Betriebssystem

Einführung

Kern der Systemsoftware ist das Betriebssystem. Je nach Aufgabenbereich und Entwicklungsstand stellt dieses unterschiedliche Funktionen zur Verfügung. Typische aktuelle Betriebssysteme für einen Personal-Computer umfassen mindestens folgende Leistungsmerkmale:

• Gängige PC-Betriebssysteme sind in der Regel darauf ausgelegt, dass ein Computersystem von höchstens einem/einer Benutzer/Benutzerin gleichzeitig verwendet wird (Single-User-System). Auf einem solchen Single-User-PC konnte früher ein Benutzer/eine Benutzerin immer nur ein Programm ausführen (Single-Tasking). Seit Jahren ist es bei den PCs Stand der Technik, dass auch auf einem Ein-Benutzungs-System mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden können (Multi-Tasking, siehe nächster Punkt).

• Das Betriebssystem erlaubt es, dass zu einem Zeitpunkt mehrere Anwendungsprogramme aktiv sind. Um den Benutzenden den Eindruck zu geben, dass alle Programme gleichzeitig ablaufen, wird vom Betriebssystem veranlasst, dass sich diese Programme in rascher Folge in der Nutzung eines einzelnen Prozessors abwechseln („Multitasking”); multiprozessor-fähige Betriebssysteme (z. B. die Windows-NT-Produktfamilie, manche LINUX- und UNIX-Versionen) sorgen darüber hinaus dafür, dass unterschiedliche Anwendungen auch auf verschiedenen Prozessoren gleichzeitig ablaufen können; schließlich werden Funktionen bereitgestellt, damit die gleichzeitig aktiven Programme untereinander (z. B. über das Clipboard) kommunizieren und sich koordinieren können (etwa, wenn auf gemeinsame Datenbestände zugegriffen werden muss).

• Eine Betriebssystemkomponente (z. B. der Macintosh Finder, der Windows Desktop, ...) erlaubt es den Benutzenden, Anwendungsprogramme ihrer Wahl zu starten.

• Diese Betriebssystemkomponente (oder auch andere Systemprogramme, wie z. B. der Windows Explorer) stellen den Benutzenden auch Grundfunktionen (Umbenennen, Kopieren, Löschen, ...) zum Verwalten ihrer Dateien (bzw. „Dokumente”) zur Verfügung.

• Das Betriebssystem stellt allen Anwendungsprogrammen Grundfunktionen für den Zugriff auf Dateien („Dokumente”) und Peripheriegeräte (z. B. Speichermedien und Drucker) zur Verfügung. Über diese Grundfunktionen wird das Anwendungsprogramm gleichzeitig von den Details der verwendeten Rechnerperipherie abgeschirmt: So sollte z. B. der Austausch des verwendeten Druckers oder der Einbau eines zusätzlichen Festplattenlaufwerks nur eine Rekonfiguration des Betriebssystems (durch Installation neuer Gerätetreiber) erforderlich machen; die Anwendungsprogramme selbst sollten davon unberührt bleiben.

• Das Betriebssystem bietet Mechanismen (sog. Dateisysteme) an, um auf Speichermedien mit wahlfreiem Zugriff Dateien zu verwalten, die von Benutzenden erzeugte Dokumente, aber auch System- oder Anwendungsprogramme repräsentieren oder von Benutzenden eingestellte Konfigurationsparameter für bestimmte Systemkomponenten beinhalten können. Dateien können gemäß den Regeln des verwendeten Dateisystem-Typs benannt und in hierarchisch angeordneten Verzeichnissen (oder „Ordnern”) organisiert werden.

• Über Netzwerk-Funktionen können Benutzer und Benutzerinnen auf Betriebsmittel (z. B. Dateien oder Drucker) anderer Computer (z. B. dedizierter Server) zugreifen und auch eigene Peripherie anderen Benutzenden zur Verfügung stellen („Peer-to-Peer-Networking”).

