Файлові системи

Зміст

1. Загальні відомості про файлових системах

2. Файлова система FAT

3. Файлова система FAT 32

4. Файлова система HPFS

5. Файлова система NTFS

6. Файлова система ОС сімейства UNIX

Список літератури

1. Загальні відомості про файлових системах

Сукупність каталогів і системних структур даних, що відстежують розміщення файлів на диску і вільний дисковий простір, називається файловою системою. Основною структурною одиницею будь-якої файлової системи є файл і каталог.

Файл - мінімальна структурована іменована послідовність даних. Каталог (папка) є своєрідною об'єднує структурою для розташованих на диску файлів. Каталог може містити в собі файли та інші (вкладені) каталоги. Каталоги та файли утворюють на диску деревоподібну ієрархічну структуру - дерево каталогів. Єдиний каталог не входить ні в одну з директорій називається кореневим каталогом.

Всі файли в комп'ютері зберігаються на магнітних дисках, які є частиною його конструкції. Магнітні диски є пристроями довільного доступу. У них кожна запис даних має свій унікальний адреса, що забезпечує безпосередній доступ до неї, минаючи всі інші записи. Для зберігання даних не тільки диск (пакет з декількох дисків), покритий феромагнітним шаром. Запис на магнітний диск і зчитування даних з нього здійснюється головками читання / запису.

Рис. 1 Структура поверхні магнітного диска

Поверхня диска розбита на доріжки представляють собою кола (рис. 1). Доріжки поділені на сектори. Розмір сектора зазвичай становить 512 байт.

У більшості файлових систем простір на диску виділяється кластерами, які складаються з декількох секторів. Кластер - мінімальний розмір місця на диску, яке може бути виділено для зберігання одного файлу. Перед тим, як диск може бути використаний для запису даних, він повинен бути розмічений - на його доріжки повинні бути записані заголовки секторів з правильними номерами доріжки та сектори, а також, якщо це необхідно, маркери. Як правило, при цьому ж відбувається тестування поверхні диска для пошуку дефектів магнітного шару. Не слід плутати цю операцію - фізичне форматування диска - з логічним форматуванням, що полягає у створенні файлових систем. Сучасні жорсткі диски зазвичай вимагають фізичної розмітки при їх виготовленні.

Один фізичний жорсткий диск може бути розділений на декілька розділів - логічних дисків (томів). Кожний логічний диск являє собою як би окремий пристрій. Отже, на ньому може бути своя файлова система і свій кореневий каталог.

В операційних системах MS - DOS і Windows кожне дисковий пристрій позначається латинською літерою. Для імені логічного диска використовуються букви від A до Z. Літери A і B позначають дисководи гнучких магнітних дисків (FDD). Починаючи з літери C, іменуються розділи жорсткого диска (HDD), дисководи оптичних дисків та віртуальні диски. Для звернення до файлу використовується наступна специфікація:

пристрій: \ шлях \ ім'я файла.расшіреніе

Тут шлях - список каталогів, що входять один в одного, в останньому з яких і міститься вказаний файл. Якщо шлях не вказаний, випливає що, файл знаходиться в кореневому каталозі даного диска. У MS - DOS ім'я файлу складається з 8 символів, точки і 3 символів розширення імені файлу. Точка відокремлює власне ім'я від розширення. Ім'я файлу може складатися з латинських літер, цифр 0 - 9, деяких інших символів, і не може містити пробіл. У Windows підтримуються довгі імена файлів (від 1 до 255 символів), ім'я може містити пробіли. При використанні файлових систем HPFS і NTFS ім'я файлу може містити кілька точок.

В іменах файлів не можна використовувати символи "*" і "? ", Так як вони використовуються в масках імен при пошуку файлів.

Розширення імені необхідно для визначення типу файлу і зв'язування файлу з певною програмою, за допомогою якої він може бути відкритий. Хоча ім'я файлу може і не мати розширення.

Розрізняють такі типи файлів:

1. Текстові файли. Текстові файли можуть містити простий або розмічений текст, в кодуванні ASCII, ANSI чи UNICODE. Текст без розмітки містить тільки відображувані символи і найпростіші керуючі символи (повернення каретки і табуляції). Розмічений текст містить бінарну і символьну розмітку (міжрядковий інтервал, нова сторінка і т.п.), може містити таблиці та рисунки;

2. Графічні файли - файли, що містять точкові або векторні зображення;

3. Файли мультимедіа - розрізняють файли, що містять оцифрований звук (файли аудіо) і фали відео (містять зображення і звук);

4. Виконувані файли - програми готові до виконання (файли з розширенням exe і com).

5. Архівні файли - файли архівів rar, tar, zip, cab і т.п.

6. Файли бібліотек - файли з розширенням DLL, OCX і LIB;

7. Файли даних - бінарні чи текстові файли з різним розширенням, використовувані програмами під час роботи.

