Файловые системы виды и структура. Файловые системы Windows

Операционная система, которая является основой работы любой компьютерной техники, организует работу с электронными данными, следуя определенному алгоритму, в цепочке которого файловая система не является невостребованной. Что собой представляет вообще файловая система, и какие ее виды применимы в современное время и попытаемся изложить в этой статье.

Описание общих характеристик файловой системы

ФС — это, как уже указано выше, часть операционной системы, которая связана непосредственно с размещением, удалением, перемещением электронной информации на определенном носителе, а также безопасностью ее дальнейшего использования в будущем. Именно это ресурс также применим в случаях, когда требуется восстановление утерянной информации по причине программного сбоя, как такового. То есть это основной инструмент работы с электронными файлами.

Виды файловой системы

На каждом компьютерном устройстве применим особый тип ФС. Особо распространенные следующие ее типы:

— предназначенная для жестких дисков;
— предназначенная для магнитных лент;
— предназначенная для оптических носителей;
— виртуальная;
— сетевая.

Естественно, что основной логической единицей работы с электронными данными является файл, под которым подразумевается документ с систематизированной в нем информацией определенного характера, который имеет свое наименование, что облегчает работу пользователя с большим потоком электронных документов.
Итак, абсолютно вся, используемая операционкой инфа, трансформируется в файлы, независимо от того текст это или изображения, или звук, или видео, или фото. Помимо всего прочего драйвера и программные библиотеки, тоже имеют транскрипцию оных.

У каждой информационной единицы есть имя, определенное расширение, размер, свойственные характеристики, тип. А вот ФС – это их совокупность, а также принципы работы со всеми ними.

В зависимости от того какие свойственные особенности присущи системе, с такими данными она и будет эффективно работать. А это и есть предпосылкой классификации ее на типы и виды.

Взгляд на файловую систему с точки зрения программирования

Изучая понятие ФС, следует понимать, что это многоуровневая составляющая, на первом из которых преобладает трансформатор файловых систем, обеспечивающий эффективное взаимодействие между самой системой и определенным программным приложением. Именно он отвечает за преобразование запроса к электронным данным в определенный формат, который и распознается драйверами, что влечет за собой эффективную работу с файлами, то есть к ним открывается доступ.

У современных приложений, которые имеют стандарт работы клиент-сервер, требования к ФС очень высоки. Ведь современные системы просто обязаны обеспечивать самый эффективнейший доступ ко всем имеющимся типам электронных единиц, а также оказывать колоссальную поддержку носителей больших объемов, а также устанавливать защиту всех данных от нежелательного доступа иными пользователями, а также обеспечивать целостность информации, хранимой в электронном формате.

Ниже мы рассмотрим все существующие на сегодня ФС и их достоинства и недостатки.

ФС — FAT

Это самый древний тип файловой системы, который был разработан еще в далеком 1977 году. Она работала с операционкой ОС 86-DOS и не способна работать с жесткими носителями информации, и рассчитана на гибкие их типы и хранение информации до одного мегабайта. Если ограничение размера инфы сегодня не актуально, то иные показатели остались востребованными в неизменном виде.

Эта файловая система использовалась ведущей компанией разработчиком программных приложений – Майкрософт для такой операционки, как ОС MS-DOS 1.0.
Файлы этой системы имеют ряд характерных свойств:

— имя информационной единицы должно содержать в своем начале букву или цифру, а дальнейшее содержание наименование может включать различные символы клавиатуры компа;
— имя файла не должно превышать восьми символов, в конце имени ставится точка, после которой следует расширение из трех букв;
— для создания имени файла может использоваться любой регистр раскладки клавиатуры.

С самого начала разработки файловая система FAT была направлена на работу с операционкой ОС DOS, она не была заинтересована в сохранении данных о пользователе или владельце информации.

Благодаря всевозможным модификациям этой ФС, она стала самой востребованной в современное время и на ее основе работают самые инновационные операционные системы.

Именно данная файловая система способна сохранять файлы в неизменном виде, если компьютерная техника выключилась неверно в силу, например, отсутствия зарядки батареи или выключения света.

Во многих операционных системах, с которыми работает FAT, лежат определенные программные утилиты, корректирующие и проверяющие само дерево содержания ФС и файлы.

ФС — NTFS

С операционкой ОС Windows NT работает современная файловая система NTFS, в принципе на нее она и была нацелена. В ее составе действует утилита convert, которая отвечает за конвертацию томов с формата HPFS или FAT, в формат томов NTFS.

Она более модернизирована по сравнению с первым описанным выше вариантом. В этой версии расширены возможности касаемо непосредственного управления доступом ко всем информационным единицам. Здесь можно пользоваться множеством полезных атрибутов, динамическим сжатием файлов, отказоустойчивостью. Одним из преимуществ оной является и поддержка требований POSIX стандарта.

Эта файловая система позволяет создавать информационные файлы с именами длинной в 255 символов.

Если операционка, которая работает с данной файловой системой, дает сбой, то не нужно переживать за сохранность всех файлов. Они остаются в целостности и невредимости, поскольку этот тип файловой системы имеет свойство самовосстанавливаться.

Особенностью ФС NTFS является ее структура, которая представлена в виде определенной таблицы. Первые шестнадцать записей в реестре — это содержание самой файловой системы. Каждая отдельная электронная единица тоже имеет вид таблицы, которая содержит информацию о таблице, зеркальный файл в формате MFT, файл регистрации, используемый при необходимости восстановления информации и последующие данные – это информация о самом файле и его данные, которые были сохранены непосредственно на жестком диске.

Все выполняемые команды с файлами имеют свойство сохраняться, что помогает впоследствии восстанавливаться системе самостоятельно после сбоя операционной системы, с которой она работает.

ФС — EFS

Очень распространенной является файловая система EFS, которая считается шифрованной. Она работает с операционкой Windows. Эта система обуславливает сохранение файлов на жестком диске в зашифрованном виде. Это самая действенная защита всех файлов.
Шифрование устанавливается в свойствах файла с помощью галочки напротив вкладки, говорящей о возможности шифровки. Воспользовавшись этой функцией можно указывать, кому доступны для просмотра файлы, то есть, кому разрешено с ними работать.

ФС – RAW

Файловые элементы – это самые уязвимые единицы программирования. Ведь именно они и являются информацией, которая хранится на дисках компьютерной техники. Они могут повреждаться, удаляться, скрываться. В общем, работа пользователя только и нацелена на создание, сохранение и перемещение оных.
Операционная система не всегда показывает идеальные свойства своей работы и имеет характерность выходить из строя. Происходит это по многим причинам. Но сейчас не об этом.

Очень многие пользователи сталкиваются с уведомлением о том, что повреждена система RAW. Это действительно ФС или нет? Таким вопросом задаются многие. Оказывается, это не совсем так. Если объяснять на уровне языка программирования, то RAW – это ошибка, а именно логическая ошибка, которая внедрена уже в операционку Windows в целях обезопасить ее от выхода из строя. Если техника выдает какие-то сообщения по поводу RAW, значит нужно иметь в виду, что под угрозой структура файловой системы, которая работает неверно либо ей грозит постепенное разрушение.

Если такая проблема на лицо, то вы не сможете получить доступ ни к одному файлу в компе, а также он откажется выполнять и иные операционные команды.

ФС – UDF

Это файловая система для оптических дисков, котрая имеет свои особенности:

— наименования файлов не должны превышать 255 символов;
— именной регистр может быть как нижним, так и верхним.

Работает она с операционкой Windows XP.

ФС — EXFAT

И еще одна современная файловая система – EXFAT, которая является неким посредническим звеном между Windows и Linux, обеспечивающим эффективную трансформацию файлов из одной системы в иную, поскольку файлообменники у них разные. Используется она на переносных накопителях информации, таких как флешки.

Из выше написанного, можно сделать верный вывод. Каждая охарактеризованная ФС отличается своими особенностями, создает определенные форматы файлов. Вот почему иногда не получается получить доступ к каким-то файлам, значит они созданы совсем в иной файловой системе, которую ваша распознать не может.
Надеемся, что изложенная в этой статье информация поможет вам избежать многих проблем во время работы с информационными файлами. Теперь вы самостоятельно можете определить, с какой и ФС работает ОС вашего компьютера, и с какими данными вам приходится работать ежедневно в потоке их систематической оперативной обработки.

Балашовский институт (филиал) Саратовского государственного университета им. Н.В. Чернышевского

Курсовая работа выполнил студент 142 группы Ефанов А.П.

Балашов 2010

Введение

В настоящее время на одном диске в среднем записывается несколько десятков тысяч файлов. Как разобраться во всем этом многообразии с тем, чтобы точно адресоваться к файлу? Назначение файловой системы – эффективное решение указанной задачи.

