1.3 Операционная система Linux

Linux начался с Линуса Торвальдса в 1991 году, как персональный проект. Линус пытался найти способ запуска Unix-подобной операционной системы без существенных материальных затрат. В дополнение к этому он хотел изучить подробности ввода и вывода 386-го процессора. То что получилось он выложил для бесплатного в терминах GNU General Public License для использования с возможностью модификации всем желающим.

Сегодня Linux вырос в одного из основных игроков на рынке операционных систем. Он портирован на большое число различных процессорных архитектур, включая Compaq-овский Alpha, Sun-овские SPARC и UltraSPARC а так же на Motorola PowerPC чипы (например, на компьютеры Aple Macintosh и IBM RS/6000). Linux сейчас разрабатывается сотнями, если не тысячами программистов со всего мира. В нём работают такие программы, как Sendmail, Apache и BIND, которые являются наиболее распространёнными серверными программами в Интернет.

На самом деле, термин ''linux'' относится только к ядру - центру операционной системы. Ядро ответственно за управление процессором, памятью, жёсткими дисками и периферийными устройствами. Это на самом деле всё, делает что Linux. Он контролирует работу компьютера, и следит за тем, чтобы все программы работали. Все те программы, которые делают Linux пригодным к использованию, разработаны независимыми группами. Ядро и программы связываются вместе различными компаниями и людьми, чтобы организовать операционную систему. Мы называем это дистрибутивом Linux рис. 1.4.

Рис. 1.4 Linux ноябрь 1999 г [1]

История операционной системы Linux началась, естественно, с создания операционной системы Unix. В конце 60-х годов завершился проект Multics, над которым работали сотрудники компаний General Electrics, AT&T Bell Laboratories и Массачусетского института. Результатом этого проекта стала одноименная операционная система. Операционная система Multics была многозадачной, имела высокоэффективную на то время файловую систему, а также предоставляла пользователям относительно удобный интерфейс.

В 1969 году Кен Томпсон разработал операционную систему Unix, в основе которой были принципы, которых придерживались разработчики операционной системы Multics. Новая операционная система, в отличие от Multics, могла работать на мини-ЭВМ. При этом с самого начала новая система была многозадачной и многопользовательской.

Вскоре операционная система Unix стала настолько популярной, что Кен Томпсон и Деннис Ритчи решили переписать код системы на языке С. До этого операционная система была написана на ассемблере. Это обеспечило огромною мобильность операционной системы -- ОС Unix могла быть перенесена практически на любую платформу без перепрограммирования. Нужно было только модифицировать небольшую часть ядра, написанную на ассемблере.

Через определенное время операционная система Unix стала стандартным программным продуктом, который распространялся многими компаниями, включая IBM и Novell.

В 1972 году началась массовая продажа лицензий на эту операционную систему различным пользователям. С этого момента ОС Unix неофициально стала коммерческим программным продуктом.

Калифорнийский университет в Беркли также приобрел лицензию на ОС Unix. Специалисты этого университета внесли много изменений, которые вскоре стали стандартными. В 1975 году Калифорнийский университет выпустил свою версию Unix -- Berkeley Software Distribution (BSD). Эта операционная система стала основным конкурентом операционной системы, разработанной компанией AT&T.

Постепенно другие компании, последовав примеру Калифорнийского университета, начали выпускать свои версии Unix. Например, в 1980 году компания Microsoft выпустила ОС Xenix. Правда, данная операционная система не могла составить конкуренцию Unix, так как не поддерживала многопользовательский режим, а была предназначена для одного пользователя.

В 1982 году компания AT&T выпустила версию Unix System 3. Это была первая официальная коммерческая версия ОС Unix. Следующей версией стала Unix System V. Помимо различных нововведений, эта версия отличалась серьезной технической поддержкой.

Разработчики BSD Unix также не сидели сложа руки и в 1983 году Калифорнийский университет выпустил версию Unix BSD 4.2. Эта операционная система содержала довольно мощные средства управления памятью, файлами, печатью, а также в ней был реализован протокол TCP/IP, который сейчас во всю применяется в сети Интернет. Многие фирмы-производители выбрали именно Unix BSD 4.2.

Широкое распространение различных версий Unix привело к необходимости создания стандарта на эту операционную систему. В середине 80-х годов выделились два основных стандарта -- Unix System V и BSD Unix. Компания AT&T Labs передала права на разработку версии Unix System V компании Unix System Labs. Эта компания в 1991 году представила операционную систему System V 4, в которой были реализованы практически все возможности операционных систем System V 3, BSD 4.2, Xenix.

Каждая операционная система имеет свое «призвание». Операционную систему Windows NT Server предпочтительнее использовать как сервер рабочих групп сетей Microsoft. Система Novell Netware лучше «смотрится» в роли файлового сервера и сервера печати. ОС UNIX первоначально разрабатывалась как Интернет-сервер. Средства для работы с Сетью встроены непосредственно в ядро этой операционной системы, а все необходимое программное обеспечение для организации сервера входит в состав дистрибутива. UNIX-система работает со всеми сетевыми протоколами (особенно с TCP/IP) лучше, чем любая другая операционная система для платформы Intel. Все перечисленные выше качества касаются также и ОС Linux.

Устанавливая Linux, вы получаете также множество других преимуществ. Во-первых, вам становятся доступны исходные тексты ядра и вы можете модифицировать систему так, как вам нужно. Такое можно встретить далеко не в каждой операционной системе, особенно в ОС семейства Microsoft. Вы видели где-нибудь исходные тексты хотя бы Блокнота Windows?

Во-вторых, ОС Linux абсолютно бесплатна. Конечно, существуют коммерческие версии Linux, но в этом случае вы платите за некоторые дополнительные функции и техническую поддержку. Купив однажды компакт-диск с Linux, вы можете установить эту операционную систему на неограниченном числе компьютеров. Вам не нужно ничего доплачивать, вам не нужно платить за каждый дополнительный процессор -- ОС Linux поддерживает SMP и при этом тоже бесплатно. Кроме того, поскольку Linux является UNIX-подобной системой, в состав ее дистрибутива входит все программное обеспечение, необходимое для организации сервера.