Інформація про логічну організацію фізичного жорсткого диска

(Числі логічних дисків, їх розмір) розташована в головному завантажувальному запису (MBR). MBR розташована в самому першому секторі жорсткого диска і не входить в структуру файлової системи.

В операційних системах сімейства UNIX поділ на логічні диски відсутній, а використовується поняття кореневого каталогу файлової системи. Специфікація звернення до файлу виглядає наступним чином:

/ Шлях / ім файла.тіп

В операційній системі RSX (RSX -11) дискові пристрої ідентифікуються кодами: груповий ідентифікатор, порядковий номер у групі, двокрапка (наприклад, DKx, DMx або DPx). Специфікація звернення до файлу виглядає наступним чином:

блок: [g, n] імя.расшіреніе

де:

пристрій - ідентифікатор пристрою (DKx, DMx, DPx - магнітні диски; MTx - магнітні стрічки; ТТХ - термінал ЕОМ, LPx - принтер);

[G, n] - каталог.

Сучасні операційні системи мають можливість працювати з декількома файловими системами одночасно. Перш ніж операційна система зможе використовувати файлову систему, вона повинна виконати над цією системою операцію, звану монтуванням. У загальному випадку операція монтування включає наступні кроки:

1. Перевірку типу монтує файлової системи; перевірку цілісності файлової системи;

2. Зчитування системних структур даних і ініціалізацію відповідного модуля файлового менеджера (драйвера файлової системи). У деяких випадках - модифікацію файлової системи з тим, щоб вказати, що вона вже змонтована;

3. Включення нової файлової системи в загальний простір імен. Багато користувачів MS DOS ніколи не стикалися з поняттям монтування. Справа в тому, що ця система (як і багато інших ДОС, наприклад RT-11) виконує спрощену процедуру монтування при кожному зверненні до файлу.

2. Файлова система FAT

Файлова система FAT являє собою таблицю розміщення файлів, в якій зазначаються:

1. безпосередньо адреси ділянок логічного диска, призначені для розміщення файлів;

2. вільні області дискового простору;

3. дефектні області диска.

У цій таблиці кожного блоку, призначеному для зберігання даних, відповідає 16-бітове значення. Якщо блок вільний, то значення буде нульовим. Якщо ж блок належить файлу, то значення дорівнює адресою наступного блоку цього файлу. Якщо це останній блок у файлі, то значення - OxFFF (рис. 2). Існує також спеціальний код для позначення поганого блоку, не читається через дефект фізичного носія. У каталозі зберігається номер першого блоку і довжина файлу, вимірювана в байтах. Ємність диска при використанні 12-бітової FAT обмежена 4096 блоками (2 Мбайт), що прийнятно для дискет, але зовсім не годиться для жорстких дисків та інших пристроїв великої ємності. На таких пристроях DOS використовує FAT з 16-бітовими елементами. На ще більших (більше 32 Мбайт) дисках DOS виділяє простір не блоками, а кластерами з декількох блоків.

Рис. 2 Структура файлової системи FAT

У таблиці FAT кластери, що належать файлу або каталогу, зв'язуються в ланцюжки. У 16-розрядної FAT можна мати до 65536 кластерів. В операційних системах Windows NT / 2000 / XP розділи FAT можуть мати до 4097 Мб. У цьому випадку кластер займає 128 секторів диска.

Логічне об'єднання секторів у кластери дозволяє зменшити розмір таблиці FAT і прискорити доступ до файлу. Однак занадто великий розмір кластера приводить до неефективного використання області даних, особливо при великій кількості малих файлів. Наприклад, при розмірі кластера в 32 сектора (16 Кб) середня величина втрат на файл становить 8 Кб. Тому в сучасних файлових системах розмір кластера не перевищує 4 Кб.

Оскільки файли на диску схильні до зміни (видаляються, переміщуються, збільшуються чи зменшуються), то виділення першого вільного кластера для нової порції даних призводить до фрагментації файлів. Дані одного файлу можуть розташовуватися не в суміжних кластерах, а у віддалених один від одного.

Таблиця FAT є основою даної файлової системи, тому вона зберігається на диску у двох примірниках. Оновлюються копії FAT одночасно, а для роботи використовується тільки перший примірник. Якщо він виявиться пошкодженим, то відбудеться звертання до другого екземпляру. Утиліти перевірки та відновлення файлової системи при виявленні невідповідності первинної та резервної таблиці FAT здійснює відновлення основної таблиці, використовуючи дані з її копії.

Система FAT дуже проста і має одне серйозне гідність: вроджену стійкість до збоїв. У той же час у неї є і ряд серйозних недоліків. Перший недолік полягає в тому, що при кожній операції над файлами система повинна звертатися до FAT. Це призводить до частих переміщень головок дисководу і в результаті до різкого зниження продуктивності. Дійсно, виконання програми на одній і тій же машині під MS DOS і під DOS-емулятором систем U NIX або OS / 2 розрізняється по швидкості майже в 1,5 рази. Особливо це помітно при архівуванні великих каталогів.