Развитие файловых систем персональных компьютеров определялось двумя факторами - появлением новых стандартов на носители информации и ростом требований к характеристикам файловой системы со стороны прикладных программ (разграничение уровней доступа, поддержка длинных имен файлов в формате UNICODE). Первоначально, для файловых систем первостепенное значение имело увеличение скорости доступа к данным и минимизация объема хранимой служебной информации. Впоследствии с появлением более быстрых жестких дисков и увеличением их объемов, на первый план вышло требование надежности хранения информации, которое привело к необходимости избыточного хранения данных.

Эволюция файловой системы была напрямую связана с развитием технологий реляционных баз данных. Файловая система использовала последние достижения, разработанные для применения в СУБД: механизмы транзакций, защиты данных, систему самовосстановления в результате сбоя.

Развитие файловых систем привело к изменению самого понятия "файл" от первоначального толкования как упорядоченная последовательность логических записей, до понятия файла, как объекта, имеющего набор характеризующих его атрибутов (включая имя файла, его псевдоним, время создания и собственно данные), реализованного в NTFS.

За свою 20 летнюю историю файловая система прошла путь от простой системы, взявшей на себя функции управления файлами, до системы, представляющей собой полноценную СУБД, обладающую встроенным механизмом протоколирования и восстановления данных.

В отличие от попыток ввести стандарт на протокол, описывающий правила доступа к удаленным файловым системам (CIFS, NFS), не стоит ожидать появления подобного стандарта, описывающего файловые системы для жестких дисков. Это можно объяснить тем, что файловая система жестких дисков все еще продолжает оставаться одной из главных частей операционной системы, влияющей на ее производительность. Поэтому каждый производитель операционных систем будет стремиться использовать файловую систему, "родную" для его ОС.

Дальнейшая эволюция файловых систем пойдет по пути совершенствования механизмов хранения данных, оптимизации хранения мультимедийных данных, использования новых технологий, применяемых в базах данных (возможность полнотекстового поиска, сортировка файлов по различным атрибутам).

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлу действительно мнемоническое название, по которому даже через достаточно большой промежуток времени можно будет вспомнить, что содержит этот файл. Поэтому современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. Например, Windows NT в своей новой файловой системе NTFS устанавливает, что имя файла может содержать до 255 символов, не считая завершающего нулевого символа.

При переходе к длинным именам возникает проблема совместимости с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять эквивалентные короткие имена (псевдонимы) файлам, имеющим длинные имена. Таким образом, одной из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

Длинные имена поддерживаются не только новыми файловыми системами, но и новыми версиями хорошо известных файловых систем. Например, в ОС Windows 95 используется файловая система VFAT, представляющая собой существенно измененный вариант FAT. Среди многих других усовершенствований одним из главных достоинств VFAT является поддержка длинных имен. Кроме проблемы генерации эквивалентных коротких имен, при реализации нового варианта FAT важной задачей была задача хранения длинных имен при условии, что принципиально метод хранения и структура данных на диске не должны были измениться.

Обычно разные файлы могут иметь одинаковые символьные имена. В этом случае файл однозначно идентифицируется так называемым составным именем, представляющем собой последовательность символьных имен каталогов. В некоторых системах одному и тому же файлу не может быть дано несколько разных имен, а в других такое ограничение отсутствует. В последнем случае операционная система присваивает файлу дополнительно уникальное имя, так, чтобы можно было установить взаимно-однозначное соответствие между файлом и его уникальным именем. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и используется программами операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Типы файлов. Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог - это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

информация о разрешенном доступе,

пароль для доступа к файлу,

владелец файла,

создатель файла,

признак "только для чтения",

признак "скрытый файл",

признак "системный файл",

признак "архивный файл",

признак "двоичный/символьный",

признак "временный" (удалить после завершения процесса),

признак блокировки,

длина записи,

указатель на ключевое поле в записи,

длина ключа,

времена создания, последнего доступа и последнего изменения,

текущий размер файла,

максимальный размер файла.

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов, как это сделано в файловой системе MS-DOS, или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX (рисунок 1). Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рисунок 2).

Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов. В MS-DOS каталоги

Рисунок. 1 Структура каталогов: а - структура записи каталога MS-DOS (32 байта);

б - структура записи каталога ОС UNIX

Рисунок 2 Логическая организация файловой системы

а - одноуровневая; б - иерархическая (дерево); в - иерархическая (сеть)

образуют древовидную структуру, а в UNIX"е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Программист имеет дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись - это наименьший элемент данных, которым может оперировать программист при обмене с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами, операционная система обеспечивает программисту доступ к отдельной логической записи. На рисунке 3 показаны несколько схем логической организации файла. Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины.

Рисунок 3 Способы логической организации файлов

Записи могут быть расположены в файле последовательно (последовательная организация) или в более сложном порядке, с использованием так называемых индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи (индексно-последовательная

организация).

Для идентификации записи может быть использовано специальное поле записи, называемое ключом. В файловых системах ОС UNIX и MS-DOS файл имеет простейшую логическую структуру - последовательность однобайтовых записей.

Физическая организация файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности на диске. Файл состоит из физических записей - блоков. Блок - наименьшая единица данных, которой внешнее устройство обменивается с оперативной памятью. Непрерывное размещение - простейший вариант физической организации (рисунок 2.34, а), при котором файлу предоставляется последовательность блоков диска, образующих единый сплошной участок дисковой памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока. Другое достоинство этого метода - простота. Но имеются и два существенных недостатка. Во-первых, во время создания файла заранее не известна его длина, а значит не известно, сколько памяти надо зарезервировать для этого файла, во-вторых, при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация, и пространство на диске используется не эффективно, так как отдельные участки маленького размера (минимально 1 блок) могут остаться не используемыми.

Следующий способ физической организации - размещение в виде связанного списка блоков дисковой памяти (рисунок 4, б). При таком способе в начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла также может быть задан одним числом - номером первого блока. В отличие от предыдущего способа, каждый блок может быть присоединен в цепочку какого-либо файла, следовательно фрагментация отсутствует. Файл может изменяться во время своего существования, наращивая число блоков. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла: для того, чтобы прочитать пятый по порядку блок файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых блока, прослеживая цепочку номеров блоков. Кроме того, при этом способе количество данных файла, содержащихся в одном блоке, не равно степени двойки (одно слово израсходовано на номер следующего блока), а многие программы читают данные блоками, размер которых равен степени двойки.

Рисунок 4 Физическая организация файла

а - непрерывное размещение; б - связанный список блоков;

в - связанный список индексов; г - перечень номеров блоков

Популярным способом, используемым, например, в файловой системе FAT операционной системы MS-DOS, является использование связанного списка индексов. С каждым блоком связывается некоторый элемент - индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска (в MS-DOS это таблица FAT). Если некоторый блок распределен некоторому файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла. При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа, но снимаются оба отмеченных недостатка: во-первых, для доступа к произвольному месту файла достаточно прочитать только блок индексов, отсчитать нужное количество блоков файла по цепочке и определить номер нужного блока, и, во-вторых, данные файла занимают блок целиком, а значит имеют объем, равный степени двойки.

В заключение рассмотрим задание физического расположения файла путем простого перечисления номеров блоков, занимаемых этим файлом. ОС UNIX использует вариант данного способа, позволяющий обеспечить фиксированную длину адреса, независимо от размера файла. Для хранения адреса файла выделено 13 полей. Если размер файла меньше или равен 10 блокам, то номера этих блоков непосредственно перечислены в первых десяти полях адреса. Если размер файла больше 10 блоков, то следующее 11-е поле содержит адрес блока, в котором могут быть расположены еще 128 номеров следующих блоков файла. Если файл больше, чем 10+128 блоков, то используется 12-е поле, в котором находится номер блока, содержащего 128 номеров блоков, которые содержат по 128 номеров блоков данного файла. И, наконец, если файл больше 10+128+128(128, то используется последнее 13-е поле для тройной косвенной адресации, что позволяет задать адрес файла, имеющего размер максимум 10+ 128 + 128(128 + 128(128(128.

2.Общие понятия файловой системы

Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой моделью (рисунок 5), в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в свою очередь, для выполнения своей работы использует интерфейс (обращается с набором запросов) нижележащего уровня.

Задачей символьного уровня является определение по символьному имени файла его уникального имени. В файловых системах, в которых каждый файл может иметь только одно символьное имя (например, MS-DOS), этот уровень отсутствует, так как символьное имя, присвоенное файлу пользователем, является одновременно уникальным и может быть использовано операционной системой.

Рисунок 5 Общая модель файловой системы

В других файловых системах, в которых один и тот же файл может иметь несколько символьных имен, на данном уровне просматривается цепочка каталогов для определения уникального имени файла. В файловой системе UNIX, например, уникальным именем является номер индексного дескриптора файла (i-node).