В последнее время появилась тенденция выпускать многодисковые дистрибутивы или дистрибутивы, содержащие программное обеспечение отдельно для рабочей станции и отдельно для сервера. В этом случае вам нужно купить только первый и, возможно, второй компакт-диск. Если дистрибутивы разделены на категории «сервер» и «рабочая станция», как это сделали разработчики ASP Linux, покупайте, естественно, серверную версию.



Рис. 1.4. ОС Linux Ubuntu 8.10, работающий с GNOME (дата выхода 30 октября 2008, разработчик Canonical Ltd / Ubuntu Foundation)

Оригинальное имя проекта Ubuntu было no-name-yet.com.[4] Canonical продолжает использовать домен no-name-yet.com с тех пор, как был основан проект.

Первый релиз Ubuntu 20 октября 2004 начался как временный форк Debian GNU/Linux с целью регулярного получения кода Debian, чтобы выпускать каждые шесть месяцев новую версию системы. В отличие от некоторых других форков Debian общего назначения, таких как Xandros, Linspire и Libranet, Canonical осталась близко к философии Debian и использует для Ubuntu в основном свободное программное обеспечение вместо того, чтобы частично положиться на закрытые добавления.[6]

Ubuntu в настоящее время финансируется Марком Шаттлвортом через Canonical Ltd. 8 июля 2005 Canonical объявила о создании Ubuntu Foundation и обеспечила начальное инвестирование в размере 10 миллионов долларов. Цель фонда состоит в том, чтобы гарантировать поддержку и развитие для всех будущих версий Ubuntu, но на 2008 год фонд остается незадействованным. Шаттлворт описывает его как чрезвычайный фонд на случай, если поддержка Canonical прекратится.

Есть планы относительно ветки Ubuntu под кодовым именем «Grumpy Groundhog». Запланировано, что она будет оставаться непостоянной ветвью развития и испытаний, берущей начало непосредственно из контроля пересмотра различных программ и приложений, которые отправлены как часть Ubuntu. Это предусмотрено, чтобы позволить опытным пользователям и разработчикам проверять версии отдельных программ «с точностью до минуты», как если бы они появились для распространения уже сегодня, без необходимости самим создавать пакеты; планируется заранее предупреждать об ошибках сборки на различных архитектурах.[8] Пока Grumpy Groundhog недоступна для широкого круга пользователей.

Ubuntu сосредотачивается на удобстве и простоте использования, включает широко распространённое использование утилиты sudo, которая позволяет пользователям выполнять администраторские задачи, не запуская потенциально опасную сессию суперпользователя.[9]

Версия 6.06 и более поздние объединяют Live-CD и установочный CD в один компакт-диск. Этот диск загружает рабочий стол со всеми возможностями, давая пользователям возможность видеть, поддерживаются ли их аппаратные средства, и экспериментировать с доступными приложениями, и уже затем устанавливать Ubuntu на жёсткий диск, используя графический инсталлятор Ubiquity. Инсталляционный процесс сохраняет документы, созданные на «живом» рабочем столе. Альтернативная установка, использующая debian-installer, доступна для скачивания и нацелена на людей, разбирающихся в системе на более глубоком уровне, администраторов, устанавливающих много систем, и для сложного разбиения дисков, включая использование LVM или RAID, а также для установки с объёмом оперативной памяти менее 192 мегабайт.

Пользовательский интерфейс по умолчанию в текущей версии характеризуется оттенками коричневого и оранжевого цветов. Ubuntu имеет дополнительный пакет, названный ubuntu-calendar, который загружает новые обои, соответствующие коричневой цветовой теме, каждый месяц. В прошлом на этих обоях присутствовали частично обнажённые люди, поэтому они критиковались как рискованные. Это приводило к созданию таких прозвищ, как «Linuxxx».[12]

Релизы, помеченные как LTS (англ. Long Term Support; дословно «поддержка в течение длительного периода») поддерживаются Canonical дольше, чем большинство релизов Ubuntu. Обновление пакетов запланировано в течение трёх лет для пользовательских версий и пяти лет для серверных, с платной технической поддержкой от Canonical на этот период. В последний релиз Ubuntu 8.10 Intrepid Ibex включены GNOME 2.24, Mozilla Firefox 3, OpenOffice.org 2.4.0, GCC 4.1.3, поддержка 3G и ядро Linux версии 2.6.27.[26]

Canonical утверждает, что Ubuntu гарантирует пользователям свободу (в классическом определении Free Software Foundation), что декларировано в его манифесте, по духу напоминающем лицензию GPL. Однако варианты ОС по умолчанию содержат несвободные драйверы, а в специальном магазине имеются лицензированные у сторонних компаний несвободные декодеры проприетарных запатентованных мультимедиа форматов вроде Windows Media.[36]

Слово «убумнту» на языках зулу и коса означает «гуманность, человеколюбие», и символизирует направленность на конечного пользователя и обеспечение максимальных удобств.

Во Франции в 2007 году в Парламенте отказались от использования Windows XP и перешли на использование Ubuntu, а в 2008 году было объявлено о планомерном переводе на эту ОС более 70 тыс. компьютеров полиции. Ubuntu используется как система по умолчанию в школах Грузии, Македонии. В Испании разворачивается проект на более чем 400 тыс. компьютерных систем с Ubuntu для учебных заведений. [37] В 2008 году на Ubuntu будет переведено от 5 до 8 тысяч десктопов, в последующие 4 года будет переводиться по 12--15 тысяч компьютеров ежегодно во всех отделах полиции в пределах Франции [38].

Google использует на своих «машинах» ОС под названием Goobuntu -- модифицированный дистрибутив.[39]

Ubuntu используется в качестве основной операционной системы на серверах проекта «Википедия»[40].

