Was ein Betriebssystem leistet und dein Übungslabor

Worum es geht

Svenja ist seit drei Monaten Lernende bei den Informatikdiensten der Stadt Grenchen. Ihr erster grosser Auftrag: Die Stadtbibliothek braucht einen neuen Ausleihe-PC mit Windows 11 und eine öffentliche Internetstation mit Ubuntu Linux. Ihr Berufsbildner gibt ihr einen Rat mit auf den Weg: «Installieren kann man in einer halben Stunde. Aber wenn du verstehst, was das Betriebssystem eigentlich macht, findest du später jeden Fehler doppelt so schnell.»

Genau darum geht es in dieser ersten Lektion. Du lernst, welche Aufgaben ein Betriebssystem übernimmt, warum ein abgestürzter Treiber den ganzen PC mitreisst, eine abgestürzte App aber nicht, und worin sich Windows und Linux grundsätzlich unterscheiden. Am Schluss baust du dir ein Übungslabor mit virtuellen Maschinen, in dem du alles aus diesem Kurs gefahrlos ausprobieren kannst. Kaputtmachen ist dort ausdrücklich erlaubt.

Die Aufgaben eines Betriebssystems

Stell dir die Stadtbibliothek vor. Hunderte Leute wollen gleichzeitig Bücher ausleihen, zurückgeben, Computer benutzen. Ohne Personal würde Chaos herrschen: Alle drängen gleichzeitig an die Theke, Bücher landen irgendwo im Regal, und jeder nimmt sich, was er will. Das Bibliothekspersonal regelt, wer wann an die Reihe kommt, wo welches Buch steht und wer was ausleihen darf.

Ein Betriebssystem (englisch Operating System, kurz OS) macht dasselbe für einen Computer. Programme wollen gleichzeitig rechnen, Speicher belegen, Dateien schreiben und drucken. Das Betriebssystem verteilt die Hardware fair und sicher auf alle.

Die Speicherverwaltung verdient einen zweiten Blick. Jedes Programm bekommt einen eigenen, abgeschotteten Adressraum. Ein Programm kann also nicht einfach in den Speicher eines anderen schreiben. Reicht der Arbeitsspeicher nicht, lagert das Betriebssystem selten benutzte Teile auf die Disk aus: unter Windows in die Auslagerungsdatei pagefile.sys, unter Linux in eine Swap-Datei oder Swap-Partition. Das funktioniert, ist aber viel langsamer als echter Arbeitsspeicher. Ein PC, der ständig auslagert, fühlt sich zäh an.

Kernel, Treiber und Programme: die Schichten

Ein Betriebssystem ist in Schichten aufgebaut. Ganz innen sitzt der Kernel, der Kern. Er hat als Einziger direkten Zugriff auf die Hardware. Um ihn herum laufen Treiber, Dienste und schliesslich die Programme, mit denen du arbeitest.

Die CPU kennt dafür zwei Betriebsarten:

• Im Benutzermodus (User Mode) laufen normale Programme. Sie dürfen die Hardware nicht direkt anfassen. Wollen sie eine Datei lesen, bitten sie den Kernel mit einem Systemaufruf darum.
• Im Kernelmodus (Kernel Mode) laufen der Kernel und die meisten Treiber. Hier ist alles erlaubt.

Das erklärt ein Verhalten, das du im Support oft siehst. Stürzt der Browser ab, räumt das Betriebssystem seinen Speicher auf, und alles andere läuft weiter. Macht dagegen ein Treiber im Kernelmodus einen schweren Fehler, kann das Betriebssystem nicht mehr sicher weiterarbeiten und hält das ganze System an. Unter Windows siehst du dann den Bluescreen mit einem Stoppcode, unter Linux eine Kernel Panic. Darum sind fehlerhafte Grafik-, Speicher- oder Netzwerktreiber eine der häufigsten Ursachen für Abstürze.

Prozesse und Dienste: was gerade läuft

Ein Programm ist eine Datei auf der Disk, zum Beispiel firefox.exe. Startest du es, wird daraus ein Prozess: ein laufendes Programm mit eigenem Speicher und einer eindeutigen Nummer, der PID (Process ID). Startest du Firefox zweimal, gibt es zwei Prozesse mit zwei PIDs. Moderne Browser starten sogar pro Tab eigene Prozesse.

