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1 Operating System 2 情報メディア学科 岩井将行 OS TDU FI iwai class 1

2 前回課題本日 9:20 まで 演習 2, 演習 3 をオンラインで堤出すること g オンラインで堤出できなかった人は紙を印刷して堤出 演習 2, 演習 3 をA4 1 ページ以上に印刷して次回堤出すること 学籍番号 大学メールアドレス 氏名を記載すること OS TDU FI iwai class 2

3 演習 2 PC のスペックを調べてみよう 自分のある PCのスペックを調べて テンプレートをうめてください メーカー, 名前 HDD/SSD( 容量 ),CPU( 種類 周波数 ), メモリ ( 容量 ),OS 重量, 画面 ( 大きさ 解像度 ), ドライブ ( タイプ 規格 ), バッテリー接続時間 幅 高さ 奥行き OS TDU FI iwai class 3

4 演習 3 出力装置をできるだけ多く記載してみよう できるだけ面白そうな出力デバイスを探してみよう OS TDU FI iwai class 4

5 資料ダウンロード先 ac x.php?classes%2f2015os p Or OS TDU FI iwai class 5

6 講師 慶應義塾大学卒 2012 東京大学生産技術研究所助教 2013 東京電機大学未来科学部情報メディア学科准教授 1 号館 11F 11107B 実空間コンピューティング研究室 Facebook /masa.iwai Iwai あっとまーく im.dendai.ac.jp OS TDU FI iwai class 6

7 TA SA 副手 野中 naoki[atmark]cps.im.dendai.ac.jp 実空間コンピューティング研究室 東京電機大学大学院未来科学研究科情報メディア学専攻 M1 OS TDU FI iwai class 7

8 良く遊び よく学び 社会を知る メッセージ 新しいことに挑戦する OS TDU FI iwai class 8

9 OS 概論 オペレーティングシステム (Operating System OS) はCPUやメモリ 周辺機器であるキーボードやディスプレイなどを管理して ユーザにそれらデバイスへのインタフェースを提供しています OSの基礎を理解し コンピュータや SmartPhoneの基本動作原理を理解ことを目標とします さらにサーバ管理や VM について学びます OS TDU FI iwai class 9

10 最新の身近な OS Android/Dalvik VM4.4 / Linux Ubuntu LTS ios7 MaxOSXMavericks aos ae cs technologies/ WinsowsPhone8.1 jp/windowsphone/ Windows8.1 jp/windows 8/meet OS TDU FI iwai class 10

11 第 1 回 ハードウエアと OS CPUとデバイス 割り込み 記憶装置 ハードディスク装置 RAID パリティ スレッドとプロセス メモリアドレス空間 ファドイルシステム NIC ソケット カーネル OS TDU FI iwai class 11

12 第 2 回 CUI タイピング, ログイン, コマンド操作, マニュアル, シェル ファイル操作, エディタ OS TDU FI iwai class 12

13 第 3 回 プロセス, ジョブ プロセス管理 時分割処理とプロセス切り替え スケジューリング プロセス表 OS TDU FI iwai class 13

14 第 4 回 記憶装置 メモリ階層 キャッシュ アドレス空間 物理アドレスと論理アドレス ページング チェックポインティン グ 効率的な自動メモリ管理 GC フラッシュメモリ HDD SSD OS TDU FI iwai class 14

15 第 5 回 シェルとアクセス権 標準入出力 フィルタコマンド シェルスクリプト ファイルのバックアップ アクセス権 ドライブ ディレク トリ ファイル open/read/write ファイルのメモリへのマッピング アクセス制御 権限 空き領域管理 OS TDU FI iwai class 15

16 第 6 回 ネットワークとOS ethernet,ping,socket,tcp/udp,rpc,apach,http,s sh,ftp,remotewindow 最新のOS 事情 OS TDU FI iwai class 16

17 第 7 回 & 第 8 回 予備日 & 試験 OS TDU FI iwai class 17

18 採点方法 学習意欲 20 点満点 隔週のミニテストかレポート平均 25 点 満点 ( 無い週もある ) 中間 25 点 (+ 55 点 ) 最終学力考査 40 点 (+ 5 5 点 ) OS TDU FI iwai class 18

19 出席ですが カード使うこと (2Fのゲートでも通すこと ) 10 分前から開始までにタッチ行うこと 代替タッチを防ぐために副手が人数カウントします OS TDU FI iwai class 19

20 第 1 回 ハードウエアと OS CPUとデバイス 割り込み 記憶装置 ハードディスク装置 RAID パリティ スレッドとプロセス メモリアドレス空間 ファドイルシステム NIC ソケット カーネル OS TDU FI iwai class 20

21 前回の復習 ハードウェアと OS について オペレーティングシステム

22 ハードウェアの機能と構成 コンピュータは, 制御 演算 記憶 入力 出力の機能を持つ 以下のユニットで構成される 中央処理装置 (CPU) 制御情報 制御装置 制御情報 制御情報 入力装置演算装置出力装置 主記憶装置 ( メモリ ) 補助記憶装置 オペレーティングシステム

23 クロックク ハードウェアの概観と機能 CPU2 CPUの各部分の基本動作のタイミングを合わせるために, 一定の時間間隔で発生している信号 CPUが行う様々な処理はクロック信号にタイミングを合わせて行う クロック信号が発生する間隔が短ければ短いほど,CPU の動作が高速 クロック周波数 (Hz) クロック信号が 1 秒間に何回発生するかを示す数値 一般にその周波数が高ければ CPU の動作速度が速い オペレーティングシステム

24 ハードウェアの概観と機能主記憶装置 データの読み込み速度 書き込み速度が ( 補助記憶装置と比べて ) 速い 電源を切ると記憶されていたデータは消えてしまう メモリスロット メモリの本体 オペレーティングシステム