Требования к аппаратным средствам:

Ничего сверхъестественного. Достаточно иметь 386SX-25 и 4 Мб оперативной памяти, но увеличение ОЗУ до 8 Мб значительно повысит производительность вашей системы. Шина особой роли не играет, Linux поддерживает как ISA, EISA, VLB и PCI, но игнорирует MCA (серия PS/2 фирмы IBM), которая у нас, впрочем, не очень-то распространена. Вовсе не обязательно использование процессоров фирмы "Intel" ? клоны производства фирм AMD, "Cirrus Logic", TI и так далее никаких нареканий не вызывают. Реальная потребность в дисковой памяти - от 80 Мб (вам ведь нужна не только сама система, но и прикладные пакеты, не так ли?). Для запуска большинства программ этого хватит (для удовлетворения потребностей программ в оперативной памяти вы всегда можете создать раздел для подкачки на диске).

1.4 Выбор операционной системы

Конечно же, на выбор операционной системы самое прямое влияние оказывают те аппаратные средства, с которыми вам предстоит работать. Ведь если ресурсов вашего компьютера не хватит для загрузки системы, то разве вы сможете использовать все ее возможности?

Минимальные требования к аппаратным средствам следующие. Во-первых, вам необходим по меньшей мере процессор 80386 (то есть 32-разрядный). Конечно, повышение мощности процессора желательно, но не обязательно. Гораздо большее значение для повышения общей производительности системы играет объем оперативной памяти. Кстати, для запуска Linux или OS/2 вам потребуется хотя бы 4 Мбайта оперативной памяти, а для Windows NT ? по меньшей мере 12 Мбайт. Что касается дисковой памяти, то минимальные требования для Linux составляют 15 Мбайт, 32 Мбайт для OS/2 и 70 Мбайт для Windows NT. Но имейте в виду, что этих ресурсов хватит только для "пробы", а для реальной работы требования значительно более высокие (см.Таблицы 1 и 2).

Впрочем, надеюсь, читателя я не напугал. Ведь практически все современные компьютеры этим требованиям удовлетворяют. Но есть еще одна проблема ? проблема совместимости аппаратных средств. С точки зрения здравого смысла это кажется абсурдом ? жестко сконструированные аппаратные средства (hardware) подгоняются под существенно более гибкое и перестраиваемое программное обемпечение (software), в то время как изначальный замысел был прямо противоположным. И вот, если в вашем распоряжении оказалась ЭВМ с шиной MCA (MicroChannel Architecture), которой оснащены все компьютеры фирмы IBM серии PS/2, то можете распрощаться с идеей использования Linux (эту архитектуру Linux не поддерживает).А если на вашем компьютере установлена видеокарта Compaq Qvision, то может оказаться, что OS/2 ее не поддерживает. А если в компьютере установлен сетевой контроллер 3Com 3c501, то Windows NT может отказаться его поддерживать.

И это далеко не полный список проблем, который к тому же постоянно изменяется. Вообще говоря, вы должны отдавать себе отчет, что приобретение самого современного оборудования, только что появившегося на рынке, всегда чревато возникновением проблем совместимости -- ведь может случиться так, что надежных драйверов для ваших устройств еще нет. А поэтому... не стоит бежать впереди паровоза. Если, конечно, вас не интересует процесс отладки операционной системы, как таковой.

Иначе говоря, любая операционная система, вопреки заявлениям разработчиков, поддерживает вполне определенную номенклатуру аппаратных средств. Поэтому одним из вполне разумных выходов является приобретение готовой вычислительной системы с предустановленной операционной системой. И хотя на российском рынке не так уж много компаний, которые могут поставить компьютер с предустановленной Windows NT, OS/2 или Linux, вы сумеете сохранить много сил, если потратите несколько дней на поиски надежного поставщика, который сам подберет оптимальный состав аппаратных средств.

Если же приобретение нового компьютера целиком является для вас неприемлемым вариантом, то выход один ? просто начните устанавливать систему. Но если в процессе установки у вас возникнут проблемы, то в конце концов вы будете знать о своем компьютере куда больше того, что хотели бы знать!

Ведь операционная система определяет, какие приложения могут быть запущены на вашем компьютере, какой вид имеет интерфейс пользователей, а также, каким образом приложения будут взаимодействовать между собой. Например, если вы не можете жить без офиса фирмы Microsoft (Word, Excel, Access и PowerPoint), то вам придется отказаться от Linux.

OS/2 должна поддерживать эти приложения, но вы ведь помните, что в 1991 году Microsoft прекратила поддерживать проект фирмы IBM... Windows NT использует тот же самый интерфейс диспетчеров файлов и печати, к которому вы уже привыкли в Windows 3.1. Да, интерфейс не слишком удобен, но зато прост и привычен. А учитывая его ограниченность (пусть не обижается на нас г-н Гейтс), пользователь не может нанести ущерб системе, перетаскивая из угла в угол иконки и изменяя настройки среды.

В OS/2 реализована концепция объектно-ориентированного подхода к построению интерфейса пользователя. Как данные, так и программы представляют собой объекты, которые могут быть объединены практически произвольным образом. Щелчок мыши на объекте данных приводит к запуску ассоциируемого с ним приложения. А перетащив файл данных на принтер, вы заставите систему его распечатать. Кроме того, пользователь имеет возможность изменить практически любые настройки системы, как говорилось в одном из рекламных роликов -- "до последнего миллилитра".

К сожалению, эта гибкость имеет и оборотную сторону. В частности, начинающий пользователь довольно легко может заблудиться в системе, ведь обнаружить нужные объекты может оказаться совсем непросто. А в этом случае, однообразность (обычно ее называют единообразием) интерфейса играет отрицательную роль ? поди отличи одно приложение от другого.