На следующем, базовом уровне по уникальному имени файла определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и другие. Как уже было сказано, характеристики файла могут входить в состав каталога или храниться в отдельных таблицах. При открытии файла его характеристики перемещаются с диска в оперативную память, чтобы уменьшить среднее время доступа к файлу. В некоторых файловых системах (например, HPFS) при открытии файла вместе с его характеристиками в оперативную память перемещаются несколько первых блоков файла, содержащих данные.

Следующим этапом реализации запроса к файлу является проверка прав доступа к нему. Для этого сравниваются полномочия пользователя или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов доступа к данному файлу. Если запрашиваемый вид доступа разрешен, то выполнение запроса продолжается, если нет, то выдается сообщение о нарушении прав доступа.

На логическом уровне определяются координаты запрашиваемой логической записи в файле, то есть требуется определить, на каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая логическая запись. При этом абстрагируются от физического расположения файла, он представляется в виде непрерывной последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит от логической организации файла. Например, если файл организован как последовательность логических записей фиксированной длины l, то n-ая логическая запись имеет смещение l((n-1) байт. Для определения координат логической записи в файле с индексно-последовательной организацией выполняется чтение таблицы индексов (ключей), в которой непосредственно указывается адрес логической записи.

Рисунок 6 Функции физического уровня файловой системы

Исходные данные:

V - размер блока

N - номер первого блока файла

S - смещение логической записи в файле

Требуется определить на физическом уровне:

n - номер блока, содержащего требуемую логическую запись

s - смещение логической записи в пределах блока

n = N + , где - целая часть числа S/V

s = R - дробная часть числа S/V

На физическом уровне файловая система определяет номер физического блока, который содержит требуемую логическую запись, и смещение логической записи в физическом блоке. Для решения этой задачи используются результаты работы логического уровня - смещение логической записи в файле, адрес файла на внешнем устройстве, а также сведения о физической организации файла, включая размер блока. Рисунок 6 иллюстрирует работу физического уровня для простейшей физической организации файла в виде непрерывной последовательности блоков. Подчеркнем, что задача физического уровня решается независимо от того, как был логически организован файл.

После определения номера физического блока, файловая система обращается к системе ввода-вывода для выполнения операции обмена с внешним устройством. В ответ на этот запрос в буфер файловой системы будет передан нужный блок, в котором на основании полученного при работе физического уровня смещения выбирается требуемая логическая запись.

Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих, в число которых входят и файловые системы в традиционном понимании.

Новая файловая система имеет многоуровневую структуру (рисунок 7), на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем (в Windows 95, например, такой переключатель называется устанавливаемым диспетчером файловой системы - installable filesystem manager, IFS). Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем - уровнем файловых систем.

Рисунок 7 Архитектура современной файловой системы

Каждый компонент уровня файловых систем выполнен в виде драйвера соответствующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Драйвер файловой системы может быть написан в виде реентерабельного кода, что позволяет сразу нескольким приложениям выполнять операции с файлами. Каждый драйвер файловой системы в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к файловой системе.

Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой файловой системы новой архитектуры. Подсистема ввода вывода - это составная часть файловой системы, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам файловой системы, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах), драйверы, поддерживаемые поставщиками (такие драйверы перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные), драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость - драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса - от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова.

В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова.

Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше - в измененном или в неизмененном виде - на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

3. Виды файловых систем

3.1 Файловая система FAT

Большинство существующих на сегодняшний день файловых систем построены на основе таблицы размещения файлов (File Allocation Table - FAT), которая содержит дорожки данных в каждом кластере на диске. Существует несколько типов файловой системы FAT - FAT 12, FAT 16 и FAT 32. Они отличаются количеством цифр, используемых в таблице размещения файлов. Другими словами, в FAT 32 используется 32-разрядное число для хранения дорожки данных в каждом кластере, в FAT 16 - 16-разрядное число и т.д. В настоящее время существуют следующие типы файловой системы FAT:

FAT 12, используемая в разделах емкостью не более 16 Мбайт (например, дискета);

FAT 16, используемая в разделах емкостью от 16 Мбайт до 2 Гбайт;

FAT 32, используемая (необязательно) в разделах емкостью от 512 Мбайт до 2 Тбайт.

Файловые системы FAT 12 и FAT 16 изначально применяются в DOS и Windows и поддерживаются практически всеми известными на сегодняшний день операционными системами. Большинство персональных компьютеров поставляется с жесткими дисками, на которых установлена одна из файловых систем FAT.

Файловая система FAT 32 поддерживается операционной системой Windows 95 и более поздними версиями, а также Windows 2000.

Для обеспечения пользовательским приложениям доступа к файлам независимо от типа используемого диска в операционной системе предусмотрено несколько структур. Эти структуры поддерживаются системами Windows и представлены ниже в порядке расположения на диске:

загрузочные секторы главного и дополнительного разделов;

загрузочный сектор логического диска;

таблицы размещения файлов (FAT);

корневой каталог;

область данных;

цилиндр для выполнения диагностических операций чтения/записи.

Информация о каждом разделе сохраняется в загрузочном секторе раздела (или логического диска) в начале каждого раздела. Существует также основная таблица списка разделов, помещенная в загрузочный сектор главного раздела.

Загрузочный сектор главного раздела (или главная загрузочная запись (Master Boot Record - MBR)) является первым сектором на жестком диске (цилиндр 0, головка 0, сектор 1) и состоит из двух элементов.

Таблица главного раздела. Содержит список разделов на диске и расположение загрузочных секторов соответствующих логических дисков. Эта таблица очень маленькая и может содержать максимум четыре записи. Таким образом, для получения большего количества разделов в операционной системе (например, DOS) можно создать один дополнительный раздел и поместить в него несколько логических дисков.

Главный загрузочный код. Небольшая программа, которая выполняется системой BIOS. Основная функция этого кода - передача управления в раздел, который обозначен как активный (или загрузочный).

Загрузочный сектор - это первый сектор на любом логическом диске DOS. Например, на дискете или на диске Zip это самый первый физический сектор, так как дискету нельзя разбить на разделы и она имеет только один логический диск. На жестком диске загрузочный сектор (секторы) располагается в начале каждого раздела, не являющегося дополнительным, или в начале любой области диска, распознаваемой как логический диск DOS.

Эти секторы немного похожи на загрузочные секторы разделов, так как содержат таблицы со специальной информацией о логическом диске.

Блок параметров диска, в котором содержится специфическая информация, например размер раздела, количество используемых секторов диска, размер кластера и метка тома.

Загрузочный код - программа, которая начинает процесс загрузки операционной системы. Для DOS и Windows 9x/Me это файл Io.sys.

Загрузочный сектор дискеты загружается ROM BIOS, а при загрузке системы с жесткого диска MBR передает управление загрузочному сектору активного раздела. В обоих случаях загрузочный сектор логического диска получает управление. Он выполняет некоторые проверки и затем пытается прочитать с диска первый системный файл (в DOS/Windows это файл Io.sys). Загрузочный сектор не виден, так как находится вне области хранения файлов логического диска.

Каталог - это база данных, содержащая информацию о записанных на диске файлах. Каждая запись в ней имеет длину 32 байт, и между записями не должно быть никаких разделителей. В каталоге сохраняется практически вся информация о файле, которой располагает операционная система.

Имя файла и расширение - восемь символов имени и три символа расширения; точка между именем и расширением файла подразумевается, но не включается в эту запись.

Байт атрибутов файла, содержащий флаг, который представляет стандартные атрибуты файла.

Время и дата создания файла или его модификации.

Информация о расположении файла, т.е. расположении оставшихся кластеров, содержится в FAT.

Все каталоги имеют одинаковую структуру. Записи в этой базе данных сохраняют важную информацию о файлах, которая связана с информацией, хранящейся в FAT, посредством одного из полей записи - номера первого занимаемого файлом кластера на диске. Если бы все файлы на диске не превышали размеров одного кластера, потребности в FAT вообще бы не возникло. В FAT содержится информация о файле, отсутствующая в каталоге, - номера кластеров, в которых расположен весь файл.

Таблица размещения файлов (FAT) содержит номера кластеров, в которых расположены файлы на диске. Каждому кластеру в FAT соответствует одно число. Секторы, не содержащие пользовательских данных (файлов), не отражены в FAT. К таким секторам относятся загрузочные секторы, таблицы размещения файлов и секторы корневого каталога.

В файловой системе FAT дисковое пространство разбивается не на секторы, а на группы секторов, которые называются кластерами (ячейками размещения). Кластер содержит один или несколько секторов. Размер кластера определяется при делении диска на разделы с помощью программы Fdisk и зависит от размера создаваемого раздела. Наименьший размер диска, который может занимать файл ненулевого размера, - один кластер. Каждый файл использует целое число кластеров. Например, если файл занимает на один байт больше размера кластера, то для его размещения на диске будет выделено два кластера.

FAT - это электронная таблица, управляющая распределением дискового пространства. Каждая ячейка этой таблицы связана с определенным кластером на диске. Число, содержащееся в этой ячейке, сообщает о том, использован ли данный кластер под какой-либо файл и, если использован, где находится следующий кластер этого файла.