25 ハードディスク ハードウェアの概観と機能補助記憶装置 1 回転する円盤に磁気を帯びさせる事で, 情報を保存 一連の情報は同心円状に配置されたトラック ( 円周 ) に記録される ヘッド ( 銀色の三角形の形をした突起の先 ) が円盤の上を移動することで情報を読み書きするトラックを変える ハードディスク概観 ハードディスク内部 オペレーティングシステム

26 ソリッドステートドライブの利点と欠点 利点 シークタイムがないためランダムアクセス性能に優れる 物理的な稼動箇所がないため省電力 動作音がしないので静か 同じ理由でHDDよりはるかに振動 衝撃に強い 欠点 容量単位の価格が HDD より高い (2012 年現在 HDD が 1GB あたり 5~10 円に比べ SSD は 100 円前後 ) 書き換える度にトンネル酸化膜が確実に劣化するため 24 時間常時書き込みを行うような用途の場合 HDDより寿命が短くなる場合がある オペレーティングシステム

27 ハードウェアの概観と機能補助記憶装置 2 その他の補助記憶装置 フロッピーディスク ( もうない ) USB フラッシュメモリ SD メモリ CD ROM / CD R / CD RW Blu ray Disc/DVD R DVD ドライブ オペレーティングシステム

28 ハードウェアの概観と機能入力装置 人間の意図をコンピュータに伝える データをコンピュータに伝える キーボード ポインティングデバイス マウス タッチパッド タブレット スキャナ マイク等 オペレーティングシステム

29 ハードウェアの概観と機能出力装置 コンピュータの処理の結果を表示する ディスプレイ 液晶 ブラウン管 (CRT) プリンタ スピーカ等 オペレーティングシステム

30 ソフトウェア OS TDU FI iwai class 30

31 ソフトウェア ( プログラム ) ハードウェアだけではコンピュータは動作しない ( コンピュータ, ソフトなければただの箱 ) コンピュータに実行させたい仕事の手順をコンピュータが理タが理解できる形式で記述したものをプログラムという プログラムを入れ替えることで様々な情報を様々な方法で処理ができる OS TDU FI iwai class 31

32 電卓とコンピュータは何が違うか 計算をする機械という意味では同じ 電卓 プログラムとデータは人間の頭の中にある 人間がデータとプログラム ( 演算の手順 ) を入力 人間の入力速度は低速 コンピュータ (= 電卓 + メモリ ) プログラム内蔵方式 ( ノイマン型コンピュータといわれる ) プログラムとデータを本体内部にある記憶装置に取り込む 取り込んだプログラムに従って,CPU で演算処理を行う 高速に演算が行える OS TDU FI iwai class 32

33 基本ソフトウェアと応用ソフトウェア 応用ソフトウェア アプリケーションとも呼ばれる 特定の作業や業務を行う為に使用される ワープロソフト, 表計算ソフト ( スプレッドシート ), メールソフト等 基本ソフトウェア オペレーティングシステム (OS) 応用ソフトウェアを円滑に動かすためにコンピュータを管理する 言語プロセッサ ( コンパイラ ) プログラムを作る機能を提供する OS TDU FI iwai class 33

34 代表的な OS の種類 Operating System (OS) Windows(9xファミリー NTファミリー XP Vista 7) Mac OS / ios UNIX(LinuxやBSDなど含む ) Solaris Tron Symbian vx works Android( 厳密にはOSではない ) MVS (OS/360, OS/390, z/os) OS TDU FI iwai class 34

35 OS の役割 OSの役割は, 人間がコンピュータを 使いやすくすること アプリケーションソフトとハードウェアの仲介 ユーザインタフェースの提供 資源の管理 という 3 つの役割がある OS TDU FI iwai class 35

36 アプリケーションとハードウェアの仲介 2 OS TDU FI iwai class 36

37 ユーザインターフェースの提供 ユーザがコンピュータとやり取りを行う部分の総称がユーザインタフェース (UI) UI は, ユーザに対する情報の表示形式やユーザのデータ入力方式を規定する 応用ソフトウェアごとに UI が異なっては, 使い勝手が悪い ファイルの保存ダイアログは, 色々なアプリケーションで共通している 現在ではアイコンなどを利用した GUI (Graphical User Interface) が主流 OS TDU FI iwai class 37

38 資源の管理 資源 1つのコンピュータで利用者 ( プログラムやユーザ ) が使用するもの CPU 二次記憶装置や主記憶装置の記憶領域 ディスプレイ CPU の管理 数多くの仕事をこなす場合,OSはそれらを分割して,CPU が処理する内容を割り振る 処理の切り替えは高速に行われている 主記憶装置 ( メモリ ) や補助記憶装置の管理 ハードディスクやメモリのどこにどんなデータが記録されているかを管理 ( クリックするだけで中身が閲覧できる ) OS TDU FI iwai class 38

39 演習 2 1 プロセスを観察してみよう OSによって現在実行されているプログラム ( アプリケーション ) をプロセスという アクティビティモニター を起動して, 観察してみよう Windows は CTL+ALT+DEL OS TDU FI iwai class 39

40 ファイルとディレクトリ OS TDU FI iwai class 40

41 ファイル 様々なソフトウェアと, それらを使って作成 編集したデータを扱う単位 ソフトウェア ( プログラム ) の本体もファイルとして扱われる Microsoft Word のプログラムファイル Mac 版 Windows 版 ソフトウェアを使って作成 編集したデータもファイルとして扱われる Microsoft Word 形式のデータファイル Mac 版 OS TDU FI iwai class Windows 版 41

42 ディレクトリ ( フォルダ ) ファイルをグループ化して管理するための入れ物のこと 授業では, ディレクトリという名称を使う Windows や Mac ではフォルダという名称が使われている Unixという OSではディレクトリと呼ぶのが一般的 Windows のフォルダ OS TDU FI iwai class Mac のフォルダ 42