Linux, в отличие от остальных систем, использует X/Window. Это уникальная графическая среда ? своеобразный хамелеон, который может принимать любые обличия и по-разному обрабатывать запросы пользователя. Плюс очевиден ? гибкость и возможность настройки под свои задачи. Не менее очевиден и минус ? относительная сложность процесса указанной выше настройки. В этой системе реализовано большое количество различных пользовательских интерфейсов, каждый из которых получил более или менее широкое распространение. А это значительно затрудняет обучение пользователей и сопровождение системы в целом. Linux, по своей сути представляет собой операционную систему, ориентированную на управление с командной строки. Но не расстраивайтесь, разработаны и диспетчеры файлов и диспетчеры печати. Есть также и Midnight Commander ? "наш ответ Питеру Нортону". Кстати, большинство штучек, которые включены в состав Windows и OS/2 , без особых сложностей реализуются и в Linux. И хотя для первоначальной настройки требуется поработать достаточно квалифицированному специалисту, остальные пользователи Linux получат в свое распоряжение среду "со всеми удобствами". Все системы достаточно подробно освещены в литературе, которая оказывает существенную помощь в освоении.

И хотя Linux является бесплатной системой, внимания ему уделяют немало ? немало информации вы можете найти в Internet, выходит специализированный журнал Linux Journal, работают группы пользователей, в том числе и в России, да впрочем, и любая книга по UNIX может быть с успехом использована в вашей работе. Существенным преимуществом Linux явялетстся отсутствие технологических секретов, принадлежащих какой-либо одной компании, а также доступность исходного текста ядра операционной системы, которое может быть модифицировано для нужд фирмы или отдельного пользователя.И как ни удивительно, в результате использования общедоступной информации вы можете получить поистинне крохотную операционную систему, обладающую, тем не менее функциональной полнотой и отличной производительностью. Похоже, что IBM и Microsoft есть чему поучиться!

Это красивое слово из курса диалектического материализма в применении к операционным системам означает, что ОС ? это тот фундамент, на котором держатся все задачи пользователей. Поэтому имеет смысл выбирать ОС, содержащую все те функции, которые необходимы вам для решения текущих задач, а также тех, которые появятся в ближайшем будущем. Но при этом не забывайте о ресурсах, которые необходимы для поддержки функций системы.

Linux, так же как и OS/2, разрабатывался и оптимизировался для работы с процессором 80386 и совместимых с ним. А Windows NT, как ожидалось, должна была стать новым стандартом операционной системы и была портирована на MIPS и DEC Alpha. Но хотя фирма Digital и поставляет компьютеры на базе Alpha с операционной системой Windows NT, это направление, по всей видимости не является для Digital стратегическим. Иначе чем объяснить выпуск новой 64-разрядной версии UNIX для процессора Alpha? Полностью переработанное ядро системы, поддержка гигантских приложений и отказоустойчивых систем ? словом, Digital UNIX ? это потрясающе. Как ни крути, на этих процессорах существуют свои версии UNIX, которые пользуются все же большей популярностью.

Все три ОС поддерживают многозадачный режим работы, при котором одновременно выполняется несколько пользовательсктих приложений. Вы можете одновременно форматировать диск, выгружать файл из Internet или BBS, редактировать статью в текстовом процессоре. По сравнению с MS-DOS это существенный шаг вперед. NT поддерживает также многопроцессорный режим работы, который, впрочем, ориентирован на работу только с процессором Pentium. А вот для Linux завершается разработка сетевого планировщика, который позволяет превратить несколько Linux-машин на базе дешевых процессоров 80386 в некоторое подобие многопроцессорной системы (Purdue's Adapter for Parallel Execution and Rapid Synchronization). А кроме того, вы можете объединить несколько Linux-машин в один виртуальный многопроцессорный суперкомпьютер и даже создать гетерогенную сеть в которой расчетные задачи будет выполнять блок Linux-машин, а ввод/вывод данных можно выполнять на Sun, SGI, или из Windows. Кстати, именно такими системами занимается НПО ?Инфосервис¦ и мы обязательно посвятим несколько изданий возможности эффективного использования свободных вычислитенльных ресурсов сети.

NT и Linux поддерживают также динамическое кэширование дисковой памяти, в то время как в OS/2 реализован традиционный подход, состоящий в выделении фиксированного объема памяти (от 512 Кбайт до 2 Мбайт). В результате производительность Linux и NT оказывается существенно выше, поскольку необходимые для обработки данные в большинстве случаев оказываются уже в кэш-памяти. В отличие от OS/2 и Windows NT многопользовательская работа поддерживается Linux в полном объеме. Локальные пользователи, удаленные терминалы, подключенные через модемы, а также пользователи, подключенные посредствоми локальной вычислительной сети без каких-либо ограничений могут одновременно работать с графическими и символьно-ориентированными приложениями.

Для многих практических ситуаций эта возможность ставит Linux вне конкуренции. Linux имеет также ряд средств обеспечения безопасности системы, предотвращающих попытки пользователей "сломать машинку".

Впрочем, хотя Windows NT не является многопользовательской системой, она проверяет полномочия подключившегося к ней пользователя. Поэтому вы можете без опаски предоставлять сетевой доступ к Linux- или NT-машине, в то время, как пользователь OS/2 имеет все необходимые средства для умышленного или неумышленного разрушения операционной системы.

Необходимо отметить, что развитость средств безопасности Linux не в последнюю очередь объясняется тем, что используются стандартные апробированные решения из мира UNIX, которые прошли испытания временем. Не забыты и современные решения ? уже сегодня вы можете установить в Linux системы контроля доступа семейства Firewall. Более того, эти средства поддерживаются ядром системы! Основные характеристики и возможности рассматриваемых систем сведены в Табл.3.

Очевидно, что каждая дополнительная функция, реализованная в системе, приводит к увеличению объема системы, что сказывается на требованиях к оперативной памяти и жестким дискам. Кроме того, чем больше объем операционной системы, тем медленнее она обычно работает. Windows NT является самой большой из рассматриваемых нами систем. Причиной этого является высокая сложность системы и большой набор поддерживаемых ею функций. Что, кстати, только повышает конкурентоспособность системы. Linux (в комплекте с X-Window) является следующей по размеру системой.

Собственно говоря, сам Linux занимает исключительно малый объем, но X-Window является довольно пухлым довеском. Впрочем, в большинстве случаев, графический интерфейс стоит этих затрат.

