Роль операционных систем и оболочек в облачных вычислениях: анализ ОС и оболочек, используемых в облачных платформах и их влияние на облачную инфраструктуру

Хлесткин Андрей Юрьевич кандидат технических наук доцент; кафедра информатика и вычислительная техника; Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики 443010, Россия, Самарская область, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23 Khlestkin Andrei Yurevich PhD in Technical Science Associate Professor; Department of Computer Science and Computer Engineering; Volga Region State University of Telecommunications and Informatics 23 Lva Tolstogo str., Samara, Samara region, 443010, Russia a.hlestkin@psuti.ru Райков Александр Вячеславович ORCID: 0009-0005-0033-8524 студент, кафедра информатики и вычислительной техники, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики 443010, Россия, Самарская область, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23 Raikov Aleksandr Vyacheslavovich Student, Department of Computer Science and Computer Engineering, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics 23 Lva Tolstogo str., Samara, Samara region, 443010, Russia sraikov7@mail.ru Казанцев Андрей Алексеевич студент, кафедра информатики и вычислительной техники, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики 443010, Россия, Самарская область, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23 Kazantsev Andrei Alekseevich Student, Faculty of Information Systems and Technologies, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics 23 Lva Tolstogo str., Samara, Samara region, 443010, Russia NuclearAndGoner@gmail.com Емелин Даниил Павлович студент, кафедра информатики и вычислительной техники, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики 443010, Россия, Самарская область, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23 Emelin Daniil Pavlovich Student, Department of Computer Science and Computer Engineering, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics 23 Lva Tolstogo str., Samara, Samara region, 443010, Russia demelin163@gmail.com

Ларин Денис Вячеславович студент, кафедра информатики и вычислительной техники, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики 443010, Россия, Самарская область, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23 Larin Denis Vyacheslavovich Student, Department of Computer Science and Computer Engineering, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics 23 Lva Tolstogo str., Samara, Samara region, 443010, Russia denlar1989@gmail.com

Введение

Операционные системы и командные оболочки по своей природе являются основополагающими элементами облачной инфраструктуры. Эти элементы обеспечивают стабильность, безопасность, эффективное использование ресурсов и удобное управление облачной инфраструктурой. Немаловажным является и правильный выбор, и настройка операционной системы и оболочки в успешности вычислений.

Облачными вычислениями можно назвать процесс предоставления удаленных вычислительных мощностей конечным потребителем. Данные мощности могут использоваться различным образом – начиная от использования рабочих мест с помощью виртуальных машин и других технологий виртуализации, и заканчивая майнингом криптовалют ^[1].

«Cloud computing» или же «Облачные вычисления» являются реализацией определённого метафорического образа Internet в виде облака, благодаря которому пользователи получают доступ ко всем возможным сервисам и ресурсам. Основы вычислений заключается в использовании виртуализированных или масштабируемых ресурсах.

В данной статье осуществлена попытка проведения структурного анализа операционных систем и оболочек и их влияние на облачную инфраструктуру.

Практическая часть

В современном мире существует множество специализированных операционных систем для запуска контейнеров. Авторами статьи в качестве примера такой операционной системы хотелось бы отметить CoreOS Container Linux. Данная операционная система автоматически обновляется, а также обеспечивает высокую доступность в использовании контейнеризованных приложений.

Выбор данной операционной системы был сделан из-за её особенностей. Так, главным преимуществом CoreOS Container Linux является концепт immutable infrastructure (неизменяемая инфраструктура). То есть операционная система и приложения запускаются в контейнерах и не подвергаются изменениям во время выполнения. Любые изменения в системе осуществляются путём замены всего образа операционной системы на новую версию.