43 ファイルとディレクトリのツリー構造 path ディレクトリの中にディレクトリを入れることができるデク 図に描くと, 枝分かれした ( 逆さまの ) 木のような構造 ( ツリー構造 ) になるディレクトリ A をディレクトリ B ディレクトリ A の親ディレクトリディレクトリ B をディレクトリ A の子ディレクトリ, サブディレクトリと呼ぶ ディレクトリ B ファイル C ファイルAOS ファイル TDU FI iwai Bclass 43

44 ディレクトリによるファイル管理 ファイル数が増えても, ファイルをグループ化して整理すれば, ファイルの管理 ( 検索 コピー 移動等 ) が楽になる 整理前 OS TDU FI iwai class 整理後 44

45 第 1 回 ハードウエアと OS CPUとデバイス 割り込み 記憶装置 ハードディスク装置 RAID パリティ スレッドとプロセス メモリアドレス空間 ファドイルシステム NIC ソケット カーネル OS TDU FI iwai class 45

46 OS の役割 1. コンビニとしての OS: 計算機の抽象化 + サービスの提供 OSがない状態よりも, プログラミングを 易しく 機械非依存に する 2. 警察としての OS: 保護, 安全性, 資源管理 複数のプログラム, 複数のユーザがいる環境で, 計算機の 独占を防ぐ, ユーザ間での データの保護 OS TDU FI iwai class 46

47 OS コンビニ : 計算機の抽象化 アプリケーションプログラムが呼び出すだけで色々な目的を達成できる 機能 を提供を提供 ファイル読み書き : open, read, write, close, fopen, fread, fwrite, fprintf, etc. ネットワーク通信 : socket, bind, listen, accept, send, recv, etc. メモリ割り当て 解放 : malloc, free OS TDU FI iwai class 47

48 その他の重要機能 プロセスの生成や管理 fork, exec, exit, wait, popen, p system, etc. スレッドの生成や管理 clone, pthread_create, pthread_exit, etc. メモリの割り当てや解放 brk, mmap, malloc, calloc, free, etc. OS TDU FI iwai class 48

49 OS がいるおかげで 出来ていることの例 自分のプログラムはひたすら自分の計算だけをしているのに, 複数 大量のプログラムが同時に起動 実行できる プログラムが暴走しても Ctrl CC で除去できる 他のプログラムとメモリ内に同居しているのに, メモリのどの部分を使えばいいのか悩まなくてよい HDD だろうとCD ROM だろうとUSB だろうと同じようにopen/read/writeで読み書きできる OS TDU FI iwai class 49

50 計算機の抽象化 + サービスの提供 生のハードウェア(OSなしの計算機) で, 音楽を聞きながらネットサーフィンができる がきるプログラムを書いたら? 1. CPU : 複数のプログラムの同時 ( 交互 ) 実行 2. メモリ : 物理メモリの割り当て 3. I/O : プロセッサ外部 ( ディスク, ネットワーク ) との通信 OS TDU FI iwai class 50

51 複数のプログラムの交互実行 (1) (OS なしで ) 交互実行を保証するためにプログラムはどのように書かねばならないか? 音楽 ネット 時刻 OS TDU FI iwai class 51

52 複数のプログラムの交互実行 (2) こんなことをいたる所で draw_page() { /* ページを描画 */ for ( ) ){ do_some_drawing(); /* ちょっと描画 */ if ( t > 100 ms) { /* MP3Player のために */ yield_cpu_to_mp3player(); } } } 実際には他にワープロ, ゲーム,etc. も走っているかも OSの回答 : スレッド, プロセス OS TDU FI iwai class 52

53 OS の歴史 53

54 OS の始まり 一番最初のコンピュータ (1950 年代 ~) パンチ ( 穴 ) カードを使って磁気テープに読み込む 読み込まれたデータの実行が主な仕事 プロセス状態の管理 コンピュータの機種ごとに 専用の OS 1960 年代前半のOS: 1950 年代の機能 + α ( いろいろ : 略 ) 1960 年代後半 : 大型コンピュータ 様々な機種が発売された それら多くの機種に 1 つの OS で対応した IBM System/360 (1964) 54

55 文字の世界 1970~80 年代前半 : 文字ベースのシステム UNIX の始まり コマンドライン この時代のテキストエディタ (ee) は今でも使える テキストエディタ 文章の清書 DOS (Disk Operating System) IBM のコンピュータ用 OS:IBM の多くのシステムで使われた MS DOS: Microsoft 製 : Microsoft が有名になり始める 他 IBM PC DOS など Apple DOS: Apple Computer 製 IBM PC DOS (1981) 55

56 グラフィカルな世界 1980 年代 ~: GUI (Graphical User Interface) WYSIWIG: What You See Is What I Get 1984 年 : Mac OS System 1.0 マウス アイコン ウインドウ ゴミ箱 メニューバー GUI でも画面は白黒 1985 年 : Windows 1.0: ウインドウを重ねられない Mac OS System 1.0 Windows 1.0 オペレーティングシステム

57 昔のWindows 少しずつ グラフィカルに Windows 1.0 (1985) Windows 2.11 (1988) Windows 3.0 (1990) Windows 3.1 (1992) Windows for Workgroups 3.11 Windows 95 (1995) オペレーティングシステム

58 少しずつ グラフィカルに 最近の Windows Windows NT 4.0 (1996) Windows 98 (1998) Windows Me (2000) Windows 2000 (2000) Windows XP (2002) Windows Vista (2007) オペレーティングシステム