• Das Betriebssystem stellt schließlich allen Anwendungsprogrammen, einschließlich seinen eigenen Komponenten und Hilfsprogrammen, Grundelemente zur Gestaltung der Benutzeroberfläche zur Verfügung. Bei graphischen Benutzeroberflächen ist dies ein wesentlicher Faktor für das einheitliche „Look and Feel” der dafür verfügbaren Applikationen (der zweite Faktor ist in der Regel ein „Style Guide”, der vom Hersteller des betreffenden Betriebssystems bzw. der graphischen Benutzeroberfläche publiziert wird). Bei entsprechender Hardwareausstattung (z. B. einer Sound- oder Video-Karte) umfasst diese Unterstützung auch Multimedia-Funktionen (z. B. Aufnahme und Wiedergabe von Video-Sequenzen und Sounds).

• In aktuellen Desktop-Betriebssystemen (z. B. MacOS und Vista) werden für die Darstellung, Druck und Speicherung von Dokumenten komplexe Dokumentformate und Graphik-Engines verwendet. Bei Apple sind das PDF und OpenGL, während Microsoft versucht, mit XPS (XML Paper Specification) einen neuen Industriestandard zu etablieren. Bedeutend sind diese Formate und Techniken vor allem für die Langzeitarchivierung.

Dieser Funktionsumfang (der ein sog. Single-User-/Multi-Tasking-Betriebssystem kennzeichnet) wurde bereits in den Betriebssystemen des Macintosh („Mac OS”, ab Version 7.x) sowie vom Betriebssystem MS-DOS mit Windows (3.x) unterstützt.

Die (Multi-User-/Multi-Tasking-) Betriebssysteme LINUX, UNIX und Windows NT (in den Varianten für den Serverbetrieb) erlauben es darüber hinaus, dass verschiedene Anwendende gleichzeitig (von verschiedenen Arbeitsstationen aus) mit verschiedenen Programmen auf einem Computersystem, dem Terminal-Server, arbeiten. Diese Arbeitsstationen können dabei vergleichsweise „schwache“ Computer sein („Thin Clients“). Gründe dafür können z. B. sein, dass man nicht für jede Arbeitsstation eine Softwarelizenz erwerben möchte, eine vereinfachtere Wartung der Anwendungen und/oder wenn eine Anwendung spezielle Anforderungen an die Hardware stellt, die man aus ökonomischen Gründen nicht an jedem Client vorhalten möchte.

Damit diese Benutzenden auf einem Computersystem arbeiten können, ohne sich gegenseitig zu stören, sind zusätzlich folgende Vorkehrungen nötig:

• Alle Benutzenden müssen sich dem Betriebssystem gegenüber identifizieren, bevor sie mit dem Computersystem arbeiten können. Üblicherweise geschieht dies, indem die Benutzenden ihre Benutzerkennung sowie ein dazugehöriges, nur ihnen und dem Betriebssystem bekanntes Kennwort eingeben.

• Allen Benutzenden werden von speziellen Benutzenden, dem/der SystemadministratorIn, Rechte zur Nutzung gewisser Programme, Dateien und Peripheriegeräte zugewiesen.

• Bestimmte Konfigurationsdaten werden je Benutzendem abgelegt, sodass jede/r Benutzende (in einem gewissen Rahmen) die Möglichkeit erhält, sich Teile des Systems (z. B. Elemente der Benutzeroberfläche) nach seinen Bedürfnissen und Vorlieben einzurichten.

Eine eingeschränkte Multi-User-Funktionalität gibt es bereits bei den gängigen Betriebssystem-Varianten für den Ein-Benutzungs-Betrieb.

Bei der Windows NT-Produktlinie (dazu zählt beispielsweise auch Windows Vista) für den Ein-Benutzungs-Betrieb können zwar mehrere Benutzende gleichzeitig angemeldet sein und auch Programme ausführen, es kann aber immer nur ein/e BenutzerIn interaktiv über Monitor, Maus und Tastatur mit dem Computer arbeiten.

Gängige Betriebssysteme

Windows Familie

Windows (zuletzt in der Version 3.1) wurde ursprünglich als graphische Benutzeroberfläche für das Kommandoorientierte Betriebssystem MS-DOS („Microsoft Disk Operating System”) konzipiert und implementiert.

