Учебник для вузов Общие сведения Аппаратное обеспечение
 Скачать 5.31 Mb.
|
Файловые системы Каждая операционная система использует одну основную файловую  систему, а также дополнительно может работать с некоторыми другими файловыми системами. Для файловой системы NTFS теоретически файл – единица инфор- мации, имеющая номер в Master File Table (MFT, общей таблице файлов), однако на практике все же основной атрибут файла – его имя. Сохранение информации о файлах обеспечивает файловая система. Правила именования файлов, способы доступа к данным файла, структура его данных зависят как от типа используемой файловой системы, так и от типа файла. Файловая система берет на себя размещение информации файла на диске, сохранение информации об этом в таблице файлов диска и обеспечение доступа к этим данным. Кроме имени каждый файл может иметь и другие свойства: расширение имени файла, характеризующее его тип (символы после последней точки, справочник типов см. http://open-file.ru/); атрибуты (архивный, только чтение, скрытый, шифрованный и пр.); время создания, изменения, последнего открытия; права доступа (безопасность); метаданные (название, тема, ключевые слова, авторы и пр.). Каждый логический раздел жесткого диска может быть отформати- рован в той или иной файловой системе. Например, основной файловой системой ОС Windows на ядре NT является NTFS. Однако ОС Windows XP может также работать и с информацией, хранящейся на разделах диска с файловой системой FAT и FAT32. При организации разделов в первый сектор диска (цилиндр 0, голов- ка 0, сектор 1) заносится главная загрузочная запись – Master Boot Record (MBR). В ней содержатся: исполняемый код – программа начальной загрузки (внесистемный загрузчик – non-system bootstrap); таблица разделов – таблица разбиения диска (Disk Partition Table). В таблице разбиения диска содержатся сведения о том, с каких ци- линдров, головок и секторов начинаются и какими заканчиваются имею- щиеся на диске разделы. В этой таблице также содержатся указания для системной BIOS, какой из разделов является загрузочным, т.е. где следует искать основные файлы операционной системы. Сектора и дорожки фор- мируются во время низкоуровневого форматирования при изготовлении жесткого диска (размер сектора равен 512 байт). Поскольку файловые системы являются общим хранилищем файлов, принадлежащих разным пользователям, системы управления файлами должны обеспечивать авторизацию доступа к файлам. В общем виде под- ход состоит в том, что по отношению к каждому зарегистрированному пользователю данной операционной системы для каждого существующего файла указываются действия, которые разрешены или запрещены данному пользователю или группе пользователей. В современных ОС для ПК пред- определены 3 основные группы с разными правами: администраторы, опытные пользователи, пользователи. Первой файловой системой для ПК была FAT – файловая система операционной системы MS DOS. Эта система и в настоящее время ис- пользуется для форматирования дискет (на смену которым уже сейчас пришла USB-флэш-память). Позднее появилась файловая система NTFS, разработанная для операционной системы Windows NT 3.1, более эффек- тивная и надежная для работы с дисками большого объема. Однако NTFS требуется для нормальной работы больший объем оперативной памяти ПК, чем FAT (в 90-х годах 20 века ПК обычно имели ОП не более 8 МБайт). С выходом Windows 95 появилась возможность использовать длин- ные имена файлов в файловой системе FAT32 и жесткие диски больших объемов.  В файловых системах FAT и NTFS может существовать несколько логических дисков (каждый винчестер может быть одним разделом или может быть разбит на несколько логических дисков, общие сетевые ресур- сы при необходимости также могут быть подключены как логические дис- ки). Каждый логический диск имеет имя – латинская буква с двоеточием. A: и B: зарезервированы для флоппи-дисководов; жесткие, лазерные, сете- вые диски – C:, D: и т. д.. С этого имени начинается дерево каталогов дис- ка (см. рисунок 3.3). Полное имя файла начинается с имени диска, далее может идти перечисление папок (путь к файлу), последним идет имя фай- ла. Например, E:\Program Files\MicrosoftOffice\Office11\ Winword.exe. Таким образом, в этих системах может существовать несколько изолированных файловых деревьев. Каждый файл имеет расширение (символы после последней точки в имени файла – Winword.exe, Заяв- ка12.12.2006.doc). На ПК может использоваться также ОС Linux, которая имеет собственную файловую си- стему. Принципиальное отличие этой файловой системы – отсутствие имен дисков и расширений файлов. Это централизованная файловая система, вся совокупность каталогов и файлов представле- на как единое дерево. Для подключения дисков используется операция монтирования дисков к общей файловой системе. CD и DVD диски используют файловые си- стемы, предназначенные специально для работы с оптическими дисками (ISO 9660, CDFS, UDF и пр.). Рисунок 3.3. Дерево каталогов (папок) ВфайловойсистемеFAT каждый логический раздел диска (том) имеет собственную таблицу размещения файлов (File Allocation Table – FAT), которая выполняет две функции: содержит информацию распреде- ления данных каждого файла по кластерам раздела диска в форме списка связей модулей распределения и указывает, какие кластеры свободны. На рисунке 3.4 показана структура тома в системе FAT.
