows 2000, Windows XP и Windows Server 2003.

Microsoft iSCSI Software Initiator включает несколько компонентов.

• Initiator (инициатор) Этот необязательный компонент, состоящий из порт-драйвера iSCSI (\Windows\System32\Drivers\Iscsiprt.sys) и мини-порт-драйвера (\Windows\System32\Drivers\Msiscis.sys), использует драйвер TCP/IP для реализации программного iSCSI поверх стандартных Ethernet и TCP/IP при наличии сетевых адаптеров с аппаратным ускорением сетевых операций.

• Initiator Service (служба инициатора) Эта служба, реализованная в \Windows\System32\Iscsiexe.exe, управляет обнаружением и защитой всех инициаторов iSCSI, а также инициацией и завершением сеансов. Функциональность обнаружения устройств iSCSI реализована в \Windows\System32\Iscsium.dll и соответствует спецификации протокола Internet Storage Name Service (iSNS).

• Управляющие приложения K ним относятся IscsicIi.exe (утилита командной строки для управления соединениями iSCSI-устройств и их защитой) и соответствующий апплет для Control PaneI (Панель управления). Некоторые изготовители выпускают iSCSI-адаптеры с аппаратным ускорением операций по протоколу iSCSI. Служба инициатора работает с этими адаптерами, и они должны поддерживать iSNS, чтобы все iSCSI-устройства, в том числе обнаруженные как службой инициатора, так и iSCSI-оборудова-нием, можно было распознавать и контролировать через стандартные интерфейсы Windows.

МРIО-драйверы.

У большинства дисковых устройств только один путь (path) между ними и компьютером — набор адаптеров, кабелей и коммутаторов. B серверах, требующих высокого уровня готовности к работе, применяются решения с несколькими путями — между компьютером и диском существует более одного набора соединительного оборудования, чтобы при аварии одного пути система все равно могла бы обращаться к диску по альтернативному пути. Однако без поддержки со стороны операционной системы или драйверов диск с двумя путями будет виден как два разных диска. Windows включает поддержку ввода-вывода по нескольким путям (muItipath I/O, MPIO) для управления дисками с несколькими путями как одним диском; эта поддержка опирается на сторонние драйверы — модули, специфичные для конкретного устройства (device-specific modules, DSM). Эти модули берут на себя всю специфику управления путями, в том числе политику балансировки нагрузки, на основе которой выбирается путь передачи запросов ввода-вывода, и механизмы обнаружения ошибок, уведомляющие Windows об аварии того или иного пути. Поддержка MPIO доступна для Windows 2000 Server, Advanced Server, Datacenter Server и Windows Server 2003 в виде Microsoft MPIO.

Driver Development Kit, который лицензируется поставщиками аппаратного и программного обеспечения.

B стеке драйверов внешней памяти Windows MPIO (рис. 10-2) Multipath Disk Driver Replacement (\Windows\System32\Drivers\Mpdev.sys) заменяет функциональность стандартного драйвера класса Disk.sys. Mpdev.sys захватывает во владение объект «устройство», представляющий диски с несколькими путями, чтобы для таких дисков существовал лишь один объект «устройство». Кроме того, этот драйвер отвечает за поиск подходящего DSM для управления путями к устройству. Multipath Bus Driver (\Windows\System32\Drivers\Mpio.sys) управляет соединениями между компьютером и устройством, в том числе обеспечивая управление электропитанием данного устройства. Mpdev.sys уведомляет Mpio.sys о наличии устройств, которые тот должен контролировать. Наконец, Multipath Port Filter (\Windows\System32 \Drivers\Mpsfltr.sys) размещается поверх порт-драйвера для диска с несколькими путями и управляет информацией, передаваемой вверх по стеку устройств.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдение за вводом-выводом на физическом диске.

C помощью механизма Event Tracing for Windows (см. главу 3) драйвера класса дисков утилита Diskmon от Sysinternals ведет мониторинг активности ввода-вывода на физических дисках и отображает ее в своем окне. Содержимое этого окна обновляется раз в секунду. Для каждой операции Diskmon показывает время, длительность, номер целевого диска, тип и смещение, а также длину.

Внутреннее устройство Windows.

Объекты «устройство» для дисков.

Драйвер класса дисков создает объекты «устройство», представляющие диски и дисковые разделы. Имена таких объектов имеют вид \Device\HarddiskA\DRX, где X — номер диска. Для идентификации разделов и создания объектов «устройство», представляющих эти разделы, драйвер класса дисков в Windows 2000 использует функцию IoReadPartitionTable диспетчера ввода-вывода, а в Windows XP и Windows Server 2003 — функцию IoReadParitition-TableEx. Драйвер класса дисков вызывает одну из этих функций для каждого диска, представленного минипорт-драйвером драйверу класса на ранних стадиях загрузки системы. A функция инициирует дисковый ввод-вывод на уровне секторов, поддерживаемый драйвером класса, порт- и минипорт-драйверами, для считывания MBR- или GPT-таблицы разделов (об этом мы расскажем позже) и для формирования внутреннего представления жестких разделов диска. Драйвер класса дисков создает объекты «устройство», представляющие все главные разделы (в том числе логические диски внутри дополнительных разделов), которые этот драйвер получает IoReadPartitionTable или IoReadParititionTableEx. Вот пример имени объекта раздела:

\Device\Harddisk0\DP(1)0x7e000-0x7ff50c00+2.

Это имя идентифицирует первый раздел первого диска системы. Два первых шестнадцатеричных числа (0x7e000 и 0x7ff50c00) определяют начало и длину раздела, а последнее число — внутренний идентификатор, назначенный драйвером класса.

Для совместимости с приложениями, использующими правила именования, принятые в Windows NT 4, драйвер класса дисков формирует для имен в формате Windows NT 4 символьные ссылки на объекты «устройство», созданные драйвером. Например, драйвер класса создает ссылки \Device\Harddisk0\PartitionO на \Device\Harddisk0\DRO и \Device\Harddisk0\Partitionl на объект «устройство» первого раздела первого диска. B Windows драйвер класса создает такие же символьные ссылки, представляющие физические диски, созданные в системах под управлением Windows NT 4. Так, ссылка \??\PhysicalDrive0 указывает на \Device\Harddisk0\DRO. Ha рис. 10-3 показана утилита Winobj (от Sysinternals), которая отображает содержимое каталога Harddisk базового диска.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 10-3. Окно Winobj, показывающее содержимое каталога Harddisk базового диска.

Как вы уже видели в главе 3, Windows API ничего не знает о пространстве имен диспетчера объектов. Windows резервирует два подкаталога пространства имен, один из которых — подкаталог \Global?? (\?? в Windows 2000). (Другой подкаталог, \BaseNamedObjects, был рассмотрен в главе 3.) B этом подкаталоге объекты «устройство», включая диски, последовательные и параллельные порты, становятся доступными Windows-приложениям. Так как на самом деле объекты дисков находятся в других подкаталогах, для связывания имен в \GIobaI?? с объектами, расположенными в других каталогах пространства имен, Windows использует символьные ссылки. Диспетчер ввода-вывода создает ссылку \Global??\PhysicalDriveX для каждого физического диска системы; такая ссылка указывает на \Device\HarddiskX\Partition0 (где X — числа, начиная с 0). Windows-приложения, напрямую обращающиеся к секторам диска, открывают диск вызовом Windows-функции CreateFile и указывают в качестве параметра имя \\.\PhysicalDriveX (где X — номер диска). Прежде чем передать имя диспетчеру объектов, прикладной уровень Windows преобразует его в \Global??\PhysicalDriveX.

Диспетчер разделов.

Диспетчер разделов (partition manager), \Windows\System32\Drivers\Partmgr.sys, отвечает за уведомление диспетчера Plug and Play (PnP) о наличии разделов; благодаря этому драйверы диспетчера томов (о них чуть позже) могут получать уведомления о создании и удалении разделов.

Для получения информации о разделах диспетчер разделов действует как функциональный драйвер применительно к объектам дисковых устройств, создаваемых драйвером класса дисков. При загрузке системы он считывает таблицы разделов подключенных дисков (в Windows 2000 через функцию ядра IoReadPartitionTable, а в Windows XP и Windows Server 2003 через такую же функцию IoReadPartitionTableEx) и сообщает об имеющихся разделах диспетчеру PnP Драйверы устройств диспетчера томов получают уведомление о разделах управляемых ими дисков и на основании сведений обо всех разделах, из которых состоят тома, определяют объекты «том». Диспетчер разделов отслеживает пакеты запросов на ввод-вывод (I/O request packets, IRP), относящиеся к модификации таблицы разделов, и поэтому может обновлять внутреннюю карту разделов, а затем уведомлять диспетчер PnP о создании и удалении любых разделов.

Управление томами.

B Windows введена концепция базовых (basic) и динамических (dynamic) дисков. Диски с разбиением на разделы исключительно по схеме MBR или GPT в Windows называются базовыми. Поддержка динамических дисков впервые появилась в Windows 2000; они реализуют более гибкую схему разбиения на разделы, чем базовые. Фундаментальное различие между базовыми и динамическими дисками в том, что последние поддерживают создание составных томов (более производительных и надежных, чем простые тома). По умолчанию Windows управляет всеми дисками как базовыми — динамические диски надо создавать вручную или преобразованием из существующих базовых (если на них достаточно свободного места). Ho если вам не нужна функциональность составных томов, Microsoft рекомендует использовать именно базовые диски.

ПРИМЕЧАНИЕ Составные тома поддерживаются и на базовых дисках, но только если эти тома переносятся из Windows NT 4 (исключение составляет Windows Server 2003, которая в принципе не поддерживает составные тома на базовых дисках.) Ha портативных компьютерах — в силу ряда причин, в том числе из-за наличия только одного жесткого диска, который не предназначен для переноса между компьютерами, — Windows использует исключительно базовые диски. Кроме того, динамическими могут быть лишь фиксированные диски. Диски, подключенные к шинам IEEE 1394 или USB, а также диски, совместно используемые серверным кластером, всегда являются базовыми.

Эволюция управления внешней памятью.

Эволюция управления внешней памятью началась с MS-DOS, первой операционной системы Microsoft. Когда емкость жестких дисков увеличилась, в MS-DOS нужно было ввести соответствующую поддержку. Поэтому первым шагом Microsoft стала организация в MS-DOS поддержки нескольких разделов, или логических дисков, на одном физическом диске. MS-DOS позволяла форматировать разделы с использованием различных файловых систем (FAT12 или FATl6) и назначать каждому разделу свою букву диска. Количество и размер разделов, которые можно было создавать в MS-DOS версий 3 и 4, были жестко ограничены, но уже в MS-DOS 5 схема разбиения на разделы стала вполне зрелой. MS-DOS 5 умела разбивать диски на любое число разделов произвольного размера.

Windows NT унаследовала схему разбиения жестких дисков на разделы, созданную для MS-DOS. Сделано это было из двух соображений: для совместимости с MS-DOS и Windows 3x, а также для того, чтобы команда разработчиков Windows NT могла опереться на проверенные средства управления дисками. Базовые концепции MS-DOS, относящиеся к разбиению дисков на разделы, в Windows NT были расширены для поддержки функций управления внешней памятью, необходимых операционной системе корпоративного класса, в частности для поддержки перекрытия дисков (disk spanning) и большей отказоустойчивости. B первой версии Windows NT, Windows NT 3.1, системные администраторы могли создавать тома, состоящие из нескольких разделов, что позволяло формировать тома большого размера из разделов нескольких физических дисков, а также повышать отказоустойчивость дисковой подсистемы за счет избыточности данных, организуемой программными средствами.

Хотя поддержка разбиения дисков на разделы по схеме MS-DOS в версиях Windows NT, предшествовавших Windows 2000, была достаточно гибкой для многих задач управления внешней памятью, у нее все же был ряд недостатков. Один из них в том, что активизация большинства изменений в конфигурации дисков требует перезагрузки системы. Ho современные серверы должны непрерывно работать в течение месяцев и даже лет, поэтому любая перезагрузка, даже плановая, крайне нежелательна. Другой недостаток связан с тем, что в Windows NT 4 информация о конфигурации томов, состоящих из нескольких разделов и созданных на основе MS-DOS-разделов, хранится в реестре. Это крайне затрудняет перенос конфигурационной информации при перемещении дисков между системами, а при переустановке операционной системы возможна и потеря этой информации. Наконец, требование назначать каждому тому уникальные буквы дисков из диапазона A-Z уже давно досаждало пользователям операционных систем Microsoft, ограничивая возможное количество локальных и подключенных сетевых томов.

Windows поддерживает три типа разбиения на разделы, которые позволяют преодолевать упомянутые ограничения: MBR (Master Boot Record), GPT (GUID Partition Table) и LDM (Logical Disk Manager).

Базовые диски.

B этом разделе описываются два типа разбиения на разделы — MBR и GPT, используемые Windows для определения томов на базовых дисках, — а также драйвер диспетчера томов (FtDisk), представляющий тома драйверам файловых систем. Если диспетчер дисков в Windows 2000 рекомендовал вам делать любой неразмеченный диск динамическим, то Windows XP и Windows Server 2003 автоматически определяют все диски как базовые.

Разбиение на разделы по схеме MBR.

Одно из требований к формату разбиения на разделы в Windows диктуется стандартными реализациями BIOS в системах: первый сектор основного диска должен содержать главную загрузочную запись (Master Boot Record, MBR). При запуске компьютера на базе x86-nроцессора BIOS считывает MBR и интерпретирует ее часть как исполняемый код. Выполнив предварительное конфигурирование оборудования, BIOS передает управление исполняемому коду в MBR для инициации процесса загрузки операционной системы.

B операционных системах Microsoft, включая Windows, MBR также содержит таблицу разделов. Таблица разделов состоит из четырех элементов, определяющих местонахождение на диске четырех главных разделов. B этой таблице указываются и типы разделов (которые определяют, какую файловую систему включает тот или иной раздел). Существует множество предопределенных типов разделов, например для FAT32 и NTFS. Раздел особого типа, дополнительный (extended partition), содержит еще одну MBR с собственной таблицей разделов. Эквивалент главного раздела в дополнительном называется логическим диском. Применение дополнительных разделов позволяет операционным системам Microsoft создавать любое количество разделов на диске (а не четыре на один диск).

Отличие главного раздела от логических дисков становится очевидным при загрузке Windows. Один из главных разделов основного жесткого диска должен быть помечен системой как активный. Код Windows, записываемый в MBR, загружает в память код первого сектора активного раздела (системного тома) и передает ему управление. Первый сектор такого раздела называется загрузочным. Кроме того, как уже говорилось в главе 4, у каждого раздела, отформатированного с использованием определенной файловой системы, имеется свой загрузочный сектор, который хранит информацию о структуре файловой системы данного раздела.

Разбиение на разделы по схеме GPT.

B рамках инициативы, направленной на создание стандартизированной и расширяемой платформы микрокода, которую операционные системы могли бы использовать в процессе своей загрузки, корпорация Intel разработала спецификацию EFI (Extensible Firmware Interface). EFI включает среду операционной мини-системы, реализуемую в виде микрокода, который, как правило, зашивается в ПЗУ. Эта среда используется операционной системой на ранних этапах для загрузки системных диагностических процедур и загрузочного кода. Первый процессор, поддерживающий EFI, — Intel IA64, поэтому версии Windows для IA64 используют EFI, но при желании позволяют выбрать и схему MBR. Детальное описание EFI см. по ссылке http://developer. intel.com/technology/efi.

EFI определяет схему разбиения на разделы — таблицу разделов GUID (GUID Partition Table, GPT), которая должна устранить некоторые недостатки схемы разбиения MBR. Например, адреса секторов, используемых структурами разделов GPT, вместо 32-разрядных стали 64-разрядными. 32-разрядные адреса обеспечивают доступ к 2 Тб памяти, но GPT разработана с прицелом на обозримое будущее. Среди прочих преимуществ GPT стоит отметить применение контрольных сумм CRC (cyclic redundancy checksums) для поддержания целостности таблицы разделов, а также резервное копирование таблицы разделов. GPT получила такое название из-за того, что кроме 36-байтового Unicode-имени она назначает каждому разделу свой GUID.

Ha рис. 10-4 показан пример структуры раздела GPT Как и в MBR-схеме, первый сектор GPT-диска содержит главную загрузочную запись, которая защищает этот диск от доступа операционных систем, не поддерживающих GPT Ho во втором и последнем секторах диска хранятся заголовки таблицы разделов GPT, а сама таблица размещается сразу за вторым сектором и перед последним сектором. Поддержка расширяемого списка разделов исключает необходимость во вложенных разделах, используемых в схеме MBR.

Внутреннее устройство Windows.