Файлова система FAT 16, може мати не більше 65535 кластерів на логічний диск, і це призводить до обмеження розміру логічного диска. Зі збільшенням розміру диска доводиться збільшувати розмір кластерів, що призводить до вкрай неефективного і марної витрати дискового простору.

У файловій системі FAT дисковий простір логічного диска ділиться на системну область і область даних. Системна область створюється і ініціалізується при форматуванні диска, а в подальшому оновлюється при роботі. Область даних містить файли і каталоги, які утворюють на диску ієрархічне дерево каталогів, з єдиною директорією не входить в інші - кореневим каталогом. Область даних доступна через користувальницький інтерфейс операційної системи. Системна область містить завантажувальну запис, зарезервовані сектора, таблицю розміщення файлів і кореневий каталог. Для кожного файлу та каталогу у файловій системі зберігається довідкова інформація. Кожен елемент такого довідника займає 32 байти і містить: ім'я файлу або каталогу, розширення імені файлу, атрибути файлу - системний, архівний, тільки для читання та ін, дату і час створення і останньої зміни файлу, номер початкового кластера, розмір файлу.

3. Файлова система FAT 32

У міру розвитку операційних систем до 16-розрядної FAT додалися ще дві файлові системи, використовувані в широко поширених операційних системах від Microsoft: VFAT (віртуальна система FAT), використовувана в Windows 95 і Windows NT, і FAT 32 використовувана в Windows 98 і однією з версій Windows 95 (OEM Service Release 2, вона ж Windows 95 OSR 2). В даний час файлова система FAT 32 підтримується сучасними операційними системами

Windows ME / 2000 / XP. Є реалізації FAT 32 для Windows NT і Linux.

Файлова система VFAT вперше з'явилася в Windows 3.11 (Windows for Workgroups). З появою Windows 95 у VFAT додалася підтримка довгих імен файлів.

Файлова система VFAT має сумісність з FAT 16. Тому при роботі з VFAT необхідно використовувати утиліти обслуговують саме її. Більш ранні файлові утиліти DOS запросто модифікують те, що здається їм вихідною структурою FAT. Це може призвести до втрати довгих імен файлів. Основними недоліками файлових систем FAT 16 і VFAT, які призвели до необхідності створення нової файлової системи, є великі втрати на кластеризацію і обмеження на розмір логічного диска.

Файлова система FAT 32 є повністю самостійною 32-розрядною файловою системою і має більш досконалу структуру.

FAT 32 набагато ефективніше витрачає дисковий простір. Кластери в цій файловій системі менше, ніж кластери в попередніх версіях FAT. Отже, для дисків розміром до 8 Гб FAT 32 може використовувати кластери розміром 4 Кб. Таблиця розміщення файлів в FAT 32 може містити до кластерів (в 32-розрядному коді, що використовується для представлення номера кластера, фактично використовуються тільки 28 розрядів). Система FAT 32 також може переміщати кореневий каталог і використовувати резервну копію FAT замість стандартної. Розширена завантажувальна запис дозволяє створювати копії важливих структур даних. Це підвищує стійкість файлової системи до порушень структури таблиці розміщення даних. Кореневий каталог представлений у вигляді звичайної ланцюжки кластерів і може знаходитися в довільному місці диска. Файлова система FAT 32 має ряд удосконалень структури кореневого каталогу. Для представлення довгих імен використовуються елементи кореневого каталогу.

Для цього число файлів у ньому збільшено з 512 до 2048. Крім того, для того щоб знизити витрату елементів каталогу на опис файлів з ​​довгими іменами, рекомендується не давати файлів занадто довгі імена.

Довге ім'я файлу в VFAT представлено наступним чином.

Перші 11 байт елемента каталогу DOS використовуються для зберігання імені файлу. Таке ім'я складається з двох частин: у перших восьми байтах зберігаються символи власне імені, а в останніх трьох - символи розширення імені файлу. Якщо ім'я складається менш ніж з восьми символів, то в елементі каталогу воно доповнюється символами пробіл, для того щоб повністю заповнити всі вісім байтів. При роботі з ім'ям файлу необхідність у відображенні точки, яка використовується для відділення імені файлу від розширення, відпадає. У 12-му байті елемента каталогу зберігаються атрибути файлу:

1. А - архів. Показує, що файл був відкритий програмою має можливість змінити його вміст.

2. D - каталог. Показує, що даний елемент вказує на підкаталог (папку), а не на файл.

3. V - том (volume). Застосовується тільки до одного елементу каталогу в кореневому каталозі. У ньому, власне, і зберігається ім'я дискового тому.