CoreOS Container Linux предоставляет некую систему управления обновлениями, которая в свою очередь обновляет операционную систему без перезагрузки. Если сравнивать CoreOS Container Linux с операционной системой Microsoft Windows, то у второй в большинстве случаев после установки обновления требуется дополнительное действие - перезагрузка. Отсутствие перезагрузки после обновления у CoreOS Container Linux обеспечивает её безопасностью и надёжностью обновлений в кластерной среде без простоев.

В CoreOS Container Linux отсутствует избыточность, как у многих дистрибутивов Linux. CoreOS Container Linux предоставляет минимальный набор компонентов, в следствии чего идёт упрощение конфигурации, а так же обеспечение надёжной работой в распределённых средах.

Container-Optimized OS — это образ операционной системы для виртуальной машины Google Compute Engine, оптимизированный для запуска контейнеров Docker, предоставляемые Google Cloud Platform (GCP) (набор облачных служб, которая представляет компания Google).

Container-Optimized OS обладает следующими функциями:

· Запуск контейнеров «из коробки»: экземпляры операционной системы, оптимизированные для контейнеров, поставляются с предустановленными средами выполнения Docker и containerd и cloud-init. С помощью экземпляра операционной системы, оптимизированного для контейнеров, существует возможность запускать контейнер одновременно с созданием виртуальной машины, не требуя настройки со стороны хоста.

· Меньшая поверхность атаки: ОС, оптимизированная для использования в контейнерах, занимает меньше места, что снижает потенциальную поверхность атаки для созданного экземпляра.

· Заблокировано по умолчанию: экземпляры операционной системы, оптимизированные для контейнеров, по умолчанию включают заблокированный брандмауэр и другие параметры безопасности.

· Автоматические обновления: экземпляры операционной системы, оптимизированные для контейнеров, настроены на автоматическую загрузку еженедельных обновлений в фоновом режиме; для использования последних обновлений требуется только перезагрузка.

Пользователь может выбрать данную операционную систему, если ему необходимо решать следующие задачи:

· Требуется поддержка контейнеров или Kubernetes с минимальной настройкой.

· Нужна операционная система, занимающая мало места и защищенная для контейнеров.

· Нужна операционная система, которая протестирована для запуска Kubernetes на экземплярах Google Compute Engine.

Авторами было решено сделать акцент на операционных системах Linux, Microsoft Windows и на оболочках Bourne Again Shell, Bourne Shell (sh), Command Prompt (cmd.exe), Windows PowerShell.

Финский студент (заметьте, студент) Линус Торвальд в 1991 году создал клон Unix и назвал его Linux (версия 0.0.1). Вся ОС размещалась в ядре, была монолитной (9300 строк кода на С, 950 - на Assembler). Работала на процессоре Intel (386). Окончательно датой выпуска считается 1994 год, версия 1.0 (165 тысяч строк кода, новая файловая система, сетевое программное обеспечение). 2-я версия - 1996 год (470 тысяч строк кода, добавлены новые драйверы устройств) ^[2].

Linux входит в число крупнейших хорошо документированных линеек программных продуктов, изучаемых до сих пор. Сообщество разработчиков Linux включает как добровольцев, так и платных разработчиков из более чем 200 компаний, включая Red Hat, IBM, Intel, Oracle, Google и Microsoft среди прочих ^[4]. Зрелость проекта проявляется по нескольким показателям, таким как размер кодовой базы (более 8 миллионов строк), количество активных разработчиков (600–1200 на каждый релиз и далее) и уровень активности (до 10000 исправлений на выпуск) ^[5].

Если говорить про достоинства данной операционной системы, то стоит отметить open source. Отвечая на вопрос, что это может значить, можно сказать, что ядро любого дистрибутива Linux имеет открытый код, что позволяет улучшить любую программу или само ядро этой операционной системы.

Linux чаще всего взаимодействует с оболочкой Bash или как её ещё называют Bourne Again Shell. На данный момент данная оболочка всё чаще установлена по умолчанию во многих дистрибутивах Linux.