Область данных диска - это область, следующая за загрузочным сектором, таблицами размещения файлов и корневым каталогом на любом логическом диске. Эта область контролируется с помощью FAT и корневого каталога и делится на ячейки размещения, называемые кластерами. В этих кластерах и располагаются сохраняемые на диске файлы.

3.2 Ошибки файловой системы FAT

Ошибки в файловой системе появляются скорее из-за программных, нежели из-за аппаратных сбоев (например, при неверном завершении работы Windows).

Потерянные кластеры. Это наиболее распространенная ошибка файловой системы, при которой кластеры в FAT помечаются как используемые, хотя на самом деле таковыми не являются. Эти потерянные кластеры появляются при неверном завершении работы приложения или крахе системы. Программы восстановления диска могут обнаружить эти кластеры и восстановить их.

Программы восстановления диска просматривают диск и создают копию FAT в оперативной памяти. Затем эта копия сравнивается с "настоящей" FAT и таким образом выявляются потерянные кластеры, т.е. не принадлежащие ни одному из существующих файлов. Практически все программы восстановления могут сохранять информацию из потерянных кластеров в файл, а затем обнулять их.

Например, программа Chkdsk из цепочек потерянных кластеров создает файлы с именами FILE0001.CHK, FILE0002.CHK и т.д.

Пересекающиеся файлы. Такие файлы появляются, когда две записи каталога неправильно указывают на один кластер. В результате кластер "содержит" данные из нескольких файлов, что, естественно, недопустимо.

Чаще всего один из пересекающихся файлов поврежден. Программы восстановления данных обычно решают проблему пересекающихся файлов следующим образом: файлы копируются с новыми именами в свободное место диска, а пересекающаяся область обоих файлов (и их остальные части) удаляется. Обратите внимание, что удаляются оба файла, т.е. устранение подобной ошибки не порождает новых проблем: например, запись в каталоге указывает на несуществующий файл. Просмотрев два восстановленных файла, можно определить, какой из них поврежден.

Неверный файл или каталог. Иногда информация в записи каталога для

файла или подкаталога не соответствует действительности: запись содержит

кластер с неверной датой или неправильным форматом. Практически все программы восстановления диска устраняют и эту проблему.

Команды Chkdsk, Recover и Scandisk - это "реанимационная бригада" DOS, занимающаяся восстановлением поврежденных данных на диске. Эти команды имеют очень простой и не слишком дружественный интерфейс, их применение зачастую оказывает значительное воздействие на систему, но иногда только они и могут помочь.

3.3 Файловая система NTFS

По сравнению с FAT или FAT32, NTFS предоставляет пользователю целое сочетание достоинств: эффективность, надежность и совместимость. Файловая система NTFS применяется в операционной системе Windows NT/2000/XP.

Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт

При установке NTFS, диск разделяется на две неравные части: первая отводиться под MFT (Master File Table - общая таблица файлов), называется MFT - зоной и занимает порядка 12% от общего размера диска, вторую часть занимают собственно ваши данные. Есть еще и третья зона, но о ней позже. MFT лежит в начале диска, каждая запись в MFT соответствует какому-либо файлу и занимает около 1 Kb. По своей сути это каталог всех файлов находящихся на диске. Надо заметить, что любой элемент данных в NTFS рассматривается как файл, даже MFT.

MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место - незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится.

Первые 16 файлов (метафайлы) в MFT - зоне являются особой кастой. В них содержится служебная информация, они имеют фиксированное положение и они недоступны даже операционной системе. Кстати, первым из этих 16 является сам MFT - файл. Существует копия первых трех записей.

Третья зона, в свою очередь, делит диск пополам. Это сделано для надежности, в случае утери информации в MFT - файле, всегда можно восстановить информацию, а там уже дело техники, как говориться. Все остальные файлы в MFT - зоне могут располагаться произвольно. Надо заметить, что в MFT - зоне теоретически кроме служебных файлов ничего не находиться. Но бывают случаи, когда места на той части диска, что отведена для пользователя не остается и тогда MFT - зона уменьшается. Соответственно появляется место во второй половине диска для записи данных. Когда же в этой зоне освобождается достаточное количество свободного места, MFT - зона опять расширяется. И вот тут то появляется проблема. В MFT - зону попадают обычные файлы и она начинает фрагментироваться. Но вернемся к метафайлам. Каждый из них отвечает за какую-либо область работы. Начинаются они с символа имени $. Приведем пример некоторых из них:

$MFT - не что иное как сам MFT

$MFTmirr - та самая копия, что по серединке диска

$LogFile - это файл журналирования

$Boot - как видно из названия, его величество загрузочный сектор

$Bitmap - карта свободного места раздела

Информация о метафайлах находиться в MFT - файле. Такая система придумана для увеличения надежности NTFS и себя оправдывает. NTFS практически не имеет ограничения на размеры диска (во всяком случае при нынешних технологиях производства жестких дисков). Размер кластера может варьироваться от 512 b до 64 Kb, хотя обычный его размер равен 4 Kb.

Каталог NTFS. Это метафайл с обозначением $. Он разделен на части, в каждой из которых содержится имя файла, его атрибуты и ссылка на MFT - файл. А там уже есть вся остальная информация. Каталог представляет собой бинарное дерево, т.е. в каталоге информация о данных на диске расположена таким образом, что при поиске какого-либо файла каталог разбивался на две части и ответ заключался в том, в какой именно части находиться искомое. Затем та же самая операция повторяется в выбранной половине. И так до тех пор, пока не будет найден нужный файл.

Файлы. Их как таковых нет, есть так называемые потоки. То есть, любая единица информации представляет собой несколько потоков. Один поток - это сами данные, он является основным. Другие потоки - атрибуты файла. К любому файлу можно прикрепить любой другой файл. Проще говоря, к потокам одних данных можно прикрепить совершенно новый поток и записать туда новые данные. Вот только информация по объему файла берется по объему основного потока. Пустые или малоразмерные файлы на диске отображены только в метафайлах. Сделано это в целях экономии дискового пространства. Вообще надо отметить, что понятие файл намного глубже и шире и все свойства описать довольно сложно. Отмечу, что максимальная длина имени файла может достигать 255 символов.

Ко всему прочему, файлы NTFS имеют такой атрибут как сжатый. Любой файл или даже каталог может быть сжат. Сама операция сжатия происходит незаметно, так как скорость ее довольно высока. До кучи, используется так называемое виртуальное сжатие т. е. одна часть файла может быть сжата, а другая нет. Сжатие осуществляется блоками. Каждый блок равен 16 кластерам.

В NTFS используется шифрование данных. Таким образом, если вам пришлось по каким – либо причинам переустановить систему заново, то зашифрованные файлы без соответствующей санкции прочитать не сможете.

Журналирование. NTFS - отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция - действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний - квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разрушения и путаницу - он либо совершен, либо отменен.

Пример: осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось - физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком - система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место - начинается новая транзакция.

Таким образом, журналирование – средство для существенного сокращения числа ошибок и сбоев системы. Вряд ли рядовой пользователь NTFS хоть когда-нибудь заметит ошибку системы или вынужден будет запускать chkdsk - опыт показывает, что NTFS восстанавливается в полностью корректное состояние даже при сбоях в очень загруженные дисковой активностью моменты. Можно даже оптимизировать диск и в самый разгар этого процесса нажать reset - вероятность потерь данных даже в этом случае будет очень низка. Важно понимать, однако, что система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы, а не ваших данных. Если вы производили запись на диск и получили аварию - ваши данные могут и не записаться.

3.4 Сравнительная характеристика FAT 32 и NTFS. Достоинства и недостатки

Достоинства NTFS:

1. Быстрая скорость доступа к файлам малого размера;

2. Размер дискового пространства на сегодняшний день практически не ограничен;

3. Фрагментация файлов не влияет на саму файловую систему;

4. Высокая надежность сохранения данных и собственно самой файловой структуры;

5. Высокая производительность при работе с файлами большого размера;

Недостатки NTFS:

1. Более высокие требования к объему оперативной памяти по сравнению с FAT 32;

2. Работа с каталогами средних размеров затруднена из-за их фрагментации;

3. Более низкая скорость работы по сравнению с FAT 32;

Достоинства FAT 32:

1. Высокая скорость работы;

2. Низкое требование к объему оперативной памяти;

3. Эффективная работа с файлами средних и малых размеров;

4. Более низкий износ дисков, вследствие меньшего количества передвижений головок чтения/записи.

Недостатки FAT 32:

1. Низкая защита от сбоев системы;

2. Не эффективная работа с файлами больших размеров;

3. Ограничение по максимальному объему раздела и файла;

4. Снижение быстродействия при фрагментации;

5. Снижение быстродействия при работе с каталогами, содержащими большое количество файлов.