Ein Dienst (unter Linux auch Daemon genannt) ist ein Prozess, der im Hintergrund läuft, ohne dass jemand angemeldet sein muss: der Druckwarteschlangendienst, Windows Update, der Webserver nginx. Dienste startet das Betriebssystem beim Hochfahren automatisch, wenn sie so konfiguriert sind.

Einen ersten Blick auf die laufenden Prozesse wirfst du so:

# Windows PowerShell: die fünf Prozesse mit dem meisten Arbeitsspeicher
Get-Process | Sort-Object WorkingSet64 -Descending | Select-Object -First 5 Name, Id, WorkingSet64

# Linux: die fünf Prozesse mit der höchsten CPU-Last
ps aux --sort=-%cpu | head -n 6

Im Task-Manager (Ctrl + Shift + Esc) siehst du dasselbe grafisch. Klick auf die Spaltenüberschrift CPU oder Arbeitsspeicher, und der grösste Verbraucher steht oben. Unter Linux zeigt top eine laufend aktualisierte Liste, mit der Taste M sortierst du nach Speicher, mit P nach CPU, mit q beendest du.

Name                      CPU     Arbeitsspeicher   Datenträger
Firefox (12)              4 %     1210 MB           0,1 MB/s
BiblioSoft Ausleihe       2 %      380 MB           0,2 MB/s
Microsoft Defender        1 %      190 MB           0,4 MB/s
Windows-Suche            41 %      145 MB          38,0 MB/s

Windows, Linux und der Lebenszyklus

Windows 11 ist auf Büroarbeitsplätzen in der Schweiz der Normalfall. Es gibt die Editionen Home und Pro, in grossen Betrieben Enterprise und an Schulen Education. Für Firmengeräte nimmst du mindestens Pro, denn nur Pro kann zum Beispiel BitLocker zentral verwalten, als Remotedesktop-Host dienen oder Gruppenrichtlinien verarbeiten.

Linux ist streng genommen nur der Kernel. Was du installierst, ist eine Distribution: Kernel plus Programme, Paketverwaltung und Installer. Im Kurs arbeitest du mit Ubuntu, das auf Debian aufbaut. Die Befehle sind bei beiden fast identisch.

Ein Betriebssystem ist nur so lange sicher, wie der Hersteller Sicherheitsupdates liefert. Deshalb gehört der Lebenszyklus zu jeder Planung:

Windows 10 erhält seit dem 14. Oktober 2025 keine regulären Sicherheitsupdates mehr. Geräte, die Windows 11 nicht erfüllen, ersetzt man deshalb oder setzt sie, wie Svenja, mit Linux weiter ein.

Dein Übungslabor: virtuelle Maschinen

Für diesen Kurs brauchst du einen Ort, an dem du installieren, Rechte verbiegen und Dienste abschiessen kannst, ohne dass ein echter Arbeitsplatz leidet. Dafür gibt es virtuelle Maschinen (VMs). Ein Hypervisor gaukelt jeder VM einen eigenen Computer mit CPU, RAM, Disk und Netzwerkkarte vor. In der VM installierst du ein ganz normales Betriebssystem.

Drei Funktionen machen VMs zum idealen Labor:

1. Prüfpunkte (in VirtualBox Snapshots): Du frierst den Zustand ein und springst nach einem Fehler in Sekunden zurück.
2. Virtuelle Netzwerke: Mit NAT kommt die VM ins Internet, ist aber von aussen nicht erreichbar. Mit einer Bridge (in Hyper-V externer Switch) hängt die VM wie ein echter PC im Netz und bekommt eine Adresse vom Router. Ein internes Netz (VirtualBox: Host-only oder Internes Netzwerk) verbindet nur VMs untereinander, ideal für Tests, die nichts im Firmennetz stören dürfen.
3. Virtuelles TPM und Secure Boot: Windows 11 verlangt beides auch in der VM. Hyper-V (Generation 2) und VirtualBox ab Version 7 können das.

Schritt für Schritt: Svenjas Labor in Hyper-V

Svenja richtet auf ihrem Lernenden-Laptop (Windows 11 Pro, 32 GB RAM, 512-GB-SSD mit 260 GB frei) zwei VMs ein: eine für Windows 11, eine für Ubuntu.

Schritt 1: Ressourcen planen. Der Host selbst braucht genug RAM, Svenja reserviert 8 GB für Windows, Browser und Teams. Bleiben 24 GB für VMs.