И наконец, OS/2 является наиболее компактной системой. Именно в этом и состоит привлекательность операционной системы, разработанной IBM. Пользователю необходимо иметь только 8 Мбайт оперативной памяти, чтобы приобщиться к миру объектно-ориентированного интерфейса, и представляет собой неплохую пплатформу для многозадачной работы с приложениями DOS, Windows и OS/2.

Если вы найдете силы пожертвовать графическим интерфейсом, то Linux окажется наиболее компактной операционной системой. А кроме того, и самой быстрой. При этом, для большинства задач вам будет достаточно 4 Мбайт оперативной памяти. В результате, Linux с успехом может эксплуатироваться на младших моделях, оснащенных процессором 80386, в то время, как для OS/2 или NT вам придется затратить немало средств на обновление компьютера. Конечно, и избытком оперативной памяти Linux сумеет распорядиться, что называется, по-хозяйски. Так, при работе с 16 Мбайт памяти, Linux оставит для приложений и динамического кэша около 12 Мбайт!

Отметим, что размер системы является одной из наиболее сильных характеристик Linux. система изначально проектировалась максимально компактной и производительной, в то время как для NT основным критерием оптимизации являлась переносимость, а для OS/2 ? совместимость с предыдущими версиями системы.А кроме того, поскольку любой администратор Linux-системы имеет в своем распоряжении полный исходный текст ОС, она может быть оптимизирована для работы с конкретным оборудованием и нуждами пользователя. Увы, OS/2 и NT похвастаться такой возможностью не могут.

Windows NT румяней всех, поскольку это устойчивая система, предназначенная для широко распространенных процессоров фирмы Intel.

OS/2 всех румянее по той причине, что это наилучшая система для запуска 16-разрядных приложений DOS и Windows, и при этом предоставляет возможность приобщиться к привлекательному миру 32-разрядных систем.

Но в обеих системах прячется червячок ? и OS/2 и NT привязывают пользователя к той или иной технологии ? ведь приложения будут работать либо в OS/2, либо в Windows NT. А вот Linux "всех белее", поскольку ему эта опасность не грозит. Приложения, разработанные для Linux могут быть перенесены на любую UNIX-систему. И если ориентация на "открытую технологию" IBM или Microsoft, является, по большому счету, рискованной игрой, то Linux предлагает выход из ловушек, расставленных гигантами.

Впрочем, на этом пути вас также поджидают определенные трудности. Для того, чтобы не оказаться запертым в рамках одной операционной системы вы должны выбирать приложения, которые поддерживаются различными платформами. Если ваши любимые электронные таблицы работают в Windows, OS/2, UNIX и на Macintosh, вы можете быть уверены, что сможете запустить этот продукт и в других системах.

Впрочем, не забудьте, что за это придется выкладывать звонкую монету из собственного кошелька. Приятной особенностью Linux является его способность использовать программное обеспечение, предназначенное для дркугих РС-ориентированных версий UNIX, таких, как например, SCO UNIX. Впрочем, для UNIX-систем пока не реализованы версии текстовых процессоров, сопоставимых с возможностями Microsoft Word или Lotus Word Pro. И к сожалению, именно этот факт сдерживает распространение Linux.

С точки зрения корпоративного пользователя Linux идеально вписывается в концепцию "клиент/сервер", реализуемую на базе протоколов TCP/IP. При этом Linux позволяет превратить казалось бы устаревшее оборудование в мощный файл-сервер, факс-сервер, работающий как шлюз для отправки факсов через внутреннюю систему электронной почты или postscript-ориентированный принт-сервер, который обслуживает обычные матричные или лазерные принтеры. При этом, Linux зачастую работает устойчивее, чем его коммерческие собратья. Система компактна и шустра, а кроме того, может быть перекомпонована для решения вполне определенных задач. Вы можете даже установить ее на индустриальный компьютер (например, Mitac или Octagon). В Linux встроены средства поддержки электронной почты и доступа к ресурсам Internet. Cистема отлично документирована и получает все большее распространение во всем мире.

Реализована поддержка работы работы с кириллицей. Но (!) есть и некоторые недостатки. Прежде всего, довольно ограничено количество коммерческих продуктов, хотя среди них уже есть и мощные SQL-серверы баз данных, и текстовые процессоры и прочие нужные вещи. Кроме того, в случае зависания системы, вы не можете свалить вину на "кривой код от Microsoft". И конечно, никто не обязан вылизывать обнаруженные вами ошибки, хотя разработчики программного обеспечения Linux обычно внимательно относятся к критике пользователей...

С точки зрения технически подготовленного пользователя Linux представляет отличный шанс "поковыряться" в операционной системе. Вам полностью доступен исходный код операционной системы, что само по себе является мощным учебным пособием, которое так и тянет опробовать на практике. В результате уже сегодня вы можете воспользоваться высокопроизводительными трассировщиками для мультипликации, спектроанализаторами на базе Sound Blaster, различными компиляторами (чем, например, плохи Ада или CommonLisp?) и играми (уже реализован DOOM) и прочими продуктами. Для новичков, конечно же, предпочтительными вариантами являются OS/2, и в меньшей степени, Windows NT.

Простой и понятный интерфейс OS/2 является серьезным побудительным мотивом, в то время как NT привлекает за счет своей мощи. Но, в то же время следует признать, что наибольший комфорт пользователь ощущает в старой доброй Windows 3.1, а также при работе с Norton Commander.

Процесс установки 32-разрядных операционных систем и их конфигурирование может оказаться процессом далеко не тривиальным.

Подводя итоги, отметим, что Linux оказывается неожиданно мощной системой, которая разработана неорганизованной группой программистов-любителей. Идеи положенные в его основу проверены временем. Количество и качество свободно распространяемых приложений просто завораживает. И если накнец будет завершен проект Wine, позволяющий запускать Windows-приложения в среде X/Window, Linux получит дополнительный козырь в борьбе с коммерческими операционными системами. Возможности этой системы открывают все новые и новые пользователи. И с эволюционным развитием всех трех систем наблюдается устойчивый рост количества пользователей Linux.