3.5 Файловые системы Linux

Современная, мощная и бесплатная операционная система Linux предоставляет широкую территорию для разработки современных систем и пользовательского программного обеспечения. Некоторые из наиболее интересных разработок в недавних ядрах Linux это новые, высоко производительные технологии для управления хранением, размещением и обновлением данных на диске.

3.5.1 EXT 2 (The Second Extended File System)

Ext2 - файловая система, создаваемая в Linux по умолчанию. В результате ее создания раздел дискового накопителя будет состоять из множества областей, - групп блоков, которые, в свою очередь, подразделяются на меньшие области.

Индексный дескриптор - это указатель на файл, в котором содержится информация относящаяся к файлу: владелец, права доступа, дата последнего изменения. Каждому файлу соответствует один индексный дескриптор. Количество индексных дескрипторов постоянно и задается во время создания файловой системы (по умолчанию на каждые 4096 байт - один дескриптор).

Суперблок - в суперблоке храниться информация обо всей файловой системе. Суперблок есть в каждой группе блоков, он является всего лишь резервной копией суперблока из первой группы блоков.

Дескриптор группы - здесь хранится информация о каждой группе блоков. Здесь также находятся указатели на таблицу индексных дескрипторов.

Битовая карта блоков - массив битов, указывающих на использованные блоки.

Таблица индексных дескрипторов - таблица реально выделенных для данной группы блоков индексных дескрипторов.

Блоки данных – блоки, в которых непосредственно находятся данные.

На рисунке 8 приведена схема файловой системы Linux..

Рисунок 8 Файловая система Ext2

Файловая система ext3 по сути является усовершенствованной версией файловой системы ext2. Эти усовершенствования предоставляют следующие преимущества:

1)Доступность

В случае неожиданного отключения питания или сбоя системы (так называемого некорректного отключения системы) каждую смонтированную файловую систему ext2 необходимо проверять на целостность с помощью программы e2fsck. Это длительный процесс, который может значительно замедлить загрузку системы, особенно при больших дисках с большим количеством файлов. И пока проверка не закончится, данные на дисках будут недоступны.

Журналирование, выполняемое файловой системой ext3, означает, что такая проверка файловой системы после некорректного отключения системы более не требуется. Проверка целостности в ext3 выполняется только в очень редких случаях, при отказе оборудования, например, при сбое жёсткого диска. Время восстановления файловой системы ext3 после некорректного отключения системы не зависит от размера файловой системы или числа файлов, оно зависит от размера журнала, используемого для поддержки целостности. На восстановление при стандартном размере журнала уходит около секунды, в зависимости от скорости компьютера.

2) Целостность данных

Файловая система ext3 надёжно обеспечивает целостность данных в случае некорректного отключения системы. Файловая система ext3 позволяет вам выбрать тип и уровень защиты ваших данных. По умолчанию тома ext3 обеспечивают высокий уровень целостности данных с учётом состояния файловой системы.

3) Скорость

Несмотря на то, что некоторые данные записываются неоднократно, в большинстве случаев ext3 работает быстрее, чем ext2, так как журналирование ext3 позволяет оптимизировать перемещение головки жёсткого диска. Вы можете оптимизировать скорость, выбирая из трёх режимов журналирования, но учтите, что это влияет на уровень целостности данных.

4.Программы для работы с жесткими дисками и файловыми системами

4.1 Acronis Disk Director Suite 10

Acronis Disk Director Suite 10 предоставляет такие возможности, как управление жесткими дисками, деление их на разделы без потери данных, перенос операционной системы с диска на диск и многое другое. Это профессиональная программа для работы с жесткими дисками в домашних условиях.

Для полноценного использования Acronis Disk Director Suite необходимо иметь в распоряжении:

Операционнуюсистему Microsoft Windows 98 SE/Me/NT4.0/Workstation SP 6/2000 Professional SP 4/XP SP 2;

Процессор с тактовой частотой 300 МГц или более мощный;

256 Мб оперативной памяти;

100 Мб свободного пространства на жёстком диске;

Пишущий CD/DVD дисковод.

Установка программы не вызывает проблем. Все интуитивно понятно.

Интерфейс программы предельно прост и понятен

Профессиональный подход к работе организован с учетом навыков обыкновенных пользователей. В программу Acronis Disk Director Suite 10 включены обновленные утилиты, ранее доступные только по отдельности. Менеджер разделов (Partition Expert) поможет скопировать, разделить, переместить разделы жестко диска без потери данных. Эта функция одна из самых популярных и полезных. Можно перенести свою операционную систему со всеми файлами на новый жесткий диск, если сломался старый. Это избавляет от необходимости заново переустанавливать операционную систему со всеми программами. Или можно просто разделить жесткий диск на разделы (локальные диски) для удобства в работе. Разрезать диск на несколько разделов без потери данных - проще простого. Для этого понадобится сделать всего несколько движений мышкой: запустить программу, кликнуть на жестком диске правой кнопкой, выбрать «Изменить размер» и, передвигая визуальные границы раздела, задать тот размер, который вам нравится. И все. Да, еще один момент: для завершения любой операции по отдельности или всех сразу нажимайте «Финишный флажок» (рисунок 9).

Рисунок 9: Изменение размера раздела

Редактор дисков выполняет специализированные операции по работе с жестким диском: от проверки до исправления ошибок. Можете запустить автоматическую проверку жесткого диска на наличие ошибок, если впервые обращаемся к этой программе или даже воспользоваться шестнадцатеричным редактором. Для выполнения проверки достаточно выбрать жесткий диск или раздел, нажав правой клавишей мышки на нем, и выбрать «Проверка». Утилита приведет жесткий диск в порядок. Утилита восстановления разделов (Recovery Expert) – профессиональный инструмент по возвращению к жизни и восстановлению утраченных или удаленных разделов. Может случиться так, что случайно удалится раздел жесткого диска или это произойдет в результате программной ошибки. Эта утилита может восстановить с высокой точностью данные, которые были удалены даже несколько месяцев назад. Для вызова этой утилиты необходимо кликнуть выкладку «Мастера» и выбрать «Восстановление разделов».

В программе ведется журнал событий, всегда можно просмотреть, что происходило с жестким диском, какие действия предпринимались самой программой. Это будет полезно, если мы забыли, как правильно совершить то или иное действие над жестким диском или выяснить последовательность шагов выполнения операции. У программы все ходы записаны (рисунок 10)!

Рисунок 10: Журнал событий программы

И еще одна полезная функция программы – создание загрузочного диска. Если вдруг Windows «приказала долго жить», а копию своих файлов мы так и не успели сделать, не стоит думать, что драгоценная информация утеряна навсегда. Воспользуемся загрузочным диском: он способен работать с жестким диском без загрузки операционной системы. Мы сможем полноценно работать с содержимым жесткого диска, переносить файлы, протестировать на наличие ошибок и попробовать устранить неполадку с загрузкой операционной системы. Функции и внешний вид программы в этом случае не будут отличаться от тех, которые используются в Windows. Одно маленькое «но»: сделать загрузочный диск нужно заранее, лучше всего сразу после установки программы (рисунок 11).

Рисунок 11 Создание загрузочного диска

Создание загрузочного диска занимает несколько минут и не требует никаких навыков. Для этого понадобится чистый диск CD-R. Выбераем «Создание загрузочных дисков» на вкладке «Сервис». Просто нужно нажать везде «Далее» и дождаться записи диска. На этом все. Теперь Acronis Disk Director Suite 10 будет присутствовать на компакт-диске.

4.2. Power Quest Partition Magic 8.0

Программа Power Quest Partition Magic 8.0 работает со всеми версиями Windows, желает видеть не менее 32 Мб оперативной памяти и процессор не ниже Пентиум-150. Partition Magic 8.0 понимает файловые системы FAT16, FAT32, NTFS, Linux Ext2/3, а также знает, что такое раздел для Линуксового своп-файла Linux Swap.

Посмотрим, что же нам обещают разработчики по части умений новой версии программы:

Создание и удаление разделов на жестком диске, а также изменение размеров этих разделов без потери данных. Как видите, FDISK отдыхает.

Слияние разделов без потери данных (например, можно соединить в одно целое основной раздел и логический диск).

Преобразование файловых систем FAT32 в FAT16 и NTFS, а также NTFS в FAT32.

Изменение размеров кластера для уменьшения потерь дискового пространства.

После изменения буквы имени диска встроенная утилита DriveMapper проверит пути к программам, и при необходимости внесет изменения в реестр, а также сделает соответствующие исправления в системных ярлыках.

Проверка жестких дисков на наличие bad-секторов.

Работа с разделами до 160 Гб.

Поддержка новых устройств с протоколами обмена данными USB2 и FireWire (IE 1394).

Входящая в комплект программы Partition Magic 8.0 утилита Boot Magic 8.0 при необходимости создаст удобное меню для выбора загрузки той или иной операционной системы.