ПРИМЕЧАНИЕ Windows не поддерживает создание составных томов на базовых дисках, и новый раздел базового диска эквивалентен тому. Именно поэтому в оснастке Disk Management (Управление дисками) консоли MMC для обозначения тома, созданного на базовом диске, используется термин «раздел» (partition).

Диспетчер томов на базовых дисках.

Драйвер FtDisk (\Windows\System32\Drivers\Ftdisk.sys) создает объекты «устройство» дисков для представления томов на базовых дисках и играет основную роль в управлении всеми томами на базовых дисках, включая простые тома. Для каждого тома FtDisk создает объект «устройство» вида \Device \Hard-diskVolumeX, гдеХ- число, которое идентифицирует том и начинается с 1.

Ha самом деле FtDisk является драйвером шины, поскольку отвечает за перечисление базовых дисков для обнаружения базовых томов и за оповещение о них диспетчера PnP. Определяя существующие разделы на базовых дисках, FtDisk использует диспетчер PnP и драйвер диспетчера разделов (Partmgr.sys). Диспетчер разделов регистрируется у диспетчера PnP, поэтому Windows может уведомить диспетчер разделов о том, что драйвер класса диска создал объект «устройство» раздела. Диспетчер разделов информирует FtDisk о новых объектах раздела через закрытый интерфейс и создает объекты «устройство» фильтра (filter device objects), которые потом подключает к объектам «устройство» разделов. При наличии объектов «устройство» фильтра Windows посылает диспетчеру разделов уведомление всякий раз, когда удаляется объект «устройство» раздела, что позволяет диспетчеру разделов обновлять информацию FtDisk. Драйвер класса дисков удаляет объект раздела при удалении раздела с помощью оснастки Disk Management консоли MMC Получив сведения о наличии разделов, FtDisk на основе информации о конфигурации базовых дисков определяет соответствие между разделами и томами, а затем создает объекты «устройство» томов.

Далее Windows создает в каталоге \Global?? (\?? в Windows 2000) диспетчера объектов символьные ссылки, указывающие на объекты томов, созданные FtDisk. Когда система или приложение впервые обращается к тому, Windows монтирует этот том, что позволяет драйверам файловых систем распознать и захватить во владение тома, отформатированные для поддерживаемых ими файловых систем (о монтировании см. раздел «Монтирование томов» далее в этой главе).

Динамические диски.

Мы уже упоминали, что динамические диски в Windows нужны для создания составных томов. За поддержку динамических дисков отвечает подсистема диспетчера логических дисков (Logical Disk Manager, LDM), состоящая из компонентов пользовательского режима и драйверов устройств. Microsoft лицензирует LDM у компании VERITAS Software, которая изначально разработала технологию LDM для UNIX-систем. Тесно сотрудничая с Microsoft, VERITAS перенесла LDM в Windows, благодаря чему эта операционная система получила более отказоустойчивую схему разбиения на разделы и средства поддержки составных томов. Главное отличие схемы разбиения на разделы LDM в том, что LDM поддерживает одну унифицированную базу данных, где хранится информация о разделах на всех динамических дисках системы, в том числе сведения о конфигурации составных томов.

ПРИМЕЧАНИЕ UNIX-версия LDM поддерживает и дисковые группы (disk groups): все динамические диски, включаемые системой в группу, используют общую базу данных. Однако коммерческое программное обеспечение VERITAS для управления логическими дисками в Windows поддерживает создание только одной дисковой группы.

База данных LDM.

База данных LDM размещается в зарезервированном пространстве (размером 1 Мб) в конце каждого динамического диска. Именно поэтому Windows требует свободное место в конце базового диска при его преобразовании в динамический. База данных LDM состоит из четырех областей, показанных на рис. 10-5: сектора заголовка, называемого в LDM «Private Header», таблицы оглавления, записей базы данных и журнала транзакций (пятый раздел на рис. 10-5 — просто зеркальная копия Private Header). Сектор Private Header размещается за 1 Мб до конца динамического диска и является границей базы данных. Работая с Windows, вы быстро заметите, что для идентификации практически всех объектов в ней используются GUID, и диски не составляют исключения. GUID — это 128-битное число, применяемое различными компонентами Windows для уникальной идентификации объектов. LDM назначает GUID каждому динамическому диску, а сектор Private Header регистрирует GUID динамического диска, на котором он находится, поэтому данные в Private Header относятся исключительно к конкретному диску. Private Header также хранит указатель на начало таблицы оглавления базы данных и имя дисковой группы, которое формируется конкатенацией имени компьютера и строки Dg0 (если имя компьютера — Daryl, то имя дисковой группы — DarylDg0). (Как уже говорилось, LDM в Windows поддерживает только одну дисковую группу, поэтому ее имя всегда оканчивается на DgO.) Для большей надежности LDM поддерживает копию Private Header в последнем секторе диска.

Таблица оглавления занимает 16 секторов и содержит информацию о структуре базы данных. Область записей базы данных LDM начинается с сектора заголовка записей базы данных сразу за таблицей оглавления. B этом секторе хранится информация об области записей базы данных, включая число присутствующих в ней записей, имя и GUID дисковой группы, к которой относится база данных, и идентификатор последовательности, используемый LDM для создания следующего элемента в базе данных. Секторы, следующие за сектором заголовка записей, содержат записи фиксированного размера (по 128 байтов) с описанием разделов и томов дисковой группы.

Внутреннее устройство Windows.

Элементы базы данных могут быть четырех типов: раздел (partition), диск (disk), компонент (component) и том (volume). Типы элементов определяют три уровня описания томов. LDM связывает элементы с помощью внутренних идентификаторов объектов. Ha самом нижнем уровне элементы разделов (partition entries) описывают нежесткие разделы, которые являются непрерывными областями на диске; идентификаторы, хранящиеся в элементе раздела, связывают его с элементами компонентов и дисков. Элемент диска (disk entry) представляет динамический диск в составе группы и включает его GUID. Элемент компонента (component entry) служит связующим звеном между одним или несколькими элементами разделов и элементом тома, с которым сопоставлен каждый раздел. Элемент тома хранит GUID этого тома, его суммарный размер, информацию о состоянии и букву диска. Элементы дисков, размер которых превышает размер одной записи, занимают несколько записей; элементы разделов, компонентов и томов редко занимают больше одной записи.

Простой том в LDM описывается тремя элементами: раздела, компонента и тома. Ниже показано содержимое простой базы данных LDM, которая определяет один том размером 200 Мб, состоящий из одного раздела.

Внутреннее устройство Windows.

Элемент раздела описывает область на диске, отведенную тому, элемент компонента связывает элемент раздела с элементом тома, а элемент тома содержит GIUD, используемый Windows на внутреннем уровне для идентификации тома. Для составных томов требуется более трех элементов. Например, чередующийся том (о них — позже) состоит минимум из двух элементов разделов, элемента компонента и элемента тома. Единственный том, который включает более одного элемента компонента, — зеркальный. Зеркальные тома включают два элемента компонентов, каждый из которых представляет половину зеркального тома. Когда вы разбиваете зеркальный том на разделы, LDM может разделить его на уровне компонентов, создав два тома, в каждом из которых будет по одному элементу компонента.

Последняя область базы данных LDM отведена под журнал транзакций. Она состоит из нескольких секторов, предназначенных для хранения резервной копии информации базы данных в процессе ее изменения. Такая схема гарантирует целостность базы данных даже в случае краха системы или сбоя электропитания, поскольку LDM может восстановить согласованное состояние базы данных на основе журнала транзакций.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр базы данных LDM с помощью LDMDump.

Утилита LDMDump (от Sysinternals) позволяет получить детальную информацию о содержимом базы данных LDM. Она принимает номер диска в качестве аргумента командной строки. Выводимая ею информация занимает несколько экранов, поэтому ее следует перенаправить в файл для последующего просмотра в текстовом редакторе (например: ldmdump /d0 › disk.txt). Ниже даны фрагменты выходной информации LDMDump. Первым показывается заголовок базы данных LDM, затем записи этой базы данных, которые описывают 4-гигабайтный диск с простым томом размером в 4 Гб. Элемент тома базы данных обозначен KaKVolumel. B конце вывода LDMDump перечисляет нежесткие разделы (soft partitions) и определения томов, найденные в базе данных.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Схемы разбиения на разделы LDM и GPT или MBR.

Одно из первых действий при установке Windows на компьютер — создание раздела на основном физическом диске системы. B этом разделе Windows определяет системный том для хранения файлов, нужных на ранних этапах процесса загрузки. Кроме того, Windows Setup требует создать раздел для загрузочного тома, в который она запишет системные файлы Windows и где будет создан системный каталог (\Windows). Системный том можно сделать и загрузочным — тогда вам не понадобится создавать новый раздел для загрузочного тома. Терминология, используемая Microsoft для системного и загрузочного томов, может сбить с толку. Системным считается том, на который Windows помещает загрузочные файлы, включая загрузчик (Ntldr) и Ntdetect, а загрузочным — том, на котором Windows хранит основные системные файлы вроде Ntoskrnl.exe.

Хотя данные о разбиении динамического диска на разделы находятся в базе данных, LDM реализует и таблицу разделов в стиле MBR или GPT, чтобы загрузочный код Windows мог найти системный и загрузочный тома на динамических дисках. (Например, Ntldr и микрокод IA64 ничего не знают о LDM-разделах.) Если диск содержит системный и/или загрузочный тома, они описываются в таблице разделов в стиле MBR или GPT. B ином случае один раздел охватывает всю доступную для использования область диска. LDM помечает его как раздел типа «LDM»; поддержка разделов этого типа впервые появилась в Windows 2000. B пространстве, определенном в стиле MBR или GPT, LDM создает разделы, организуемые базой данных LDM.

Еще одна причина, по которой LDM создает таблицу разделов в стиле MBR или GPT, — чтобы унаследованные утилиты обслуживания дисков, включая работающие в средах с двухвариантной загрузкой, не решили, будто на динамическом диске не определены разделы.

Поскольку LDM-разделы не описываются таблицей разделов в стиле MBR или GPT, они называются нежесткими (soft partitions), а разделы в стиле MBR или GPT — жесткими (hard partitions). Рис. 10-6 иллюстрирует структуру динамического диска, размеченного в стиле MBR.

Внутреннее устройство Windows.

Диспетчер томов на динамических дисках.

DLL оснастки Disk Management (DMDiskManager в Windows\System32\Dmdskmgr.dll), показанной на рис. 10-7, использует DMAdmin, службу LDM Disk Administrator (Windows\System32\Dmadmin.exe) для создания базы данных LDM и изменения ее содержимого. Когда вы запускаете оснастку Disk Management, в память загружается DMDiskManager, который запускает DMAdmin, если она еще не выполняется. DMAdmin считывает с каждого диска базу данных LDM и возвращает полученную информацию DMDiskManager. Если DMAdmin обнаруживает базу данных из дисковой группы другого компьютера, то отмечает, что эти тома находятся на удаленном диске, и позволяет импортировать их в базу данных текущего компьютера, если вы хотите их использовать. При изменении конфигурации динамических дисков DMDiskManager информирует DMAdmin о внесенных изменениях, и DMAdmin обновляет свою копию базы данных в памяти. Зафиксировав изменения, DMAdmin передает обновленную базу данных DMIO, драйверу устройства Dmio.sys. DMIO — эквивалент FtDisk для динамических дисков, так что он управляет доступом к базе данных на диске и создает объекты «устройство», представляющие тома на динамических дисках. Когда вы закрываете оснастку Disk Management, DMDiskManager останавливает и выгружает службу DMAdmin.

Внутреннее устройство Windows.

DMIO не знает, как интерпретировать базу данных, которой он управляет. За интерпретацию базы данных отвечают DMConfig (Windows\System32\ Dmconfig.dll), загружаемый DMAdmin, и DMBoot (Dmboot.sys), еще один драйвер устройства. DMConfig известно, как считывать и обновлять базу данных, a DMBoot — только как ее считывать. DMBoot загружается при загрузке системы, если другой драйвер LDM, DMLoad (Dmload.sys), обнаруживает в системе минимум один динамический диск. DMLoad определяет наличие динамических дисков, запрашивая DMIO. Если в системе есть хотя бы один динамический диск, DMLoad запускает DMBoot, который сканирует базу данных LDM. DMBoot информирует DMIO о составе каждого найденного им тома, что позволяет DMIO создать объекты «устройство» для представления томов. Закончив сканирование, DMBoot тут же выгружается из памяти. Поскольку в DMIO не заложена логика для интерпретации базы данных, его размер относительно невелик. Это несомненное преимущество, так как DMIO постоянно находится в памяти.

Как и FtDisk, DMIO является драйвером шины и создает объект «устройство» для каждого тома динамического диска, присваивая ему имя в виде \Device\HarddiskDmVolumes\PhysicalDmVolumes\BlockVolumeX, где Х- идентификатор тома, назначаемый DMIO. Кроме того, DMIO создает объект «устройство» с именем \Device\HarddiskDmVolumes\PhysicalDmVolumes\Raw-VolumeX, который представляет необработанный (неструктурированный) ввод-вывод на томе. Объекты «устройство», созданные DMIO в системе с тремя томами на динамических дисках, показаны на рис. 10-8. DMIO также создает в пространстве имен диспетчера объектов символьные ссылки на все тома, в том числе по одной ссылке для каждого тома в виде \Device\HarddiskDmVolumes\ComputerNameDg0\VolumeY. DMIO заменяет ComputerName именем компьютера, a Y — идентификатором тома (который отличается от внутреннего идентификатора, назначаемого драйвером DMIO объектам «устройство»). Эти ссылки указывают на объекты блочных устройств в каталоге PhysicalDmVolumes.

Внутреннее устройство Windows.

ПРИМЕЧАНИЕ B Windows 2000 имеется еще один драйвер — DiskPerf (\Windows\System32\Drivers\Diskperf.sys); он подключается к объектам «устройство», представляющим физические устройства (например, к \Device\Harddisk0\Partition0), что позволяет ему отслеживать запросы ввода-вывода, адресованные дискам, и генерировать статистические данные для соответствующих счетчиков оснастки Performance. B Windows XP и Windows Server 2003 функциональность DiskPerf реализована в драйвере диспетчера разделов, так как он уже фильтрует объекты дисковых устройств для поддержки своих основных функций, о которых мы рассказывали ранее.

Управление составными томами.

FtDisk и DMIO отвечают за представление томов, управляемых драйверами файловой системы, и за перенаправление ввода-вывода, адресованного томам, в нижележащие разделы, составляющие тома. B случае простых томов диспетчер томов преобразует смещение в томе в смещение на диске, суммируя смещение в томе со смещением тома от начала диска.

Составные тома более сложны, поскольку составляющие их разделы могут быть несмежными и даже находиться на разных дисках. Некоторые типы составных томов используют избыточность данных и требуют еще более сложной трансляции. Таким образом, FtDisk и DMIO должны обрабатывать все запросы ввода-вывода, адресованные составным томам, и определять, на какие разделы следует направлять тот или иной запрос.

B Windows поддерживаются следующие типы составных томов:

перекрытые (spanned volumes);

зеркальные (mirrored volumes);

чередующиеся (striped volumes);

• RAID-5.

Рассмотрев конфигурацию разделов составных томов и логические операции для каждого типа составных томов, мы обсудим, как драйверы FtDisk и DMIO обрабатывают IRP, посылаемые драйвером файловой системы составному тому Термин «диспетчер томов» при объяснении составных томов используется для обозначения DMIO, поскольку, как уже говорилось в этой главе, FtDisk поддерживает лишь те составные тома, которые были перенесены из NT 4.

Перекрытые тома.

Перекрытый том — единый логический том, состоящий из нескольких (до 32) свободных разделов на одном или нескольких дисках. Оснастка Disk Management (Управление дисками) консоли MMC объединяет разделы в перекрытый том, который затем можно отформатировать для любой файловой системы, поддерживаемой Windows. Ha рис. 10-9 показан 100-мегабайтный перекрытый том с именем D:, созданный из последней трети первого диска и первой трети второго диска. B Windows NT 4 перекрытые тома назывались наборами томов (volume sets).

Внутреннее устройство Windows.

Перекрытый том удобен для объединения небольших областей свободного дискового пространства в единый том большего объема или для создания из нескольких малых дисков одного большого тома. Если перекрытый том отформатирован для NTFS, его можно расширять, добавляя другие свободные области или диски, и это не влияет на данные, уже хранящиеся на томе. Расширяемость — одно из самых крупных преимуществ описания всех данных на томе NTFS как единого файла. Размер логического тома NTFS может динамически увеличиваться, поскольку битовая карта, регистрирующая состояние тома, — не более чем еще один файл, файл битовой карты. Этот файл может быть расширен для учета пространства, добавляемого в том. C другой стороны, динамическое расширение тома FAT потребовало бы расширения самой FAT, что привело бы к смещению всех данных на диске.

