Was ist ein Betriebssystem?

Ein Benutzer interagiert mit einem Betriebssystem über eine Benutzeroberfläche, die Befehle in einer Sprache ausgibt, die das Betriebssystem verstehen kann. Die Benutzeroberfläche kann entweder eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) oder eine Befehlszeilenschnittstelle (CLI) sein. Milliarden von Menschen verlassen sich auf Betriebssysteme als zugrunde liegendes Managementsystem für Aufgaben wie das Versenden von E-Mails, das Surfen im Internet, das Spielen von Videospielen und vieles mehr.

Alle Computersysteme, z. B. Mainframes, Desktops, mobile Geräten, benötigen mindestens ein Betriebssystem, um Aufgaben auszuführen, Anwendungen auszuführen und mit der Hardware zu interagieren.

In einem Bericht von Statista ist Microsoft Windows das weltweit am häufigsten verwendete Betriebssystem und kontrolliert 67 % des Marktes für Desktop-, Tablet- und Konsolenbetriebssysteme.¹ Apple's macOS belegt in dieser Kategorie den zweiten Platz.

Android führt mit einem Marktanteil von ca. 72,04 % in der Kategorie der mobilen OS an, während iOS von Apple mit 27,49 % den zweiten Platz belegt.²

In der Welt der Open-Source-Software ist Linux am beliebtesten – es wird sowohl von Unternehmen als auch von Einzelpersonen aufgrund seiner Flexibilität und Sicherheit geschätzt.

Die Geschichte des Betriebssystems (OS) begann mit frühen Computern, die eine maßgeschneiderte Systemsoftware für das Aufgabenmanagement erforderten. Ursprünglich einfach und stapelorientiert, haben sich die Betriebssysteme weiterentwickelt, um dank der Fortschritte in der Hardware und Software auch Multitasking und interaktive Schnittstellen zu unterstützen.

Die Erfindung des integrierten Schaltkreises (IC) in den 1950er Jahren führte zu Mikrochips, die Rechenleistung steigerten und die Computergröße reduzierten, was komplexere Aufgaben ermöglichte. Im Jahr 1964 führte IBM für sein IBM System/360 das auf der Programmiersprache Assembler basierende OS/360 ein. Das OS/360 standardisierte die Software auf seinen Mainframes und beeinflusste zukünftige Betriebssystemdesigns. Darüber hinaus war das OS/360 das erste Multiprogramming-Betriebssystem, das mehrere Programme gleichzeitig auf einem einzigen Prozessor-Rechner ausführen konnte.

Im Laufe der Zeit entwickelte sich OS/360 zu z/OS, dem modernen Betriebssystem für IBM Mainframes. (Heutige IBM Z-Mainframes laufen auch unter Linux und z/TPF, wobei oft mehrere Betriebssysteme auf einem einzigen Mainframe ausgeführt werden.)

Die Entwicklung des Time-Sharing-Betriebssystems Unix in den 1960er und 1970er Jahren schuf wichtige Präzedenzfälle für moderne Betriebssysteme, indem sie Konzepte wie Multitasking, Portabilität und ein hierarchisches Dateisystem einführte, die die Grundlage für die heutigen Systeme bilden.

In den späten 1980er und 1990er Jahren wurdenGrafikprozessoren (GPUs) zur Grafikverarbeitung eingeführt. Als sich GPUs vor allem in den 2000er Jahren weiterentwickelten, um allgemeine Berechnungen zu unterstützen, begannen Unternehmen wie Apple und Microsoft, sie tiefer in ihre Betriebssysteme zu integrieren. Heute sind GPUs eine Standardfunktion in den meisten Computersystemen und unterstützen alles, von Spielen und Multimedia bis hin zu wissenschaftlichem Rechnen und maschinellem Lernen (ML).

Innovationen wie Virtualisierung und Containerisierung entstanden, als der Bedarf an höherer Effizienz und Skalierbarkeit zunahm, insbesondere im Cloud Computing. Die Virtualisierung ermöglicht die Ausführung mehrerer virtueller Maschinen (VMs) auf einem einzigen physischen Computer. Ein Hypervisor verwaltet diese virtuellen Maschinen und verhält sich wie ein schlankes Betriebssystem, indem er die Ressourcenverwaltung und Speicherzuweisung übernimmt, ohne dass ein vollständiges Betriebssystem erforderlich ist. VMware gilt als Marktführer auf dem Markt für Virtualisierung und Hypervisor.