4. S - системний. Показує, що файл є частиною операційної системи або спеціально позначений подібним чином.

5. H - прихований. До прихованих файлів відносяться також системні файли.

6. R - тільки для читання. Вказує, що даний файл не слід змінювати. Цей атрибут використовується для примітивного захисту від помилок користувача.

На дисках з FAT 12 або FAT 16 наступні 10 байт не використовуються. На диску з FAT 32 вони містять різну інформацію про файл. Тринадцятий байт зарезервований для Windows NT і в підсистемі DOS не використовується.

Для довгого імені файлу використовується кілька елементів каталогу. Таким чином, застосування довгих імен призводить до зменшення кількості файлів, що знаходяться в кореневому каталозі. Довге ім'я може містити до 256 символів і всього один файл з повним довгим ім'ям займе до 25 елементів таблиці FAT. При цьому на диску з файловою системою FAT 16 Максимальна кількість файлів в кореневому каталозі скоротиться до 21. Тому необхідно уникати довгих імен файлів в кореневому каталозі. Довжина повної специфікації файлу, що включає в себе шлях до файлу та його ім'я, також обмежена. У файловій системі FAT 32 успішно вирішена проблема довгих імен в кореневому каталозі, але проблема з обмеженням довжини повної файлової специфікації залишається. Тому рекомендується обмежувати довгі імена 75-80 символами, для того щоб залишити достатньо місця для шляху до файлу.

4. Файлова система HPFS

Файлова система HPFS (високопродуктивна файлова система) вперше з'явилася в операційній системі OS / 2. HPFS є файловою системою для багатозадачного режиму роботи, підтримує довгі імена файлів, і забезпечує високу продуктивність при роботі з дисками великого обсягу. Вона, як і FAT, має деревоподібну структуру каталогів, але в ній ще передбачені автоматичне сортування каталогів і спеціальні розширені атрибути, що спрощують забезпечення безпеки на файловому рівні і створення множинних імен. Розширені атрибути дозволяють зберігати додаткову інформацію про файл. Наприклад, кожному файлу можна порівнювати його індивідуальне графічне зображення (значок).

У порівнянні з FAT HPFS володіє вищою продуктивністю, надійністю, і ефективніше використовує дисковий простір. Ще одна особливість полягає в тому, що простір, звільнене стертим файлом, зазвичай використовується не відразу і файл можна відновити.

Для досягнення більш цього в HPFS застосовується:

- Розміщення каталогів в середині дискового простору;

- Використовується метод бінарних збалансованих дерев, для прискорення пошуку інформації про фото;

- Інформація про місцезнаходження файлових записів розосереджена по всьому диску, при розміщенні самого файлу (по можливості) у суміжних секторах і поблизу від даних про їх місцезнаходження.

Перш за все, HPFS намагається розташувати файл в суміжних кластерах, а якщо такої можливості немає, помістити його таким чином, щоб фрагменти файлу розташовані у суміжних секторах диска, фізично були якомога ближче один до одного. Це істотно скорочує час позиціонування головок читання / запису жорсткого диска.

Всі ці переваги обумовлені структурою диска з файловою системою HPFS.

На початку диска розташовано декілька керуючих блоків. Все інше дисковий простір розбите на безліч областей із суміжних секторів, або смуг. У кожній області розташовуються самі файли та службова інформація про вільні і зайнятих секторах в цій області. Кожна смуга займає на диску 8 Мб і має власну бітову карту розподілу секторів. Ці бітові карти показують, які сектори даної смуги зайняті, а які вільні. Кожному сектору смуги даних відповідає один біт в її бітової карті. Бітові карти двох смуг розташовуються на диску поруч, як і самі смуги (рис. 3). Таке розташування смуг і бітових карт дозволяє безперервно розмістити на диску файл розміром до 16 Мб, без віддалення від самого файлу інформацію про його місцезнаходження. Якщо б на весь логічний диск була б тільки одна адресна структура даних (як в FAT), то для роботи з нею доводилося б переміщати головки читання / запису в середньому через половину диска. Саме для виключення таких втрат диск в HPFS розділений на смуги.

Дисковий простір в HPFS виділяється не кластерами, а блоками. Розміщення файлів у таких невеликих блоках дозволяє економити дисковий простір. Так втрати становлять у середньому всього 256 байт на файл.

Рис. 3 Структура розділу HPFS

Крім смуг із записами файлів і бітових карт на томі (логічному диску) HPFS є ще завантажувальний блок, додатковий блок і резервний блок. Завантажувальний блок містить ім'я тому, його серійний номер, блок параметрів BIOS і програму початкового завантаження. Блок параметрів BIOS містить інформацію про жорсткому диску - кількості циліндрів і головок диска, зокрема секторів на доріжці. Ця інформація використовується програмними модулями HPFS для пошуку потрібного сектора.