Оболочка Bash включает такие инструменты, как:

· Редактирование командной строки;

· Управление заданиями;

· Неограниченный размер истории команд;

· Функции и псевдонимы оболочек;

· Индексированные массивы неограниченного размера;

· Целочисленная арифметика в любой базе от двух до шестидесяти четырех ^[5].

Авторами статьи, были написаны следующие коды на операционной системе Linux с использованием Bash для визуализации их влияния на облачную инфраструктуру Mail.

· Скрипт для автоматического создания нового виртуального сервера:

#!/bin/bash

# Аутентификация в Облаке Mail.ru

mcloud login

# Создание нового виртуального сервера

mcloud vm create --name my-server --flavor b2.micro --image centos_7

· Скрипт для запуска виртуального сервера по его ID:

#!/bin/bash

# Аутентификация в Облаке Mail.ru

mcloud login

# Запуск виртуального сервера по его ID

mcloud vm start --id <server_id>

· Скрипт для остановки виртуального сервера по его ID:

#!/bin/bash

# Аутентификация в Облаке Mail.ru

mcloud login

# Остановка виртуального сервера по его ID

mcloud vm stop --id <server_id>

Проанализировав данные коды, можно сделать вывод, что Bash позволяет пользователю создать скрипт, который упростит, а главное, автоматизирует операции с какими-либо облачными ресурсами, так же скрип позволяет быстро создать виртуальный сервер и настроить его параметры.

Кроме того, основываясь на второй скрипт, можно сказать, что Bash-скрипт позволяет без привлечения особо трудоёмких и затратных ресурсов управлять виртуальным сервером, выполняя различные операции. Например, операцию, приведённую в скрипте, запуск и остановка виртуального сервера по его ID.

Не стоит оставлять без внимания оболочку Bourne Shell (sh). История данной оболочки начинается с Shell, вошедшего в поставку первой редакции UNIX, разработанную Кеном Томпсоном. Но данная оболочка была не совсем удобна для работы, так как имела многочисленные ограничения. В результате Стивен Борн переписал стандартный Shell UNIX.

Популярность оболочка завоевала благодаря компактности и преимущественно высокой скоростью работы. Благодаря этим преимуществам она стала оболочкой по умолчанию для ОС Solaris.

Но у оболочки Bourne есть ряд существенных недостатков:

· Нет встроенных функций для обработки логических и арифметических операций.

· Не может запоминать ранее выполненные команды, в отличие от большинства других командных оболочек.

· Не хватает комплексных функций для удобного интерактивного использования ^[6].

Чтобы просмотреть как происходит взаимодействие Bourne Shell (sh) с облачной платформой Mail на операционной системе Linux можно просмотреть следующие примитивные скрипты кодов:

· Скрипт для автоматического создания нового виртуального сервера:

#!/bin/sh

# Аутентификация в Облаке Mail.ru

mcloud login

# Создание нового виртуального сервера

mcloud vm create --name my-server --flavor b2.micro --image centos_7

· Скрипт для запуска виртуального сервера по его ID:

#!/bin/sh

# Аутентификация в Облаке Mail.ru

mcloud login

# Запуск виртуального сервера по его ID

mcloud vm start --id <server_id>

· Скрипт для остановки виртуального сервера по его ID:

#!/bin/sh

# Аутентификация в Облаке Mail.ru

mcloud login

# Остановка виртуального сервера по его ID

mcloud vm stop --id <server_id>

Авторами отмечено, что скрипт позволяет автоматизировать процесс создания и управления облачными ресурсами. Написание скриптов на Bourne Shell (sh) даёт возможность для создание виртуального сервера, а главное для его настройки. Такие опции позволяют администратору ускорить и оптимизировать рабочий процесс.

Гибкость и управляемость облачными ресурсами через запуск скриптов на Bourne Shell (sh) становится простым и доступным действием, как создание и управление объектными хранилищами.