Die Containerisierung baut auf der Virtualisierung auf, indem sie einen schlankeren Ansatz für die Ausführung isolierter Anwendungen bietet. Im Gegensatz zu VMs enthaltenContainer keine vollständige Kopie des Betriebssystems. Stattdessen ist die Container-Laufzeit-Engine (zum Beispiel Docker) auf dem Betriebssystem des Hostsystems installiert und fungiert als Schnittstelle, über die alle Container dasselbe Betriebssystem teilen. Diese Funktion ermöglicht es Containern, das Betriebssystem zu virtualisieren, sodass Anwendungen und ihre Abhängigkeiten unabhängig auf einem einzelnen Betriebssystem ausgeführt werden können, was die Ressourceneffizienz verbessert.

Sowohl im Einzelbenutzer- als auch im Unternehmenskontext verwaltet und koordiniert ein Betriebssystem (OS) Hardware und Software und bietet eine Umgebung, in der Benutzer effektiv interagieren können. In Unternehmen unterstützt das Betriebssystem größere Operationen, um mehrere Benutzer, Prozesse und Dienste in einem Unternehmen zu unterstützen, einschließlich der folgenden:

• Prozessmanagement: Ein Betriebssystem verwaltet die Ausführung mehrerer Prozesse und Threads, einschließlich Aufgaben wie Planung, Synchronisierung und Kommunikation zwischen Prozessen. Benutzeranwendungen interagieren mit dem Betriebssystem über Systemaufrufe, um Prozesse zu erstellen, zu verwalten und zu beenden und die Kommunikation zwischen Prozessen zu erleichtern. Zum Beispiel spielt das Betriebssystem bei der Integration Business Process Management (BPM) eine Schlüsselrolle bei der Sicherstellung einer reibungslosen Interaktion zwischen verschiedenen Softwaresystemen. Wenn IT-Teams oder Systembetreiber ein CRM-System mit anderen Unternehmensanwendungen integrieren, verwaltet das Betriebssystem APIs, weist Ressourcen zu und sichert den Datenfluss, wodurch automatisierte Prozesse mit minimalem menschlichem Eingreifen ermöglicht werden.

• Speicherverwaltung: Das Betriebssystem weist dem Computer Speicher zu und kontrolliert ihn. Es stellt sicher, dass Programme über genügend Ressourcen verfügen, um ohne Beeinträchtigung anderer Programme zu laufen. Es verwaltet effizient sowohl den Primärspeicher (RAM) als auch den Speicher (Festplatten, solid-state drive), indem es Paging und Swapping verwendet, um Daten nach Bedarf zwischen ihnen zu verschieben.

• Verwaltung des Dateisystems: Das Betriebssystem organisiert und ruft Dateien ab, verwaltet Verzeichnisse, Dateinamen und Berechtigungen. Es gewährleistet die Datenintegrität durch Mechanismen wie Datenvalidierung, Prüfsummen und Fehlerkorrekturcodes.

• Gerätemanagement: Das Betriebssystem verwaltet Eingabe-/Ausgabegeräte (z. B. Tastaturen, Festplattenlaufwerke, Drucker, Monitore) und bietet eine Schnittstelle für die Interaktion der Software mit den Hardware-Komponenten. In einer virtuellen Umgebung umfasst dies VMs, virtuelle Switches usw.

• Sicherheit und Zugriffskontrolle: Das Betriebssystem erzwingt Sicherheitsprotokolle, einschließlich Authentifizierung, Verschlüsselung und Festlegung von Benutzerberechtigungen, und stellt sicher, dass der Zugriff auf Computerressourcen nur autorisiert ist.

• Netzwerk: Das Betriebssystem verwaltet das Netzwerk, ermöglicht die Kommunikation zwischen Computern über LANs oder das Internet und verarbeitet Protokolle wie TCP/IP.

• Fehlererkennung und -behandlung: Das Betriebssystem überwacht software- und hardwarebezogene Fehler und stellt Mechanismen zu deren Meldung und Wiederherstellung bereit.