59 jp/windows 8/meet Windows8/8.1 Modern UI 59

60 Windows10 ActionCenter Cortana Personal Digital Assistant OS TDU FI iwai class 60

61 Windows10 新ブラウザ Spartan Cortanaとも統合されるため ユーザーの個人ストレージにあるデータを使って 適切に検索できる Microsoft Hololens OS TDU FI iwai class 61

62 Surface Hub gaming OS TDU FI iwai class 62

63 multiplatfrom windows10 macbook Windows10 raspberry pi2 Microsoft Windows 10 for Raspberry Pi 2 を無償提供へ OS TDU FI iwai class 63

64 Bash+ Windows10 Hololens QBM OS TDU FI iwai class 64

65 MacOS 少しずつ グラフィカルに Mac OS System 1.0 (1984) Mac OS System 6.0 (1989) Mac OS System 7.5 (1995) Mac OS 8 (1997) Mac OS 9 (1999) オペレーティングシステム2014 Mac OS X 10.4 (2005) 65

66 Mac OS X mountain lion 66

67 MacOS X mavericks new/ p// pp /jp/ / / 67

68 MacOS X mavericks タイマーコアレッシング 低負荷のプロセスをまとめて処理してアイドル時間を増やすことにより CPUの電力消費を抑える App Nap 他のウインドウの背面に隠れているアプリの処理速度を低下させることにより 電力消費を抑える 圧縮メモリ非アクティブのアプリのメモリを自動的に圧縮するようになる ibooks る マップ ios 6 で追加されたアプリ 68

69 MacOS X Yosemite Instant hotspot messengers OS TDU FI iwai class 69

70 ios 連動 seemless editing i ios 7 ライクなルック & フィール Homekit OS TDU FI iwai class 70

71 クラウド連動の時代へ iclould 連動 & photos OS TDU FI iwai class 71

72 El Caiptan 新機能 new/ OS TDU FI iwai class 72

73 OS の進化で出来るようになった事 ( 一部 ) 新しいハードウェアのサポート Windows 95 では USBは使えない ファイル名の文字数 Windows 1.0~3.1: 8 文字 95~Me: 32 文字 2000~: 256 文字 Mac OS ~9: 9 31 文字 etc ユーザインタフェース : メニュー 見た目 操作性 etc 様々な機能の統合 ブラウザの統合 メディアプレーヤー ムービーメーカー システムの復元 アップデート機能 セキュリティ向上機能 デスクトップ検索 etc 73

74 出来るようになった事 vs. 変わらない事 さて OS の進化と共に色々な機能が増加 では昔から今までのOSで 共通している事は? OS の3つの仕事 : ハードウェアの抽象化 ユーザインタフェースの提供 資源の管理 新しいデバイスが使えるようになったり インタフェースとして新しく変更された所は色々ある 最近の流行 : セキュリティ対策 分かり易いGUI でも OS の仕事は OS が変わっても根本的には同じ 74

75 OS の役割 OSの役割は, 人間がコンピュータを使いやすくすること アプリケーションソフトとハードウェアの仲介 ユーザインタフェースの提供 資源の管理 という3つの役割がある 75

76 ユーザインターフェースの提供 ユーザがコンピュータとやり取りを行う部分の総称がユーザインタフェース (UI) UI は, ユーザに対する情報の表示形式やユーザのデータ入力方式を規定する 応用ソフトウェアごとに UI が異なっては, 使い勝手が悪い ファイルの保存ダイアログは, 色々なアプリケーションで共通している 現在ではアイコンなどを利用した GUI (Graphical User Interface) が主流 76

77 OS の役割 1. 計算機の抽象化 + サービスの提供 OSがない状態よりも, プログラミングを 易しく 機械非依存に する 2. 保護, 安全性, 資源管理 複数のプログラム, 複数のユーザがいる環境で, 計算機の 独占を防ぐ, ユーザ間での データの保護 77

78 OS がいるおかげで出来ていることの例 自分のプログラムはひたすら自分の計算だけをしているのに, 複数 大量のプログラムが同時に起動 実行できる プログラムが暴走しても Ctrl CC で除去できる 他のプログラムとメモリ内に同居しているのに, メモリのどの部分を使えばいいのか悩まなくてよい HDD だろうとCD ROM だろうとUSB だろうと同じようにopen/read/writeで読み書きできる 78

79 計算機の抽象化 + サービスの提供 生のハードウェア(OSなしの計算機) で, 音楽を聞きながらネットサーフィンができる がきるプログラムを書いたら? 1. CPU : 複数のプログラムの同時 ( 交互 ) 実行 2. メモリ : 物理メモリの割り当て 3. I/O : プロセッサ外部 ( ディスク, ネットワーク ) との通信 79

80 複数のプログラムの交互実行 (1) (OS なしで ) 交互実行を保証するためにプログラムはどのように書かねばならないか? 音楽 ネット 時刻 80

81 複数のプログラムの交互実行 (2) こんなことをいたる所で draw_page() { /* ページを描画 */ for ( ) ){ do_some_drawing(); /* ちょっと描画 */ if ( t > 100 ms) { /* MP3Player のために */ yield_cpu_to_mp3player(); } } } 実際には他にワープロ, ゲーム,etc. も走っているかも OSの回答 : スレッド, プロセス 81

82 メモリ管理 (1) 有限 ( たとえば 256MB) のメモリに, プログラム ( 命令列 ), データを重ならないように配置する 番地 : 0 ブラウザの命令列 メールの命令列 ブラウザのデータ 番地 : 256M メールのデータ 82

83 メモリ管理 (2) ひとつしかプログラムがなくてもすでに複雑だが, その上複数プログラムがあると, どのプログラムがどの部分を使うの? その割り当ては立ち上げるたびに違うの? メモリが足りなくなったらどうするの? etc. OS の回答 : 仮想記憶, 論理アドレス空間 83

84 複雑な入出力 (1) 例 : ネットワークからページをダウンロード download_page() { send_request_to_server(); receive_from_server(); } > 100ms > 100ms send receive 時間 84