Microsoft Windows — семейство проприетарных операционных систем корпорации Microsoft, направленных на использование графического интерфейса при управлении. Первоначально Windows представляла графическую надстройку для MS-DOS. Сейчас Windows занимает подавляющую долю на мировом рынке операционных систем ^[7].

История операционной системы Microsoft Windows начинается с ноября 1985 года. По настоящее время Microsoft Windows выпускает обновления. На декабрь 2024 года самой свежей операционной системой является Windows 11 версии 24H2.

Помимо этого, Microsoft Windows распространяет свои операционные системы на планшеты и смартфоны. Результатом такого решения стала операционная система Microsoft Windows 8, которая была выпущена в октябре 2012 года. Новая система стала значительно быстрее загружаться, но были некоторые проблемы с драйверами и запуском игр.

В Windows 10 Microsoft собирает множество данных об использовании компьютера. Примерами таких данных являются имя, адрес электронной почты и другие. Из-за этого на Microsoft обрушился шквал критики ^[8].

Одной из старейших приложений и инструментов командной строки, поставляемых с операционной системой Windows, — это командная строка, обычно называемая CMD ^[9].

Ниже представлен фрагмент стартового окна Command Prompt (cmd.exe) для удобства понимания читателями.

Рисунок 1. Пример Command Prompt (cmd.exe)

Для того чтобы открыть Command Prompt (cmd.exe) нужно выполнить следующие шаги:

1. Нажмите на меню «Пуск» на панели инструментов рабочего стола.

2. Введите команду «cmd» и нажмите Enter.

Наиболее распространённое применение использования Command Prompt (cmd.exe) администраторов заключается в администрировании задач, например, форматирование или управление разделами диска. Помимо этого, Command Prompt (cmd.exe) удобна для работы с просмотром файлов каталогов и управления ими.

Ниже приведены примеры скриптов для работы с облаком Mail.ru, которые можно выполнить в командной строке Command Prompt (cmd.exe) в операционной системе Microsoft Windows:

· Скрипт для автоматического создания нового виртуального сервера:

mcloud vm create --name my-server --flavor b2.micro --image centos_7

· Скрипт для запуска виртуального сервера по его ID:

mcloud vm start --id <server_id>

· Скрипт для остановки виртуального сервера по его ID:

mcloud vm stop --id <server_id>

Использование администраторами командной строки Command Prompt (cmd.exe) обусловлено удобством использования, так как Command Prompt (cmd.exe) позволяет выполнять операции с облачными вычислениями напрямую из стандартной командной оболочки Microsoft Windows, а значит не нужно устанавливать дополнительные инструменты.

Последней рассмотренной в данной статье командной оболочкой будет Windows PowerShell.

Windows PowerShell используется администраторами для автоматизации рутинных задач. Так же Windows PowerShell как и предыдущие командные оболочки позволяет менять настройки, останавливать и запускать сервера, обслуживать установленные приложения.

Windows PowerShell позволяет:

· Менять настройки операционной системы;

· Управлять службами и процессами;

· Настраивать роли и компоненты сервера;

· Устанавливать программное обеспечение;

· Управлять установленным ПО через специальные интерфейсы;

· Встраивать исполняемые компоненты в сторонние программы;

· Создавать сценарии для автоматизации задач администрирования;

· Работать с файловой системой, реестром Windows, хранилищем сертификатов и т.д. ^[10].

Windows PowerShell – командная оболочка, первоначально построенная на базе Microsoft .NET Framework, а позднее на .NET, и интегрирована с ними. В данной командой оболочке используются разнообразные хранилища, которые напоминают файловую систему, для доступа к которым созданы поставщики.

Стоит рассмотреть и скрипты для выполнения облачный вычислений:

· Скрипт для автоматического создания нового виртуального сервера:

mcloud vm create --name my-server --flavor b2.micro --image centos_7

· Скрипт для запуска виртуального сервера по его ID:

mcloud vm start --id <server_id>

· Скрипт для остановки виртуального сервера по его ID:

mcloud vm stop --id <server_id>

PowerShell предоставляет для использования наиболее широкий набор функций и возможностей, если сравнивать его с командной строкой Command Prompt (cmd.exe).

