操作系统实验：网络操作系统实验设计与分析


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 网络操作系统的概念与架构

网络操作系统是构建网络服务和管理网络资源的核心软件平台，它不仅支持单个计算机的运行，还负责网络中计算机的通信和资源共享。随着分布式计算的发展，网络操作系统已经成为当今信息时代不可或缺的一部分。

## 1.1 网络操作系统的定义
网络操作系统（Network Operating System，简称NOS）是一种专为网络环境设计的操作系统，它能够管理网络硬件与软件资源，提供网络通信、文件共享、打印服务等网络服务。

## 1.2 网络操作系统的功能特点
网络操作系统具备以下关键特点：
- **用户管理**：支持多用户账户管理，包括认证、授权和计费等。
- **资源共享**：实现文件、打印、设备等资源的共享。
- **网络通信**：提供各种网络协议支持，如TCP/IP、FTP、HTTP等。
- **远程访问**：支持远程管理和监控，如SSH、RDP等远程控制协议。
- **安全机制**：内建防火墙、加密技术等安全特性，保护网络不受恶意攻击。

## 1.3 网络操作系统的架构模型
网络操作系统的架构通常可以分为以下几个层次：
- **核心层**：内核提供了基本的系统服务，如进程调度、内存管理等。
- **网络层**：负责实现网络通信协议和数据包的处理。
- **服务层**：提供各种网络服务，如文件服务、打印服务、Web服务等。
- **用户接口层**：向用户提供图形界面或命令行界面，方便用户对系统进行操作和管理。

通过本章的阅读，读者应该对网络操作系统的概念有了初步的理解，并对它的功能和架构有了一个总体的认识，为深入学习后续章节打下了基础。

# 2. 网络操作系统的理论基础

## 2.1 操作系统的网络功能

### 2.1.1 网络通信协议与操作系统的关系

网络通信协议是操作系统网络功能的基础。操作系统通过内建的协议栈（Protocol Stack）实现网络数据的封装、传输和解析。TCP/IP协议栈是最为广泛使用的协议集，包含一系列用于网络通信的协议，如IP（Internet Protocol）、TCP（Transmission Control Protocol）、UDP（User Datagram Protocol）等。

内核层的网络协议栈负责处理OSI（Open Systems Interconnection）模型中较低层级的网络通信，而用户空间的应用程序则利用这些协议与网络服务进行交互。操作系统提供了一系列系统调用（System Calls），如socket接口，供开发者在应用程序中创建和管理网络连接。

操作系统还负责管理网络接口（Network Interfaces），使网络适配器能正确收发数据包。当数据包到达时，操作系统决定如何处理这些数据包，包括是否传递给上层应用程序。

此外，操作系统还通过提供网络虚拟化功能、支持网络命名空间等高级功能，提高了网络配置的灵活性和隔离性。

// 示例：使用C语言创建一个简单的TCP客户端，这需要操作系统提供socket系统调用。
#include <stdio.h>      // 标准输入输出定义
#include <stdlib.h>     // 标准函数库定义
#include <string.h>     // 字符串处理
#include <unistd.h>     // Unix 标准函数定义
#include <sys/types.h>  // 数据类型定义
#include <sys/socket.h> // 套接字接口函数
#include <netinet/in.h> // Internet地址族
#include <netdb.h>      // 地址查询结构体

int main(int argc, char *argv[]) {
    int sockfd, portno, n;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    struct hostent *server;

    char buffer[256];
    if (argc < 3) {
        fprintf(stderr,"usage %s hostname port\n", argv[0]);
        exit(0);
    }

    portno = atoi(argv[2]);
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字

    // 填充服务器地址结构
    server = gethostbyname(argv[1]);
    if (server == NULL) {
        fprintf(stderr,"ERROR, no such host\n");
        exit(0);
    }

    // 初始化地址结构
    bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    bcopy((char *)server->h_addr, 
         (char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr,
         server->h_length);
    serv_addr.sin_port = htons(portno);

    // 连接到服务器
    if (connect(sockfd,(struct sockaddr *) &serv_addr,sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("connect failed. Error");
        exit(0);
    }

    printf("Please enter the message: ");
    bzero(buffer,256);
    fgets(buffer,255,stdin);
    n = write(sockfd,buffer,strlen(buffer));
    if (n < 0) {
        perror("ERROR writing to socket");
        exit(0);
    }

    bzero(buffer,256);
    n = read(sockfd,buffer,255);
    if (n < 0) {
        perror("ERROR reading from socket");
        exit(0);
    }
    printf("%s\n",buffer);
    close(sockfd);
    return 0; 
}

上述代码演示了如何通过操作系统提供的socket接口创建一个简单的TCP客户端，连接到服务器并发送接收数据。

### 2.1.2 操作系统在网络层的服务与支持

网络层是操作系统网络功能的关键部分，负责数据包的路由选择、分组处理和网络连接管理。Linux内核中的网络子系统提供了强大的网络层支持，使得网络服务能够高效地运行。

操作系统对网络层的服务主要表现在以下几个方面：

- **路由选择**：操作系统提供了内建的路由表机制，允许数据包根据不同的规则被转发到正确的目的地。路由表可以通过`route`命令进行配置，也可以通过编程接口动态地添加或修改。

- **分组处理**：操作系统必须高效处理进出的数据包。这包括处理网络协议的头部信息、分段与重组、校验和计算等。

- **连接管理**：包括TCP连接的建立、维持和终止。操作系统管理着各种状态机，确保每个连接都按照协议规定正确地进行状态转换。

- **网络接口管理**：操作系统提供了网络接口的配置、启停、监控等管理功能。例如，通过`ifconfig`或`ip`命令可以查看和配置网络接口参数。

- **QoS支持**：网络操作系统支持服务质量（Quality of Service，QoS）策略，允许网络管理员根据特定需求对数据流进行优先级划分和带宽分配。

# 使用ifconfig命令配置和查看网络接口参数示例
sudo ifconfig eth0 192.168.1.10 netmask 255.255.255.0 up

上述命令将名为`eth0`的网络接口配置为IP地址`192.168.1.10`，并启用该接口。

## 2.2 网络操作系统的安全性分析

### 2.2.1 网络操作系统的安全威胁

网络操作系统面临的各种安全威胁可以分为多个层面，包括但不限于网络攻击、系统漏洞、配置错误和服务滥用等。

- **网络攻击**：包括DDoS攻击、SQL注入、跨站脚本攻击(XSS)、钓鱼攻击等。这些攻击可以窃取数据、破坏系统服务或占用网络带宽。

- **系统漏洞**：操作系统或其软件组件可能存在未被及时修复的安全漏洞，攻击者利用这些漏洞可以获取系统权限或破坏系统功能。

- **配置错误**：错误配置的网络设备和服务可能导致未授权访问或信息泄露。例如，不必要的开放端口或默认账号密码未修改等。

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