Компьютерное моделирование

Прежде чем приступить к компьютерному моделированию технологического процесса, необходимо знать простейшие математические уравнения для его проведения начнем с проверки воспроизводимости опыта.

Проверим воспроизводимость опытов

Убедиться в том, что опыты воспроизводимы, т. е. результаты опытов, проведенных в одинаковых условиях, близки друг к другу. Для этой цели проводят несколько серий параллельных опытов. Условия реализации опытов каждой серии -- одинаковы, а разных серий -- отличаются друг от друга. Однако все опыты проводятся в рассматриваемой области изменения влияющих факторов. Результаты этих опытов сводят в таблицу табл. 10. Количество опытов во всех сериях должно быть одинаковым.

Для каждой серии параллельных опытов вычисляют среднее арифметическое значение функции отклика

где-- номер серии;-- число параллельных опытов, проведенных при одинаковых условиях.

Затем вычисляют для каждой серии параллельных опытов величину, называемую оценкой дисперсии:



Среди всех оценок дисперсий находят наибольшую. Мы обозначим ее через

аблица 10 Эксперимент для проверки воспроизводимости опытов

Номер серии опытов	Результаты параллельных опытов	Средние значения	Оценки дисперсии

Затем находят отношение наибольшей из оценок дисперсий к сумме всех оценок дисперсий:

Таблица11 Критические значения критерия Кохрена

Число серий опытов (число оценок дисперсий)
	1	2	3	4
2	0,999	0,975	0,939	0,906
3	0,967	0,871	0,798	0,746
4	0,907	0,768	0,684	0,629
5	0,841	0,684	0,598	0,544

Величина G_p называется расчетным значением критерия Кохрена. Критические, т. е. предельно допустимые значения критерия Кохрена G, приведены в табл. 11.

Для нахождения G необходимо знать общее число N оценок дисперсий и так называемое число степеней свободы , связанных с каждой из них, причем

Опыты считаются воспроизводимыми, когда выполняется условие

Если опыты невоспроизводимы, то можно попытаться достигнуть воспроизводимости путем выявления и устранения источников нестабильности эксперимента, а также за счет использования более точных измерительных приборов.

Наконец, если никакими способами невозможно обеспечить воспроизводимость, то математические методы планирования к такому эксперименту применять нельзя.

Если при проведении эксперимента опыты дублируют и пользуются средними значениями функции откликато при обработке экспериментальных данных следует использовать В тех случаях, когда из-за недостатка времени, большой трудоемкости или высокой стоимости эксперимента опыты не дублируют, при обработке экспериментальных данных используют

Таким образом, вычисления, связанные с проверкой воспроизводимости опытов, достаточно просты. Для их проведения достаточно использовать микрокалькулятор.

Полный факторный эксперимент

Под математическим описанием технологического процесса обычно понимают систему уравнений, связывающих функции отклика с влияющими факторами. В простейшем случае это может быть одно уравнение. Часто математическое описание называют математической моделью.

С помощью математических методов планирования эксперимента можно получить математическую модель технологического процесса даже при отсутствии сведений о механизме его протекания. Это в ряде случаев бывает очень полезно.

Рис. 21 Введение кодированных переменных

На основе планирования эксперимента возможно моделировать химический состав продукта, его выход, усвояемость и др. показатели качества продукта или правильным термином «факторы».

Математические модели, получаемые с помощью методов планирования эксперимента, принято называть экспериментально-статистическими.

Метод полного факторного эксперимента дает возможность получить математическое описание пищевого технологического процесса в некоторой области факторного пространства, лежащей в окрестности выбранной точки с координатами где - число факторов).

Перенесем начало координат факторного пространства в данную точку рис. 21. С этой целью введем новые переменные величины

где-- выбранный нами масштаб по оси

Величины не имеют размерностей и называются кодированными переменными.

С помощью полного факторного эксперимента ищут математическое описание технологического процесса в виде уравнения

В него входит свободный членчлены в виде произведений коэффициентов регрессиинаи члены, содержащие парные произведения кодированных переменных. Таким образом, это -- неполное квадратное уравнение.

Все факторы в ходе полного факторного эксперимента варьируют на двух уровнях, соответствующих значениям кодированных переменныхи .

В табл. 13 приведены условия опытов полного двухфакторного эксперимента. Часть таблицы, обведенная штриховыми линиями, называется матрицей планирования.

Таблица 13 Условия полного двухфакторного эксперимента

Номер опыта	Факторы	Функция отклика
	X1	X2
1	-1	-1	y1
2	+1	-1	y2
3	-1	+1	y3
4	+1	+1	y4

Матрица содержит полный набор всех возможных комбинаций уровней варьирования факторов. Отсюда полный факторный эксперимент получил свое название.

Как следует из рис. 22, результаты опытов, приведенные в табл. 13, соответствуют на факторной плоскости вершинам квадрата с центром в начале координат.

Рис. 22. Полной двухфакторной эксперимент на плоскости

В табл. 14 приведены условия опытов полного трехфакторного эксперимента. Эти опыты соответствуют в факторном пространстве вершинам куба с центром в начале координат.

Основные принципы построения матриц планирования полного факторного эксперимента: 1) уровни варьирования первого фактора чередуются от опыта к опыту; 2) частота смены уровней варьирования каждого последующего фактора вдвое меньше, чем у предыдущего.

Таблица 13 Условия полного трехфакторного эксперимента

Номер опыта	Факторы	Функция отклика
	X1	X2	X3
1.	- 1	- 1	-1	y1
2.	+ 1	- 1	- 1	y2
3.	- 1	+ 1	- 1	y3
4.	+ 1	+ 1	- 1	y4
5.	- 1	- 1	+ 1	y5
6.	+ 1	-1	+ 1	y6
7.	- 1	+ 1	+ 1	y7
8.	+ 1	+ 1	+ 1	y8

Общее число опытов полного факторного эксперимента:

где n -- число факторов.