Синтаксис у данной командной оболочки будет удобнее, что делает его оптимальным при выборе инструмента для автоматизации и написания сложных скриптов. Поддержка автодополнения и подсказки позволяют начинающему пользователю с лёгкостью познать управление данной командной оболочкой.

Анализ производительности с использованием утилиты Hyperfine

Для проведения анализа производительности различных оболочек в облачных вычислениях была использована утилита Hyperfine ^[11] — инструмент командной строки, предназначенный для тестирования скорости выполнения команд. Эта утилита предоставляет простой способ оценки времени работы различных скриптов и команд, обеспечивая точность измерений. В рамках исследования были проведены тесты, в которых скрипты выполняли аналогичные задачи, такие как создание, запуск и остановка виртуальных машин в облачной среде Mail.ru. Сравнение времени выполнения скриптов в различных оболочках позволило выявить ключевые различия в их производительности.

Для наглядности авторами разработана таблица (Рис.2) с необходимыми в результате тестирования критериями при использовании командных оболочек:

· Windows PowerShell под управлением OC Microsoft Windows;

· Bash, под управлением OC Linux;

· Command Prompt под управлением OC Microsoft Windows;

· Bourne Shell под управлением OC Linux.

Представлены результаты выполнения критериев:

· Время запуска (в секундах);

· Время отключения (в секундах).

Рисунок 2. Сравнительная таблица

Безопасность при использовании различных операционных систем и оболочек

PowerShell:

Управление доступом: PowerShell поддерживает детализированное управление доступом, что позволяет ограничивать права пользователей и групп, а также настраивать роли для обеспечения безопасности.

Execution Policy: Эта настройка регулирует выполнение скриптов в PowerShell. Включение режимов "Restricted" или "AllSigned" помогает предотвратить запуск неподписанных или вредоносных скриптов.

Шифрование и криптография: PowerShell использует различные механизмы для защиты данных и аутентификации, включая поддержку SSL/TLS.

Уязвимости и атаки: PowerShell является популярной целью для атак, таких как использование вредоносных скриптов, что требует правильной настройки безопасности и применения многофакторной аутентификации (MFA).

Удаленное управление: PowerShell Remoting предоставляет возможность удаленного выполнения команд, что может быть использовано злоумышленниками. Поэтому важно защищать этот канал с помощью сильной аутентификации и настройки ограничений доступа.

Bash:

Переменные среды: Конфиденциальные данные, такие как пароли, могут храниться в переменных среды, что повышает риск утечек, если они не защищены.

Командные инъекции: Bash уязвим к атакам типа Command Injection, если ввод не проверяется должным образом. Поэтому важно тщательно фильтровать все данные, поступающие от пользователя.

Привилегии sudo и root: Использование прав суперпользователя может привести к серьезным уязвимостям, если эти права не ограничены или не контролируются должным образом.

Обновления безопасности: Так как Bash имеет долгую историю, важно регулярно обновлять систему для защиты от известных уязвимостей, таких как Shellshock.

Command Prompt (cmd.exe):

Ограниченная безопасность: Command Prompt имеет ограниченные возможности по работе с криптографией и безопасностью, что делает его менее гибким в плане защиты данных по сравнению с PowerShell.

Устаревшие команды: Использование старых команд в cmd.exe может привести к уязвимостям, таким как утечка данных через команды, которые предназначены для отображения содержимого конфиденциальных файлов.

Уязвимости в BAT-файлах: Скрипты в формате .bat могут быть легко выполнены в cmd.exe, что делает систему уязвимой для внедрения вредоносного кода, если эти файлы не проверяются должным образом.

Интеграция с PowerShell: Поскольку cmd.exe поддерживает интеграцию с PowerShell, уязвимости в PowerShell могут быть использованы через cmd.exe.