Диспетчер томов скрывает физическую конфигурацию дисков от файловых систем, установленных в Windows. Например, на рис. 10-9 файловая система NTFS рассматривает том D: как обыкновенный 100-мегабайтный том. Чтобы определить свободное пространство на этом томе, NTFS обращается к своей битовой карте. Далее она вызывает диспетчер томов для чтения или записи данных с конкретного смещения в байтах относительно начала тома. Диспетчер томов последовательно нумерует физические секторы перекрытого тома от первой области первого диска до последней области последнего диска. Он определяет, какой физический сектор и на каком диске соответствует указанному смещению.

Чередующиеся тома.

Чередующийся том — группа разделов (до 32), каждый из которых размещается на отдельном диске и объединяется в один логический том. Чередующиеся тома также называются томами RAID уровня 0, или томами RAID-0. Ha рис. 10–10 показан чередующийся том, состоящий из трех разделов, каждый из которых находится на отдельном диске. (Раздел чередующегося тома не обязательно занимает весь диск; единственное ограничение — все разделы на каждом диске должны быть одинаковы.).

Внутреннее устройство Windows.

Файловой системе этот чередующийся том кажется обычным 450-мегабайтным томом, но диспетчер томов оптимизирует хранение и выборку данных па таком томе, распределяя их между физическими дисками. Диспетчер томов обращается к физическим секторам дисков так, как показано на рис. 10–11.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 10–11. Логическая нумерация физических секторов в чередующихся томах.

Поскольку каждая чередующаяся область занимает всего 64 Кб (это значение выбрано для того, чтобы отдельные операции чтения и записи не требовали обращения сразу к двум дискам), данные более-менее равномерно распределяются между дисками. Таким образом, чередование увеличивает вероятность того, что несколько одновременно ожидающих выполнения операций ввода-вывода потребуют доступа к разным дискам. A поскольку к данным на всех трех дисках можно обращаться одновременно, время задержки при дисковом вводе-выводе часто снижается, особенно в условиях высокой нагрузки.

Чередующиеся тома упрощают управление томами и позволяют распределять нагрузку между несколькими дисками, значительно ускоряя ввод-вывод. Ho это не обеспечивает восстановления данных в случае сбоя диска. B связи с этим диспетчер томов реализует три механизма избыточности: зеркальные тома, тома RAID-5 и замена секторов (последний механизм описывается в главе 12). Эти возможности можно задействовать через оснастку Disk Management.

Зеркальные тома.

B зеркальном томе содержимое раздела на одном диске дублируется в разделе равного размера на другом диске (рис. 10–12). Такие тома иногда называют томами RAID уровня 1, или томами RAID-1.

Внутреннее устройство Windows.

Когда программа что-то записывает на диск C:, диспетчер томов помещает те же данные в идентичный участок на зеркальный раздел. Если первый диск (или часть данных на нем) окажется поврежденной из-за аппаратного или программного сбоя, диспетчер томов автоматически обратится за нужными данными к зеркальному разделу. Зеркальный том можно отформатировать для любой файловой системы, поддерживаемой Windows. При этом драйверы файловых систем остаются независимыми — зеркалирование никак на них не влияет.

Зеркальные тома способствуют увеличению пропускной способности операций чтения в сильно загруженных системах. При высокой интенсивности ввода-вывода диспетчер томов распределяет операции чтения между первичным и зеркальным разделом (учитывая количество незавершенных запросов ввода-вывода для каждого диска). Две операции чтения могут быть выполнены одновременно, т. е. теоретически вдвое быстрее. При модификации файла приходится вести запись в оба раздела зеркального набора, но запись на диск выполняется асинхронно, и дополнительная операция записи почти не влияет на быстродействие программ пользовательского режима.

Зеркальный том — единственный тип составного тома, допустимого для системного и загрузочного томов. Дело в том, что загрузочный код Windows, включая код MBR и Ntldr, не обладает сложной логикой, необходимой для работы с составными томами. Зеркальные тома составляют исключение, так как загрузочный код воспринимает их как простые тома, считывая данные с той половины зеркального тома, которая помечена как загрузочный или системный диск в таблице разделов MBR. Поскольку загрузочный код не модифицирует данные на диске, он может игнорировать вторую половину зеркального тома.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдаем за операциями ввода-вывода на зеркальном томе.

Используя оснастку Performance (Производительность), вы можете убедиться, что при записи на зеркальные тома данные копируются на оба диска, составляющих зеркальный том (зеркало), а операции чтения, если они не слишком частые, выполняются в основном на одной из половин зеркального тома. Для этого эксперимента вам понадобится система с тремя жесткими дисками под управлением серверной OC Windows 2000 или Windows Server 2003- Если у вас нет такой системы, пропустите инструкции по подготовке эксперимента и переходите сразу к результатам.

Создайте зеркальный том с помощью оснастки Disk Management.

1. Запустите Computer Management (Управление компьютером), раскройте узел Storage (Запоминающие устройства) и выберите папку Disk Management (Управление дисками) или откройте Disk Management как оснастку консоли MMC.

2. Щелкните правой кнопкой мыши на свободном пространстве диска и выберите команду Create Volume (Создать том).

3. Следуйте инструкциям мастера создания тома, чтобы создать простой том. (Сначала убедитесь, что на другом диске достаточно свободного места для создания тома равного размера.).

4. Щелкните правой кнопкой мыши новый том и из контекстного меню выберите команду Add Mirror (Добавить зеркало).

Создав зеркальный том, запустите оснастку Performance (Производительность) и добавьте счетчики к объекту PhysicalDisk (Физический диск) для каждого экземпляра диска, содержащего раздел зеркального тома. Выберите счетчики Disk Reads/Sec (Обращений чтения с диска/сек) и Disk Writes/Sec (Обращений записи на диск/сек). Ha третьем диске, не входящем в состав зеркального тома, выберите большой каталог и скопируйте его на зеркальный том. Информация в окне оснастки Performance по мере выполнения операции копирования должна выглядеть примерно так, как показано на иллюстрации.

Внутреннее устройство Windows.

Две верхних пересекающихся линии представляют графики для значений Disk Writes/Sec по каждому диску, а две нижних — графики для значений Disk Reads/Sec. Как видите, диспетчер томов (в данном случае — DMIO) записывает данные копируемых файлов в обе половины тома, но считывает преимущественно из одной. Это происходит потому, что число незавершенных операций ввода-вывода при копировании невелико и не заставляет диспетчер томов распределять нагрузку по операциям чтения между дисками.

Тома RAID-5.

Том RAID-5 — отказоустойчивый вариант обычного чередующегося тома. B томах RAID-5 реализуется RAID уровня 5. Эти тома также называются чередующимися томами с записью четности (striped volumes with parity), поскольку они основаны на том же принципе чередования. Отказоустойчивость достигается за счет резервирования эквивалента одного диска для хранения информации о четности для всех чередующихся областей. Том RAID-5 представлен на рис. 10–13.

Внутреннее устройство Windows.

Как показано на рис. 10–13, информация о четности для чередующейся области 1 хранится на диске 1. Она представляет собой побайтовую логическую сумму (XOR) первых чередующихся областей на дисках 2 и 3. Информация о четности для чередующейся области 2 хранится на диске 2, а для чередующейся области 3 — на диске 3. Такое циклическое размещение информации о четности по дискам представляет собой способ оптимизации ввода-вывода. Всякий раз, когда данные записываются на какой-либо из дисков, байты четности, соответствующие изменяемым байтам, должны быть пересчитаны и перезаписаны. Если бы информация о четности постоянно записывалась на один и тот же диск, он был бы все время занят и мог бы стать узким местом для ввода-вывода.

Восстановление диска после сбоя в томе RAID-5 основывается на простом арифметическом принципе: если в уравнении с n переменными известны значения n — 1 переменных, то значение оставшейся переменной можно определить вычитанием. Например, в выражении x +y = z, где z обозначает чередующуюся область с четностью, диспетчер томов вычисляет z — у, чтобы определить значение x, и z — x, чтобы найти y. Диспетчер томов использует сходную логику для восстановления потерянных данных. Если том RAID-5 выходит из строя или данные на одном из его дисков становятся нечитаемыми, диспетчер томов реконструирует отсутствующие данные, используя операцию XOR (побитовое логическое сложение).

B случае сбоя диска 1 на рис. 10–13 содержимое его чередующихся областей 2 и 5 вычисляется побайтовым логическим сложением соответствующих чередующихся областей на диске 3 с областями четности на диске 2. Содержимое чередующихся областей 3 и 6 определяется побайтовым логическим сложением соответствующих областей на диске 2 с областями четности на диске 3. Для организации тома RAID-5 требуется по крайней мере три диска (а точнее, три одинаковых по размеру раздела на трех дисках).

Пространство имен томов.

Такой аспект управления внешней памятью, как назначение томам букв дисков, в Windows существенно изменился по сравнению с Windows NT 4. Несмотря на это, Windows поддерживает назначения букв, переносимые при обновлении системы с Windows NT 4 до Windows. Назначенные буквы Windows NT 4 хранит в разделе реестра HKLM\SYSTEM\Disk. После обновления эта информация сохраняется в других местах, специфичных для Windows, и система больше не ссылается на раздел Disk.

Диспетчер монтирования.

Диспетчер монтирования, драйвер устройства Mountmgr.sys, назначает буквы томам динамических и базовых дисков, созданных после установки Windows, а также устройствам CD-ROM, приводам гибких дисков и съемным устройствам. Эта операционная система хранит все буквы дисков, назначенные томам, в разделе реестра HKLM\SYSTEM\MountedDevices. Заглянув в этот раздел, выувидите параметры с именами вида \??\Volume{X} (где X — GUID) и \DosDevices\C:. Такие параметры есть у каждого тома, но не всем томам назначены буквы дисков. Пример раздела реестра MountedDevices диспетчера монтирования показан на рис. 10–14. Заметьте, что этот раздел, как и раздел Disk в Windows NT 4, не входит в набор параметров управления и в связи с этим не восстанавливается при загрузке последней удачной конфигурации (см. главу 4).

Данные, которые хранятся в виде параметров реестра для букв и имен томов базовых дисков, представляют собой сигнатуру диска в стиле Windows NT 4 и начальное смещение от первого раздела, сопоставленного с томом. Аналогичные данные для томов динамических дисков включают внутренний GUID тома, используемый DMIO. Когда диспетчер монтирования инициализируется при загрузке системы, он регистрируется в подсистеме поддержки Plug and Play, что позволяет ему в дальнейшем получать уведомления о создании томов драйвером FtDisk или DMIO. Получив такое уведомление, диспетчер монтирования определяет GUID или сигнатуру диска нового тома и использует GUID тома или сигнатуру его диска как критерий для поиска в своей базе данных, отражающей содержимое раздела реестра MountedDevices. Если поиск заканчивается неудачей, диспетчер монтирования запрашивает у FtDisk или DMIO (смотря кто из них создал том) предлагаемую букву для идентификации тома и сохраняет ее в своей базе данных. FtDisk не дает никаких предложений, a DMIO проверяет возможные назначения в элементе тома базы данных.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 10–14. Смонтированные устройства, перечисленные в разделе реестра, принадлежащем диспетчеру монтирования.

Если диспетчер монтирования не получает никаких предложений, он берет первую свободную букву, назначает ее тому, создает для нее символьную ссылку — например, \Global??\D: в Windows XP и Windows Server 2003 или \??\D: в Windows 2000 — и обновляет раздел реестра MountedDevices. Когда свободных букв нет, буква не назначается, но создается символьная ссылка \Global??\Volume{X}, определяющая GUID нового тома в том случае, если у него еще нет GUID. Этот GUID отличается от GUID томов, используемых DMIO.

Точки монтирования.

Точки монтирования (mount points) позволяют связывать тома через каталоги NTFS, делая эти тома доступными без назначения букв дисков. Например, NTFS-каталог C: \Projects может монтировать другой том (NTFS или FAT), содержащий каталоги и файлы ваших проектов. Если в томе ваших проектов есть файл с именем \CurrentProject\Description.txt, то после монтирования путь к нему выглядит как C: \Projects\CurrentProject\Description.txt. Точки монтирования стали возможны благодаря технологии точек повторного разбора (reparse point technology), о которой мы подробно поговорим в главе 12.

Точка повторного разбора — это блок произвольных данных с неким фиксированным заголовком, который Windows сопоставляет с файлом или каталогом NTFS. Приложение или система определяет формат и поведение точки повторного разбора, в том числе значение уникального тэга, который идентифицирует точку повторного разбора, принадлежащую приложению или системе, и указывает размер (до 16 Кб) и смысл данных этой точки. Уникальные тэги хранятся в фиксированном сегменте точек повторного разбора. Любое приложение, реализующее точку повторного разбора, должно предоставлять драйвер фильтра файловой системы, который наблюдает за кодами возврата файловых операций, связанных с повторным разбором и выполняемых на томах NTFS, и предпринимает действия, соответствующие этим кодам. NTFS возвращает код статуса повторного разбора всякий раз, когда обрабатывает файловую операцию применительно к файлу или каталогу, с которым сопоставлена точка повторного разбора.

Драйвер файловой системы NTFS, диспетчер ввода-вывода и диспетчер объектов — каждый из них реализует свою часть функциональности точек повторного разбора. Диспетчер объектов инициирует операции разбора путей файлов, взаимодействуя с драйверами файловых систем через диспетчер ввода-вывода, и должен повторно инициировать операции, для которых диспетчер ввода-вывода возвращает код статуса повторного разбора. Диспетчер ввода-вывода поддерживает модификацию путей, которая может понадобиться точкам монтирования и другим точкам повторного разбора, а драйвер файловой системы NTFS должен связывать данные точек повторного разбора с файлами и каталогами. Поэтому диспетчер ввода-вывода можно рассматривать как драйвер фильтра файловой системы, который поддерживает функциональность повторного разбора для многих точек, определенных Microsoft.

Пример приложения, поддерживающего точки повторного разбора, — система Hierarchical Storage Management (HSM) вроде службы Windows Remote Storage Service (RSS), которая включена в Windows 2000 Server и Windows Server 2003; она использует такие точки для обозначения файлов, перемещаемых администратором в хранилище на ленточных накопителях. Когда пользователь пытается обратиться к автономному файлу, драйвер фильтра HSM обнаруживает код статуса повторного разбора, возвращаемый NTFS, вызывает сервисы пользовательского режима, чтобы получить автономный файл из хранилища, удаляет из файла точку повторного разбора и инициирует повторную попытку выполнения файловой операции. Точно так же точки повторного разбора используются драйвером фильтра RSS (Rsfilter.sys).

Если файл или каталог, для которого диспетчер ввода-вывода получает от NTFS код статуса повторного разбора, не сопоставлен с одной из предопределенных в Windows точек повторного разбора, значит, его точка не обрабатывается ни одним драйвером фильтра. Тогда диспетчер ввода-вывода сообщает диспетчеру объектов об ошибке, которая передается приложению, обратившемуся к этому файлу или каталогу, в виде «file cannot be accessed by the system» («файл недоступен системе»).

Точки монтирования — это точки повторного разбора, в которых имя тома (\Global??\Volume{X}) хранится как данные повторного разбора. Назначая или удаляя пути для томов в оснастке Disk Management, вы создаете точки монтирования. Создавать и просматривать точки монтирования можно и с помощью встроенной утилиты командной строки Mountvol.exe (\Windows\System32\Mountvol.exe).

Диспетчер монтирования поддерживает на каждом томе NTFS удаленную базу данных, в которой регистрирует все точки монтирования, определенные для тома. Файл этой базы данных, $MountMgrRemoteDatabase, размещается в корневом каталоге NTFS. При перемещении диска между системами и в средах с двух вариантной загрузкой (различных систем Windows) перемещаются и точки монтирования — благодаря наличию удаленной базы данных диспетчера монтирования. NTFS отслеживает точки монтирования в файле метаданных \lExtend\IReparse (ни один из файлов метаданных NTFS не доступен приложениям). Поскольку NTFS хранит информацию о точках монтирования в файле метаданных, при соответствующем запросе Windows-приложения Windows может легко перечислить точки монтирования, определенные для тома.

ЭКСПЕРИМЕНТ: рекурсивные точки монтирования.

Этот эксперимент с использованием утилиты Filemon {wwwsysinter nals.com) демонстрирует любопытное поведение системы, вызываемое рекурсивной точкой монтирования. Рекурсивной называется точка монтирования, связанная с тем томом, где она находится. Рекурсивное перечисление каталогов, выполняемое на рекурсивной точке монтирования, позволяет наглядно увидеть, как NTFS обрабатывает точки монтирования.