Возможность создания загрузочных дискет для внесения изменений или исправлений в среде DOS. Кстати, эти дискеты (2 штуки) можно создать сразу в процессе установки программы, а можно и после, выбрав в меню Старт > Программы > PartitionMagic 8.0 Tools пункт Create Rescue Diskettes. Не ленитесь выполнить эту операцию, поскольку жизнь – штука непредсказуемая.

Главное окно программы сразу же наглядно покажет все разделы, имеющиеся на жестких дисках вашего компьютера (рисунок 12).

Рисунок 12: главное окно "Partition Magic 8.0

Причем, каждый раздел выделен особым цветом, которым Partition Magic помечает файловые системы – ошибиться будет трудно. Также ясно виден размер свободного места в разделе (незанятое пространство выделено белым цветом). Команды для всех операций с разделами доступны как в меню, так и в контекстном меню. Итак, что мы имеем, глядя на рис.9? Картинка говорит о том, что в системном блоке ПК установлены два физических жестких диска.

В новой версии появилась Action Panel, которая располагается в левой части главного окна. В разделе Pick a Task представлен набор «Помощников» для основных операций с разделами, которые помогут начинающим пользователям осуществить необходимые манипуляции по созданию нового раздела, перераспределению свободного места и установке новой операционной системы. Каждый «Мастер» состоит из цикла последовательных шагов, которые выполнены в виде вполне понятных окон.

Попробуем отказаться от услуг этих «Мастеров», и сами сделаем все основные операции. Для начала рассмотрим ситуацию с единственным основным разделом (где установлена Windows), в котором нам нужно создать логический диск.

Разумеется, для создаваемого дополнительного раздела нам потребуется свободное место, которое мы позаимствуем у раздела основного. Правой кнопкой щелкаем по изображению раздела в окне Partition Magic, и выбираем в контекстном меню команду Resize/Move. В одноименном окне можно сразу задать размер дополнительного раздела в поле New Size, а можно, потянув курсором движок, выбрав нужный размер «на глазок» (рисунок 13).

Рисунок 13: изменяем размер раздела

Программа сразу же выдаст информацию и минимальном и максимальном значениях для размера нового раздела, что не даст нам попасть пальцем в небо.

После процедуры «честного отъема» дискового пространства у основного раздела, свободное место выделится безликим серым цветом – Unallocated.

Вот на этой «непаханой целине» мы и будем создавать дополнительный раздел с логическим диском. Снова щелкаем мышью, но уже на сером поле, после чего в контекстном меню выбираем команду Create (рисунок 14):

Рисунок 14

Коль скоро мы задались целью создать именно логический диск, то в поле Create as выберем параметр Logical, и файловую систему FAT32, которую понимают все системы от Microsoft.

Нужды в дополнительном форматировании создаваемого раздела нет, поскольку мы задали тип файловой системы, но при желании отформатировать логический диск, например, в NTFS, к нашим услугам команда Format контекстного меню, или та же команда в меню Partition главного окна. По окончании вышеописанных процедур, новый раздел вместе с новеньким логическим диском D: явит нам свой чистый лик (рисунок 15):

Рисунок 15: логический диск почти готов

Как видим, программа сама позаботилась о назначении буквы новому диску. Осталось нажать кнопку Apply в левом нижнем углу главного окна, после чего изменения вступят в силу непосредственно в среде Windows (рисунок 16):

Рисунок 16: процесс пошел

Но и это еще не финал: встроенная утилита Drive Mapper тут же попросит разрешения отследить измененные пути к программам, чтобы внести исправления в реестр, понеже таковые найдутся – ведь у нас появился новый диск с буквой D:, а привод CD-ROM стал именоваться буквой Е: (рисунок 17).

Рисунок 17

4.2.1 DOS-версия Partitin Magiс

После загрузки DOS-версии появится окно программы не столь красивое, как в 32-разрядной инкарнации, однако же, позволяющее осуществить практически все операции, подвластные пользователю из-под Windows. Для изменения размера раздела и создания раздела нового, достаточно щелкнуть мышью в поле имеющегося раздела, и в контекстном меню выбрать команду Resize/Move (Изменить/Переместить) – рисунок 18.

Рисунок 18

Окно с движком изменения размера нам уже знакомо по Windows-версии, и не представляет никаких сложностей: точно так же перетаскиваем движок до нужного размера нового раздела, или сразу вписываем необходимое количество мега- или гигабайт для нового раздела в поле Free Space After (рисунок 19).

Рисунок 20

В списке Create As выбираем нужный параметр: Logical partiton для логического диска, или Primary partiton при создании еще одного первичного (основного) раздела. В списке Partition Type отметим тип файловой системы будущего раздела или логического диска: FAT32, NTFS или на наше усмотрение (рисунок 21).

Рисунок 21

После этих манипуляций в окне программы появится ПРОЕКТ новой структуры жесткого диска (рисунок 22).

Рисунок 22

Затем, чтобы сохранить сделанные изменения, нажмем кнопку Apply, и ответим Yes на извечный вопрос - быть, али, к примеру, не быть (рисунок 23). По истечении небольшого времени работы программы (рисунок 24) все изменения вступят в силу.

Рисунок 23

Рисунок 24

Как уже говорилось, Partition Magic умеет превращать основные разделы в логические диски, и наоборот, а также конвертировать FAT32 > NTFS и обратно. DOS-версия делает то же самое: при щелчке по нужному разделу следует выбрать знакомую команду Convert, после чего никакого окна не появится, а откроется выпадающее меню с командами, доступными для данного раздела. Например, так выглядят команды для логического диска с файловой системой NTFS: можно превратить оный в основной раздел (Logical to Primary) или преобразовать файловую систему в FAT32 (NTFS to FAT32) – рисунок 25.

рисунок 25

А вот что можно сделать с FAT32-разделом (рисунок 26): как видим, доступно превращение основного раздела в логический диск (Primary to Logical) и конвертация файловой системы в…FAT (имеется в виду система FAT16). Почему же недоступна команда для конвертации в NTFS? Открою маленький секрет: в этом разделе не было никаких данных, а, следовательно, нечего было терять, и для превращения файловой системы раздела в NTFS следует выбрать команду Format - только и всего.

Рисунок 26

Все команды контекстного меню DOS-версии Partition Magic доступны в меню Operations главного окна (рисунок 27).

Рисунок 27

Как видим, программа Partition Magic 8.0 обладает массой возможностей и вспомогательных программ, и сможет решить практически все задачи, которые пользователь собирается решить при работе с дисковыми разделами.

Заключение

Файловая система с точки зрения пользователя - это «пространство», в котором размещаются файлы. А как научный термин - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

совокупность всех файлов на диске,

наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Наличие файловой системы позволяет определить, как называется файл, где он находится. Поскольку на персональных компьютерах информация хранится в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках). В данной работе рассмотрено несколько видов файловых систем, их сравнительная характеристика.

Список литературы

Гук М. Аппаратные средства IBM PC: Бестселлер - 2-е изд.: Питер, 2005.

Фигурнов В.Э. «IBM PC для пользователя» - 7е изд., перераб. и доп. – М. ИНФА-М, 1998.

Организация ЭВМ и систем

Орлов С., Цилькер Б. Организация ЭВМ и систем: Питер, 2007, 672 с.

Мелехин В.Ф., Павловский Е. Г. Вычислительные машины, системы и сети, 3-е изд.: М.: Издательский центр «Академия», 2007, 560 с.

Гордеев А.В. Операционные системы. Учебник для вузов. 2-е изд.: Питер, 2004, 416 с.

Таненбаум Э.С. Перевод: А. Леонтьев Современные операционные системы: Питер, 2002, 1040 с.

Гладкий А. А. Windows XP для всех: Питер, 2005, 208 с.

Электронные ресурсы

Обзор файловых систем FAT и NTFS http://support.microsoft.com/kb/100108

www.powerquest.com

http://www.acronis.ru/homecomputing/products/diskdirector/

Материал к обзорной лекции № 33

для студентов специальности

«Программное обеспечение информационных технологий»

доцента кафедры ИВТ, к.т.н. Ливак Е.Н.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФАЙЛАМИ

Основные понятия, факты

Назначение. Особенности файловыхсистем FAT , VFAT , FAT 32, HPFS , NTFS . Файловые системы ОС UNIX (s5, ufs), ОС Linux Ext2FS.Системные области диска (раздела, тома). Принципы размещения файлов и хранения информации о расположении файлов. Организация каталогов. Ограничение доступа к файлам и каталогам.

Навыки и умения

Использование знаний о структуре файловой системы для защиты и восстановления компьютерной информации (файлов и каталогов). Организация разграничения доступа к файлам.

Файловые системы. Структура файловой системы

Данные на диске хранятся в виде файлов. Файл - это именованная часть диска.

Для управления файлами предназначены системы управления файлами.