85 複雑な入出力 (2) 入力待ちの間 ( より一般には することがない間 ) は, 自分はCPUを使わない = 他のプログラムにCPUを譲る (yield) 必要がある やがて入力が来たら, CPUはそれに 気づく 必要がある ポーリング ( 定期的な検査 ) ハードウェア割り込み (IRQ) 85

86 ハードウェア割り込み 外部装置からCPUへ送られる信号 CPUの制御 ( プログラムカウンタ ) を強制的に, 指定された番地 ( 割り込みハンドラ ) に移行 外部装置がイベントの通知に用いる 入力データready 出力可 時間経過 IRQ Line 86

87 割り込みを用いた入力処理 以下のような割り込みハンドラ設定 receive_ from_ network () { write_data_to_browser_memory(); yield _ to_ browser(); } 87

88 ディスク入出力 ディスクの構造や容量に基づいたアドレス (e.g., ( シリンダ番号, トラック番号, セクタ番号 )) を用いてアクセス メモリと類似の, 空き領域管理 必要な情報の格納位置を得るための情報 ネットワーク同様の割り込み処理 88

89 計算機の抽象化 + サービスの提供 まとめ CPU, メモリ, 入出力 IF,2 次記憶 etc. が, 生のハードウェアそのままでは使いづらい 複数のプログラムが同時進行しているときに顕著 OS が よりシンプルな プログラミングインタフェース (API) を提供 ( 抽象化 ) お役立ち道具集 としての OS 89

90 保護, 安全性, 資源管理 OS の 真の 存在理由 : 資源を管理し, 実行中のプログラムを保護 1 つのプログラムが CPU を独占利用できない 1つのプログラムが他の走行中のプログラムのメモリを破壊することはできない あるプログラムが受け取るべきメッセージを他のプログラるプグムが横取りすることはできない 本来権利のない人が計算機をつかうことはできない 本来権利のない人が他人のファイルを読み書きすることはできない 間違えても, または悪意があっても, できないようにする 90

91 第 2 回の講義内容 ハードウエアと OS CPUとデバイス 割り込み 記憶装置 ハードディスク装置 RAID パリティ スレッドとプロセス メモリアドレス空間 ファドイルシステム NIC ソケット カーネル 91

92 Raid 92

93 目的 ハードディスクの信頼性が問題 1 個が壊れてもデータは安全にしたい 連続運転の為にはホットスワップが必要 93

94 Raid 技術の誕生 A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks(RAID) David A Patterson et al., 1988 カリフォルニア大学バークレー校のDavid APatterson A.Patterson 氏 Garth Gibson 氏 Randy Katz 氏の共同論文 安価なドライブを組み合わせることで冗長性を持たせる仕組み による 安価なディスクをたくさん使う いか RAID と略される 94

95 ソフトウェア RAID 無料 RAID カード 数万円 ~10 万円 内臓 RAID ユニット 数万円 外付け RAID ユニット 数十万円 ~ 数百万円 RAID サーバ (NAS サーバ ) 数十万円 ~ 数千万円 95

96 Rd Redundant d tarrays of Independent d tdisks RAID Advisory Board での定義 レベル0 ストライピング レベル 1 ミラーリング レベル2 分散ハミングコード レベル3 バイト分割固定パリティ レベル4 ブロック分割固定パリティ レベル5 分散パリティ レベル6 2 重分散パリティ 96

97 磁気ディスクの構造 とにかく読み書きに時間がかかる 全部のディスクが同時に回る メモリの探索速度はディスクの 10 万倍 ~100 万倍高速 メモリの転送速度もディスクのざっと 100 倍高速 97

98 Raid0 98

99 Raid0 ストライピング データ ブロック 1/2/3 や 4/5/6 7/8/9 は もともと連続しているデータである RAID 0 では ディスクの台数に合わせてデータを分割して 各ディスクに格納する 例えばデータ ブロック 1/2/3 の組を読み出す場合 各ディスクに並行してアクセスすることで ほぼ同時に 1/2/3それぞれのデータ ブロックを読み出すことが可能 高速化技術 99

100 Raid1 ミラーリング RAID 1は RAIDレベルの中で 最も単純な手法でディスクの耐障害性を高めている その手法とは 同一のデータを複数のディスクに書き込み 一方のディスクが故障しても方のディスクが故障しても 他方で処理を続行できるようにする 100

101 Raid1 ミラーリング 101

102 Raid1 稼働率 RAID 1 では 同一のデータを 2 台以上のディスクに書き込むため ディスク容量の利用効率は 50% 以下になってしまうというデメリットがある (2 台のディスクの容量が異なると 利用効率は 50% よりさらに下がる ) 利用効率 = 保存可能データ量 / 利用ディスク =100%n/2n=50% 例えば1Tbytesのデータを記録するには 1Tbytes 2=2Tbytes 分の容量のディスクが必要になる 102

103 Raid5 RAID 5は 耐障害性の向上と高速化 大容量化のすべてを実現できるRAID 技術 分散データ ガーディングとも呼ばれる RAID 5 では ディスクの故障時に記録データを修復するために パリティ と呼ばれる冗長コードを 全ディスクに分散して保存するの 103

104 Raid5 104

105 RAID 5 の動作原理 データを分割して各ディスクに格納するという原理はRAID 0( ストライピング ) と同じだ 異なるのは データ ブロックの組 ( 上図でいえば1 /2 や 3/4 5/6) ごとにパリティが生成される点である たとえ1 台のディスクが壊れても 残りのディスクに格納されたデータとパリティから 失われたデータを復活させることができる 105

106 Raid5 の利用効率 パリティの保存に必要なのは 全ディスク台数に関係なくディスク1 台分の容量である 従ってディスク台数が多いほど容量の利用効率も向上する RAID 1( ミラーリング ) と比較した場合 この利用効率の高さが RAID 5のメリットの1つとされる ディスク容量の利用効率 100 *(n 1)/n % 106

