🛡️ Grundlagen von Betriebssystemen (OS) für Cyber-Studenten — Von Null zum Profi

1) Was ist ein Betriebssystem?

Ein Betriebssystem (OS) ist die Softwareschicht zwischen Nutzer:innen/Anwendungen und der Hardware. Es teilt CPU-Zeit zu, verwaltet Speicher und Dateien, steuert Geräte und stellt über Systemaufrufe sowie Shell/GUI eine einheitliche Schnittstelle bereit, damit Programme effizient und sicher laufen.

2) Zentrale Aufgaben eines OS

• Prozess- & CPU-Management: Prozesse erstellen/beenden, Threads auf CPU-Kernen einplanen.
• Speicherverwaltung: RAM zuweisen, virtuellen Speicher umsetzen und Isolation durchsetzen.
• Geräte- & I/O-Verwaltung: Datenträger, Netzwerkkarten, Tastaturen über Treiber abstrahieren.
• Dateisystem-Verwaltung: Daten in Dateien/Verzeichnissen mit Berechtigungen organisieren.
• Security & Accounting: Authentifizierung, Autorisierung, Logging, Quoten.
• Schnittstelle für Benutzer & Programme: Shell/GUI und Systemcall-API.

3) OS-Architektur: Kernel, Shell & Systemaufrufe

• Kernel: privilegierter Kern im Kernel Mode; zuständig für Scheduling, Speicher, Treiber, Dateisysteme und IPC.
• Shell: Nutzeroberfläche (CLI oder GUI), interpretiert Befehle und startet Programme.
• Systemaufrufe (syscalls): kontrollierte Eintrittspunkte aus dem User Space in Kernel-Dienste (z. B. open, read, execve, CreateProcessW).

Kernel-Stile im Cyber-Kontext:

• Monolithisch (z. B. Linux): die meisten Dienste im Kernel.
• Mikrokernel: verschiebt Dienste in den User Space für Modularität.
• Hybrid (z. B. Windows, XNU): Kombination aus beiden.

4) Prozesse, Threads & CPU-Scheduling

• Prozess: laufendes Programm mit eigenem virtuellem Adressraum.
• Thread: einplanbare Einheit innerhalb eines Prozesses, teilt sich dessen Speicher.
• Scheduler: entscheidet über die Ausführung (FCFS, SJF, Priorität, Round-Robin, MLFQ). Verständnis von Präemption vs. Nicht-Präemption, Kontextwechseln und Verhungern ist essenziell für Performance und Forensik.

5) Speicherverwaltung & Virtueller Speicher

• Virtueller Speicher: gibt jedem Prozess einen isolierten logischen Adressraum, gestützt von RAM und Disk (Paging).
• Seitenersetzungs-Algorithmen (z. B. FIFO, LRU, Optimal) balancieren Lokalität und Overhead.
• Schutzmechanismen (User/Kernel Mode, Seitenrechte) verhindern gegenseitige Beeinflussung von Prozessen.

6) Storage, Dateisysteme & I/O

• OS bieten Dateisysteme (z. B. ext4/XFS unter Linux, NTFS/ReFS unter Windows) mit Metadaten, Berechtigungen/ACLs und Journaling für Robustheit.
• Block-I/O (Disks/SSDs) nutzt Scheduler; Zeichen-I/O (Terminals) ist stromorientiert.
• Platten-Scheduling (z. B. SCAN/LOOK) sowie Buffering/Caching erhöhen den Durchsatz.

7) Boot-Prozess & Betriebsmodi

Typische Phasen:

1. UEFI/BIOS initialisiert Hardware und findet den Bootloader.
2. Bootloader lädt Kernel (und initramfs) in den Speicher.
3. Kernel initialisiert Subsysteme, mountet Root-FS, startet ersten User-Space-Prozess (init/systemd oder Windows Session Manager).
4. Dienste und Anmelde-/Sitzungsmanager starten.

Nutzeraktionen laufen im User Mode; der OS-Kern im Kernel Mode.

8) Sicherheitsgrundlagen (Konten, ACLs, Richtlinien)

Gemeinsame Primitive:

• Identitäten & Gruppen; Rechte (rwx, ACLs), Eigentümerschaft und Privilegien-Grenzen.
• Policy-Enforcement (Windows: UAC, Group Policy; Linux: DAC + MAC wie SELinux/AppArmor).
• Auditing & Logging (Windows-Ereignisprotokolle, syslog/journald unter Linux).

Hygiene: Least Privilege, regelmäßiges Patchen, starke Authentifizierung.

9) Virtualisierung & Container

• Virtuelle Maschinen (VMs): emulieren vollständige Hardware, um mehrere OS parallel zu betreiben.
• Container: (Linux-Namespaces/cgroups) isolieren Prozesse auf gemeinsamem Kernel — schneller Start, hohe Dichte; geeignet für Produktion und Labs.

10) OS-Typen: Desktop, Server & Mobile

• Desktop: Windows, macOS, Linux-Distributionen — Produktivität, Entwicklung, Gaming.
• Server: Linux/Windows Server — headless Dienste, Performance- und Security-Tuning.
• Mobile: Android/iOS — App-Sandboxing und mobile Sicherheitsparadigmen.

11) Linux vs. Windows: Admin-Essentials (Hands-On)

Benutzer- & Gruppenverwaltung

• Linux: useradd, groupadd, passwd -l, Dateien /etc/passwd, /etc/shadow.
• Windows: net user, net localgroup, MMC „Local Users & Groups“.