На основании результатов полного факторного эксперимента вычисляют коэффициенты регрессии, пользуясь следующими формулами:

Некоторые из коэффициентов регрессии могут оказаться пренебрежимо малыми - незначимыми. Чтобы установить, значим коэффициент или нет, необходимо прежде всего вычислить оценку дисперсии, с которой он определяется:

Следует отметить, что по результатам полного факторного эксперимента все коэффициенты определяются с одинаковой погрешностью.

Принято считать, что коэффициент регрессии значим, если выполнено условие

где-- значение критерия Стьюдента, взятое из табл. 15.

Для пользования табл. 15 необходимо знать число степеней свободысвязанное с оценкой дисперсии

Таблица 15 Значения критерия Стьюдента

f	t
1	12,71
2	4,30
3	3,18
4	2,78
5	2,57
6	2.45
7	2,36
8	2,31
9	2,26
10	2,23

Если проверка показала, что коэффициент регрессии незначим, то соответствующий член можно исключить из уравнения.

Получив уравнение регрессии, следует проверить его адекватность, то есть способность достаточно хорошо описывать поверхность отклика и прогнозировать результаты опытов. Для проверки адекватности вычисляют оценку дисперсии адекватности по формуле

Здесь -- число значимых коэффициентов регрессии;-- экспериментальное и расчетное значение функции отклика в опыте; -- число опытов полного факторного эксперимента.

С оценкой дисперсии адекватности связано число степеней свободы

Затем находят расчетное значение критерия Фишера:

Уравнение регрессии считается адекватным, если выполняется условие

где -- критическое значение критерия Фишера табл. 16.

Для пользования табл. 19 необходимо знать числа степеней свободы, связанных с числителем и знаменателем отношения

Методом дробного факторного эксперимента

С увеличением числа учитываемых факторов резко возрастает число опытов полного факторного эксперимента.

Для нахождения коэффициентов регрессии не всегда требуется много опытов. В таких случаях можно уменьшить объем экспериментальных работ, воспользовавшись методом дробного факторного эксперимента, который известен также под названием метода дробных реплик.

Этот метод заключается в том, что для нахождения уравнения регрессии используется определенная часть полного факторного эксперимента:и т. д. Такие системы опытов называются дробными репликами табл. 19.

Таблица 19

Полный трехфакторный эксперимент и его дробные реплики

Расчет коэффициентов регрессии, проверка значимости коэффициентов и адекватности математического описания в данном случае осуществляются так же, как и при полном факторном эксперименте.

Пусть требуется найти коэффициенты уравнения регрессии

Если для этой цели воспользоваться полным трехфакторным экспериментом, то необходимо провести 8 опытов. Однако эту задачу можно решить и с помощью меньшего числа опытов. Например, возьмем матрицу полного двухфакторного эксперимента табл. 20 и приравняем произведение к фактору

Рассчитаем коэффициенты регрессии:

Обратим внимание на то, что в табл. 20 столбцы для произведенияи фактораполностью совпадают. Поэтому коэффициенты регрессииине могут быть определены раздельно.

Таблица 20 Дробный факторный эксперимент типа 2^3-1

Номер опыта	X1	X2	X1X2	X3	Функция отклика
1	- 1	- 1	+ 1	+ 1	y1
2	+ 1	- 1	- 1	- 1	y2
3	- 1	+ 1	-1	- 1	y3
4	+ 1	+ 1	+ 1	+ 1	y4

Может быть найдена только их сумма:

Этот недостаток рассматриваемого плана является своеобразной «платой» за уменьшение общего числа опытов с восьми до четырех.

Такое планирование эксперимента, когда некоторые из факторов приравнивают к произведениям нескольких факторов, называется планированием со смешиванием. Его обозначают символом где -- общее число факторов, а -- число факторов, приравненных к произведениям. С этой точки зрения в табл. 20 приведена матрица планирования типа

Существует правило, позволяющее определить, какие коэффициенты регрессии определяются совместно при планировании со смешиванием. Рассмотрим это правило на примере.

Методом дробных реплик будем искать математическое описание процесса в виде уравнения регрессии

Воспользуемся планированием типаи примем

Такие равенства в методе дробных реплик называются генерирующими соотношениями.

Следует отметить, что выбор генерирующих соотношений в общем случае произволен. Однако он существенно влияет на характер совместных оценок коэффициентов регрессии.

Правило определения совместных оценок коэффициентов заключается в следующем:

Примем во внимание, что

Умножив обе части генерирующих соотношений соответственно наиполучим:

Эти равенства называются определяющими контрастами. Перемножив их почленно, получим новые определяющие контрасты.

В данном случае _

3. Составим алгебраическую сумму из единицы и правых частей всех полученных определяющих контрастов:

4. Умножив каждый из факторов на s и заменив факторы соответствующими коэффициентами регрессии р получим искомые совместные оценки:

где-- истинные коэффициенты регрессии.

В рассмотренном примере удалось значительно сократить общее количество опытов. Так, полный пятифакторный эксперимент состоит из 32 опытов. План типасодержит 8 опытов, т. е. в четыре раза меньше.

Отметим еще одну интересную особенность дробного факторного эксперимента. Планирование со смешиванием иногда применяют в тех случаях, когда необходимо уменьшить влияние неуправляемых временных изменений некоторых влияющих факторов, т. е. влияние так называемого временного дрейфа. Примером временного дрейфа может служить уменьшение со временем активности катализатора вследствие отравления его каталитическими ядами.

При постановке большой серии опытов, требующих длительного времени, всегда приходится опасаться нежелательных изменений исходных свойств реагентов, некоторых характеристик технологического оборудования и т. п. Влияние этого временного дрейфа на параметры математического описания процесса можно практически устранить, разбивая всю серию опытов на отдельные блоки так, чтобы эффект от временного дрейфа оказался смешанным с произведениями факторов, для которых коэффициенты регрессии достаточно малы.