107 Raid10 Raid1+0 ミラーリンググループをストライピンググ 冗長性と高速性 107

108 その他 ( 覚えなくて良い ) RAID 2 RAID 2では エラーを修復するための冗長コードを元のデータとともに 複数のディスクにまたがって記録する 特徴は 冗長コードが多ビットのECC(Error Correcting Code: 誤り訂正符号 ) であることと データを配分するときの単位サイズがブロック ( セクタ ) 単位ではなく bit または byte 単位 多ビットのECCによる冗長コードは 元のデータに対してそのサイズが大きくなりがちで 容量面でのオーバーヘッドが大きいというデメリットがある 例えば 代表的な ECC の1つであるハミング符号を用いると 元のデータを2 台のディスクに分散するには 冗長コードだけのために3 台のディスクが必クが必要要になってしまう 元のデータより冗長コードの容量を小さくするには 元のデータを格納するディスクを 4 台以上にしなければならない 108

109 RAID 3 その他 ( 覚えなくて良い ) 元のデータに冗長コードを加えて複数のディスクに記録 デ 冗長コードには RAID 5と同じパリティを採用する RAID 5 と大きく異なるのは 各ディスクにデータを配分する際の単位サイズが ブロック ( セクタ ) 単位ではなくbitまたはbyte 単位 パリティが特定のディスクに保存される ( 全ディスクには分散されない ) 高速化のためには 複数のディスクをまったく同時に読み書きするための同期機能が必要 RAID 4 RAID 4は RAID 5と同様に 元のデータからパリティを生成して ブロック単位で複数のディスクに記録する という点でよく似ている 異なるのは パリティを全ディスクに分散するのではなく 特定のディスクだけに格納する点だ 元のデータとパリティそれぞれを格納するディスクが別々に分かれている 109

110 RAID 6 その他 ( 覚えなくてよい ) RAID 6は RAID 5の改良版といえる技術 1 つのデータ ブロックにつき 2 つのパリティを生成 同時に2 台のハードディスクが故障しても 元のデータを修復可能 パリティが増えた分 その計算や書き込みのオーバーヘッドも増加する 特に書き込みの性能は高くない パリティ用に2 台分のディスク容量を必要とするため ディスクの利用効率はRAID 5より下がる 110

111 パス名 ( 絶対 相対パス ) 111

112 パス名 ( 絶対パスと相対パス ) ファイルやディレクトリにアクセスするために, ファイルやディレクトリの位置 ( パス名 ) を示す必要がある パス名の指定方法は以下の 2 種類 絶対パス ルートディレクトリを基点として絶対的な位置を指定する 例 : 住所は絶対パス 東京都足立区千住旭町 5 相対パス あるディレクトリを基点にした相対的な位置を指定する 場合によっては, 絶対パスより短いパス名で指定できる 例 : 田中君の家は 私の家の右隣 112

113 絶対パス fileaの絶対パス 日本語だと ルートディレクトリの中の,home ディレクトリの中の t10472ms ディレクトリの中の filea 区切りを /( スラッシュ ) で繋げて, / /home/t10472ms/fil /home/t10472ms/filea /t10472 /filea home t10472ms s10021sa filea オペレーティングシステム2014 fileb 113

114 相対パス 1 t10472ms を基点にした時の filebの相対パス fileb home を基点にした時の fileb の相対パス / t10472ms/ t10472ms/fileb home t10472ms s10021sa filea fileb 114

115 相対パス 2( 重要 ) 基点から見た親ディレクトリを指定するには,..( ピリオド2つ ) の記号を使う t10472ms を基点にした時の home の相対パス.. ( 親ディレクトリは1つだけなので,1つに定まる) s10021sa を基点にした時の fileb の相対パス../t10472ms/../t10472ms/fileB / home t10472ms s10021sa filea fileb 115

116 相対パス 3 基点のディレクトリを示すには,.( ピリオド 1つ ) の記号を使う t10472msを基点にした時のfileaの相対パス./filea ( 基点ディレクトリを明示した場合 ) filea ( 基点ディレクトリを省略した場合 ) 基点ディレクトリを明示すると, 相対パスによる指定であることが分かる パス名が読みやすくなる場合がある / home t10472ms s10021sa filea fileb 116

117 ファイルとディレクトリ の操作 117

118 ファイルの操作方法 1 ファイルマネージャーを使う Windows の Explorer Mac の Finder 118

119 ファイルの操作方法 2 コマンド操作でファイルを管理する Mac のターミナル Windows のコマンドプロンプト 119

120 GUI と CUI GraphicalUser Interface(GUI) 画面表示にアイコンやメニューを用い, 操作の大半をマウ スなどのポインティングデバイスによって行なう Finder(Mac) ( ) やExplorer(Windows) はGUI を備えたファイルマネージャ ( ファイル管理機能をもつソフトウェア ) 直感的に操作ができる Character User Interface(CUI) すべての操作をキーボードからコマンドと呼ばれる命令を用いて行なう ターミナル (Mac) やコマンドプロンプト (Windows) を使うと CUI を使ってコンピュータを操作できる 効率よく命令を記述でき, 慣れれば素早く操作を行える 120

121 ターミナル コマンド操作を行うためには, ターミナルというプログラムを使う 起動方法 初期設定では Dock に登録されている Dock にない場合 Finder を起動する サイドバーのアプリケーションを選択する ユーティリティフォルダ中の, ターミナルをクリック 121

122 コマンド コンピュータに与える命令のこと CUIのターミナルでは ( マウスによるボタン操作ではなく ), 文字で命令を伝える 例 : ファイルの移動 Finder(GUI) だとマウスで命令 ターミナル (CUI) だと文字で命令 % mv 第 2 回情報基礎課題.doc /Users/ ユーザ名 /Documents/ 122