У додатковому блоці міститься покажчик на список бітових карт. У цьому списку перераховані всі блоки на диску, в яких розташовані бітові карти. Також у додатковому блоці зберігаються покажчики на список дефектних блоків і смугу каталогів, покажчик на файловий вузол кореневого каталогу, а також дата останньої перевірки розділу. У списку дефектних блоків перераховані всі пошкоджені сектори диска. Коли операційна система виявляє пошкоджений блок, він вноситься в цей список і для запису інформації більше не використовується. Ще в додатковому блоці міститься інформація про розмір смуги.

Резервний блок містить покажчик на карту аварійного заміщення, покажчик на список вільних запасних блоків каталогів, використовуваних для операцій на майже переповненому диску, і ряд системних прапорів і дескрипторів. Резервний блок забезпечує високу відмовостійкість файлової системи HPFS, дозволяючи відновлювати пошкоджені дані.

Файли і каталоги в HPFS базуються на файловому вузлі. Файловий вузол - це структура, яка містить інформацію про розташування файлу і про його розширених атрибутів. Кожен файл і каталог має свій файловий вузол. Кожен файловий вузол займає один сектор і завжди розташовується поблизу свого файлу (звичайно безпосередньо перед файлом).

Файловий вузол містить розмір файлу і перші 15 символів імені файлу, спеціальну службову інформацію, статистику доступу до файлу, розширені атрибути файлу і список управління доступом.

Скорочене ім'я файлу використовується, коли файл з довгим ім'ям копіюється на диск з файловою системою FAT, що не допускає подібних імен. У цьому випадку використовуються перші вісім символів оригінального імені і перші три символи розширення. Якщо ім'я файлу містить кілька точок, що припустимо в HPFS, то використовуються три символи після останньої з цих точок.

Файлова система HPFS при записі файлу на диск прагне уникнути фрагментації. Якщо файл безперервний то, його розміщення описується двома 32-розрядними числами. Перше число являє собою вказівник на перший блок файлу, а друге - довжину екстент, тобто число наступних один за одним блоків, що належать файлу. З цього випливає, що максимальний обсяг диска в HPFS становить 2 Тб. Якщо файл фрагментований, то розміщення його екстент описується додатковими парами 32-розрядних чисел. Фрагментація відбувається, коли на диску немає безперервного вільної ділянки, достатнього для розміщення файлу цілком. У цьому випадку файл ділиться на кілька частин і розташовується в різних місцях диску. Файлова система HPFS намагається помістити частини фрагментованого файлу якомога ближче один до одного, для того щоб скоротити час позиціонування головок читання / запису при читанні файлу з жорсткого диска. Також файлова система прагне резервувати мінімум 4 Кб місця в кінці файлів підлягають зміні.

Користувацька програма може вказати розмір файлу при його створенні. У цьому випадку система відразу спробує виділити місце під файл так, щоб він займав якомога менше екстент. Якщо програма не повідомила розміру файлу, використовується значення за замовчуванням. Фактично, HPFS розміщує місце, під файл, починаючи виділення з найбільшого безперервної ділянки вільного простору. У результаті фрагментованими виявляються тільки файли, довжина яких збільшувалася багаторазово або ж ті, які створювалися при майже заповненому диску. При нормальній роботі файл рідко займає більше 3-4 екстент.

У файловому вузлі можна помістити інформацію про 8 екстент файлу. Якщо їх більше, то в файловий вузол цього файлу записується покажчик на блок розміщення, який може містити до 40 покажчиків на екстенти або інші блоки розміщення.

Велике значення для збільшення продуктивності HPFS має метод збалансованих двійкових дерев, що використовується для зберігання і пошуку інформації про місцезнаходження файлів. У файловій системі FAT каталог має лінійну невпорядковану структуру і при пошуку файлу необхідно послідовно переглядати його з самого початку. У HPFS структура каталогу представляє собою збалансоване дерево, із записами розташованими в алфавітному порядку. Кожен запис містить атрибути файлу, покажчик на відповідний файловий вузол, інформацію про час і дату створення, останньої зміни і звернення до файлу, про розмір файлу, лічильник звернення до файлу, інформацію про довжину імені файлу і саме ім'я, та інша подібна інформація. Таким чином, при пошуку файлу в каталозі проглядаються тільки необхідні гілки двійкового дерева. Записи каталогу свідомо не пов'язані з шуканого файлу не розглядаються.

При перейменування файлів може виникнути перебалансування дерева. Спроба перейменування може закінчитися невдачею через нестачу дискового простору, навіть якщо файл у розмірі не збільшиться. Для запобігання цьому HPFS має маленький пул вільних блоків, використовуваних при нестачі місця. Покажчик на цей пул зберігається в резервному блоці.