Bourne Shell (sh):

Инъекции команд: Подобно Bash, Bourne Shell уязвим к инъекциям команд, если данные не проверяются корректно, что может привести к выполнению произвольного кода.

Скрипты с привилегиями: Скрипты, выполняющиеся с правами суперпользователя, могут стать источником уязвимостей, особенно если они содержат ошибки или неправильно настроены.

Переменные среды: В Bourne Shell также используются переменные среды для хранения конфиденциальных данных, что повышает риск утечек, если они не защищены должным образом.

Аутентификация и шифрование: Современные версии Bourne Shell могут использовать инструменты, такие как SSH, для улучшения безопасности и аутентификации в облачных системах.

Общие угрозы для всех оболочек:

Удаленный доступ: Все оболочки подвергаются риску удаленного выполнения команд, что требует надежной настройки межсетевых экранов, использования шифрования и многофакторной аутентификации.

Уязвимости в скриптах: Ошибки в скриптах могут привести к утечке данных или выполнению вредоносного кода.

Инъекции команд: Командные инъекции являются одной из самых распространенных угроз, что может повлиять на безопасность всей системы.

Привилегированные права: Все оболочки требуют строгого контроля за использованием суперпользовательских прав, чтобы предотвратить утечку данных или компрометацию системы.

Перспективы дальнейших исследований

В рамках дальнейших исследований можно рассмотреть следующие направления:

Изучение новых оболочек и операционных систем: Оценка производительности новых или менее популярных оболочек и операционных систем в контексте облачных вычислений, а также их безопасности.

Оптимизация существующих решений: Разработка методов, направленных на повышение эффективности и безопасности текущих оболочек и операционных систем.

Влияние аппаратного обеспечения: Исследование воздействия различных типов аппаратного обеспечения на производительность и безопасность облачных сервисов.

Использование искусственного интеллекта: Применение методов машинного обучения и ИИ для автоматизации задач администрирования и оптимизации процессов управления облачными вычислениями.

Заключение

В данной статье, авторами было рассмотрено влияние операционных систем и командных оболочек на облачные вычисления. Операционные системы, Linux и Microsoft Windows, играют важную роль в облачной инфраструктуре. Они обеспечивают стабильность и эффективное использование ресурсов. Командные оболочки, Bash, Bourne Shell (sh), Command Prompt (cmd.exe) и PowerShell, предоставляют различные средства для автоматизации задач и управления облачными ресурсами.

Авторами был проведён анализ основных особенностей каждой операционной системы и командной оболочки, а также были представлены примеры скриптов для работы с облачными вычислениями. Было показано, что выбор операционной системы и командной оболочки может существенно повлиять на скорость выполнения облачных вычислений и управления облачной инфраструктурой.

Если сравнивать коды по критерием, то самой простой и эффективной оболочкой является Windows PowerShell на операционной системе Microsoft Windows. Она позволяет писать лаконичные и простые для понимания коды.

Если говорить про синтаксически обширную оболочку и операционную систему, то тут преимущество будет у оболочек Bash и Bourne Shell (sh) на операционной системе Linux.

Так же авторами была разработана таблица (Рис.3) с необходимыми в результате анализа критериями с использованием командных оболочек которые использовались в этапах исследования:

· Bash, под управлением OC Linux;

· Bourne Shell под управлением OC Linux;

· Windows PowerShell под управлением OC Microsoft Windows;

· Command Prompt под управлением OC Microsoft Windows.

Проведена оценка на соответствие следующим критериям в оболочках:

· Лаконичность;

· Простота синтаксиса;

· Объёмность кода;

· Удобство использования.

Рисунок 3. Критерии соответствия

Таким образом, понимание роли операционных систем и командных оболочек в облачных вычислениях имеет важное значение для администраторов систем, разработчиков и всех заинтересованных лиц в сфере информационных технологий.