123 プロンプト ターミナルを起動すると,% マークが現れる これをプロンプトと呼び, コンピュータがコマンドによる指示を待っている印 ( しるし ) コマンドを入力したら, エンターキーを押すと命令が実行される % コマンド このスライドではエンターキーを押すタイミングを で表現しています 123

124 コマンドプロンプト cmd.exe 124

125 なぜコマンド操作を学習するか サーバはコマンドで操作することが多い プロバイダから提供されているWebサーバを設定する所属する研究室 会社のサーバの管理をするの管理をする 効率よくコンピュータに仕事を指示することができる シェルスクリプトワイルドカード マウスばっかりを使うひとってなんか素人っぽい と思われてしまうかもしれない タタタタターッン! キーボード乱れ打ちドヤ顔がカコイイ 125

126 日付とカレンダーの表示 日付の表示 :dateコマンド %dt date 2010 年 04 月 02 日 ( 金 ) 10 時 49 分 52 秒 JST カレンダーの表示 :cal コマンド % cal 2010 年 4 月日月火水木金土

127 ファイル ディレクトリの操作のコマンド一覧 pwd カレントディレクトリの絶対パスを表示レクトリの絶対パスを表示 ls ディレクトリの内容を見る cd カレントディレクトリの移動 less ファイルの内容を見る mkdir 新しいディレクトリを作る cp ファイルのコピーを作る mv ファイルの移動 ファイル名の変更 rm ファイルの削除 rmdir ディレクトリの削除 127

128 カレントディレクトリ コマンドによってファイルやディレクトリを操作する場合, 相対パスでファイルやディレクトリを指定する方が便利 現在の作業ディレクトリのことをカレントディレクトリ ( ワーキングディレクトリ ) という カレントディレクトリからの相対パスでファイルを指定することができる ターミナルを起動した直後のカレントディレクトリは ホームディレクトリ /CNSiMac になる 128

129 カレントディレクトリの表示 pwd(print working directoryの略 ) コマンド カレントディレクトリの絶対パスを表示する % pwd /a/fs0102a/t10472ms ファイルサーバは何台かのコンピュータで分担してホームディレクトリを保管しているので, 本当のホームディレクトリの絶対パス名は /a/fs0102a/t10472msのようにファイルサーバの番号とログイン名を組み合わせたものになっています誰のホームディレクトリがどのファイルサーバにあるかを覚えるのは大変なので, /a/fs0102a/ の部分をまとめて,'/home' と表わします 129

130 ディレクトリの内容を見る 1 ls(listの略 ) コマンド カレントディレクトリにあるファイルとディレクトリの一覧を表示する % ls Desktop Maildir XPAppCNS Wnn XPDataCNS 130

131 ディレクトリの内容を見る 2 a オプション.emacsのように先頭がドットで始まるファイルは, ソフトの設定に使うファイルなので普通は表示されない ls コマンドに a オプションを付けると表示できる ls のあとに1つ空白をあけてからオプションを入力する オプションをつけることで, コマンドの機能を拡張できる % ls -a..gnome2.w3m...gnome2_private.winman.iceauthority.gstreamer-0.8.xsession-errors.cshrc.gtkrc-1.2-gnome2 Desktop.emacs.metacity Maildir.emacs.d.mh_profile Wnn.folders.mozilla XPAppCNS.fonts.cache-1 オペレーティングシステム.nautilus 2014 XPDataCNS 131

132 ディレクトリの内容を見る 3 ディレクトリのパス名を引数 ( ひきすう ) として指定 カレントディレクトリ以外のディレクトリを見たいときは, そのディレクトリのパス名を ls の後につける コマンドの後に1つ空白をあけてから付け加えるものをこのコマンドの引数 ( ひきすう ) と言う % ls Maildir courierimaphieracl courierimapuiddb tmp courierimapkeywords cur courierimapsubscribed new 132

133 演習 linux,mac ls ls コマンドを極めよう 自分のホームディレクトリにあるファイルのうち最も新しい ファイルを見つけてみよう ファイルを新しい順に表示するオプションは tt 実験してみよう ls の引数に存在しないディレクトリ名を指定してみる ls l の引数にディレクトリでは無く, ファイルを指定してみる ls コマンドのその他の機能について調べてみよう コマンドのマニュアルを表示するには,man コマンドを使う (man の引数に調べたいコマンド名を指定する ) % man ls 133

134 演習 windows dir コマンド dir /a 属性パス パスを省略した場合はカレントディレクトリが対象となります 今後も同様です 指定できる属性は以下の通り D ディレクトリ R 読み取り専用 H 隠しファイル A アーカイブ S システムファイル 例 dir /ad < ディレクトリのみ表示 dir /ar < 読み取り専用のファイル及びディレクトリのみ表示 OS TDU FI iwai class 134

135 演習 windows dir コマンド /t オプションを使って表示される日付の種類を選択できます dir /tタイムフィールドパス 指定できるタイムフィールド C 作成日 A 最終アクセス日 W 最終更新日 並べ替え方法の指定 dir /oソート順ト順パス指定できるソート順は以下 N 名前順 ( アルファベット ) S サイズ順 ( 小さいほうから ) E 拡張子順 ( アルファベット ) D 日時順 ( 古いほうから ) G グループ ( ディレクトリから ) サブディレクトリに含まれるファイルやディレクトリも全て表示 dir /s OS TDU FI iwai class 135

136 カレントディレクトリの移動 cd(change ( directoryの略 ) コマンド 移動したいディレクトリのパス名を引数として指定 引数のディレクトリのパス名は相対パスでも絶対パスでもよい 引数を省略すると, カレントディレクトリをホームディレクトリ ( 特別教室のMacの場合は, ホームディレクトリ /CNSiMac ) に変更する % cd Maildir %pwd /a/fs0102a/t10472ms/maildir % cd /home/t10472ms/maildir / / % pwd /a/fs0102a/t10472ms/maildir 136