• Ressourcenzuordnung: Das Betriebssystem weist Ressourcen wie Zeit der Zentraleinheit (CPU), Speicher und E/A-Geräte effizient zu, um eine optimale Systemleistung zu erzielen.

• Überwachung der Systemleistung: Das Betriebssystem verfolgt die Systemleistung (zum Beispiel Speichernutzung, laufende Prozesse, Systemprotokolle) und passt Prozesse oder Ressourcen an, um die Effizienz zu verbessern.

Ein Betriebssystem besteht aus mehreren Kernkomponenten, die zusammenarbeiten, um die Funktionalität und Effizienz des Systems zu gewährleisten:

• Kernel

• Prozessplaner

• Speichermanager

• Eingabe/Ausgabe-Manager

• Dateisystem-Manager

• Benutzeroberfläche

Betriebssysteme können je nach ihren Funktionen, ihrer Funktionalität und ihrer Kompatibilität mit verschiedenen Hardware- und Softwareanwendungen in verschiedene Typen eingeteilt werden. Dazu gehören:

• Embedded-Betriebssysteme

• Verteilte Betriebssysteme

• Echtzeitbetriebssysteme

• Netzwerkbetriebssysteme

• Betriebssysteme für Cluster

Ein eingebettetes Betriebssystem ist für die Verwaltung von Hardwareressourcen in speziellen Geräten wie Smartphones, Automobilsystemen und Haushaltsgeräten konzipiert. Im Gegensatz zu Allzweck-Betriebssystemen sind eingebettete Betriebssysteme für Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit in Ressourcen-beschränkten Umgebungen optimiert. Sie sind in der Regel schlank, haben minimale Benutzeroberflächen und sind für die kontinuierliche oder Echtzeit-Ausführung bestimmter Anwendungen konzipiert.

Ein verteiltes Betriebssystem koordiniert die Zusammenarbeit mehrerer unabhängiger Computer als einheitliches System. Es ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Ressourcen verschiedener Maschinen und bietet dem Benutzer und Anwendungsprogrammen eine einzige, transparente Schnittstelle. Das Betriebssystem verwaltet die Kommunikation, den Datenaustausch und die Aufgabensynchronisierung über verschiedene Knoten hinweg und stellt sicher, dass Benutzer mit dem System interagieren können, ohne sich um die physische Verteilung der Ressourcen kümmern zu müssen.

Das Google File System (GFS) zum Beispiel ist Teil der verteilten Systemarchitektur von Google, die es ermöglicht, Daten auf viele Server zu verteilen und eine hohe Verfügbarkeit und Fehlertoleranz zu gewährleisten.

Ein Echtzeitbetriebssystem (Real-Time Operating System, RTOS) ist darauf ausgelegt, zeitkritische Aufgaben mit präzisen Zeitbeschränkungen zu erledigen. In einem RTOS garantiert das System, dass entscheidende Prozesse innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens abgeschlossen werden, und sorgt so für Vorhersagbarkeit und Stabilität.

Diese Betriebssysteme werden in Anwendungen wie der industriellen Automatisierung, Robotik und medizinischen Geräten eingesetzt, die auf Steuerungssysteme angewiesen sind, bei denen Verzögerungen oder Ausfälle schwerwiegende Folgen haben können. Echtzeitbetriebssysteme wie VxWorks werden häufig in eingebetteten Systemen für Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen eingesetzt, wo Echtzeitreaktionen für Sicherheit und Leistung entscheidend sind.

Ein Netzwerkbetriebssystem (Network Operating System, NOS) ist eine Software, die Hardware- und Softwareressourcen mehrerer Computer verwaltet und koordiniert, die in einem Netzwerk verbunden sind. Es ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten, die gemeinsame Nutzung von Dateien und die Ressourcenverwaltung im gesamten Netzwerk.

Ein NOS umfasst in der Regel Funktionen wie Netzwerksicherheit, Benutzerauthentifizierung und zentralisierte Verwaltung, sodass Systemadministratoren den Zugriff steuern und die Einstellungen für alle angeschlossenen Geräte konfigurieren können. Beispiele für Netzwerkbetriebssysteme sind Microsoft Windows Server, Cisco IOS und macOS Server.