Файлова система HPFS для виправлення помилок, що виникають під час запису файлів на диск, використовує механізм аварійного заміщення. Інформація, призначена для запису в сектор, що виявився дефектним, зберігається в одному з запасних секторів, заздалегідь зарезервованих на цей випадок. Їх список зберігається в резервному блоці файлової системи. Потім відбувається оновлення карти аварійного заміщення. Вона являє собою пари 32-розрядних чисел. Перше число такої пари вказує на дефектний сектор, а друге на сектор його заміщає. Очищення карти аварійного заміщення виконується програмою CHKDISK при перевірці томи HPFS. Для кожного заміщеного блоку (сектору) виділяється новий сектор у найбільш зручному місці. Потім дані записуються в цей сектор, і оновлюється інформація про стан файлу. Після цього програма вносить пошкоджений сектор в список дефектних блоків, і повертає звільнений сектор в список вільних запасних секторів резервного блоку. Після цього відбувається видалення записів з карти аварійного заміщення.

Існує ще одна реалізація HPFS для роботи на серверах - HPFS 386. IFS. Її відмінність в тому, що вона дозволяє за допомогою більш повного використання розширених атрибутів, організувати обмеження доступу до файлів, за допомогою списків управління доступом. Також у цій системі немає обмеження на обсяг пам'яті, виділеної для кешування файлових записів. У HPFS цей обсяг не може перевищувати 2 Мб.

У HPFS 386. IFS при встановлення режимів роботи файлового кеша, є можливість впорядкувати запис на диск. Найбільш ефективний алгоритм, при якому операції запису даних з кеша на диск попередньо упорядковуються так, щоб скоротити час, що витрачається на позиціонування головок читання / запису.

5. Файлова система NTFS

Файлова система NTFS (файлова система нової технології), як і багато інших файлові системи, ділить дисковий простір томи на кластери розміром від 512 байт до 64 Кб. На практиці розмір кластера зазвичай не перевищує 4кБ. Всі дисковий простір в NTFS ділиться на дві нерівні частини (рис. 4). Перші 12% диска відводяться під зону MFT - головної таблиці файлів. Ця таблиця представляє собою спеціальний файл, що містить інформацію про розміщення всіх інших файлів. Решта 88% томи представляють собою звичайний простір для запису файлів.

Рис. 3 Структура томи NTFS

Таблиця 1. Метафайли NTFS

Таблиця файлів поділена на записі фіксованого розміру в 1 Кб. Кожен запис відповідає конкретного файлу. Перші 16 файлів томи є службовими і недоступні через інтерфейс операційної системи. Ці файли називаються метафайлах, причому найперший метафайл - це сам файл MFT. Частина диска, що містить метафайли, є єдиною частиною диска має строго фіксоване положення. Копії цих файлів (для надійності, оскільки вони є дуже важливими) зберігається в середині томи. Частина, що залишилася MFT може розташовуватися в довільному місці диска. Визначити її положення можна з допомогою самого файлу MFT. Метафайли знаходяться в кореневому каталозі тому NTFS. Їх імена починаються з символу «$». Основні метафайли наведені в таблиці 1.

У таблиці MFT зберігається вся інформація про файли: ім'я файлу, його розмір, розташування на диску і т.п. Якщо для розміщення інформації не вистачає одного запису MFT, то використовується декілька таких записів, причому необов'язково послідовних. Якщо файл маленький, то інформація, що міститься в ньому, зберігається прямо у відповідному записі MFT у залишився від службових даних місці. Таким чином, файли, що займають не більше сотні байтів, зазвичай не записуються в основну файлову область - вся інформація таких файлів зберігається прямо в таблиці MFT.

Файл на томі NTFS ідентифікується файлової посиланням, яка представляє собою 64-розрядне число. Файлова посилання складається з номера файлу, що відповідає позиції його файлового запису в таблиці MFT, і номера послідовності. Номер послідовності збільшується кожного разу, коли дана позиція в MFT використовується повторно, що дозволяє файлової системи NTFS виконувати внутрішні перевірки своєї цілісності.

Кожний файл у NTFS представлений за допомогою потоків даних. У них містяться власне дані файлу, атрибути файлу, додаткова інформація про автора та зміст файлу. Файлу можна призначити ще один потік даних і записати в нього будь-які дані. Цікаво, що ці додаткові потоки не видно стандартними засобами роботи з файлом: спостережуваний розмір файлу - це лише розмір потоку основних даних. Наприклад, можна видалити файл нульової довжини, і при цьому звільниться кілька мегабайт місця на диску, просто тому, що яка-небудь програма призначила цього файлу потік додаткових даних такого великого об'єму.