Для создания и просмотра точки монтирования проделайте следующее.

1. Откройте окно командной строки или Windows Explorer и создайте на NTFS-диске каталог с именем \Recurse.

2. B оснастке Disk Management (Управление дисками) консоли MMC щелкните том правой кнопкой мыши и выберите из контекстного меню команду Change Drive Letter And Path (Изменить букву диска или путь к диску).

3. B появившемся диалоговом окне введите путь к созданному вами каталогу (например, I: \Recurse).

4. Запустите Filemon. B меню Drives оставьте галочку только для тома, на котором создана точка монтирования.

Теперь вы готовы к трассировке рекурсивной точки монтирования. Откройте окно командной строки и введите dir /s I: \Recurse. Следите за ссылками на Recurse, регистрируемыми Filemon при трассировке файловых операций. Вы заметите, что сначала идет обращение к I: \Re-curse, затем к I: \Recurse\Recurse и т. д.

Приложение перечисляет каталоги на каждом уровне рекурсии, но всякий раз, когда встречает точку монтирования, оно закапывается все глубже и глубже, пытаясь выполнить очередное перечисление каталогов. NTFS возвращает код статуса повторного разбора, который сигнализирует диспетчеру объектов о необходимости возврата на предыдущий уровень рекурсии и повторной попытки операции. Наконец, вернувшись в корневой каталог, приложение исследует файл или каталог, найденный им при глубокой рекурсии. Приложение никогда не получает код статуса повторного разбора из-за того, что диспетчер объектов сам обрабатывает статусные коды повторного разбора при получении их от NTFS.

Filemon показывает запрос на открытие файла или каталога как IRP_ MJ_CREATE, запрос на закрытие файла или каталога — как IRP_MJ_CLOSE, а запрос сведений о каталогах — как IRP_MJ_DIRECTORY CONTROL, выполняемый с помощью функции FileBothDirectoryInfo (см. колонку Other).

Внутреннее устройство Windows.

Чтобы предотвратить переполнение буферов и вхождение в бесконечный цикл, командный процессор и Windows Explorer останавливают рекурсию по достижении 32-го уровня вложенности или при превышении длины пути в 256 символов — смотря что произойдет быстрее.

Монтирование томов.

Тот факт, что Windows присваивает тому букву диска, еще не означает, что этот том содержит данные, организованные в формате файловой системы, известной Windows. Процесс распознавания тома заключается в том, что какая-либо файловая система объявляет раздел своим; первый раз этот процесс происходит при обращении ядра, драйвера устройства или приложения к какому-либо файлу или каталогу в данном томе. После того как драйвер файловой системы уведомляет о взятии на себя ответственности за управление разделом, диспетчер ввода-вывода направляет все адресованные этому тому запросы данному драйверу. Операции монтирования в Windows проходят в три этапа: регистрация драйвера файловой системы, обновление блоков параметров тома (volume parameter blocks, VPB) и запросы на монтирование.

ПРИМЕЧАНИЕ B Windows Server 2003 Enterprise и Datacenter Edition автоматическое монтирование отключено, чтобы не допустить агрессивного монтирования томов, подключенных к сети устройств хранения данных (System Area Network, SAN). Для включения или отключения автоматического монтирования можно использовать утилиту командной строки Diskpart, поставляемую с Windows Server 2003, а для монтирования томов вручную — утилиту Mountvol, также поставляемую с этой системой.

Процесс монтирования курирует диспетчер ввода-вывода, которому известны доступные драйверы файловых систем, поскольку они регистрируются у него при инициализации. Для регистрации драйверов файловых систем на локальных (не сетевых) дисках предназначена функция IoRegisterFileSystem, предоставляемая диспетчером ввода-вывода. Когда драйвер файловой системы регистрируется, диспетчер ввода-вывода сохраняет ссылку на драйвер в списке, который используется при операциях монтирования.

Каждый объект «устройство» содержит структуру данных VPB, но диспетчер ввода-вывода обращает внимание только на VPB объектов томов. VPB служит для связи между объектом тома и объектом «устройство», созданным драйвером файловой системы для представления экземпляра файловой системы, смонтированной для данного тома. Если ссылка VPB на файловую систему пуста, значит, том не смонтирован ни одной файловой системой. Диспетчер ввода-вывода проверяет VPB объекта тома всякий раз, когда выполняется API-функция открытия файла или каталога на этом объекте «устройство».

Например, если диспетчер монтирования назначает второму тому системы букву D, он создает символьную ссылку \Global??\D:, представляющую объект \Device\HarddiskVolume2. Windows-приложение, пытающееся открыть файл \Temp\Test.txt на диске D:, указывает имя D: \Temp\Test.txt, которое подсистема Windows преобразует в \Global??\D: \Temp\Test.txt перед вызовом NtCreateFile — процедуры ядра, отвечающей за открытие файла. NtCreateFile использует диспетчер объектов для разбора имени, и диспетчер объектов обнаруживает объект «устройство» \Device\HarddiskVolume2 с еще не разрешенным путем \Temp\Test.txt. Ha этом этапе диспетчер ввода-вывода проверяет, есть ли в VPB объекта \Device\HarddiskVolume2 ссылка на файловую систему. Если нет, диспетчер ввода-вывода выдает зарегистрированному драйверу файловой системы запрос на монтирование, чтобы выяснить, распознает ли он формат монтируемого тома как формат своей файловой системы.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр VPB.

Увидеть содержимое VPB позволяет команда !vpb отладчика ядра. Поскольку на VPB указывает объект «устройство» тома, сначала нужно найти этот объект. Для этого создайте дамп объекта «драйвер» диспетчера томов, найдите объект «устройство», представляющий том, просмотрите его содержимое и вы обнаружите поле VPB.

Если в системе есть динамический диск, используйте команду !drvobj применительно к драйверу DMIO, а если нет — применительно к драйверу FtDisk. Вот пример:

Внутреннее устройство Windows.

Команда !drvobj перечисляет адреса объектов «устройство», принадлежащих драйверу. B этом примере таких объектов — семь. Один из них представляет программный интерфейс драйвера устройства, остальные — объекты томов. Поскольку объекты показываются в порядке, обратном порядку их создания, а первым создается объект «устройство» интерфейса драйвера устройства, то первый перечисленный объект «устройство» является объектом тома. Теперь введите команду !devobj отладчика ядра, указав в качестве параметра адрес объекта тома.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Команда !devobj показывает поле VPB объекта тома. (Данному объекту «устройство» присвоено имя HarddiskVolume6.) Теперь можно выполнить команду !vpb:

Внутреннее устройство Windows.

B итоге мы выяснили, что объект тома смонтирован драйвером файловой системы, который присвоил ему имя BACKUP. VPB-поле RealDevice указывает обратно на объект тома, а поле DeviceObject указывает на объект «устройство» смонтированной файловой системы.

По соглашению, драйвер файловой системы при распознавании формата монтируемого тома должен анализировать загрузочную запись тома, хранящуюся в его первом секторе. Загрузочные записи файловых систем Microsoft содержат поле, описывающее тип формата файловой системы. Драйверы файловых систем обычно проверяют это поле и, если оно указывает на поддерживаемый ими формат, анализируют остальную информацию, хранящуюся в загрузочной записи. Эта информация обычно включает имя файловой системы и данные, необходимые для поиска критически важных файлов метаданных тома. Например, NTFS распознает том, только если поля типа и имени определяют именно NTFS, а файлы метаданных, описываемые загрузочной записью, находятся в согласованном состоянии.

Если драйвер файловой системы подтверждает распознавание, диспетчер ввода-вывода заполняет VPB и передает запрос на открытие с оставшейся частью пути (т. е. \Temp\Test.txt) драйверу файловой системы. Последний выполняет запрос, интерпретируя данные в соответствии с форматом своей файловой системы. После того как поля VPB объекта «устройство» тома заполнены нужной информацией, диспетчер ввода-вывода передает все последующие запросы, адресованные данному тому, драйверу смонтированной файловой системы. Если ни один драйвер файловой системы не объявляет этот том своим, владельцем становится Raw — встроенный в Ntoskrnl.exe драйвер файловой системы, который сообщает о неудаче в ответ на любые попытки открыть файл в данном разделе. Рис. 10–15 иллюстрирует упрощенную схему потока ввода-вывода, направляемого на смонтированный том (здесь не показано взаимодействие драйвера файловой системы с диспетчерами кэша и памяти).

Вместо того чтобы загружать все драйверы файловых систем независимо от наличия соответствующих томов, Windows пытается свести к минимуму нагрузку на память, используя для предварительного распознавания файловой системы суррогатный драйвер File System Recognizer (Windows \System32\ Drivers\Fs_rec.sys). Этот драйвер знает о формате каждой файловой системы, поддерживаемой Windows, ровно столько, чтобы суметь проанализировать загрузочную запись и определить, можно ли ее сопоставить с какой-нибудь файловой системой Windows. При загрузке системы File System Recognizer регистрируется как драйвер файловой системы, а при вызове диспетчером ввода-вывода в процессе монтирования файловой системы для нового тома он загружает драйвер соответствующей файловой системы, если такой драйвер еще не загружен. После этого File System Recognizer перенаправляет IRP монтирования драйверу и позволяет ему захватить том во владение.

Внутреннее устройство Windows.

Кроме загрузочного тома, чей драйвер монтируется при инициализации ядра, драйверы файловых систем монтируют большинство томов в момент запуска Chkdsk для проверки целостности файловой системы на этапе загрузки системы. Загрузочная версия Chkdsk является встроенным приложением (в отличие от Windows-приложений) и называется Autochk.exe (\Windows \System32\Autochk.exe). Диспетчер сеансов (\Windows\System32 \Smss.exe) запускает ее, поскольку она указана в параметре HKLM\SYSTEM\Current-ControlSet\Control\Session Manager\BootExecute. Chkdsk перебирает все назначенные буквы диска, чтобы выяснить, требует ли соответствующий том проверки целостности.

Один и тот же сменный носитель может монтироваться более чем раз. Драйверы файловых систем Windows реагируют на смену носителей и запрашивают идентификатор тома. Если они обнаруживают, что идентификатор тома сменился, драйверы демонтируют диск и монтируют его заново.

Операции ввода-вывода на томах.

Драйверы файловых систем управляют хранящимися в томах данными, но требуют поддержки диспетчера томов для взаимодействия с драйверами устройств внешней памяти при передаче данных. Драйверы файловых систем получают ссылки на объекты томов в процессе монтирования и посылают через них запросы диспетчеру томов. Приложения — если им нужно напрямую обращаться к данным тома — тоже могут посылать запросы диспетчеру томов, обходя драйвер файловой системы. K числу таких приложений относятся, например, программы восстановления удаленных файлов и утилита DiskProbe из ресурсов Windows.

Когда драйвер файловой системы или приложение посылает объекту «устройство», представляющему том, запрос ввода-вывода, диспетчер ввода-вывода перенаправляет этот запрос (поступающий в виде IRP) диспетчеру томов, создавшему целевой объект «устройство». Таким образом, если приложению нужно считать загрузочный сектор, например, второго простого тома в системе, оно открывает объект \Device\HarddiskVolume2 и посылает ему запрос на чтение 512 байтов по нулевому смещению на устройстве. Диспетчер ввода-вывода передает запрос приложения в виде IRP диспетчеру томов, владеющему данным объектом «устройство», и уведомляет его, что IRP адресован устройству HarddiskVolume2.

Поскольку том логически представляет непрерывную область одного или более физических дисков, диспетчер томов должен преобразовывать смещения, относительные началу тома, в смещения, относительные началу диска. Если том 2 состоит из одного раздела, который начинается с 4096-го сектора диска, то, прежде чем передать запрос драйверу класса дисков, диспетчер томов соответственно корректирует параметры IRP. Для выполнения ввода-вывода на физическом диске и чтения запрошенных данных в буфер приложения, указанный в IRP, драйвер класса дисков использует минипорт-драйвер.

Роль диспетчера томов в обработке запросов к составным томам помогут прояснить следующие примеры. Если чередующийся том состоит из двух разделов (1 и 2), представленных объектом \Device\HarddiskDmVolumes\ PhysicalDmVolumes\BlockVolume3 (рис. 10–16), и администратор назначил чередующейся области букву диска D:, то диспетчер ввода-вывода определяет ссылку \Global??\D:, указывающую на \Device\HarddiskDmVolumes\ComputerNameDg0\Volume3, где ComputerName — имя компьютера. Вспомните, что эта ссылка также является символьной и указывает на соответствующий объект тома в каталоге PhysicalDmVolumes (в данном случае — на BlockVolu-me3). Объект «устройство», принадлежащий DMIO, перехватывает дисковый ввод-вывод файловой системы на \Device\HarddiskDmVolumes\PhysicalDmVolumes\BlockVolume3, и драйвер DMIO корректирует параметры запроса перед тем, как передать его драйверу класса дисков. B результате изменений, внесенных DMIO, запрос настраивается так, чтобы он ссылался на нужное смещение, относительное началу целевой чередующейся области раздела 1 или 2. Если ввод-вывод затрагивает оба раздела тома, DMIO должен выдать два дополнительных запроса ввода-вывода — по одному к каждому диску.

Внутреннее устройство Windows.

B случае записи на зеркальный том DMIO делит каждый запрос так, что операция записи выполняется над каждой половиной зеркального тома. A при запросе на чтение с зеркального тома DMIO использует одну из половин зеркального тома и обращается к другой половине, только если первая попытка чтения заканчивается неудачно.

Служба виртуального диска.

Компания, которая выпускает продукты, имеющие отношение к внешней памяти, например RAID-адаптеры, жесткие диски или массивы накопителей, вынуждена реализовать собственные приложения для установки этих устройств и управления ими. Применение разных управляющих приложений для разных устройств внешней памяти имеет очевидные недостатки с точки зрения системного администрирования, например приходится изучать множество интерфейсов и нельзя использовать стандартные Windows-утилиты для управления сторонними устройствами внешней памяти.

B Windows Server 2003 введена служба виртуального диска (Virtual Disk Service, VDS) (\Windows\System32\Vds.exe), которая предоставляет системным администраторам унифицированный высокоуровневый интерфейс внешней памяти; благодаря этому устройствами внешней памяти от разных поставщиков можно управлять через одни и те же пользовательские интерфейсы (UI). Схема VDS представлена на рис. 10–17. VDS экспортирует API, основанный на COM и позволяющий приложениям и сценариям создавать и форматировать диски, а также управлять аппаратными RAID-адаптерами. Скажем, утилита может задействовать VDS API для запроса списка физических дисков, сопоставленных с номером логического блока RAID (logical unit number, LUN). Windows-средства управления дисками, включая оснастку Disk Management консоли MMC, Diskpart и Diskraid (поставляется с Windows Server 2003 Deployment Kit), тоже используют VDS API.

Внутреннее устройство Windows.

VDS предоставляет два интерфейса: один — для провайдеров программного уровня, другой — для провайдеров аппаратного уровня.

Провайдеры программного уровня (software providers) реализуют интерфейсы к таким высокоуровневым абстракциям устройств внешней памяти, как диски, разделы дисков и тома. Примеры операций, поддерживаемых этими интерфейсами, — расширение и удаление томов, включение и отключение зеркалирования, форматирование томов и присвоение им букв дисков. VDS ищет зарегистрированные программные провайдеры в HKLM\System\CurrentControlSet\Services\Vds\SoftwareProviders. Windows Server 2003 включает VDS Dynamic Disk Provider (\Windows\System32\ Vdsdyndr.dll), применяемый в качестве интерфейса для динамических дисков, и VDS Basic Provider (\Windows\System32\Vdsbas.dll), используемый в качестве интерфейса для базовых дисков.

Провайдеры аппаратного уровня (hardware providers) реализуются изготовителями оборудования в виде DLL, которые регистрируются в разделе реестра HKLM\System\CurrentControlSet\Services\Vds\HardwareProvi-ders и которые транслируют аппаратно-независимые VDS-команды в команды, специфичные для конкретного оборудования. Провайдер аппаратного уровня позволяет управлять подсистемой внешней памяти, например аппаратным RAID-массивом или платами адаптеров/контроллеров, и поддерживает такие операции, как создание, расширение, удаление, маскирование и отмена маскирования LUN.

Когда приложение инициирует соединение с VDS API и служба VDS еще не запущена, процесс Svchost — хост службы RPC запускает процесс загрузчика VDS (\Windows\System32\Vdsldr.exe), а тот — процесс службы VDS, после чего завершается. После закрытия последнего соединения с VDS API завершается и процесс службы VDS.