Рисунок 3.4. Структура тома в FAT Том, отформатированный для использования файловой системы FAT, размечается по кластерам (минимальная адресуемая единица в фай- ловой системе). Размер кластера по умолчанию определяется размером тома. В название версии FAT входит число, которое указывает разряд- ность, применяемую для идентификации кластеров на диске. 12- разрядный идентификатор кластеров в FAT12 ограничивает размер диско- вого раздела 212 (4096) кластерами. FAT16 – за счет 16-разрядных иден- тификаторов кластеров – может адресовать до 216 (65 536) кластеров. В Windows 2000 размер кластера FAT16 варьируется от 512 байт до 64 Кб, поэтому размер FАТ16-тома ограничен 4 Гб. Размер кластеров, использу- емых Windows 2000, зависит от размера тома (таблица 3.2). Пользователь имеет возмож- ность указать другой размер кла- стера, однако устанавливаемый размер не может быть меньше раз- мера по умолчанию. Ограничение системы FAT на размер логическо- го диска составляет 4 Gb. Файловую систему FAT, не рекомендовалось использовать для томов, размер ко- торых превышал 511 Mb. Файловая система FAT32 впервые появилась в Windows 95 OSR2, затем использовалась в Windows 98 и Windows ME. Таблица 3.2. Размеры кластеров в FAT16 по умолчанию
FAT32 использует 32-разрядные идентификаторы кластеров, но при этом резервирует старшие 4 бита, так что эффективный размер идентификатора кластера составляет 28 бит. Поскольку максимальный размер кластеров FAT32 равен 32 Кб, теоретически FAT32 может работать с 8- терабайтными томами (таблица 3.3). Помимо большего предельного числа кластеров преимуществом FAT32 перед FAT12 и FAT16 является тот факт, что место хранения корнево- го каталога FAT32 не ограничено предопределенной областью тома, по- этому его размер не ограничен. Кроме того, для большей надежности FAT32 хранит вторую копию загрузочной за- Таблица 3.3. Размер кластеров на томах FAT32 по умолчанию
писи. В FAT32, как и в FAT16, максимальный размер файла равен 4 Гб, поскольку длина файла в каталоге описывается 32-битным числом. Файловая система NTFS обеспечивает производительность, надеж- ность и совместимость, которые не в состоянии предоставить файловая система FAT. NTFS разрабатывалась с целью обеспечения высокой ско- рости и надежности выполнения операций с файлами (включая чтение, за- пись, поиск) при использовании дисков больших объемов. NTFS исполь- зует 64-разрядные индексы кластеров. Это позволяет NTFS адресовать тома размером до 16 экзабайт (16 миллиардов Гб). NTFS поддерживает контроль доступа к папкам и файлам как для локальных, так и сетевых ресурсов. Как и другие файловые системы, NTFS делит все полезное место диска на кластеры – адресуемые блоки данных, размер которых может быть от 512 байт до 64 Кбайт (см. таблицу 3.4), стандартом считается кла- стер размером 4 Кбайт. NTFS поддерживает ряд дополнительных возможностей – защиту файлов и каталогов, дис- ковые квоты, сжатие файлов, символьные ссылки на основе каталогов и шифрование. Одно из важнейших свойств NTFS – вос-станавливаемость. При неожиданной остановке системы целостность метаданных тома FAT мо- жет быть утрачена, что вызовет повреждение структуры каталогов и значительного объема данных. NTFS ведет журнал изменений метадан- Таблица 3.4. Размеры кластеров в NTFS по умолчанию
ных путем протоколирования транзакций, поэтому целостность структур файловой системы может быть восстановлена без потери информации о структуре файлов или каталогов (однако данные файлов могут быть поте- ряны). Транзакция – операция, выполняющаяся по принципу «все или ни- чего». При неудачном выполнении операции в файловой системе проис- ходит откат (roll back), после которого система возвращается в исходное состояние, в котором она была до начала транзакции. NTFS – это не только восстанавливаемая, защищенная, надежная и эффективная файловая система, способная работать в ответственных ин- формационных системах. Она