Возможность иметь дело с данными, хранящимися в файлах, на логическом уровне предоставляет файловая система. Именно файловая система определяет способ организации данных на каком-либо носителе данных.

Таким образом, файловая система - это набор спецификаций и соответствующее им программное обеспечение, которые отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управлением ресурсами, которые используются файлами.

Система управления файлами является основной подсистемой в абсолютном большинстве современных ОС.

С помощью системы управления файлами

· связываются по данным все системные обрабатывающие программы;

· решаются проблемы централизованного распределения дискового пространства и управления данными;

· предоставляются возможности пользователю по выполнению операций над файлами (создание и т.п.), по обмену данными между файлами и различными устройствами, по защите файлов от несанкционированного доступа.

В некоторых ОС может быть несколько систем управления файлами, что обеспечивает им возможность работать с несколькими файловыми системами.

Постараемся различать файловую систему и систему управления файлами.

Термин «файловая система» определяет принципы доступа к данным, организованным в файлы.

Термин «система управления файлами» относится к конкретной реализации файловой системы, т.е. это комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной ОС.

Итак, для работы с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой системой, для каждой ОС должна быть разработана соответствующая система управления файлами. Эта система УФ будет работать только в той ОС, для которой она создана.

Для семейства ОС Windows в основном используются файловые системы: VFAT , FAT 32, NTFS .

Рассмотрим структуру этих файловых систем.

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области:

· системную область и

· область данных.

Системная область создается и инициализируется при форматировании, а впоследствии обновляется при манипулировании файловой структурой.

Системная область состоит из следующих компонентов:

· загрузочного сектора, содержащего загрузочную запись (boot record );

· зарезервированных секторов (их может и не быть);

· таблицыразмещенияфайлов (FAT, File Allocation Table);

· корневогокаталога (Root directory, ROOT).

Эти компоненты расположены на диске друг за другом.

Область данных содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому.

Область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер - это один или несколько смежных секторов области данных. С другой стороны, кластер - это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу. Т.е. файл или каталог занимает целое число кластеров. Для создания и записи на диск нового файла операционная системаотводит для него несколько свободных кластеров диска. Эти кластеры не обязательно должны следовать друг за другом. Для каждого файла хранится список всех номеров кластеров, которые предоставлены данному файлу.

Разбиение области данных на кластеры вместо использования секторов позволяет:

· уменьшить размер таблицы FAT ;

· уменьшить фрагментацию файлов;

· сокращается длина цепочек файла Þ ускоряется доступ к файлу.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов (ведь на каждый файл теряется в среднем полкластера).

В современных файловых системах (FAT 32, HPFS , NTFS ) эта проблема решается за счет ограничения размера кластера (максимум 4 Кбайта)

Картой области данных являетсяТ аблица размещения файлов (File Allocation Table - FAT) Каждый элемент таблицы FAT (12, 16 или 32 бит) соответствует одному кластеру диска и характеризует его состояние: свободен, занят или является сбойным кластером (bad cluster).

· Если кластер распределен какому-либо файлу (т.е., занят), то соответствующий элемент FAT содержит номер следующего кластера файла;

· последний кластер файла отмечается числом в диапазоне FF8h - FFFh (FFF8h - FFFFh);

· если кластер является свободным, он содержит нулевое значение 000h (0000h);

· кластер, непригодный для использования (сбойный), отмечается числом FF7h (FFF7h).

Таким образом, в таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу, связываются в цепочки.

Таблица размещения файлов хранится сразу после загрузочной записи логического диска, ее точное расположение описано в специальном поле в загрузочном секторе.

Она хранится в двух идентичных экземплярах, которые следуют друг за другом. При разрушении первой копии таблицы используется вторая.

В связи с тем, что FAT используется очень интенсивно при доступе к диску, она обычно загружается в ОП (в буфера ввода/вывода или кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно.

Основной недостаток FAT - медленная работа с файлами. При создании файла работает правило - выделяется первый свободный кластер. Это ведет к фрагментации диска и сложным цепочкам файлов. Отсюда следует замедление работы с файлами.

Для просмотра и редактирования таблицы FAT можно использовать утилиту Disk Editor .

Подробнаяинформация о самом файле хранится в другой структуре, которая называется корневым каталогом. Каждый логический диск имеет свой корневой каталог (ROOT, англ. - корень).

Корневой каталог описываетфайлы и другие каталоги. Элементом каталога является дескриптор (описатель) файла.

Дескриптор каждого файла и каталога включает его

· имя

· расширение

· дату создания или последней модификации

· время создания или последней модификации

· атрибуты (архивный, атрибут каталога, атрибут тома, системный, скрытый, только для чтения)

· длину файла (для каталога - 0)

· зарезервированное поле, которое не используется

· номер первого кластера в цепочке кластеров, отведенных файлу или каталогу; получив этот номер, операционная система, обращаясь к таблице FAT, узнает и все остальные номера кластеров файла.

Итак, пользователь запускает файл на выполнение. Операционная система ищет файл с нужным именем, просматривая описания файлов в текущем каталоге. Когда найден требуемый элемент в текущем каталоге, операционная система считывает номер первого кластера данного файла, а затем по таблице FAT определяет остальные номера кластеров. Данные из этих кластеров считываются в оперативную память, объединяясь в один непрерывный участок. Операционная система передает управление файлу, и программа начинает работать.

Для просмотра и редактирования корневого каталога ROOT можно также использовать утилиту Disk Editor .

Файловая система VFAT

Файловая система VFAT (виртуальная FAT ) впервые появилась в Windows for Workgroups 3.11 и была предназначена для файлового ввода/вывода в защищенном режиме.

Используется эта файловая система в Windows 95.

Поддерживается она также и в Windows NT 4.

VFAT - это «родная» 32-разрядная файловая система Windows 95. Ее контролирует драйвер VFAT .VXD .

VFAT использует 32-разрядный код для всех файловых операций, может использовать 32-разрядные драйверы защищенного режима.

НО, элементы таблицы размещения файлов остаются 12- или 16-разрядными, поэтому на диске используется та же структура данных (FAT ). Т.е. формат таблицы VFAT такой же , как и формат FAT .

VFAT наряду с именами «8.3» поддерживает длинные имена файлов . (Часто говорят, что VFAT - это FAT с поддержкой длинных имен).

Основной недостаток VFAT - большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска.

Файловая система FAT 32

Это новая реализация идеи использования таблицы FAT .

FAT 32 - это полностью самостоятельная 32-разрядная файловая система.

Впервые использовалась в Windows OSR 2 (OEM Service Release 2).

В настоящее время FAT 32 используется в Windows 98 и Windows ME .

Она содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT .

1. Намного эффективнее расходует дисковое пространство за счет того, что использует кластеры меньшего размера (4 Кб) - подсчитано, что экономится до 15%.

2. Имеет расширенную загрузочную запись, которая позволяет создавать копии критических структур данных Þ повышает устойчивость диска к нарушениям структур диска

3. Может использовать резервную копию FAT вместо стандартной.

4. Может перемещать корневой каталог, другими словами, корневой каталог может находиться в произвольном месте Þ снимает ограничение на размер корневого каталога (512 элементов, т.к. ROOT должен был занимать один кластер).

5. Усовершенствована структура корневого каталога

Появились дополнительные поля, например, время создания, дата создания, дата последнего доступа, контрольная сумма

По-прежнему для длинного имени файла используется несколько дескрипторов.

Файловая система HPFS

HPFS (High Performance File System ) - вы­сокопроизводительная файловая система.

HPFS впервые появилась в OS/2 1.2 и LAN Manager .

Перечислим основные особенности HPFS.

· Главное отличие - базовые принципы размещения файлов на диске и принципы хранения информации о местоположении файлов. Благодаря этим принципам HPFS имеет высокую производительность и отказоустойчивость, является надежной файловой системой.

· Дисковое пространство в HPFS выделяется не кластерами (как в FAT ), а блоками. В современной реализации размер блока взят равным одному сектору, но в принципе он мог бы быть и иного размера. (По сути дела, блок - это и есть кластер, только кластер всегда равен одному сектору). Размещениефайлов в таких небольших блоках позволяет более эффектив­но использовать пространство диска , так как непроизводительные потери сво­бодного места составляют в среднем всего (полсектора) 256 байт на каждый файл. Вспомним, что чем больше размер кластера, тем больше места на диске расходуется напрас­но.

· Система HPFS стремится расположить файл в смежных блоках, или, если такой возможности нет, разместить его на диске таким образом, чтобы экстенты (фрагменты) файла физически были как можно ближе друг к другу. Такой подход существенно уменьшает время позиционирова­ния головок записи/чтения жесткого диска и время ожидания (задержка между установкой головки чтения/записи на нужную дорожку). Напомним, что в FAT файлу просто выделяется первый свободный кластер.

Экстенты (extent ) - фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противномслучае - несколько экстентов.