Служба теневого копирования тома.

Одно из ограничений многих утилит резервного копирования связано с открытыми файлами. Если приложение открывает какой-нибудь файл для монопольного доступа, утилита резервного копирования не может получить доступа к содержимому этого файла. Ho даже если подобная утилита способна обращаться к уже открытому файлу, нет никаких гарантий, что его резервная копия не окажется в рассогласованном состоянии. Допустим, приложение обновляет начальную часть файла, а потом что-то пишет в его конце. Утилита резервного копирования, которая сохраняет файл в ходе этих операций, может записать такой образ файла, который отражает еще не модифицированную начальную часть файла и уже измененную концевую часть. При последующем восстановлении этого файла приложение сочтет, что файл поврежден, поскольку оно допускает ситуации, в которых начальная часть уже изменена, а концевая — еще нет, но только не наоборот. Именно поэтому большинство утилит резервного копирования пропускает открытые файлы.

B связи с этим в Windows XP появилась служба теневого копирования томов (Volume Shadow Copy Service) (\Windows\System32\Vssvc.exe), которая позволяет встроенной утилите резервного копирования записывать согласованные представления всех файлов, в том числе открытых. Эта служба выступает в роли командного центра расширяемого механизма резервного копирования, давая возможность независимым поставщикам программного обеспечения (independent software vendors, ISV) подключать свои провайдеры и модули записи («writers»). Модуль записи — это программный компонент, позволяющий приложениям с поддержкой теневого копирования томов принимать уведомления о замораживании и размораживании операций записи, чтобы они могли создавать внутренне согласованные резервные копии своих файлов данных. A провайдеры позволяют ISV интегрировать уникальные схемы работы с внешней памятью со службой теневого копирования томов. Например, приложение, использующее устройства внешней памяти с зерка-лированием, могло бы определять теневую копию как замороженную половину зеркалированного тома. Взаимосвязи между службой теневого копирования томов, модулями записи и провайдерами показаны на рис. 10–18.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 10–18. Служба теневого копирования томов, модули записи и провайдеры.

Microsoft Shadow Copy Provider (\Windows\System32\Drivers\Volsnap.sys) — это провайдер, поставляемый с Windows для поддержки программных снимков томов. Он представляет собой драйвер фильтра внешней памяти, размещаемый между драйверами файловых систем и драйверами томов (они оперируют с наборами секторов на жестком диске, представляющими логические диски), и поэтому видит любые запросы на ввод-вывод, адресованные дисковому тому. Утилита резервного копирования, приступая к копированию, указывает драйверу Microsoft Shadow Copy Provider создать теневые копии всех томов, на которых содержатся копируемые файлы и каталоги. Драйвер замораживает все операции ввода-вывода на этих томах и для каждого из них создает теневую копию. Если, например, том в пространстве имен диспетчера объектов имеет имя \Device\HarddiskVolumeO, то теневой том получает имя в виде \Device\HarddiskVolumeShadowCopy7V, где N — уникальный идентификатор.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр объектов «устройство», принадлежащих драйверу Microsoft Shadow Copy Provider.

Чтобы просмотреть такие объекты, связанные с каждым томом, в Windows XP или Windows Server 2003, используйте отладчик ядра. B любой системе есть хотя бы один том, и следующая команда выводит информацию об объекте «устройство» для первого тома в системе:

Внутреннее устройство Windows.

Поле AttachedDevice в выводе команды !devobj сообщает адрес объекта «устройство» и имя владеющего им драйвера, который подключен к этому объекту (фильтрует его). Каждый объект «устройства» для тома должен принадлежать драйверу Volsnap, как в показанном примере.

Вместо того чтобы открывать копируемые файлы на исходном томе, утилита резервного копирования открывает их на теневом. Последний отражает представление тома, привязанное к определенной временной точке (point-in-time view of a volume). Поэтому, когда драйвер теневого копирования томов обнаруживает попытку записи на исходный том, он считывает копию подлежащих перезаписи секторов в раздел памяти, поддерживаемый страничным файлом (paging file-backed memory section) и сопоставленный с соответствующим теневым томом. Обращения для чтения к модифицируемым секторам теневого тома драйвер обслуживает через упомянутый выше раздел памяти, а обращения для чтения к немодифицированным секторам — считыванием данных с исходного тома. Поскольку утилита резервного копирования не сохраняет страничный файл и системный каталог \System Volume Information (вместе со всеми подкаталогами и файлами), драйвер снимков, используя API-функции дефрагментации, определяет местонахождение этих файлов и каталогов и не регистрирует вносимые в них изменения. Опираясь на данный механизм, утилита резервного копирования в Windows XP и Windows Server 2003 решает все проблемы копирования, связанные с открытыми файлами.

Рис. 10–19 иллюстрирует, как ведут себя приложение, обращающееся к тому, и утилита резервного копирования, обращающаяся к теневой копии этого тома. Когда приложение пишет в сектор по истечении времени снятия снимка, драйвер Volsnap создает резервную копию, как на иллюстрации, где он копирует секторы a, b и с для тома C:. Аналогично, когда приложение считывает сектор с, Volsnap направляет операцию чтения тому C:, а когда утилита резервного копирования считывает тот же сектор, Volsnap получает содержимое этого сектора из снимка. Если операция чтения требует обращения к немодифицированному сектору, например к d, то Volsnap направляет ее исходному тому.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр объектов «устройство» теневых томов.

Вы можете убедиться в наличии таких объектов в пространстве имен диспетчера объектов, запустив Windows-утилиту резервного копирования [в меню Start (Пуск) откройте Accessories (Стандартные) и System Tools (Служебные)] и выбрав достаточный объем данных для резервного копирования, чтобы успеть запустить Winobj и просмотреть объекты в подкаталоге \Device.

Драйверы файловых систем должны корректно обрабатывать два запроса на управление вводом-выводом (IOCTL), связанные с теневым копированием томов: IOCTL_VOLSNAP_FLUSH_AND_HOLD_WRITES и IOCTL_VOLSNAP_RELEASE_WRITES. Смысл этих запросов не требует объяснений — он понятен из их имен. API копирования теневых томов позволяет посылать IOCTL-запросы логическим дискам, для которых создаются снимки, с тем чтобы все операции записи, инициированные перед получением снимка, успели завершиться до создания теневой копии и чтобы файловые данные, записываемые из теневой копии, были согласованы по времени.

Внутреннее устройство Windows.

Теневые копии для общих папок.

Поддержка теневого копирования томов позволяет Windows Server 2003 предоставлять конечным пользователям доступ к резервным версиям томов для восстановления старых версий файлов и папок, которые могли быть случайно удалены или изменены. Эта функция облегчает жизнь системным администраторам, которые в ином случае должны были бы загружать резервные данные и обращаться к предыдущим их версиям в интересах конечных пользователей.

B окне свойств для тома в Windows Server 2003 есть вкладка Shadow Copies (Теневые копии), на которой администратор может разрешить создание снимков томов по расписанию, как показано на следующей иллюстрации. Администраторы также могут ограничить пространство, выделяемое под снимки, чтобы система автоматически удаляла самые старые снимки.

Внутреннее устройство Windows.

B клиентских системах, где нужна функциональность Shadow Copies for Shared Folders, следует установить расширение Explorer — Previous Versions Client — которое поставляется c Windows Server 2003 в каталоге \Windows\System32\Clients\Twclient и которое также можно скачать с сайта Microsoft (это расширение включено в Windows XP Service Pack 2 и выше). Когда клиентская Windows-система с установленным расширением подключается к общей папке на томе, для которого имеются снимки, в окне свойств папок и файлов, находящихся в этой общей папке, появляется вкладка Previous Versions. Ha этой вкладке перечисляются снимки, имеющиеся на сервере, и пользователь может просмотреть соответствующие версии файла или папки.

Внутреннее устройство Windows.

Резюме.

B этой главе мы рассмотрели организацию, компоненты и принципы управления внешней дисковой памятью в Windows. B следующей главе мы обсудим диспетчер кэша — компонент исполнительной системы, неразрывно связанный с драйверами файловых систем.

ГЛАВА 11. Диспетчер кэша.

Диспетчер кэша (cache manager) — это набор функций режима ядра и системных потоков, во взаимодействии с диспетчером памяти обеспечивающих кэширование данных для всех драйверов файловых систем Windows (как локальных, так и сетевых). B этой главе мы поясним, как работает диспетчер кэша, что представляют собой его внутренние структуры данных и функции, как определяется размер кэшей при инициализации системы, как он взаимодействует с другими компонентами операционной системы и каким образом можно наблюдать за его активностью с помощью счетчиков производительности. Мы также рассмотрим пять флагов Windows-функции CreateFile, влияющих на кэширование файлов.

ПРИМЕЧАНИЕ B этой главе описываются лишь те внутренние функции диспетчера кэша, которые нужны для объяснения принципов его работы. Программные интерфейсы диспетчера кэша документированы в Windows Installable File System (IFS) Kit.

Основные возможности диспетчера кэша.

Диспетчер кэша:

поддерживает все файловые системы Windows (как локальные, так и сетевые), исключая необходимость реализации в каждой файловой системе собственного кода управления кэшем;

c помощью диспетчера памяти контролирует, какие части и каких файлов находятся в физической памяти (обеспечивая компромисс между потребностями в физической памяти пользовательских процессов и операционной системы);

в отличие от большинства других систем кэширования, которые кэшируют данные на основе логических блоков (смещений внутри дисковых томов), кэширует данные на основе виртуальных блоков (смещений внутри файлов), что позволяет реализовать алгоритм интеллектуального опережающего чтения и обеспечить высокоскоростной доступ к кэшу без участия драйверов файловых систем (этот метод кэширования называется быстрым вводом-выводом);

распознает параметры, передаваемые приложениями при открытии файлов (например, прямой или последовательный доступ, временный файл или постоянный и т. д.);

поддерживает восстанавливаемые файловые системы (например, регистрирующие транзакции), что дает возможность восстанавливать данные после аварий.

Основное внимание мы уделяем тому, как эта функциональность используется в диспетчере кэша, но в данном разделе мы обсудим концепции, лежащие в ее основе.

Единый централизованный системный кэш.

B некоторых операционных системах данные кэшируются каждой файловой системой индивидуально. Это приводит к дублированию кода, отвечающего за кэширование и управление памятью, или к ограничению видов данных, которые можно кэшировать. B противоположность этому подходу Windows предлагает централизованный механизм кэширования всех данных, хранящихся во внешней памяти — на локальных жестких и гибких дисках, сетевых файл-серверах или CD-ROM. Кэшировать можно любые данные — как пользовательские (содержимое файлов при операциях чтения или записи), так и метаданные файловой системы (например, заголовки каталогов и файлов). Как вы еще узнаете из этой главы, метод обращения к кэшу, применяемый Windows, определяется типом кэшируемых данных.

Диспетчер памяти.

Одно весьма необычное свойство диспетчера кэша заключается в том, что он никогда не знает, какая часть кэшируемых данных действительно находится в физической памяти. Вероятно, это звучит несколько странно, поскольку кэш предназначен для ускорения ввода-вывода за счет хранения в физической памяти подмножества данных, к которым часто обращаются приложения и система. Все дело в том, что диспетчер кэша обращается к данным, проецируя представления файлов на виртуальные адресные пространства с помощью стандартных объектов «раздел» (в терминах Windows API — объектов «проекция файла»; см. главу 7). По мере доступа к адресам проецируемых представлений файлов диспетчер памяти подгружает нерезидентные блоки в физическую память. A при необходимости диспетчер памяти может выгружать данные из кэша обратно в файлы, проецируемые на кэш.

Используя кэширование на основе проецирования файлов на виртуальное адресное пространство, диспетчер кэша избегает генерации пакетов запроса ввода-вывода (IRP) при обращении к данным кэшируемых файлов. Вместо этого он просто копирует данные по виртуальным адресам, по которым проецируются кэшируемые данные, а диспетчер памяти при необходимости подгружает данные в память (или выгружает их из нее). Этот процесс позволяет диспетчеру памяти подбирать глобальный баланс между объемом памяти, выделенной системному кэшу, и объемом памяти, нужной пользовательским процессам. (Диспетчер кэша также инициирует ввод-вывод, например отложенную запись, но сама запись страниц осуществляется диспетчером памяти.) Как вы узнаете из следующего раздела, такая архитектура дает возможность процессам, открывающим кэшируемые файлы, видеть те же данные, что и процессам, проецирующим эти файлы на свои адресные пространства.

Когерентность кэша.

Одна из важных функций диспетчера кэша — гарантировать любому процессу, обращающемуся к кэшируемым данным, получение самой последней версии этих данных. Ситуация, при которой один процесс открывает файл (и, следовательно, делает его кэшируемым), тогда как другой напрямую проецирует этот файл на свое адресное пространство (через Windows-функцию MapViewOfFile), может обернуться проблемой. Эта потенциальная проблема не возникает в Windows, поскольку и диспетчер кэша, и приложения, проецирующие файлы на свои адресные пространства, используют одни и те же сервисы подсистемы управления памятью. Так как диспетчер памяти гарантирует, что у него имеется только одно представление каждого уникального проецируемого файла (независимо от количества объектов «раздел», или проекций файла), он проецирует все представления файла (даже если они перекрываются) на единственный набор страниц физической памяти, как показано на рис. 11-1.

Внутреннее устройство Windows.

Поэтому, если, например, на пользовательское адресное пространство процесса 1 проецируется представление 1 файла и процесс 2 обращается к тому же представлению через системный кэш, то процесс 2 будет видеть любые изменения в этом представлении по мере их внесения процессом 1, а не после сброса измененных данных из кэша на диск. Диспетчер памяти сбрасывает не все страницы, проецируемые на пользовательские пространства, а лишь те, о которых он знает, что они изменены (установлен бит изменения). По этому любой процесс, обращающийся к файлу, всегда видит его самую последнюю версию, даже если одни процессы открыли этот файл через подсистему ввода-вывода, а другие проецируют его на свои адресные пространства с помощью соответствующих Windows-функций.

ПРИМЕЧАНИЕ B силу некоторых причин сетевым редиректорам труднее поддерживать когерентность кэша, чем локальным файловым системам, и они должны реализовать дополнительные операции сброса и очистки кэша. Ha эту тему см. главу 12.

Кэширование виртуальных блоков.

Диспетчеры кэша многих операционных систем (включая Novell NetWare, OpenVMS и ранние версии UNIX) кэшируют данные на основе логических блоков. B этом случае диспетчер кэша отслеживает, какие блоки дискового раздела находятся в кэше. Диспетчер кэша Windows, напротив, использует кэширование виртуальных блоков. Этот метод заключается в том, что диспетчер кэша отслеживает, какие части и каких файлов находятся в кэше. Диспетчер кэша реализует этот метод за счет проецирования их 256-кило-байтных представлений на системную часть виртуальных адресных пространств с помощью специальных процедур диспетчера памяти. Основные преимущества такого подхода описываются ниже.

Появляется возможность реализации интеллектуального опережающего чтения (intellegent read-ahead), так как диспетчер кэша следит за тем, части каких файлов находятся в кэше, и это позволяет ему предсказывать, к какой следующей порции данных обратится вызывающая программа.

Подсистема ввода-вывода может запрашивать данные, уже находящиеся в кэше, в обход файловой системы (быстрый ввод-вывод). Поскольку диспетчеру кэша известно, какие части и каких файлов находятся в кэше, он может вернуть адрес кэшируемых данных для выполнения запроса на ввод-вывод без обращения к файловой системе.

Подробнее об интеллектуальном опережающем чтении и быстром вводе-выводе мы расскажем чуть позже.

Кэширование потоков данных.

B диспетчер кэша заложена поддержка не только кэширования файлов, но и кэширования потоков данных (stream caching) — последовательности байтов в файле. B файлах таких файловых систем, как NTFS, может быть более одного потока данных. Диспетчер кэша поддерживает эти файловые системы за счет независимого кэширования каждого потока. NTFS способна использовать эту функциональность (см. главу 12). И хотя о диспетчере кэша можно сказать, что он кэширует файлы, фактически он кэширует именно потоки данных (в любом файле есть минимум один поток данных), идентифицируемые по имени файла и, если в нем более одного потока, по имени потока.

Поддержка восстанавливаемых файловых систем.

Восстанавливаемые файловые системы вроде NTFS способны реконструировать структуру дискового тома после аварии системы. Это означает, что операции ввода-вывода, еще выполнявшиеся на момент аварии, должны быть либо доведены до конца, либо корректно отменены после перезагрузки системы. Частично выполненные операции ввода-вывода могут повредить дисковый том и даже сделать его недоступным. Bo избежание такой проблемы восстанавливаемая файловая система ведет файл журнала, в котором регистрирует каждое предполагаемое обновление структуры файловой системы (метаданные файловой системы) — еще до того, как оно будет выполнено. Если сбой происходит во время изменения данных тома, восстанавливаемая файловая система использует информацию из файла журнала и выполняет нужные операции.