Windows 3.1 übernimmt viele Eigenschaften von seinem Basis-Betriebssystem MS-DOS:

• beispielsweise werden Laufwerke durch Buchstaben bezeichnet (die Buchstaben A: und B: sind standardmäßig Diskettenlaufwerken zugewiesen; ab C: werden dann zunächst Festplatten-Laufwerke, dann weitere Laufwerke mit auswechselbaren Datenträgern, z.B. CD-ROMs, und zuletzt Netzwerk-Laufwerke zugeordnet);

• auf einem Datenträger können sich Dateien (das sind Programme und Dokumente) sowie Verzeichnisse befinden;

• Verzeichnisse können wiederum Dateien und andere Verzeichnisse beinhalten („hierarchisches Dateisystem”);

• alle Namen für Dateien und Verzeichnisse müssen den Konventionen des FAT-Dateisystems folgen, das für Disketten und Festplatten-Partitionen verwendet wird: ein Dateiname besteht aus bis zu acht Zeichen, optional gefolgt von einem „.” und einer bis zu drei Zeichen langen Namens-Erweiterung; diese Namens-Erweiterung legt bei Dateien einen Dateityp fest: z.B. kennzeichnen die Namens-Erweiterungen „.EXE” und „.COM” ausführbare Programme; Namens-Erweiterungen für Daten-Dateien (z.B. „.XLS”) können ausführbaren Programmen (z.B. Microsoft EXCEL) zugeordnet werden, sodass die betreffenden Dokumente aus dem Datei-Manager einfach durch Doppel-Klicken geöffnet werden können; in Dateinamen und Namens-Erweiterungen sind Zeichen, die von MS-DOS mit einer Spezialbedeutung belegt sind (z.B. „?”, „*”, „.”, „:”, „\”, „/”, „<”, „>”, „|”, ...), verboten, Zeichen außerhalb des ASCII-Zeichensatzes (z.B. Umlaute) sollten nicht verwendet werden.

Mit „Windows for WorkGroups” (einer Variante von Windows 3.1, die spezielle Netzwerk-Funktionen für kleine Arbeitsgruppen anbot) hat Microsoft begonnen, Funktionen des Betriebssystems MS-DOS (z.B. den Zugriff auf das FAT-Dateisystem) in Windows selbst zu implementieren; diese Entwicklung wurde mit Windows 95 abgeschlossen, bei dem MS-DOS und Windows zu einem Betriebssystem integriert wurden. Windows 95 verfügt über eine komplett neu entworfene Benutzeroberfläche, erweitert die Definition des FAT-Dateisystems, sodass lange Dateinamen (bis zu ca. 250 Zeichen) verwendet werden können , und bietet Unterstützung für „Plug and Play” (eine Hardware-Technologie, die den Einbau von Hardware-Erweiterungen in einen PC drastisch vereinfachen soll, indem die bisher durch manuelles Einstellen von DIP-Schaltern, Jumpern, ... vorgenommene Hardware-Konfigurationen durch Software durchgeführt und automatisiert wird).

Die neue Benutzeroberfläche von Windows 95 (und Windows NT 4.0, s.u.) zeigt standardmäßig den „Schreibtisch” an, auf dem der Benutzer Symbole für Dokumente, Programme und Systembereiche ablegen kann; über das Symbol „Arbeitsplatz” kann der Benutzer auf alle (lokalen) Laufwerke, über „Netzwerkumgebung” auf Netzwerk-Laufwerke zugreifen. Eine alternative Ansicht des Schreibtisches zeigt das Systemprogramm „Windows Explorer”. Am unteren Rand des Bildschirms befindet sich der Task-Bar, der die aktiven Applikationen anzeigt und ein Umschalten zwischen diesen erlaubt; das Start-Menü (links im Task-Bar) erlaubt das Öffnen der darin (oder in einem Untermenü eingetragenen).

Während Microsoft mit Windows 95 den evolutionären Weg der Weiterentwicklung eines bestehenden Betriebssystems gegangen ist, hat es mit Windows NT („New Technology”) ein vollständig neues Betriebssystem entwickelt. Hatte die Version 3.5 noch eine Windows 3.1-Benutzeroberfläche in Verwendung, so hat Microsoft für die Version 4.0 die Oberfläche von Windows 95 übernommen und adaptiert. Ein großer Teil der Programmierschnittstellen von Windows 95 und Windows NT ist darüber hinaus identisch, sodass Programme, die keine besondere Funktionalität eines der beiden Betriebssysteme benötigen, so geschrieben werden können, dass sie unter beiden Betriebssystemen ablaufen.