137 ファイルの内容を見る less コマンド テキストファイルの中身を見ることができる 引数に内容を見たいファイル名を指定 ファイルをスクロールするにはルするには,Space キーを使う 閲覧を終了するには q キーを押す 137

138 演習 宝探しゲームをしてみよう 宝探しゲームをしてみましょう 出発点は cd コマンドでサブディレクトリに移動し,ls コマンドで何があるか調べる ファイルが置いてある場合, 宝かどうかmore コマンドでファイルの中身を見る ( ハズレの場合もあります ) 宝が無いと分かったら, 親ディレクトリに移動して別のところを探す cd.. 宝を発見したら, 宝島の地図 ( ディレクトリ構造図 ) を書いておきましょう 提出サイト 138

139 新しいディレクトリを作る mkdir(make directoryの略 ) コマンド 引数に作りたいディレクトリの名前を指定する 正常に作成できると, 何も表示されないので,ls コマンドで確認するとよい % mkdir memo % ls Desktop Maildir XPAppCNS Wnn XPDataCNS test1 test memo 139

140 ファイルをコピーする cp(copy( の略 ) コマンド コピー元のファイルと新しく作るファイルの名前を空白で区切って引数で指定する 新しく作るファイルの代わりにディレクトリ名を指定すると, そのディレクトリの中に同じ名前で新しいファイルが作成される % ls filea testdir % cp filea fileb % ls testdir filea fileb % cp filea testdir % ls testdir filea 140

141 ファイルの移動 ファイル名の変更 mv(move( の略 ) コマンド ファイルを移動する場合は,mv の後に移動したいファイルの名前, 移動先のパス ( 相対パスか絶対パス ) を空白で区切って指定する ファイル名を変更する場合は,mv の後に変更したいファイルの名前, 新しいファイル名を空白で区切って指定する % ls filea testdir % mv filea testdir % cd testdir % ls filea % mv filea fileb % ls fileb ファイル名の変更の際, 変更先のファイル名が既に存在するものであった場合, そのファイルに上書きされ元の内容は消えてしまうので注意 141

142 ファイルの削除 rm(removeの略 ) コマンド 削除したいファイル名を引数として指定し 空白で区切って複数のファイル名を指定できる % ls filea fileb % rm filea % ls fileb 142

143 ディレクトリの削除 rmdir(remove ( directoryの略 ) コマンド 削除したいディレクトリ名を引数として指定 空白で区切って複数のディレクトリ名を指定できる ディレクトリの下にファイルがある場合, 削除できない ディレクトリの下にあるファイルを全て削除するか移動するかした後, ディレクトリを削除する % ls testdir filea fileb % rmdir testdir % ls filea fileb 143

144 アクセス権と保護モード 144

145 アクセス権と保護モード CNSの他のユーザのファイル ( メールの内容等 ) を勝手に閲覧されては困るため, 適切なアクセス権を設定する必要がある ファイルやディレクトリごとに, 他のユーザからのアクセスを許可したり, 禁止したりする保護モードを設定する機能がある 保護モードは 誰が と どうする という組み合わせう組み合わせ (3 3) に対して, 許可か禁止かを決めたもの 誰が 1. ファイルの持ち主のユーザ自身 (user) 2. グループのメンバ (group) 学生はすべて同じグループに属する 3. その他 (other) どうする 1. 読み出し (read) 2. 書き込み (write) 3. 実行 (execute) 145

146 保護モードの確認 ls ll で保護モードの確認ができる 種別ディレクトリならd ファイルなら- % ls -l -rw-r--r-- 1 t10472ms student 153 Apr 20 15:30 filea d rwx rwx rwx user に関する設定 group に関する設定 other に関する設定 r(readの略 ), w(writeの略 ), x(executeの略 ) それぞれの許可 - は禁止を示す 新しく作ったファイルは rw r r r r になる ディレクトリは rwxr xr x になる メールを保存するディレクトリ (Mail) はrwx 146

147 保護モードの変更 chmod(change modeの略 ) コマンド 1 番目の引数で, 誰が (u,g,o) と どうする (r, w,x) を+か-でつないで保護モードを指定 (+ は許可,- は禁止 ) 2 番目の引数で変更したいファイル名またディレクトリ名を指定する % ls -l total 0 -rw-r--r-- 1 t10472ms student 153 Apr 20 15:30 filea % chmod go-r filea % ls l ttl0 total -rw t10472ms student 153 Apr 20 15:30 filea 147

148 保護モードを設定するときの注意点 保護モードを設定するときに注意が必要なディレクトリがある 以下のディレクトリは保護モードを変更しない方が安全 ホームディレクトリ user に対して execute 権限が必要 ログインできなくなる Maildir( メールのデータ ) user に対して execute 権限が必要 メールが閲覧できなくなる 148

149 ディレクトリ構造を作ってみよう あなたのホームディレクトリ public_htm l command index.html main.css file.html contents other.html pipe.htm l user.html img bullet.pn g 149 exclamation.png

150 更に Raid を学習したい人へ / / / / ry01.html ib / ti /NPC/ /257746/? t ocnt com/raid.html html sos.com/raid/raid03.html 150

151 MTTF( 故障までの平均時間 ) l / hi i i/ hi i i3 l#mttf 有名な計算式 MTTFraid1 = (MTTF x MTTF)/(2 x MTTR) MTTF: 平均故障時間 MTTR: 平均修理時間 ディスクの故障は独立事象か? 同一機種 同一動作 故障の要因 ( 偶発 + 環境 + 使用 ) 個体差 故障確率は一定ではない 確率 時間 151