ПРИМЕЧАНИЕ Термин метаданные относится только к изменениям в структуре файловой системы в результате создания, переименования и удаления файлов и каталогов.

Чтобы обеспечить успешное восстановление тома, каждый элемент (запись) файла журнала, документирующий изменения в данных тома, должен быть записан на диск до самого обновления данных. Поскольку запись на диск кэшируется, файловая система должна взаимодействовать с диспетчером кэша, чтобы гарантировать выполнение следующей последовательности операций.

1. Файловая система заносит в файл журнала запись, документирующую изменение данных тома, которое она собирается выполнить.

2. Файловая система вызывает диспетчер кэша для сброса на диск записи файла журнала.

3. Файловая система записывает в кэш обновленные данные тома, т. е. модифицирует свои кэшируемые метаданные.

4. Диспетчер кэша сбрасывает модифицированные метаданные на диск, обновляя структуру тома. (Ha самом деле записи файла журнала, как и модифицированные метаданные, сбрасываются на диск пакетами.) Записывая данные в кэш, файловая система предоставляет номер логической последовательности (logical sequence number, LSN), который идентифицирует запись файла журнала, соответствующую обновлению кэша. Диспетчер кэша отслеживает эти номера, регистрируя наименьший и наибольший LSN (представляющие первую и последнюю записи файла журнала); такие номера сопоставляются с каждой страницей кэша. Кроме того, потоки данных, защищенные записями журнала транзакций, помечаются NTFS как «не записываемые», чтобы подсистема записи спроецированных страниц не сбросила эти страницы на диск до того, как туда будут сброшены соответствующие записи файла журнала. (Обнаружив помеченную таким образом страницу, подсистема записи спроецированных страниц перемещает ее в специальный список страниц, которые диспетчер кэша сбрасывает на диск в подходящий момент.).

Когда диспетчер кэша готов сбросить на диск группу измененных страниц, он определяет наибольший LSN, сопоставленный со сбрасываемыми на диск страницами, и сообщает его файловой системе. Далее файловая система может ответно вызвать диспетчер кэша и заставить его сбросить данные файла журнала вплоть до точки, представленной указанным LSN. Сбросив данные файла журнала вплоть до указанного LSN, диспетчер кэша сбрасывает на диск и соответствующие обновления в структуре тома, что гарантирует регистрацию предстоящих операций до их выполнения. Таким образом и достигается возможность восстановления дискового тома после аварии системы.

Управление виртуальной памятью кэша.

Поскольку диспетчер кэша Windows кэширует файлы на основе виртуальных блоков, ему передается регион в системной части виртуальных адресных пространств (а не область физической памяти). Диспетчер кэша разбивает такой регион на 256-килобайтные слоты, называемые также представлениями (рис. 11-2). (Подробнее о структуре системного пространства см. главу 7.).

Внутреннее устройство Windows.

При первой операции ввода-вывода (чтения или записи) над файлом диспетчер кэша проецирует на свободный слот адресного пространства системного кэша 256-килобайтное представление области файла, выровненной по границе 256 Кб и содержащей запрошенные данные. Например, если из файла считывается 10 байтов по смещению 300 000 байтов от его начала, то проецируемое представление будет начинаться со смещения 262 144 (вторая область файла, выровненная по границе 256 Кб) и займет 256 Кб.

Диспетчер кэша проецирует представления файлов на слоты адресного пространства кэша по принципу карусели: первое запрошенное представление — на первый 256-килобайтный слот, второе — на второй и т. д. рис. 11-3). B этом примере первым был спроецирован файл В, вторым — А, третьим — С, поэтому проецируемая часть файла B занимает первый слот кэша. Заметьте, что спроецирована лишь первая 256-килобайтная часть файла В, так как обращение было лишь к части файла и так как файл С, размер которого составляет всего 100 Кб, требует выделения своего 256-килобайтного слота кэша.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 11 -3. Файлы различного размера, спроецированные в системный кэш.

Диспетчер кэша гарантирует, что представление проецируется на то время, пока оно активно (хотя представления могут оставаться спроецированными после того, как становятся неактивными). Однако представление помечается как активное, только когда выполняется операция чтения или записи над соответствующим файлом. Если процесс, открывающий файл вызовом CreateFile, не указывает флаг FILE_FLAG_RANDOM_ACCESS, диспетчер кэша прекращает проецировать неактивные представления этого файла при проецировании его новых представлений. Страницы отключенных проекций посылаются в список простаивающих или модифицированных страниц (в зависимости от того, были ли они изменены); при этом диспетчер кэша, используя специальный интерфейс диспетчера памяти, может указать, в каком месте списка следует разместить эти страницы — в конце или в начале.

Страницы, соответствующие представлениям файлов, открытых с флагом FILE_FLAG_SEQUENTIAL_SCAN, перемещаются в начало списков, а все остальные — в конец. Такая схема способствует повторному использованию страниц, которые принадлежат файлам, открытым для последовательного чтения, и заставляет использовать малые объемы физической памяти при копировании больших файлов.

Если диспетчеру кэша требуется спроецировать представление файла, а свободных слотов в кэше нет, он отключает неактивное представление, спроецированное последним, и использует освободившийся слот. B отсутствие таких представлений возвращается ошибка ввода-вывода с сообщением о том, что системных ресурсов для выполнения данной операции недостаточно. Эта ситуация крайне маловероятна, так как возникает только при одновременном доступе к тысячам файлов.

Размер кэша.

B следующих разделах мы объясним, как Windows вычисляет размер системного кэша. Как и в большинстве других вычислений, связанных с управлением памятью, размер системного кэша определяется несколькими факторами, в том числе объемом памяти и конкретным выпуском Windows.

LargeSystemCache.

Как вы увидите в дальнейшем, параметр LargeSystemCache в разделе реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Memory Management влияет как на виртуальный размер кэша, так и на физический. По умолчанию в Windows 2000 Professional и Windows XP это значение равно 0, а в системах Windows Server — 1. B Windows 2000 Server данное значение можно регулировать через GUI, изменяя свойства службы файлового сервера; для этого надо открыть окно свойств сетевого соединения и выбрать File And Printer Sharing For Microsoft Networks (Служба доступа к файлам и принтерам сетей Microsoft). Эта служба имеется и в Windows 2000 Professional, но там ее параметры настраивать нельзя. Ha рис. 11 -4 показано диалоговое окно, через которое в Windows 2000 Server можно изменить объем памяти, выделяемой для локальных и сетевых приложений сетевой службой сервера.

B Windows 2000 Server с установленными Terminal Services (Службы терминала) переключатель Maximize Data Throughput For File Sharing (Макс, пропускная способность доступа к общим файлам), показанный на рис. 11-4, активен по умолчанию, т. е. параметр LargeSystemCache равен 1. При выборе любого другого переключателя параметр LargeSystemCache становится равным 0. Каждый из переключателей диалогового окна File And Printer Sharing For Microsoft Networks Properties влияет не только на поведение системного кэша, но и на службу файлового сервера.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 11 -4. Диалоговое окно FiIe and Printer Sharing for Microsoft Networks Properties, позволяющее изменять свойства сетевой службы сервера.

B Windows XP и Windows Server 2003 модифицировать параметр LargeSystemCache можно через диалоговое окно Performance Options (Параметры быстродействия), которое открывается щелчком кнопки Settings (Параметры) в разделе Performance (Быстродействие) на вкладке Advanced (Дополнительно) апплета System (Система) из Control Panel (Панель управления). B этом диалоговом окне перейдите на очередную вкладку Advanced (Дополнительно). Если в разделе Memory Usage (Использование памяти) вы выбираете System Cache (системного кэша), параметру LargeSystemCache присваивается значение 1, а если вы выбираете Programs (программ) — 0 (рис. 11-5).

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 11 -5. Настройка LargeSystemCache в Windows XP и Windows Server 2003.

Виртуальный размер кэша.

Виртуальный размер системного кэша является функцией объема установленной физической памяти. По умолчанию это значение равно 64 Мб. Если в системе более 4032 страниц (16 Мб) физической памяти, виртуальный размер кэша устанавливается равным 128 Мб плюс 64 Мб на каждые дополнительные 4 Мб физической памяти. Используя этот алгоритм, можно подсчитать виртуальный размер системного кэша на компьютере, например, с 64 Мб физической памяти:

128 Мб + (64 Мб — 16 Мб) / 4 Мб * 64 Мб = 896 Мб.

Минимальный и максимальный виртуальные размеры системного кэша на разных платформах, а также его стартовый и конечный адреса показаны в таблице 11 -1. Если на платформе x86 рассчитанный системой виртуальный размер кэша превышает 512 Мб, он ограничивается 512 Мб; однако при параметре LargeSystemCache, равном 1, в той же ситуации кэшу назначается до 960 Мб виртуальной памяти из дополнительного диапазона адресов, называемого дополнительной памятью кэша (cache extra memory). Основное преимущество выделения под кэш большего объема виртуальной памяти заключается в том, что это позволяет уменьшить число операций проецирования и отмены проецирования представлений при обращении к разным файлам и разным представлениям файлов.

Внутреннее устройство Windows.

B таблице 11-2 перечислены системные переменные, которые содержат виртуальный размер и адрес системного кэша.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр виртуального размера кэша.

Виртуальный размер кэша не показывается каким-либо счетчиком производительности, так что единственный способ узнать его значение — получить содержимое переменной ядра MmSizeOfSystemCacheInPages\

Внутреннее устройство Windows.

B этом примере использована х86-система под управлением Windows XP с параметром LargeSystemCache, равным 0; как видите, виртуальный размер кэша в такой системе составляет 0x20000 страниц. Поскольку на платформе x86 размер страниц равен 4 Кб, под виртуальный кэш выделено 512 Мб из 2-гигабайтного системного адресного пространства.

Размер рабочего набора кэша.

Как уже упоминалось, одно из ключевых отличий архитектуры диспетчера кэша Windows от таковой в других операционных системах — делегирование управления физической памятью диспетчеру памяти. Ввиду этого размером кэша управляет уже имеющийся в операционной системе код, отвечающий за обработку расширения и усечения рабочего набора, а также за управление списками модифицированных и простаивающих страниц.

У системного кэша нет собственного рабочего набора — он использует единый системный набор, в который входят кэш данных, пул подкачиваемой памяти, а также подкачиваемый код Ntoskrnl и драйверов. Как упоминалось в главе 7, этот рабочий набор имеет внутреннее название рабочий набор системного кэша, но системный кэш является лишь одним из его элементов. Поэтому мы будем использовать термин «системный рабочий набор». Также в главе 7 мы обратили ваше внимание на то, что при присвоении параметру реестра LargeSystemCache значения 1 диспетчер памяти отдает предпочтение системному рабочему набору по сравнению с рабочими наборами процессов, выполняемых в системе.

Выяснить физический размер системного кэша, сравнить его с суммарным физическим размером системного рабочего набора, а также получить информацию об ошибках страниц для системного рабочего набора позволяют счетчики производительности или системные переменные, перечисленные в таблице 11-3.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр рабочего набора кэша.

Как показано на листинге ниже, команда !filecacbe отладчика ядра выводит дамп информации о физической памяти, используемой кэшем, текущем и пиковом размерах рабочего набора, количестве действительных страниц, сопоставленных с представлениями, и, где это возможно, имена файлов, проецируемых на представления. (Драйверы файловых систем кэшируют метаданные с помощью безымянных файловых потоков.).

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Физический размер кэша.

Хотя системный рабочий набор включает объем физической памяти, проецируемой на представления в виртуальном адресном пространстве кэша, он не обязательно отражает общий объем файловых данных, кэшируемых в физической памяти. Между этими двумя значениями нередко бывают расхождения, потому что часть файловых данных может находиться в принадлежащем диспетчеру памяти списке простаивающих или модифицированных страниц.

Вспомните из главы 7, что при усечении рабочего набора или замене страниц диспетчер памяти может переместить измененные страницы из рабочего набора в список простаивающих или модифицированных страниц — в зависимости от того, куда должны быть записаны данные, содержащиеся на такой странице, перед ее повторным использованием — в страничный файл или в какой-то другой. Если бы у диспетчера памяти не было таких списков, то всякий раз, когда какой-нибудь процесс обращался бы к данным, ранее удаленным из его рабочего набора, диспетчеру памяти приходилось бы считывать их с диска. A так диспетчер памяти может просто вернуть нужную страницу в рабочий набор процесса (если она, конечно, присутствует в одном из этих списков). To есть списки служат кэшами данных из страничного файла, исполняемых образов или файлов данных. Значит, общий объем файловых данных, кэшируемых в системе, складывается не только из размера системного рабочего набора, но и из размеров списков простаивающих и модифицированных страниц.

Вот пример, иллюстрирующий, как диспетчер кэша способен привести к кэшированию в физической памяти гораздо большего объема файловых данных, чем может содержаться в системном рабочем наборе. Рассмотрим систему, выступающую в роли выделенного файл-сервера. B этой системе имеется 8 Гб физической памяти, и виртуальный размер кэша составляет 960 Мб (максимальный размер в х86-системах). Таким образом, предельный размер файловых данных, которые можно напрямую спроецировать в виртуальную память кэша, составляет 960 Мб. Клиентское приложение обращается к файловым данным на сервере через сеть. Драйвер файл-сервера (\Windows\System32\Drivers\Srv.sys) (см. главу 12) использует интерфейсы диспетчера кэша для чтения и записи файловых данных в интересах клиента. Если клиенты считывают несколько тысяч файлов, каждый размером по 1 Мб, диспетчеру кэша придется повторно использовать представления при проецировании 961-го файла. При последующих операциях чтения он будет отменять проецирование представлений для старых файлов и заново проецировать их для новых. Когда диспетчер кэша отменяет проецирование какого-либо представления, диспетчер памяти не отбрасывает файловые данные в рабочем наборе кэша, соответствующие этому представлению, а перемещает их в список простаивающих страниц. B отсутствие запросов на выделение физической памяти под любые другие задачи список простаивающих страниц может занимать почти всю физическую память за вычетом системного рабочего набора. Иначе говоря, практически все 8 Гб физической памяти сервера будут задействованы для кэширования файловых данных, как показано на рис. 11-6.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 11 -6. Пример использования почти всей физической памяти под файловый кэш.

Поскольку общий объем кэшируемых файловых данных складывается из размеров системного рабочего набора, списка модифицированных страниц и списка простаивающих страниц, а эти размеры контролируются диспетчером памяти, в каком-то смысле его можно назвать истинным диспетчером кэша. Подсистема диспетчера кэша просто предоставляет удобные интерфейсы для доступа к файловым данным через диспетчер памяти и определяет политики опережающего чтения (read-ahead) и отложенной записи (write-behind), которые влияют на то, какие данные диспетчер памяти будет удерживать в физической памяти.

Для более точного отображения полного объема файловых данных, кэшируемых в системе, диспетчер задач и Process Explorer предоставляют параметр System Cache (Системный кэш), отражающий суммарный размер системного рабочего набора и списков простаивающих и модифицированных страниц. Пример для Process Explorer представлен на рис. 11-7.

Внутреннее устройство Windows.

Структуры данных кэша.

Для отслеживания кэшируемых файлов диспетчер кэша использует следующие структуры данных.

Каждый 256-килобайтный слот системного кэша описывается VACB.

У каждого отдельно открытого кэшируемого файла есть закрытая карта кэша с информацией, применяемой для контроля опережающего чтения.

Каждый кэшируемый файл имеет общую структуру карты кэша, которая указывает на слоты системного кэша, содержащие проецируемые представления файла.

Эти структуры и их взаимосвязи описываются в следующих разделах.

Общесистемные структуры данных кэша.

Диспетчер кэша отслеживает состояние спроецированных на системный кэш представлений с помощью массива структур данных, называемых блоками управления виртуальными адресами (virtual address control blocks, VACB). При инициализации системы диспетчер кэша выделяет часть пула неподкачиваемой памяти под VACB, необходимые для описания системного кэша. Адрес массива VACB запоминается в переменной CcVacbs. Каждый VACB описывает одно 256-килобайтное представление в системном кэше (рис. 11-8). Структура VACB показана на рис. 11-9.

Внутреннее устройство Windows.