Атрибути файлів у системі NTFS:

1. Стандартна інформація про фото - стандартні атрибути (тільки для читання, прихований, архівний, системний), розмір файлу, час і дата створення і останньої зміни;

2. Список атрибутів - список атрибутів файлу і посилання на запис в таблиці MFT. Файлова посилання використовується, якщо файлу необхідно більш одного запису в MFT;

3. Назва файлу - ім'я в кодуванні Unicode. Файл може мати кілька імен (як в Unix) якщо у файлу є автоматично згенероване ім'я формату 8.3 або є зв'язок POSIX до цього файлу;

4. Дескриптори захисту - структура даних відповідна списком управління доступом (ACL) і захищає файли від неправомірного доступу;

5. Дані - власне вміст файлу;

6. Корінь індексу, розміщення індексу і бітова карта (тільки для каталогів) - атрибути, які використовуються для індексів імен файлів у великих каталогах;

7. Розширені атрибути HPFS - атрибути для реалізації розширених атрибутів HPFS для системи OS / 2, а також для OS / 2 клієнтів файл-серверів Windows NT.

Дозволи NTFS - це набір спеціальних розширених атрибутів файлу або каталогу, заданих для обмеження доступу користувачів до цих об'єктів. Наприклад, одному користувачеві можна дозволити зчитувати і змінювати файл, іншого тільки зчитувати, третьому взагалі заборонити доступ. Рекомендується встановлювати дозволу, використовуючи не облікові записи окремих користувачів, а облікові записи груп користувачів. У кожного файлу є два списки дозволу. Першим є DACL - дискреційний список управління доступом. Цей список описує обмеження на доступ до файлу, перераховуючи користувачів і вказуючи заборонені або дозволені для них операції. Цей список може змінити будь-який користувач, який має дозвіл на зміну дозволів для даного файлу. Другий список називається SACL - системний список управління доступом. Цей список може складати і редагувати тільки адміністратор системи. Оброблятися елементи цього списку будуть, якщо в системі включений аудит на доступ до файлів. Операційна система, при зверненні користувача до файлів, порівнює записи в SACL із запитом і з записами у списку DACL і фіксує в журналі безпеки відповідна подія.

Файлова система NTFS розрахована на роботу з дисками великого обсягу. Максимально можливий теоретичний розмір тому - 16 екзабайт! Один екзабайт дорівнює байт (приблизно 16 000 000 000 000 гігабайт)!

Кількість файлів в кореневому та інших каталогах не обмежена.

Файлова система NTFS має високу надійність. Система NTFS містить дві копії MFT (аналог FAT). Але на відміну від FAT, MTF більше нагадує базу даних. Система NTFS має різні механізми перевірки цілісності даних, включаючи ведення журналів транзакції, що дозволяють відтворити операції запису файлів за спеціальним системного журналу. На початку операції, пов'язаної зі зміною файлової структури, робиться відповідна позначка. Якщо відбувається який-небудь збій, то операція залишається поміченої як незавершена. При виконанні перевірки цілісності файлової системи після перезавантаження машини ці незавершені дії скасовуються, і файли повертаються в початковий стан. Якщо запис даних у файл пройшла без помилок, запис у журналі транзакції видаляється. У NTFS, як і в HPFS є механізм аварійної заміни дефектних секторів жорсткого диска.

У файловій системі NTFS 5 на відміну від попередньої версії (NTFS 4) є можливість квотування - обмеження обсягу дискового простору для користувача, яку він зможе використовувати. При цьому зовсім необов'язково щоб всі його файли зберігалися в одному місці, вони можуть бути розподілені по всіх дисках. Інша відмінність - можливість пошуку файлу по імені його власника. У NTFS 5 додана функція точки монтування. За допомогою цієї технології можна приєднати будь-який дисковий ресурс у будь-яке місце файлової системи. Наприклад, можна приєднати логічний диск D: \ в будь-якій з каталогів на диску C: \, наприклад, C: \ disk. Тепер зайшовши в директорію C: \ disk можна буде бачити вміст кореневого каталогу диска D: \. Всі зміни, які будуть вироблені в цій директорії, будуть проведені і на диску D: \.

У системі NTFS можуть бути створені динамічні диски. Це фізичний диск, на якому створені динамічні розділи. Динамічні розділи можуть бути наступних видів:

1. Прості - розділи практично не відрізняються від звичайних розділів;

2. Складові - складаються з декількох динамічних дисків, які представлені як один диск. Дані пишуться і читаються послідовно;

3. Чергуються - кілька динамічних дисків, що представлені як один диск. Дані пишуться і читаються одночасно на кілька дисків. Цей метод забезпечує більш високу швидкість дискових операцій.

4. Дзеркальні - ці розділи складаються з двох фізичних дисків. Дані, записувані на один з дисків, автоматично дублюються на іншому. Це не дає ніяких переваг у швидкості, але підвищує ступінь надійності збереження даних.

5. RAID 5 - складається з трьох і більше дисків. Дані пишуться на два диски, у два блоки, а на третій диск і в третій блок записується код корекції помилок, за допомогою якого за інформацією будь-якого з блоків можна відновити вміст другого блоку. Код корекції записується поперемінно на кожен диск. Це економить дисковий простір, але працює повільніше.