Ursprünglich gab es NT sowohl für x86 Prozessoren als auch für Alpha, MIPS und PowerPC Prozessoren. Gegenwärtig gibt es 32-bit Varianten nur mehr für x86 Prozessoren und 64-bit Varianten für x86 und Itanium Prozessoren.

Windows NT wurde ursprünglich als Betriebssystem mit mehreren „Persönlichkeiten” konzipiert; neben den Programmierschnittstellen für Windows bietet Windows NT unter anderen Schnittstellen für UNIX (in der dem POSIX-Standard entsprechenden Untermenge). Windows NT verlangt, dass sich Benutzende vor Nutzung des Systems mit einer Benutzerkennung und einem dazugehörigen Kennwort identifizieren; durch Vergabe von Zugriffsberechtigungen können Benutzende das Durchführen bestimmter Systemfunktionen und der Zugriff auf bestimmte Dateien und/oder Verzeichnisse (auf einem NTFS-Dateisystem) erlaubt oder verweigert werden. Mit NTFS („New Technology File System”) bietet Windows NT eine Alternative zum FAT-Dateisystem, das lange Dateinamen (bis zu ca. 250 Zeichen) zulässt, für große Festplatten-Partitionen (bis zu 17 Milliarden GB) optimiert ist und es erlaubt, Benutzer-spezifische Zugriffsrechte auf Dateien und/oder Verzeichnisse zu definieren.

Seit Windows 2000 gibt es das Encrypted File System (EFS), mit dem sich Dateien auf NTFS-formatierten Datenträgern verschlüsseln lassen. Dateinamen werden dabei nicht verschlüsselt. Ab Windows Vista gibt es eine Verschlüsselung („Bitlocker“), die den gesamten Datenträger verschlüsseln kann. Dies ist insbesonders bei (abhanden gekommenen) Laptops sinnvoll, da man zuvor z.B. aus dem unverschlüsseltem Hibernate-File (=Speicherabbild für den Ruhezustandsmodus) sensible Daten wiederherstellen konnte.

Eine weitere Sicherheitslücke wird mit Vista gleichfalls geschlossen: Bisher wurde zu den Benutzendenpasswörtern aus Kompatibilitätsgründen zu Windows 95/98/Me auch immer ein so genannter LM-Hash gespeichert, der sich aber aufgrund von Designschwächen knacken lies. Im Endbenutzerbereich soll vor Allem die neue dreidimensionale graphische Benutzeroberfläche „AeroGlass“ als Kaufanreiz dienen.

Ab Herbst 2009 soll schliesslich das neue Windows 7, der Nachfolger von Windows Vista, im freien Handel verfügbar sein. Auch diese Version basiert auf Windows NT (6.1).

Als „Mini-Version” von Windows für besonders kompakte Geräte (Palm-Tops, Mini-Notebooks, Mobiltelefone, ...) hat Microsoft mittlerweile auch Windows CE in der Version 6.0 auf den Markt gebracht.

UNIX

Das UNIX-Betriebssystem ist ein Veteran unter den heute eingesetzten Betriebssystemen, und es entstand noch vor dem ersten Mikroprozessor: Es begann damit, dass sich die Bell Telephone Labs (BTL) von AT&T im Jahre 1969 aus dem Betriebssystem-Projekt Multics zurückzogen. Einer der Beteiligten, Ken Thompson, hatte unter Multics ein kleines Spiel („Space Travel”) geschrieben, das er gemeinsam mit Dennis Ritchie nun – gemeinsam mit einem kleinen, einfachen Betriebssystem – auf einer ungenutzten DEC PDP 7 neu implementierte. Unter dem Vorwand, eine Textverarbeitung zu schreiben, überzeugten sie schließlich das BTL-Management, eine DEC PDP 11 anzuschaffen, auf die dann das neue Betriebssystem portiert und auf ein Multi-User-Betriebssystem erweitert wurde.

1973 wurde UNIX auf einer Konferenz der Öffentlichkeit präsentiert, was großes Interesse an diesem Betriebssystem erzeugte. AT&T war damals in den USA Monopolist für das Telefonsystem – als Ausgleich durfte es sich in keinen anderen Sektoren kommerziell betätigen. BTL entschloss sich jedoch, UNIX interessierten Universitäten zur Verfügung zu stellen, was bewirkte, dass viele neue Ideen zunächst für UNIX implementiert wurden.