поддерживает ряд дополнительных воз- можностей: файлы и каталоги могут содержать несколько потоков данных; имена файлов, каталогов и томов имеют кодировку Unicode; универсальный механизм индексации файлов для ускорения их по- иска; динамическое переназначение плохих кластеров; работа со сжатыми файлами; протоколирование изменений; квоты томов, индивидуальные для каждого пользователя; отслеживание ссылок (правильность ссылок ярлыков и OLE-связей при перемещении источников); шифрование (механизм Encrypting File System – EPS); поддержка POSIX (чувствительность к регистру в именах, цепочеч- ные разрешения доступа, метки времени изменения файлов). В NTFS все данные, хранящиеся на томе, содержатся в файлах. Это относится и к структурам данных, используемым для поиска и выборки файлов, к начальному загрузочному коду и к битовой карте, в которой ре- гистрируется состояние пространства всего тома (метаданные NTFS). Хранение всех видов данных в файлах позволяет файловой системе легко находить и поддерживать данные, а каждый файл может быть защищен дескриптором защиты. Кроме того, при появлении плохих секторов на диске NTFS может переместить файлы метаданных. Диск NTFS делится на две части. Первые 12% диска отводятся под MFT зону – пространство, в котором растет файл MFT (Master File Table, главная таблица файлов, см. рисунок 3.5). Это сделано для того, чтобы файл MFT не был фрагментирован. Но когда все остальное место на диске заполняется – зона MFT может несколько раз уменьшаться в два раза, по- ка это возможно (на больших дисках эта зона – десятки ГБ и полностью под файл MFT не используется).  Рисунок 3.5. Структура тома в NTFS MFT реализована как массив записей о файлах и папках (номер в MFT, имя, размер, положение на диске отдельных фрагментов и т. д). Размер каждой записи о файле фиксирован и равен 1 Кб. Кроме MFT в корневом каталоге каждого тома NTFS имеется набор файлов метаданных с информацией, необходимой для реализации структуры файловой систе- мы. Имена всех файлов метаданных NTFS начинаются со знака доллара ($), хотя эти знаки скрыты. Так, имя файла MFT – $MFT (см. таблицу 3.5. Остальные файлы NTFS-тома являются обычными файлами и каталогами. Таблица 3.5. Метафайлы NTFS
В таблице 3.6 приведены сравнительные данные по файловым си- стемам FAT и NTFS. Таблица 3.6. Сравнение файловых систем NTFS и FAT
Если Вы используете операционную систему на ядре NT (Windows XP, Vista, 7), то использовать какую-либо файловую систему, отличную от NTFS – значит существенно ограничивать свое удобство и гибкость ра- боты самой операционной системы. Множество полезных возможностей NT напрямую завязано на физическую и логическую структуру этой фай- ловой системы. ФайловыесистемыCD иDVDдисков – CDFS и UDF. CDFS или файловая система CD-ROM, имеет относительно простой формат, определенный в 1988 году применительно к носителям CD-ROM, предназначенных только для чтения. В ОС Windows реализована CDFS совместимая со стандартом ISO 966О, которая поддерживает длинные имена файлов в соответствии с ISO 966О Level 2. Формат CDFS очень прост и поэтому ему присущ ряд ограничений: длина имен файлов и каталогов не должна превышать 32 символов; глубина вложения каталогов не может превышать 8 уровней. CDFS считается устаревшим форматом, поскольку принят новый стандарт для компакт-дисков – Universal Disk Format (UDF). Windows поддерживает файловую систему UDF, совместимую со стандартом ISO 13346. Ассоциация OSTA (Optical Storage Technology Association) опреде- лила UDF в 1995 году как формат магнитооптических носителей, главным образом DVD-ROM, предназначенный для замены CDFS. Файловая система UDF обладают следующими преимуществами: длина имени файла – до 255 символов; максимальная длина пути – 1023 символа; имена файлов могут включать буквы как верхнего, так и нижнего регистра. Windows Vista и Windows 7 поддерживают работу с файловыми си- стемами CDFS и UDF. |