Pakete & Updates

• Linux: apt, dnf, yum, apk.
• Windows: Winget/Chocolatey; Windows Update Dienst (wuauserv).

Dienste & Autostart

• Linux: systemctl enable|start <service> (systemd) oder service (SysV).
• Windows: Service Control Manager (sc config/start/stop), Services.msc.

Dateien & Berechtigungen

• Linux: chmod, chown, umask; Dateisysteme ext4/XFS.
• Windows: NTFS-ACLs (GUI oder icacls), Vererbung, Auditing.

Logs

• Linux: /var/log/*, journalctl; logrotate für Rotation/Kompression.
• Windows: Ereignisanzeige → Application/Security/System; Aufbewahrungsrichtlinien via Group Policy oder Konsole.

12) Logging, Monitoring & Troubleshooting

• Linux: journalctl -u <svc>, dmesg, top/htop, ss -tulpn, lsof, strace.
• Windows: Filter in der Ereignisanzeige, Resource Monitor, Process Explorer, Get-WinEvent, Get-Process, netstat, Sysinternals-Tools.
• Logs rotieren, zentralisieren (syslog → SIEM) und Aufbewahrungs-/Zugriffsrichtlinien definieren. logrotate ist das Standard-Tool für automatische Rotation unter Linux.

13) Hardening-Checkliste (Linux & Windows)

Linux

• Root-SSH deaktivieren (PermitRootLogin no), Schlüssel-Authentisierung erzwingen.
• Regelmäßig patchen; minimale Pakete; Firewall (ufw/nftables).
• Sensible Dateirechte korrekt setzen (z. B. /etc/shadow 640, Eigentümer root:shadow).
• logrotate und zentrales Logging konfigurieren; fehlgeschlagene Logins überwachen.

Windows

• NLA für RDP erzwingen; Gastkonto deaktivieren; starke Sperr-Policies.
• Windows Update aktiv halten; Defender + SmartScreen an.
• Lokale Admin-Nutzung begrenzen; Least Privilege; AppLocker/WDAC.
• Log-Aufbewahrung definieren und an SIEM weiterleiten.

14) Häufige Interview-/Prüfungsfragen (Kurzantworten)

• Was ist ein OS? Schnittstelle zwischen Nutzer/Anwendungen und Hardware; verwaltet Ressourcen und stellt Dienste bereit.
• Prozess vs. Thread? Prozess hat eigenen Adressraum; Threads teilen ihn und sind die Scheduling-Einheit.
• Was ist virtueller Speicher? Abstraktion, die Prozessen isolierte Adressräume via Paging und Sekundärspeicher gibt.
• Kernel vs. Shell? Kernel = privilegierter Kern; Shell = UI (CLI/GUI), kommuniziert über Syscalls mit dem Kernel.
• Monolithisch vs. Mikrokernel? Monolithisch: die meisten Dienste im Kernel; Mikrokernel: minimales Kernel, Dienste im User Space.

15) Mini-Labs: Jetzt ausprobieren

In einer Wegwerf-VM bzw. einem Container ausführen.

Linux

# 1) Benutzer & Gruppen
sudo groupadd secops && sudo useradd -m -g secops -s /usr/sbin/nologin secops && sudo passwd -l secops

# 2) Pakete (Debian/Ubuntu)
sudo apt-get update -y && sudo apt-get install -y htop && htop --version && sudo apt-get remove -y htop

# 3) Dienste (systemd)
sudo systemctl enable --now cron || echo "Not available here"

# 4) Logrotation
cat | sudo tee /etc/logrotate.d/custom <<'EOF'
/var/log/custom.log {
  weekly
  rotate 4
  compress
  missingok
  notifempty
  create 0640 root adm
}
EOF
sudo touch /var/log/custom.log && sudo chown root:adm /var/log/custom.log && sudo chmod 0640 /var/log/custom.log

# 5) SSH-Hardening
sudo sed -i 's/^#\?PermitRootLogin.*/PermitRootLogin no/' /etc/ssh/sshd_config && sudo systemctl restart ssh || true

Windows (PowerShell als Administrator)

# 1) Benutzer & Gruppen
net user secops /add /y
net localgroup "Users" secops /add

# 2) Pakete via winget (oder Chocolatey, falls vorhanden)
winget install --id=7zip.7zip -e; winget uninstall --id=7zip.7zip -e

# 3) Dienste
sc config wuauserv start= auto
sc start wuauserv

# 4) Log-Aufbewahrung (Beispiel: Application = 64MB)
wevtutil sl Application /ms:67108864

# 5) RDP + NLA empfohlen (Group Policy / System Properties > Remote)

16) Glossar

• ACL: Access Control List — fein granulare Berechtigungen auf Objekten.
• Kontextwechsel (Context Switch): CPU-Zustand sichern/wiederherstellen, um Threads zu wechseln.
• Journaling-Dateisystem: protokolliert Änderungen für Crash-Resilienz.
• Kernel/User Mode: CPU-Privilegstufen, die erlaubte Operationen bestimmen.
• Paging: Verschieben von Seiten zwischen RAM und Datenträger.
• Präemption: Scheduler unterbricht laufenden Thread zugunsten eines anderen.
• Systemaufruf (syscall): API-Grenze vom User Space in Kernel-Dienste.

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