Unix wurde neben AT&T vor allem in der University of California in Berkeley weiterentwickelt; zahlreiche Firmen entwickelten auf Basis der AT&T- oder der BSD-Linie („Berkeley System Distribution”) von UNIX eigene Versionen (z.B. SunOS/Solaris von SUN, Irix von SGI, AIX von IBM, Ultrix von DEC, SINIX von Siemens, SCO UNIX, das aus dem von Microsoft entwickelten XENIX entstand, ...) mit jeweils eigenen „Features”; in dem Maße, als sich PCs in für UNIX taugliche Leistungsklassen hineinentwickelten, entstanden auch UNIX-Versionen für PCs (u.a. das frei verfügbare LINUX); um die dadurch entstandene „Variantenvielfalt” einzudämmen, versuchte man, sich für UNIX auf gemeinsame Standards zu einigen: Als erster Minimal-Standard entstand so POSIX („Portable Operating System Environment”, eine IEEE-Norm), weitergehende Bemühungen koordiniert die „Open Group”, der Novell (das UNIX von AT&T käuflich erworben hatte) auch den UNIX-Markennamen übertrug.

UNIX ist berüchtigt für seine komplexe und kryptische, aber auch sehr mächtige Kommandosprache und seiner komplexen, auf vielen Textdateien basierenden Systemkonfiguration; aber auch für UNIX sind graphische Benutzeroberflächen entstanden, die das Arbeiten auf der Ebene des UNIX-Shells zu einem großen Teil überflüssig machen.

Mac OS

1984 brachte Apple mit dem Macintosh den ersten Computer auf den Markt, der über eine graphische Benutzeroberfläche verfügte, der damit am Markt erfolgreich war – und dadurch jenen Stein ins Rollen brachte, der dafür sorgte, dass graphische Benutzeroberflächen heute Stand der Technik in allen Betriebssystemen für Personal Computer und Workstations sind.

Da Macintosh-Programme streng nach dem WYSIWYG-Prinzip arbeiten („What You See Is What You Get” – „was man (am Bildschirm) sieht, ist das, was man auch (am Drucker) herausbekommt”), brachte Apple mit der Einführung von Laserdruckern die DTP-Welle („Desktop Publishing”) ins Rollen.

Mit der Entwicklung der QuickTime-Technologien schließlich leistete Apple einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung von Multimedia.

Kern der „klassischen” Macintosh-Benutzeroberfläche ist der „Finder”, der auf dem Schreibtisch alle verfügbaren Laufwerke samt deren Inhalten anzeigt; beim Doppel-Klicken auf ein Dokument stellt er aufgrund eines Datei-Attributs die Verbindung zu einem ausführbaren Programm her , um damit das betreffende Dokument zu öffnen.

Steven Jobs, einer der beiden Firmengründer von Apple, trennte sich 1985 von Apple, um einen neuen Computer – den NeXT – zu bauen; das zugehörige Betriebssystem – NextStep – basierte auf UNIX, besonderes Augenmerk wurde auf die Entwicklung einer graphischen Benutzeroberfläche gelegt, die die Komplexität von UNIX verbergen sollte. Next stellte bald die Hardware-Entwicklung ein, entwickelte jedoch das Betriebssystem weiter, portierte es auf andere Plattformen (u.a. für Intel-Prozessoren), und entwickelte zuletzt (gemeinsam mit SunSoft) OpenStep, eine auf NextStep basierende Anwendungsumgebung, die für unterschiedliche Betriebssysteme angeboten werden sollte.