Beide VMs dürfen gleichzeitig laufen. Bei den Disks rechnet sie mit der Maximalgrösse, denn dynamische Disks wachsen mit der Zeit bis dorthin.

Schritt 2: Hyper-V aktivieren (PowerShell als Administrator, danach Neustart):

Enable-WindowsOptionalFeature -Online -FeatureName Microsoft-Hyper-V -All

Schritt 3: Die Windows-VM anlegen. Generation 2 bedeutet UEFI-Firmware. Der «Default Switch» ist in Hyper-V bereits vorhanden und arbeitet mit NAT.

New-VM -Name "LAB-W11" -Generation 2 -MemoryStartupBytes 8GB `
  -NewVHDPath "D:\VMs\LAB-W11.vhdx" -NewVHDSizeBytes 80GB -SwitchName "Default Switch"
Set-VMProcessor -VMName "LAB-W11" -Count 2
Set-VMKeyProtector -VMName "LAB-W11" -NewLocalKeyProtector   # Voraussetzung für das vTPM
Enable-VMTPM -VMName "LAB-W11"                                # virtuelles TPM 2.0
Add-VMDvdDrive -VMName "LAB-W11" -Path "D:\ISO\Win11_German_x64.iso"
Set-VMFirmware -VMName "LAB-W11" -FirstBootDevice (Get-VMDvdDrive -VMName "LAB-W11")

Schritt 4: Die Ubuntu-VM anlegen. Gleiches Vorgehen mit 4 GB RAM und 40 GB Disk. Wichtig: Ubuntu startet mit einem Bootloader, der von der «Microsoft UEFI-Zertifizierungsstelle» signiert ist. Die Standardvorlage für Secure Boot kennt nur Windows. Darum:

Set-VMFirmware -VMName "LAB-UBU" -SecureBootTemplate "MicrosoftUEFICertificateAuthority"

Schritt 5: Installieren und einfrieren. Nach der Installation (Lektionen 3 und 4) erstellt Svenja sofort einen Prüfpunkt. Von dort kann sie jederzeit neu beginnen.

Checkpoint-VM -Name "LAB-W11" -SnapshotName "01 frisch installiert"

Jetzt bist du dran. Bring die Ressourcenplanung aus Schritt 1 einem Python-Programm bei. Wenn alle Tests grün sind, kannst du jedes Labor in Sekunden durchrechnen.

Typische Fehler

• Den Host vergessen. Wer dem Laptop mit 16 GB RAM zwei VMs mit je 8 GB gibt, lässt dem Host nichts mehr übrig. Alles wird langsam, weil Windows ständig auslagert. Plane immer eine Reserve für den Host ein.
• Windows-11-VM ohne vTPM. Das Setup bricht mit «Dieser PC erfüllt nicht die Mindestanforderungen» ab. Lösung: Generation 2, Key Protector setzen, TPM aktivieren.
• Ubuntu mit der Windows-Secure-Boot-Vorlage. Die VM startet nicht und meldet einen Signaturfehler. Lösung: Vorlage «MicrosoftUEFICertificateAuthority».
• Test-VM im Firmennetz per Bridge. Eine VM mit eigenem DHCP- oder DNS-Dienst kann echten Geräten falsche Adressen verteilen. Für Experimente mit Netzwerkdiensten nimmst du ein internes Netz.
• Prüfpunkte als Backup verstehen. Sie schützen vor Konfigurationsfehlern, nicht vor einem Defekt der Disk.

Zusammenfassung

• Ein Betriebssystem verwaltet Prozesse, Speicher, Dateisysteme, Geräte und Benutzer und bietet Schnittstellen für Programme und Menschen.
• Der Kernel hat als Einziger direkten Hardwarezugriff. Fehler im Kernelmodus (meist Treiber) stoppen das ganze System, Fehler im Benutzermodus nur die App.
• Ein Prozess ist ein laufendes Programm mit PID, ein Dienst läuft im Hintergrund ohne Anmeldung.
• Windows oder Linux entscheidest du nach Einsatzzweck, Software, Hardware und Betreuung. Achte auf den Lebenszyklus: Ohne Sicherheitsupdates kein Betrieb.
• In VMs übst du gefahrlos. NAT, Bridge und internes Netz wählst du bewusst. Prüfpunkte sind praktisch, ersetzen aber keine Datensicherung.