Ein Cluster-Betriebssystem verwaltet eine Gruppe miteinander verbundener Computer (Knoten), die zusammenarbeiten, um Aufgaben wie ein einziges System auszuführen. Diese Systeme werden in der Regel in High-Performance-Computing-Umgebungen (HPC) verwendet (z. B. Webhosting, wissenschaftliche Forschung) und sorgen für Lastausgleich, Fehlertoleranz und Ressourcenfreigabe zwischen den Knoten. Cluster-Betriebssysteme ermöglichen es Benutzern, die Rechenleistung durch die Kombination mehrerer Rechner zu erhöhen und so die Zuverlässigkeit und Leistung des Gesamtsystems zu verbessern.

Es gibt Hunderte von Betriebssystemen, die für eine breite Palette von Zwecken eingesetzt werden können, von persönlichen Computern und mobilen Geräten bis hin zu Unternehmens- und Cloud-Umgebungen. Dies sind einige der am weitesten verbreiteten:

• Linux

• macOS

• iOS

• Android

Linux ist ein Open-Source-Betriebssystem, das weit verbreitet in Desktops, Servern und eingebetteten Systemen verwendet wird. Es ist besonders beliebt für Servermanagement, Cloud-Infrastruktur und Softwareentwicklung.

Bekannte Unternehmensversionen wie Red Hat Enterprise Linux (RHEL) und SUSE Linux Enterprise Server (SLES) werden aufgrund ihrer Stabilität und Unterstützung häufig in Geschäftsumgebungen eingesetzt.

Darüber hinaus gibt es zahlreiche Linux-Distributionen, die auf verschiedene Anwendungsfälle zugeschnitten sind, darunter Ubuntu, Fedora und Debian. Diese Distributionen machen Linux äußerst vielseitig und eignet sich für die Nutzung auf persönlichen Computern, die Entwicklung und spezielle Anwendungen.

Microsoft Windows ist eines der weltweit am häufigsten verwendeten Betriebssysteme für den persönlichen und geschäftlichen Einsatz. Der Server ist für seine benutzerfreundliche Oberfläche und seine Vielseitigkeit bekannt und unterstützt eine Vielzahl von Softwareanwendungen, von Produktivitätstools wie Microsoft Office bis hin zu speziellen Programmen für Gaming, Ingenieurwesen und Design.

macOS (früher OS X genannt) ist ein Unix-ähnliches proprietäres Betriebssystem, das für die Ausführung auf Apples Desktops, Laptops und Workstations (z. B. iMac, MacBook, MacBook Pro) entwickelt wurde. Es ist besonders bei Fachleuten in den Kreativbranchen beliebt, da es sich in Bereichen wie Grafikdesign, Videobearbeitung, Musikproduktion und Softwareentwicklung hervorragend eignet.

Apple iOS ist ein proprietäres mobiles Betriebssystem, das auf Apple-Mobilgeräten wie iPhones und iPads ausgeführt wird.

Android wurde von Google entwickelt und ist ein mobiles Open-Source-Betriebssystem, das in privaten und geschäftlichen Smartphone-Geräten weit verbreitet ist.

Der Markt für KI-Betriebssysteme steht vor einem deutlichen Wachstum. Untersuchungen von Knowledge Sourcing Intelligence prognostizieren einen Anstieg von 12,496 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 29,297 Milliarden US-Dollar im Jahr 2029, bei einer jährlichen Wachstumsrate von 18,58 %.³

In Unternehmensumgebungen nutzen KI-gestützte Betriebssysteme maschinelles Lernen und Automatisierung, um das Benutzerverhalten vorherzusagen, die Ressourcen zu optimieren und sich in Echtzeit an veränderte Workloads anzupassen. Selbstheilungsfunktionen reduzieren Ausfallzeiten durch die automatische Erkennung und Lösung von Problemen, während KI-gesteuerte Sicherheitssysteme Cyberbedrohungen identifizieren und entschärfen und so sicherstellen, dass die Unternehmensdaten geschützt bleiben.

Führende Betriebssysteme wie Windows und macOS integrieren KI, um die Ressourcen zu optimieren, die Sicherheit zu erhöhen (z. B. Windows Defender Face ID) und personalisierte Erfahrungen zu bieten.