1997 hat Apple Next aufgekauft und NextStep unter dem Codenamen „Rhapsody” (das nun den Namen Mac OS X trägt) zum Kernpunkt seiner Betriebssystem-Entwicklung gemacht. Basis der Entwicklung ist ein UNIX-Betriebssystem, auf die die sog. „Cocoa”-Anwendungsumgebung (entspricht OpenStep; soll das Plattform-übergreifende Entwickeln von Anwendungen ermöglichen) aufsetzt; Bestandteil von „Cocoa” ist eine Java-Entwicklungs- und Laufzeitumgebung. Um existierende Mac OS-Anwendungen weiterhin ausführen zu können, wird die Power-PC-Version mit der sog. „Classic”-Umgebung ausgestattet, einer Version des Mac OS-Betriebssystems, das so umgeschrieben wurde, dass es unter UNIX ablauffähig ist; alternativ dazu wird aber empfohlen, existierende Mac OS-Anwendungen leicht umzubauen, sodass sie dann in der „Carbon”-Anwendungsumgebung ohne zwischengeschaltetes „klassisches” Mac OS ablauffähig sind; über „Classic”, „Carbon” und „Cocoa” liegt eine einheitliche graphische Benutzeroberfläche (mit Namen „Aqua”), die auf der „klassischen” Mac OS-Benutzeroberfläche basiert. Da sämtliche Elemente einer UNIX-Benutzeroberfläche in Mac OS X nicht mehr vorhanden und teilweise durch korrespondierende Mac OS-artige Elemente ersetzt sein werden, wird Mac OS X den Benutzenden (trotz seiner geänderten Betriebssystembasis) als ein um preemptives Multitasking, „Cocoa”, erweitertes Mac OS erscheinen.

Die aktuelle Version Mac OS 10.5 (Leopard) ermöglicht die parallelle Installation des Betriebssystems Windows XP (und höher) der Firma Microsoft sowie anderer Betriebssysteme wie beispielsweise Linux oder SunSolaris auf Apple Computern, sofern diese mit einem Intel-Prozessor ausgestattet sind, mit Hilfe von Programmen wie VMware Fusion oder Parallels. Im Herbst 2009 kommt die neue Mac OS X Version Snow Leopard auf den Markt.

Seit 2007 gibt es auch ein Betriebssystem für das Apple Smartphone "iPhone" (iPhone OS), das auf MAC OS X basiert.

LINUX

Der Name "LINUX" stammt von dem Finnen Linux Torvalds, der 1991 den Kernel (Betriebssystemkern) entwickelte, welcher in Verbindung mit der freien Software GNU ein vollständiges, kostenfreies Open-Source-Betriebssystem ergibt. Der Begriff Linux steht nun zumeist für freie Betriebssysteme, welche auf der GNU-Software und dem Linux-Kernel beruhen. Die Offenheit des Systems, die umfassende Berücksichtigung von Standards und die Leistungsfähigkeit sind Hauptcharakteristika von LINUX. Es wird unter der GPL-Lizenz vertrieben, ist als 32-Bit-Version oder 64-Bit-Version verfügbar und sowohl multitasking- als auch multiuserfähig.

Da das Betriebssystem beliebig veränder- und erweiterbar ist, kann es in Form von zahlreichen Distributionen (angeboten von Linux-Firmen wie etwa RedHat oder SuSE, das 2003 von dem Softwareunternehmen Novell übernommen wurde) als Installationspaket mittels kostenlosem Downlad oder als - zumeist kostenpflichtige - CD/DVD bezogen werden. Zahlreiche kommerzielle Anbieter verwenden LINUX als Basis für ihre eigenen Entwicklungen.

Distributionen wie das auf Debian beruhende Ubuntu oder das von RedHat gesponserte Fedora mit ihren graphischen Benutzeroberflächen (z.B. KDE oder Gnome)und der enthaltenen Open-Source-Software wie OpenOffice (für Büroanwendungen) vereinfachen die Verwendung von Linux für den Arbeitsplatz- oder Homeuser. LINUX ist daher nicht mehr auf den Einsatz im Server-Bereich beschränkt.

Das Open-Source-Produkt Knoppixbeispielsweise war eine der ersten Live Linux CD-Angebote, die - ohne Installation - als vollständiges Betriebsssystem direkt von der CD betrieben werden konnte.

Im folgenden Beitrag erfahren Sie mehr über die Idee, die Geschichte, die Einsatzmöglichkeiten und die Distributionen von Linux:

http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=11913

Literatur

Thomas Filsecker/Alfred Novacek/Manfred Pils in Pils: Informationsverarbeitung 1.

Weiterführende Links

• http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=11913
• http://www.gnu.org/home.de.html
• http://www.linux.at/
• http://openbook.galileocomputing.de/unix_guru/