Звичайний диск (базовий) може бути конвертований у динамічний, а зворотний процес конвертування динамічного диска в базовий не завжди можливий. Наприклад, якщо диск з самого початку створювався як динамічний, то на ньому відсутня звична таблиця розділів. Крім цього, якщо видалити на динамічному диску декілька розділів, то вільне місце не об'єднується і новий розділ, що дорівнює за розміром віддаленим, буде складатися з декількох дрібних розділів, об'єднаних під однією буквою.

6. Файлова система ОС сімейства UNIX

Файл в операційній системі UNIX являє собою безліч символів з ​​довільним доступом. У файлі можуть міститися будь-які дані, і файл не має ніякої іншої структури, крім тієї яку створить у ньому користувач. У сімействі UNIX трактують поняття файла більш широко - там файлом називається будь-який об'єкт, який має ім'я у файловій системі. Однак файли, які не є сукупностями даних (каталоги, зовнішні пристрої, псевдоустройства, іменовані програмні канали, семафори Xenix), часто називають не простими файлами, а "спеціальними".

Інформація на диску розміщується блоками. Мінімальний розмір блоку 512 байт. У сучасних файлових системах, розроблених для конкретної версії UNIX розмір блоку дещо більше. Це дозволяє підвищити швидкодію файлових операцій. Розділ на диску поділяється на наступні області (рис. 4): завантажувальний блок; керуючий блок (суперблок) в якому зберігається розмір логічного диска і кордону інших областей; i-список, що складається з описів файлів; область для зберігання вмісту файлів.

Рис. 4 Організація файлової системи в UNIX

Кожен i-вузол містить: ідентифікатор власника, ідентифікатор групи власника, біти захисту, фізичні адреси на диску, час створення файлу, час його останньої зміни, час останньої зміни атрибутів файлу, число зв'язків-посилань вказують на файл, ідентифікатор типу файлу - каталог, звичайний або спеціальний файл. За i-списком розташовані блоки для зберігання вмісту файлів. Простір, не заповнений файлами, утворює зв'язаний список вільних блоків.

Таким чином, файлова система UNIX містить керуючий суперблок з описом файлової системи в цілому, масив

i-вузлів, в якому визначені всі файли, самі файли і сукупність вільних блоків.

Каталоги також як і в інших системах мають деревоподібну структуру. Файл, який не є каталогом, може зустрічатися в різних каталогах, під різними іменами. Це називається зв'язуванням. У UNIX-системах файли не належать каталогами, а існують як би незалежно від каталогів. Зв'язки в каталогах вказують на реальні фізичні файли. Файл "зникає", коли видаляється останній зв'язок, яка вказує на нього. Від файлової системи не потрібно, щоб вона повністю розміщувалася на диску містить кореневий каталог. Є можливість підключення файлової підсистеми до системи таким чином, що її вміст замінює собою вміст заданого каталогу. Тому для монтування існуючого томи необхідно використовувати порожній каталог. Розмонтування - зворотна операція, від'єднуються файлову систему, після чого диск можна фізично отримати з системи. Монтування файлових систем дозволяє отримати єдине логічне файлове простір, в той час як реальні файли можуть перебувати в різних розділах або на різних жорстких дисках. Також важливо, що самі файлові системи для монтуються розділів можуть бути різними.

При пошкодженні файлової системи можуть виникнути наступні порушення в її структурі:

1. деякий блок може опинитися поза системою, тобто не бути частиною файла і не бути в списку вільних блоків;

2. можуть з'явитися дублі i-вузлів - записи, що описують один і той же файл двічі;

3. якийсь блок може бути частиною файлу і бути в списку вільних блоків;

4. деякий файл може існувати, не будучи включеним ні в один каталог.

Але файлова система має деяку надмірність, що дозволяє виправити ці помилки:

1. блок даних, що є каталогом, містить імена файлів і номери i-вузлів. Тобто існує i-вузол, що відповідає цьому каталогу, і цей i-вузол повинен бути каталогом, а не звичайним файлом;

2. блок, включений в список вільних блоків, не може бути частиною файлу. Для перевірки цього достатньо порівняти список зайнятих і вільних блоків.

3. блок, що належить файлу повинен належати тільки одному файлу.

При перевірці файлової системи проводяться: перевірка цілісності i-вузлів; перевірка каталогів вказують на i-вузли, що містять помилки; перевірка каталогів на які немає посилань; перевірка лічильників зв'язку в каталогах і файлах; перевірка невірних і дубльованих блоків у списках - вільних і невикористовуваних блоків , які не включені в список вільних блоків; перевірка загального числа вільних блоків.

Список літератури

1. Гордєєв А.В., "Операційні системи", СПб: Питер, 2006 р.

2. Попов І.І., "Операційні системи, середовища та оболонки", Москва: Инфра-М, 2003 р.

3. Бойс Д., "Від установки до оптимізації роботи Windows XP", Москва: НТ Пресс, 2007 р.

4. Столлінгс В., "Операційні системи", Москва: Вільямс, 2002 р.