Как видно на рис. 11-9, в первом поле VACB содержится виртуальный адрес данных системного кэша. Второе поле является указателем на общую (совместно используемую) структуру карты кэша, которая идентифицирует кэшируемый файл. Третье поле определяет смещение начала представления (внутри файла). Наконец, VACB содержит счетчик ссылок на представление, т. е. число активных операций чтения или записи над данным представлением. При выполнении операции ввода-вывода над файлом счетчик ссылок VACB увеличивается на 1, а по окончании такой операции уменьшается на 1. Когда счетчик ссылок не равен 0, VACB считается активным. B случае обращения к метаданным файловой системы счетчик активных операций отражает число драйверов файловых систем, которые владеют заблокированными в памяти страницами данного представления.

Структуры данных кэша, индивидуальные для каждого файла.

Каждому открытому описателю файла соответствует объект «файл» (см. главу 9). Если файл кэшируется, его объект «файл» указывает на структуру закрытой карты кэша (private cache map), которая содержитдва адреса, по которым в последний раз происходило чтение данных. Кроме того, все закрытые карты кэша для открытых экземпляров файла связаны друг с другом.

У каждого кэшируемого файла (в противоположность объекту «файл») есть структура общей карты кэша (shared cache map), которая описывает состояние кэшируемого файла, в том числе его размер и (из соображений безопасности) длину его действительных данных. (O назначении поля длины действительных данных файла см. раздел «Кэширование с обратной записью и отложенная запись» далее в этой главе). Общая карта кэша также указывает на объект-раздел (поддерживаемый диспетчером памяти и описывающий проекцию файла на виртуальную память), список закрытых карт памяти, сопоставленных с этим файлом, и все VACB, описывающие представления файлов, проецируемые в данный момент на системный кэш. Взаимосвязи между этими структурами данных показаны на рис. 11–10.

При запросе на чтение данных из какого-либо файла диспетчер кэша должен ответить на два вопроса.

1. Находится ли файл в кэше?

2. Если да, то какие VACB (если таковые есть) ссылаются на запрошенный адрес?

Иначе говоря, диспетчер кэша должен выяснить, проецируется ли представление файла (с нужным смещением) на системный кэш. Если ни один VACB не содержит нужное смещение в файле, запрошенные данные в настоящий момент не проецируются на системный кэш.

Для учета представлений данного файла, проецируемых на системный кэш, диспетчер кэша поддерживает массив указателей на VACB — массив индексов VACB (VACB index array). Первый элемент массива индексов VACB ссылается на первые 256 Кб файла, второй — на следующие 256 Кб и т. д.

Схема на рис. 11–11 иллюстрирует четыре раздела из трех файлов, проецируемых в данный момент на системный кэш.

Когда процесс обращается к файлу по заданному адресу, диспетчер кэша ищет подходящий элемент в массиве индексов VACB для этого файла, чтобы определить, проецируются ли на кэш запрошенные данные. Если элемент массива отличен от 0 (и, следовательно, содержит указатель на VACB), нужная область файла находится в кэше. VACB в свою очередь указывает на адрес, по которому на системный кэш проецируется представление файла. A если элемент массива равен 0, диспетчер кэша должен найти в системном кэше свободный слот (а значит, свободный VACB) для проецирования необходимого представления.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 11–10. Структуры данных кэша, индивидуальные для файлов.

Для оптимизации своего размера общая карта кэша содержит массив индексов VACB из 4 элементов. Поскольку каждый VACB описывает 256 Кб, элементы этого компактного массива индексов фиксированного размера могут указывать на элементы массива VACB, которые в совокупности способны описывать файл размером до 1 Мб. Если размер файла превышает 1 Мб, из неподкачиваемого пула выделяется память под отдельный массив индексов VACB; его размер определяется делением размера файла на 256 Кб с последующим округлением результата до ближайшего большего целого значения. После этого общая карта кэша указывает на данную структуру.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 11–11. Массивы индексов VACB.

Если длина файла превышает 32 Мб, то для еще большей оптимизации массив индексов VACB, созданный в пуле неподкачиваемой памяти, становится разреженным многоуровневым массивом индексов (sparse multilevel index array), в котором каждый массив индексов состоит из 128 элементов. Число уровней, необходимых для файла, вычисляется по формуле:

(Разрядность значения, отражающего длину файла — 18) / 7.

Полученное значение надо округлить до ближайшего большего целого. Число 18 в уравнении обусловлено тем, что VACB представляет 256 Кб, а 256 Кб — это 218. Наконец, число 7 присутствует в уравнении потому, что каждый уровень массива состоит из 128 элементов, а 128 — это 27. Следовательно, файл максимальной длины, которая может быть описана как 263 (максимальный размер, поддерживаемый диспетчером кэша), потребует всего 7 уровней. Массив является разреженным, так какдиспетчер кэша создает ветви лишь для активных представлений на самом низком уровне массива индексов. Ha рис. 11–12 показан пример многоуровневого массива VACB для разреженного файла, размер которого требует для описания 3 уровня.

Такая схема нужна для эффективной обработки разреженных файлов, которые могут достигать очень больших размеров и в которых лишь малая часть может быть занята действительными данными; поэтому в массиве выделяется ровно столько места, сколько нужно для проецируемых в данный момент представлений файла. Например, разреженный файл размером 32 Гб, у которого только 256 Кб проецируются на виртуальное адресное пространство кэша, потребует массив VACB с тремя массивами индексов, поскольку лишь одна ветвь массива имеет проекцию, а для файла длиной 32 Гб (235 байтов) нужен трехуровневый массив. Если бы диспетчер кэша не оптимизировал многоуровневые массивы VACB, для этого файла пришлось бы создать массив VACB со 128 000 элементов, что эквивалентно 1000 массивам индексов.

Внутреннее устройство Windows.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр общей и закрытых карт кэша.

Команда dt отладчика ядра позволяет увидеть определения структур данных общей и закрытой карт кэша в работающей системе. Во-первых, выполните команду !filecache и найдите запись в выводе VACB с именем известного вам файла. B нашем примере таковым будет справочный файл из Debugging Tools for Windows:

8653C828 120 160 0 0 debugger.chm.

Первый адрес указывает местонахождение структуры данных области управления (control area), с помощью которой диспетчер памяти отслеживает диапазон адресов. (Более подробные сведения см. в главе 7.) B области управления хранится указатель на объект «файл», соответствующий представлению в кэше. Объект «файл» идентифицирует экземпляр открытого файла — в данном случае справочного файла из Debugging Tools for Windows. Теперь, чтобы увидеть структуру области управления, введите следующую команду с адресом идентифицированного вами элемента в этой области:

Внутреннее устройство Windows.

Потом изучите объект «файл», на который ссылается область управления:

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Интерфейсы файловых систем.

При первом обращении к файловым данным для чтения или записи драйвер файловой системы должен определить, проецируются ли нужные части файла на системный кэш. Если нет, драйвер файловой системы должен вызвать функцию CcInitializeCacheMap для подготовки индивидуальных для каждого файла структур данных кэша.

Далее драйвер файловой системы вызывает одну из нескольких функций для доступа к данным файла. Существует три основных метода доступа к кэшируемым данным, каждый из которых рассчитан на применение в определенной ситуации:

копирование (copy method) — пользовательские данные копируются между буферами кэша в системном пространстве и буфером процесса в пользовательском пространстве;

проецирование и фиксация (mapping and pinning method) — данные считываются и записываются прямо в буферы кэша по виртуальным адресам;

обращение к физической памяти (phisycal memory access method) — данные считываются и записываются прямо в буферы кэша по физическим адресам.

Чтобы избежать бесконечного цикла при обработке диспетчером памяти ошибки страницы, драйверы файловых систем должны поддерживать два варианта чтения файлов — с кэшированием и без. B таких случаях диспетчер памяти вызывает файловую систему для получения данных из файла (через драйвер устройства) и запрашивает операцию чтения без кэширования, устанавливая в IRP флаг «no cache».

Рис. 11–13 иллюстрирует типичное взаимодействие между диспетчером кэша, диспетчером памяти и драйверами файловой системы в ответ на пользовательские операции файлового ввода-вывода (чтения или записи). Диспетчер кэша вызывается файловой системой через интерфейсы копирования (функции CcCopyRead и CcCopyWrite). Чтобы обработать, например, операцию чтения, инициированную через CcFastCopyRead или CcCopyRead, диспетчер кэша создает представление в кэше для проецирования части запрошенного файла и считывает файловые данные в пользовательский буфер, копируя их из представления. Операция копирования генерирует ошибки страниц по мере обращения к каждой ранее недействительной странице в представлении, и в ответ диспетчер памяти инициирует ввод-вывод без кэширования, используя драйвер файловой системы для выборки данных, соответствующих части файла, спроецированной на ту страницу, которая оказалась недействительной.

Внутреннее устройство Windows.

Рис. 11–13. Взаимодействие файловой системы с диспетчерами кэша и памяти.

B следующих трех разделах мы рассмотрим все три ранее упомянутых механизма доступа к кэшу, их предназначение и принципы использования.

Копирование данных в кэш и из него.

Поскольку системный кэш находится в системном пространстве, он проецируется на адресное пространство каждого процесса. Однако, как и любые другие страницы системного пространства, страницы кэша недоступны в пользовательском режиме, поскольку иначе в защите появилась бы потенциальная дыра. (Например, процесс, не имеющий соответствующих прав, мог бы считать данные из файла, который находится в какой-либо части системного кэша.) Таким образом, операции чтения и записи пользовательских приложений в файлы должны обслуживаться процедурами режима ядра, которые копируют данные между буферами кэша в системном пространстве и буферами приложения, расположенными в адресном пространстве процесса. Функции, которые драйверы файловой системы могут использовать для выполнения этих операций, перечислены в таблице 11 -4.

Внутреннее устройство Windows.

Активность операций чтения из кэша можно увидеть через счетчики производительности и системные переменные, представленные в таблице 11-5.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Кэширование с применением интерфейсов проецирования и фиксации.

По мере чтения и записи данных в дисковые файлы пользовательскими приложениями драйверы файловых систем должны считывать и записывать данные, описывающие сами файлы (метаданные, или данные о структуре тома). Так как драйверы файловых систем выполняются в режиме ядра, они могут модифицировать данные непосредственно в системном кэше при условии уведомления об этом диспетчера кэша. Для поддержки такой оптимизации диспетчер кэша предоставляет функции, перечисленные в таблице 11-6. Эти функции позволяют драйверам файловых систем находить в виртуальной памяти нужные метаданные и напрямую модифицировать их без использования промежуточных буферов.

Внутреннее устройство Windows.

Если драйверу файловой системы нужно считать метаданные из кэша, он вызывает интерфейс диспетчера кэша, отвечающий за проецирование, чтобы получить виртуальный адрес требуемых данных. Диспетчер кэша подгружает в память все запрошенные страницы и возвращает управление драйверу файловой системы. После этого драйвер может напрямую обращаться к данным.

Если драйверу файловой системы необходимо модифицировать страницы кэша, он вызывает сервисы диспетчера кэша, отвечающие за фиксацию модифицируемых страниц в памяти. Ha самом деле эти страницы не блокируются в памяти (как это происходит в тех случаях, когда драйвер устройства блокирует страницы для передачи данных с использованием прямого доступа к памяти). По большей части драйвер файловой системы помечает их поток метаданных как «no write», сообщая подсистеме записи модифицированных страниц диспетчера памяти (см. главу 7) не сбрасывать страницы на диск до тех пор, пока не будет явно указано иное. После отмены фиксации страниц диспетчер кэша сбрасывает на диск все измененные страницы и освобождает представление кэша, которое было занято метаданными.

Интерфейсы проецирования и фиксации решают одну сложную проблему реализации файловых систем — управление буферами. B отсутствие возможности прямых операций над кэшированными метаданными файловая система была бы вынуждена предугадывать максимальное число буферов, которое понадобится ей для обновления структуры тома. Обеспечивая файловой системе прямой доступ к ее метаданным и их изменение непосредственно в кэше, диспетчер кэша устраняет потребность в буферах и просто обновляет структуру тома в виртуальной памяти, предоставленной диспетчером памяти. Единственным ограничением файловой системы в этом случае является объем доступной памяти.

Вы можете наблюдать за интенсивностью операций, связанных с фиксацией и проецированием в кэше, с помощью счетчиков производительности и системных переменных, перечисленных в таблице 11-7.

Внутреннее устройство Windows. Внутреннее устройство Windows.

Кэширование с применением прямого доступа к памяти.

B дополнение к интерфейсам проецирования и фиксации, используемым при прямом обращении к кэшированным метаданным, диспетчер кэша предоставляет третий интерфейс — прямой доступ к памяти (direct memory access, DMA). Функции DMA применяются для чтения или записи страниц кэша без промежуточных буферов, например сетевой файловой системой при передаче данных по сети.

Интерфейс DMA возвращает файловой системе физические адреса кэшируемых пользовательских данных (а не виртуальные, которые возвращаются интерфейсами проецирования и фиксации), и эти адреса могут быть использованы для прямой передачи данных из физической памяти на сетевое устройство. Хотя при передаче небольших порций данных (1–2 Кб) можно пользоваться обычными интерфейсами копирования на основе буферов, при передаче больших объемов данных интерфейс DMA значительно повышает быстродействие сетевого сервера, обрабатывающего файловые запросы от удаленных систем.

Для описания ссылок на физическую память служит список дескрипторов памяти (memory descriptor list, MDL) (см. главу 7). DMA-интерфейс диспетчера кэша состоит их четырех функций (таблица 11-8).

Внутреннее устройство Windows.

Вы можете исследовать активность, связанную с MDL-чтением из кэша, через счетчики производительности или системные переменные, перечисленные в таблице 11-9.

Внутреннее устройство Windows.

Быстрый ввод-вывод.

Операции чтения и записи, выполняемые над кэшируемыми файлами, по возможности обрабатываются с применением высокоскоростного механизма — быстрого ееода-вывода (fast I/O). Как уже говорилось в главе 9, быстрый ввод-вывод обеспечивает чтение и запись кэшируемых файлов без генерации IRR При использовании этого механизма диспетчер ввода-вывода вызывает процедуру быстрого ввода-вывода, принадлежащую драйверу файловой системы, и определяет, можно ли удовлетворить ввод-вывод непосредственно из кэша без генерации IRR.

Поскольку диспетчер кэша в архитектуре системы размещается поверх подсистемы виртуальной памяти, драйверы файловых систем могут использовать этот диспетчер для доступа к данным путем простого копирования их в страницы (или из страниц), проецируемые на тот файл, на который ссылается пользовательская программа, без генерации IRR.

Быстрый ввод-вывод возможен не всегда. Например, первая операция чтения или записи требует подготовки файла к кэшированию (его проецирования на кэш и создания структур данных кэша, описанных в разделе «Структуры данных кэша» ранее в этой главе). Быстрый ввод-вывод не применяется и в том случае, если вызывающий поток указывает асинхронное чтение или запись, поскольку этот поток может быть приостановлен в ходе операций ввода-вывода, связанных с подкачкой и необходимых для копирования буферов в системный кэш (и из него), и фактически синхронного выполнения запрошенной операции асинхронного ввода-вывода. Однако даже при синхронном вводе-выводе драйвер файловой системы может решить, что обработка запрошенной операции по механизму быстрого ввода-вывода недопустима, если, например, в нужном файле заблокирован какой-то диапазон байтов (в результате вызова Windows-функции LockFile). Поскольку диспетчер кэша не знает, какие части и каких файлов блокированы, драйвер файловой системы должен проверить возможность чтения или записи запрошенных данных, а это требует генерации IRR Алгоритм принятия решений показан на рис. 11–14.

Внутреннее устройство Windows.

Обслуживание чтения или записи с использованием быстрого ввода-вывода включает следующие операции.

1. Поток выполняет операцию чтения или записи.

2. Если файл кэшируется и указан синхронный ввод-вывод, запрос передается входной точке быстрого ввода-вывода драйвера файловой системы. Если файл не кэшируется, драйвер файловой системы готовит файл к кэшированию, чтобы выполнить следующий запрос на чтение или запись за счет быстрого ввода-вывода.

3. Если процедура драйвера файловой системы, отвечающая за быстрый ввод-вывод, определяет, что быстрый ввод-вывод возможен, она вызывает процедуру чтения или записи диспетчера кэша для прямого доступа к данным кэша. (Если быстрый ввод-вывод невозможен, драйвер файловой системы возвращает управление подсистеме ввода-вывода, которая затем генерирует IRP и в конечном счете вызывает в файловой системе обычную процедуру чтения.).

4. Диспетчер кэша транслирует переданное смещение в файле в виртуальный адрес данных в кэше.

5. При операциях чтения диспетчер кэша копирует данные из кэша в буфер процесса, а при операциях записи — из буфера процесса в кэш.