Допустим, что необходимо устранить влияние временного дрейфа на параметры уравнения регрессии, получаемого в результате полного трехфакторного эксперимента. С этой целью разобъем эксперимент на два блока и введем новую независимую переменную Х_Л, характеризующую дрейф. Положим

Исходя из матрицы планирования, представленной в табл. 21, будем считать, что в первом блоке все результаты опытов вследствие временного дрейфа завышены наа во втором -- занижены на ту же величину.

Таблица 21 Планирование в условиях временного дрейфа

Если уравнение регрессии отыскивается в виде

то коэффициенты регрессии будут являться следующими оценками:

Рассчитаем, например, коэффициентыи:

Следовательно, все коэффициенты регрессии, кроме не содержат погрешностей, обусловленных временным дрейфом.

Крутое восхождение

Полученное с помощью полного или дробного факторного эксперимента уравнение регрессии служит не только математической моделью химико-технологического процесса, но используется и для его оптимизации. Оптимизацией процесса называют целенаправленный поиск наилучших в определенном смысле условий его проведения. Задачи оптимизации приходится решать при разработке новых технологий и реконструкции действующих производств.

Величина, характеризующая уровень оптимизации процесса, называется критерием оптимальности или целевой функцией. Например, критерием оптимальности может быть выход целевого продукта химической реакции в расчете на израсходованное сырье.

Качество процесса химической технологии обычно выражается не одним, а несколькими показателями. Безусловно, хочется, чтобы все показатели достигали одновременно своих наилучших значений. К сожалению, это невозможно. Например, максимальная производительность оборудования и минимальная себестоимость продукции обычно имеют место при различных технологических режимах.

Чтобы осуществлять оптимизацию, необходимо располагать определенными ресурсами. Например, для увеличения выхода целевого продукта химической реакции, мы должны иметь возможность варьировать в определенных пределах значениями таких величин, как температура реакционной-смеси, исходные концентрации реагентов и т. д.

Оптимизацию проводят, как правило, в условиях ограничений на ресурсы оптимизации и некоторые выходные параметры процесса.

Задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом. Задан критерий оптимальности

и ограничения на остальные выходные параметры процесса:

Заданы ограничения на ресурсы оптимизации:

Требуется найти такие значения ресурсов оптимизации при которых критерий оптимальности достигает своего экстремального (т. е. наибольшего или наименьшего) значения.

Д. Бокс и К. Уилсон предложили использовать для оптимизации результаты полного или дробного факторного эксперимента. Сущность этого метода состоит в следующем.

Среди всех имеющихся функций отклика, описывающих объект оптимизации, выбирают одну наиболее важную и принимают ее в качестве критерия оптимальностиЗатем указывают ограничения, накладываемые на остальные функции отклика и на влияющие факторы.

Один из наиболее сильно влияющих факторов принимают за базовый и для него вычисляют произведение соответствующего коэффициента регрессии на шаг варьирования. Например, для первого фактора это произведение имеет видЗатем для базового фактора выбирают шагс которым будет осуществляться оптимизация. С целью более точного нахождения координат оптимума обычно принимают

После этого вычисляют отношение



Для всех остальных факторов шаги движения к оптимуму рассчитывают по формуле

Движение к оптимуму начинают из центра плана, который был использован для получения уравнения регрессии. Значения факторовна каждом новом шаге оптимизации находят путем прибавленияк соответствующим предыдущим значениям. Так осуществляется оптимизация по методу Бокса и Уилсона, получившему название метода крутого восхождения. Отметим некоторые особенности этого метода. Движение из центра плана начинается в сторону наиболее быстрого увеличения критерия оптимальности. Это происходит благодаря тому, что шагипропорциональны коэффициентам регрессии

Если ищется минимум критериято новые значения факторов находят из предыдущих путем вычитанияТакой способ оптимизации назван методом наискорейшего спуска.

Движение к экстремуму прекращают при выполнении следующих условий: 1) значения факторов(одного или нескольких) или функций отклика(одной или нескольких) вышли на допустимые границы; 2) достигнут экстремум критерия оптимальности.

Рис. 23. Оптимизация по методу крутого восхождения

Как следует из рис. 23, в ходе крутого восхождения по поверхности отклика сначала может быть достигнут локальный экстремум на направлении движения. В таком случае необходимо в окрестности этого экстремума поставить новый полный факторный эксперимент и реализовать новое крутое восхождение.

Отметим, что в реальных условиях оптимум обычно находится на границах области допустимых значений

1.4 Среда для моделирования технологических процессов Visual Studio.NET

Из чего состоит .NET Framework, NET Framework состоит прежде всего из огромной библиотеки программ, к которой можно обращаться из различных языков программирования (например из С#) с помощью различных технологий объектно-ориентированного программирования (ООП, object-oriented programming). Эта библиотека разбита на несколько различных модулей таким образом, что имеется возможность использовать ту или иную ее часть в зависимости от требуемых результатов. Так, например, в одном из модулей содержатся "кирпичики", из которых можно построить Windows-приложения, в другом -- "кирпичики", необходимые для организации работы в сети, в третьем -- все необходимое для развития Всемирной паутины (Web). Некоторые из этих модулей подразделяются на более специфические подмодули: к примеру, в состав модуля для развития Паутины входит подмодуль, предназначенный для создания web-служб.

Основная идея в данном случае заключается в том, что различные операционные системы могут поддерживать некоторые или все из этих модулей (что зависит от характеристик этих операционных систем). Так, PDA потенциально мог бы поддерживать все основные функциональные возможности .NET, однако маловероятно, чтобы ему потребовались какие-либо более хитрые модули.

Часть библиотеки .NET Framework посвящена описанию некоторых базисных типов. Тип -- это способ представления данных; определение наиболее фундаментальных из них (например 32-разрядного целого со знаком) облегчает совместное использование языков программирования с помощью .NET Framework. Все вместе это называется Common Type System (CTS -- единая система типов)

Кроме вындописанной библиотеки, в состав системы входит также NET Common Language Runtime (CLR -- единая система выполнения программ), которая ответственна за поддержку выполнения всех приложении, разработанных с использованием библиотеки .NET,

Как можно создавать приложения с помощью .NET Framework