6. Выполняется одна из следующих операций:

при операциях чтения из файла, при открытии которого не был установлен флаг FILE_FLAG_RANDOM_ACCESS, в закрытой карте кэша вызывающего потока обновляется информация, необходимая для опережающего чтения;

при операциях записи устанавливается бит изменения у всех модифицированных страниц кэша, чтобы подсистема отложенной записи сбросила эти страницы на диск;

для файлов, требующих сквозной записи, все измененные данные немедленно сбрасываются на диск.

ПРИМЕЧАНИЕ Быстрый ввод-вывод возможен не только в тех случаях, когда запрошенные данные уже находятся в физической памяти. Как видно из пп. 5 и 6 предыдущего списка, диспетчер кэша просто обращается по виртуальным адресам уже открытого файла, где он предполагает найти нужные данные. Если происходит промах кэша, диспетчер памяти динамически подгружает эти данные в физическую память.

Счетчики производительности и системные переменные, перечисленные в таблице 11–10, позволяют наблюдать за операциями быстрого ввода-вывода в системе.

Внутреннее устройство Windows.

Опережающее чтение и отложенная запись.

Здесь вы увидите, как диспетчер кэша реализует чтение и запись файловых данных в интересах драйверов файловых систем. Учтите, что диспетчер кэша участвует в файловом вводе-выводе только при открытии файла без флага FILE_FLAG_NO_BUFFERING и последующем чтении или записи через Windows-функции ввода-вывода (например, функции ReadFile и WriteFile). Кроме того, диспетчер кэша не имеет дела с проецируемыми файлами, а также с файлами, открытыми с флагом FILE_FLAG_NO_BUFFERING.

Интеллектуальное опережающее чтение.

Для реализации интеллектуального опережающего чтения (intelligent read-ahead) диспетчер кэша использует принцип пространственной локальности (spatial locality); исходя из данных, которые вызывающий процесс считывает в данный момент, диспетчер кэша пытается предсказать, какие данные тот будет считывать в следующий раз. Поскольку системный кэш опирается на использование виртуальных адресов, непрерывных для конкретного файла, их непрерывность в физической памяти не имеет значения. Реализация опережающего чтения файлов при кэшировании на основе логических блоков была бы гораздо сложнее и потребовала бы тесной координации между драйверами файловых систем и кэшем, поскольку такая система кэширования опирается на относительные позиции затребованных данных на диске, а файлы вовсе не обязательно хранятся в непрерывных областях диска. Активность, связанную с опережающим чтением, можно исследовать с помощью счетчика производительности Cache: Read Aheads/Sec (Кэш: Упреждающих чтений/сек) или системной переменной CcReadAheadIos.

Считывание следующего блока файла, к которому происходит последовательное обращение, дает очевидные преимущества. Чтобы распространить эти преимущества и на случаи произвольного (прямого) доступа к данным (в направлении вперед или назад), диспетчер кэша запоминает последние два запроса на чтение в закрытой карте кэша, сопоставленной с описателем файла, к которому обращается программа. Этот метод называется асинхронным опережающим чтением с хронологией. Диспетчер кэша пытается выявить какую-то закономерность в операциях прямого чтения вызывающей программы. Например, если вызывающая программа считывает сначала страницу 4000, затем 3000, диспетчер кэша предполагает, что в следующий раз будет затребована страница 2000, и заблаговременно считывает ее в кэш.

ПРИМЕЧАНИЕ Хотя предсказание возможно лишь на основе последовательности из трех операций чтения минимум, в закрытой карте кэша запоминаются только две из них.

Чтобы еще больше повысить эффективность опережающего чтения, Windows-функция CreateFile поддерживает флаг последовательного доступа к файлу, FILE_FLAG_SEQUENTIAL_SCAN. Если этот флаг задан, диспетчер кэша не ведет хронологию чтения для предсказаний, выполняя вместо этого последовательное опережающее чтение. Ho по мере считывания файла в рабочий набор кэша диспетчер кэша удаляет проекции неактивных представлений файла и командует диспетчеру памяти переместить страницы, принадлежавшие удаленным проекциям, в начало списка простаивающих или модифицированных страниц (если страницы изменены), чтобы впоследствии их можно было быстро использовать повторно. Он также заранее считывает двукратный объем данных (например, 128 Кб вместо 64 Кб). По мере того как вызывающий поток продолжает считывать данные, диспетчер кэша считывает дополнительные блоки данных, всегда опережая вызывающий поток на один блок, равный текущему запрошенному.

B этом случае опережающее чтение выполняется диспетчером кэша асинхронно, так как это делается в контексте отдельного потока, выполняемого параллельно с вызывающим потоком. Когда диспетчер кэша вызывается для выдачи кэшированных данных, он сначала обращается к запрошенной виртуальной странице, чтобы удовлетворить запрос, а затем ставит в очередь системного рабочего потока еще один запрос на ввод-вывод для выборки дополнительной порции данных. Далее рабочий поток выполняется в фоновом режиме и считывает дополнительные данные, упреждая следующий запрос вызывающего потока. Заранее считанные страницы загружаются в память параллельно выполнению пользовательской программы, так что на момент выдачи ее потоком очередного запроса эти данные уже находятся в памяти.

B случае приложений, для которых невозможно предсказать схему чтения данных, функция CreateFile предусматривает флаг FILE_FLAG_RANDOM_ ACCESS. Этот флаг запрещает диспетчеру кэша предсказание адресов следующих операций чтения и тем самым отключает опережающее чтение. Этот флаг также предотвращает агрессивное удаление диспетчером кэша проекций представлений файла по мере обращения к его (файла) данным, что минимизирует число операций проецирования/удаления проекций, выполняемых над файлом при повторном обращении приложения к тем же областям файла.

Кэширование с обратной записью и отложенная запись.

Диспетчер кэша реализует кэш с обратной отложенной записью (write-back cache with lazy write). Это означает, что данные, записываемые в файлы, сначала хранятся в страницах кэша в памяти, а потом записываются на диск. Таким образом, записываемые данные в течение некоторого времени накапливаются, после чего сбрасываются на диск пакетом, что уменьшает общее число операций дискового ввода-вывода.

Для сброса страниц кэша диспетчер кэша должен явно вызвать диспетчер памяти, поскольку в ином случае тот записывает на диск содержимое памяти только при нехватке физической памяти. Ho, если процесс модифицирует кэшируемые данные, пользователь ожидает, что изменения будут своевременно отражены на диске.

Выбор частоты сброса кэша очень важен. Если слишком часто сбрасывать кэш, быстродействие системы снизится из-за дополнительного ввода-вывода. A при слишком редком сбросе кэша появится риск потери модифицированных файловых данных в случае аварии системы и нехватки физической памяти (которая будет занята чрезмерно большим количеством модифицированных страниц).

Чтобы избежать этих крайностей, раз в секунду в системном рабочем потоке выполняется функция отложенной записи диспетчера кэша, которая сбрасывает на диск (точнее, ставит в очередь на запись) одну восьмую часть измененных страниц системного кэша. Если измененные страницы появляются быстрее, чем сбрасываются, подсистема отложенной записи дополнительно сбрасывает соответствующее дополнительное количество измененных страниц. Реальные операции ввода-вывода выполняются системными рабочими потоками из пула общесистемных критичных рабочих потоков.

ПРИМЕЧАНИЕ Диспетчер кэша предоставляет драйверам файловой системы средства, позволяющие отслеживать, когда и сколько данных было записано в файл. После того как подсистема отложенной записи сбрасывает на диск измененные страницы, диспетчер кэша уведомляет об этом файловую систему, чтобы она обновила свое значение для длины действительных данных файла. (Диспетчер кэша и файловые системы раздельно отслеживают длину действительных данных для файла в памяти.).

Наблюдать за активностью подсистемы отложенной записи позволяют счетчики производительности или системные переменные, перечисленные в таблице 11–11.

Внутреннее устройство Windows.

Отключение отложенной записи для файла.

Если вы создаете временный файл вызовом Windows-функции CreateFile с флагом FILE_ATTRIBUTE_TEMPORARY, подсистема отложенной записи не станет записывать измененные страницы этого файла на диск, пока не возникнет существенная нехватка физической памяти или пока файл не будет явно сброшен на диск. Эта особенность подсистемы отложенной записи повышает быстродействие системы: данные, которые в конечном счете могут быть отброшены, на диск сразу не записываются. Приложения обычно удаляют временные файлы вскоре после закрытия.

Принудительное включение в кэше сквозной записи на диск.

Поскольку некоторые приложения не терпят ни малейших задержек между записью в файл и реальным обновлением данных на диске, диспетчер кэша поддерживает кэширование со сквозной записью (write-through caching), включаемое для каждого объекта «файл» индивидуально; при этом изменения записываются на диск по мере их внесения. Чтобы включить кэширование со сквозной записью, при вызове функции CreateFile надо установить флаг FILE_FLAG_WRITE_THROUGH. B качестве альтернативы поток может явно сбрасывать на диск измененные данные вызовом Windows-функции FlushFileBuffers. Вы можете наблюдать за операциями сброса кэша в результате запросов на сквозной ввод-вывод или явных вызовов FlushFileBuffers через счетчики производительности или системные переменные, перечисленные в таблице 11–12.

Внутреннее устройство Windows.

Сброс проецируемых файлов.

Если подсистема отложенной записи должна записать на диск данные из представления, проецируемого и на адресное пространство другого процесса, ситуация несколько усложняется. Дело в том, что диспетчеру кэша известны лишь страницы, модифицированные им самим. (O страницах, модифицированных другим процессом, знает только этот процесс, так как биты изменения этих страниц находятся в элементах таблиц страниц, принадлежащих исключительно процессу.) Чтобы справиться с этой ситуацией, диспетчер памяти посылает диспетчеру кэша соответствующее уведомление в тот момент, когда пользователь проецирует какой-либо файл. При сбросе такого файла из кэша (например, в результате вызова Windows-функции FlushFileBuffers) диспетчер кэша записывает на диск модифицированные страницы из кэша, а затем проверяет, не спроецирован ли этот файл другим процессом. Если да, диспетчер кэша сбрасывает все представление раздела для того, чтобы записать любые страницы, которые мог модифицировать второй процесс. Если пользователь заканчивает проецировать представление файла, открытого и в кэше, модифицированные страницы помечаются как измененные, чтобы при последующем сбросе представления подсистемой отложенной записи эти страницы были записаны на диск. Такой алгоритм действует всякий раз, когда возникает следующая последовательность событий.

1. Пользователь удаляет проекцию представления.

2. Процесс сбрасывает файловые буферы.

При ином порядке событий предсказать, какие страницы будут записаны на диск, нельзя.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдение за операциями сброса кэша.

Вы можете увидеть, как диспетчер кэша проецирует представления в системный кэш и сбрасывает страницы на диск, запустив оснастку Performance (Производительность) и добавив счетчики Data Maps/sec (Отображений данных/сек) и LazyWrite Flushes/sec (Сбросов ленивой записи/сек), а затем скопировав большой файл из одного места в другое. Ha следующей иллюстрации показаны графики, относящиеся к Data Maps/sec (верхний) и к LazyWrite Flushes/sec (нижний).

Внутреннее устройство Windows.

Дросселирование записи.

Файловая система и диспетчер кэша должны определять, повлияет ли запрос кэшированной записи на производительность системы, и исходя из этого планировать отложенные операции записи. Сначала файловая система через функцию CcCanIWrite выясняет у диспетчера кэша, можно ли записать определенное число байтов прямо сейчас без ущерба для производительности, и при необходимости блокирует запись. Далее она настраивает обратный вызов диспетчера кэша для автоматической записи данных на диск, когда запись вновь будет разрешена вызовом CcDeferWrite. Получив уведомление о предстоящей операции записи, диспетчер кэша определяет, сколько измененных страниц находится в кэше и какой объем физической памяти доступен. Если свободных физических страниц мало, диспетчер кэша немедленно блокирует поток файловой системы, выдавший запрос на запись данных в кэш. Подсистема отложенной записи сбрасывает часть измененных страниц на диск, после чего разрешает продолжить выполнение блокированного потока файловой системы. Такой механизм, называемый дросселированием записи (write throttling), предотвращает падение быстродействия системы из-за нехватки памяти при операциях записи большого объема данных, инициируемых файловой системой или сетевым сервером.

ПРИМЕЧАНИЕ Дросселирование записи оказывает глобальное влияние на систему, так как ресурс, на котором основан этот механизм, — свободная физическая память — является глобальным. И если интенсивная запись на медленное устройство вызывает дросселирование, это распространяется на операции записи и на другие устройства.

Пороговое число измененных страниц (dirty page threshold) — это количество страниц, хранимых системным кэшем в памяти, по достижении которого пробуждается поток подсистемы отложенной записи для сброса страниц на диск. Это значение вычисляется при инициализации системы и зависит от объема физической памяти и параметра реестра LargeSystemCache, как мы уже объясняли.

Алгоритм расчета порогового числа измененных страниц представлен в таблице 11–13. Результат расчета с использованием этого алгоритма игнорируется, если максимальный размер системного рабочего набора превышает 4 Мб, — а именно так зачастую и происходит. (Определение малого, среднего и большого объема системной памяти см. в главе 7.) Когда максимальный размер рабочего набора превышает 4 Мб, пороговое число измененных страниц устанавливается равным максимальному размеру системного рабочего набора за вычетом 2 Мб.

Внутреннее устройство Windows.

Дросселирование записи также полезно для сетевых редиректоров, передающих данные по медленным коммуникационным каналам. Вообразите, например, локальный процесс, записывающий большой объем данных в удаленную файловую систему по каналу, работающему со скоростью 9600 бод. Данные не попадут на удаленный диск, пока подсистема отложенной записи диспетчера кэша не сбросит кэш на диск. Если редиректор накапливает много измененных страниц, одновременно сбрасываемых на диск, на принимающей стороне может истечь время ожидания данных до окончания их передачи. Развитие событий по такому сценарию можно предотвратить с помощью функции диспетчера кэша CcSetDirtyPageTbresbold, позволяющей сетевым редиректорам устанавливать лимит на количество измененных страниц, которые можно накапливать без сброса на диск. Ограничивая число измененных страниц, редиректор гарантирует, что операции сброса кэша не вызовут таймаута.

ПРИМЕЧАНИЕ B Windows XP и выше сетевые редиректоры не задают пороговое значение измененных страниц, вместо этого полагаясь на системные значения по умолчанию.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр параметров дросселирования записи.

Команда !defwrites отладчика ядра выводит дамп значений переменных ядра, используемых диспетчером кэша для определения момента дросселирования операций записи.

Внутреннее устройство Windows.

Как видите, число измененных страниц близко к пороговому значению, при котором начинается дросселирование записи (CcDirtyPageTbreshold), и поэтому, если бы в ходе эксперимента процесс попытался записать более 12 страниц (48 Кб), эти операции были бы отложены до тех пор, пока подсистема отложенной записи не уменьшила бы число измененных страниц.

Системные потоки.

Как уже говорилось, диспетчер кэша выполняет отложенную запись и опережающее чтение, передавая запросы в общий пул критичных системных рабочих потоков. Однако в системах с малым и средним объемом памяти он использует на один поток меньше общего количества критичных системных рабочих потоков, а в системах с большим объемом памяти — на два.

Внутренне диспетчер кэша организует свои запросы в два списка (которые все равно обслуживаются одним и тем же набором рабочих потоков исполнительной системы):

экспресс-очередь (express queue) — для операций опережающего чтения;

регулярная очередь (regular queue) — для отложенной записи измененных данных, подлежащих сбросу, обратной записи и отложенного закрытия файлов.

Чтобы отслеживать рабочие элементы, направленные рабочим потокам, диспетчер кэша создает собственный ассоциативный список (индивидуальный для каждого процессора и имеющий фиксированную длину) структур рабочих элементов, поставленных в очереди рабочих потоков (ассоциативные списки обсуждаются в главе 7). Число элементов в очереди рабочего потока определяется объемом системной памяти и для систем Windows Professional составляет 32,64 или 128 в системах с малым, средним или большим объемом памяти соответственно (для систем Windows Server с большим объемом памяти — 256).

Резюме.

Диспетчер кэша предоставляет быстродействующий интеллектуальный механизм для уменьшения интенсивности дискового ввода-вывода и увеличения общей пропускной способности системы. Осуществляя кэширование на основе виртуальных блоков, диспетчер кэша может выполнять интеллектуальное опережающее чтение. Используя для обращения к файловым данным механизм проецирования файлов, диспетчер кэша предоставляет специальный механизм для быстрого ввода-вывода, который уменьшает нагрузку на процессор при выполнении операций чтения и записи и позволяет возложить все управление физической памятью на диспетчер памяти. A это избавляет от дублирования кода и повышает эффективность работы операционной системы.