· Используется метод сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска ин­формации о местонахождении файлов (каталоги хранятся в центре диска, кроме того, предусмотрена автоматиче­ская сортировка каталогов), что существенно повышает производительность HPFS (в сравнении с FAT ).

· В HPFS предусмотрены специальные расширенные атрибуты файлов, позволяющие управлять доступом к файлам и каталогам .

Расширенные атрибуты (extended attributes , EAs ) позволяют хранить дополнительную информацию о файле. Например, каждому файлу может быть сопоставлено его уникаль­ное графическое изображение (значок), описание файла, коммента­рий, сведения о владельце файла и т. д.

C труктура раздела HPFS

В начале раздела с установленной HPFS расположено три управляющих блока:

· загрузочный блок (boot block ),

· дополнительный блок (super block ) и

· запас­ной (резервный) блок (spare block ).

Они занимают 18 секторов.

Все остальное дис­ковое пространство в HPFS разбито на части из смежных секторов - полосы (band - полоса, лента). Каждая полоса занимает на диске 8 Мбайт.

Каждая полоса и имеет свою собственную битовую карту распределе­ния секторов .Битовая карта показывает, какие секторы данной полосы за­няты, а какие - свободны. Каждому сектору полосы данных соответствует один бит в ее битовой карте. Если бит = 1, то сектор занят, если 0 - свободен.

Битовые карты двух полос располагаются на диске рядом, так же располагаются и сами полосы. То есть последовательность полос и карт выглядит как на рис.

Сравним с FAT . Там на весь диск только одна «битовая карта» (таблица FAT ). И для работы с ней приходится перемещать головки чте­ния/записи в среднем через половину диска.

Именно для того, чтобы сократить время позиционирования головок чтения/записи жесткого диска, в HPFS диск разбит на полосы.

Рассмотрим управляющие блоки .

Загрузочный блок (boot block )

Содержит имя тома, его серийный номер, блок парамет­ров BIOS и программу начальной загрузки.

Программа начальной загрузки на­ходит файл OS 2 LDR , считывает его в память и передает управление этой про­грамме загрузки ОС, которая, в свою очередь, загружает с диска в память ядро OS/2 - OS 2 KRNL . И уже OS 2 KRIML с помощью сведений из файла CONFIG . SYS за­гружает в память все остальные необходимые программные модули и блоки дан­ных.

Загрузочный блок располагается в секторах с 0 по 15.

Супер Блок (super block )

Содержит

· указатель на список битовых карт (bitmap block list ). В этом списке перечислены все блоки на диске, в которых расположены би­товые карты, используемые для обнаружения свободных секторов;

· указатель на список дефектных блоков (bad block list ). Когда система обнаруживает поврежденный блок, он вносится в этот список и для хранения информации больше не используется;

· указатель на группу каталогов (directory band ),

· указатель на файловый узел (F -node ) корневого каталога,

· дату последней проверки раздела програм­мой CHKDSK ;

· информацию о размере полосы (в текущей реализации HPFS - 8 Мбайт).

Super block размещается в 16 секторе.

Резервный блок (spare block)

Содержит

· указатель на карту аварийного замеще­ния (hotfix map или hotfix -areas );

· указатель на список свободных запасных бло­ков (directory emergency free block list );

· ряд системных флагов и дескрипторов.

Этот блок разме­щается в 17 секторе диска.

Резервный блок обеспечивает высокую отказоустойчивость файловой системы HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске.

Принцип размещения файлов

Экстенты (extent ) - фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противномслучае - несколько экстентов.

Для сокращения времени позиционирования головок чтения/записи жесткого диска система HPFS стремится

1)расположить файл в смежных блоках;

2)если такой возможности нет, то разместить экстенты фрагментированного файла как можно ближе друг к другу,

Для этого HPFS использует статистику, а также старается условно резервировать хотя бы 4 килобайта места в конце файлов, которые растут.

Принципы хранения информации о расположении файлов

Каждый файл и каталог диска имеет свой файловый узел F-Node . Это структура, в которой содержится информация о располо­жении файла и о его расширенных атрибутах.

Каждый F-Node занимает один сектор и всегда располагается поблизости от своего файла или каталога (обычно - непосредственно перед файлом или ка­талогом). Объект F-Node содержит

· длину,

· первые 15 символов имени файла,

· специальную служебную информацию,

· статистику по доступу к файлу,

· расши­ренные атрибуты файла,

· список прав доступа (или только часть этого списка, если он очень большой); если расширен­ные атрибуты слишком велики для файлового узла, то в него записывается ука­затель на них.

· ассоциативную информацию о расположении и подчине­нии файла и т. д.

Если файл непрерывен, то его размещение на диске описывается двумя 32-битными числами. Первое число представляет собой указатель на первый блок файла, а второе - длину экстента (число следующих друг за другом бло­ков, принадлежащих файлу).

Если файл фрагментирован, то размещение его экстентов описывается в файловом узле дополнительными парами 32-битных чисел.

В файловом узле можно разместить информацию максимум о восьми экстентах файла. Если файл имеет больше экстентов, то в его файловый узел записывается указатель на блок размещения (allocation block ), который может содержать до 40 указателей на экстенты или, по аналогии с блоком дерева каталогов, на другие блоки размещения.

Структура и размещение каталогов

Для хранения каталогов используется полоса, находящаяся в центре диска .

Эта полоса называетсяdirectory band .

Если она полностью заполнена, HPFS начинает располагать каталоги файлов в других полосах.

Расположение этой информаци­онной структуры в середине диска значительно сокращает среднее время пози­ционирования головок чтения/записи.

Однако существенно больший (по сравнению с размещением Directory Band в середине логического диска) вклад в производительность HPFS дает использо­вание метода сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска ин­формации о местонахождении файлов.

Вспомним, что в файловой системе FAT каталог имеет линейную структуру, специальным образом не упорядоченную, поэтому при поиске файла требуется последовательно просматривать его с само­го начала.

В HPFS структура каталога представляет собой сбалансированное де­рево с записями, расположенными в алфавитном порядке.

Каждая за­пись, входящая в состав дерева, содержит

· атрибуты файла,

· указатель на соответствующий файловый узел,

· информацию о времени и дате создания фай­ла, времени и дате последнего обновления и обращения,

· длине данных, содержа­щих расширенные атрибуты,

· счетчик обращений к файлу,

· длине имени файла

· само имя,

· и другую информацию.

Файловая система HPFS при поиске файла в каталоге просматривает только не­обходимые ветви двоичного дерева. Такой метод во много раз эффек­тивнее, чем последовательное чтение всех записей в каталоге, что имеет место в системе FAT .

Размер каждого из блоков, в терминах которых выделяются каталоги в текущей реализации HPFS, равен 2 Кбайт. Размер записи, описывающей файл, зависит от размера имени файла. Если имя занимает 13 байтов (для формата 8.3), то блок из 2 Кбайт вмещает до 40 описателей файлов. Блоки связаны друг с другом по­средством списка.

Проблемы

При переименовании файлов может возникнуть так называемая перебаланси­ровка дерева. Создание файла, переименование или стирание может приводить к каскадированию блоков каталогов . Фактически, переименование может потер­петь неудачу из-за недостатка дискового пространства, даже если файл непо­средственно в размерах не увеличился. Во избежание этого «бедствия» HPFS поддерживает небольшой пул свободных блоков, которые могут использовать­ся при «аварии». Эта операция может потребовать выделения дополнительных блоков на заполненном диске. Указатель на этот пул свободных блоков сохраня­ется в SpareBlock ,

Принципы размещения файлов и каталогов на диске в HPFS :

· информация о местоположении файлов рассредоточена по всему дис­ку, при этом записи каждого конкретного файла размещаются (по возможно­сти) в смежных секторах и поблизости от данных об их местоположении;

· каталоги размещаются в середине дискового пространства;

· каталоги хранятся в виде бинарного сбалансированного дерева с записями, расположенными в алфавитном порядке.

Надежность хранения данных в HPFS

Любая файловая система должна обладать средствами исправления ошибок, возникаю­щих при записи информации на диск. Система HPFS для этого использует меха­низм аварийного замещения ( hotfix ).

Если файловая система HPFS сталкивается с проблемой в процессе записи дан­ных на диск, она выводит на экран соответствующее сообщение об ошибке. Затем HPFS сохраняет информацию, которая должна была быть записана в дефектный сектор, в одном из запасных секторов, заранее зарезервированных на этот слу­чай. Список свободных запасных блоков хранится в резервном блоке HPFS. При обнаружении ошибки во время записи данных в нормальный блок HPFS выби­рает один из свободных запасных блоков и сохраняет эти данные в нем. Затем файловая система обновляет карту аварийного замещения в резервном блоке.

Эта карта представляет собой просто пары двойных слов, каждое из которых является 32-битным номером сектора.

Первый номер указывает на дефектный сек­тор, а второй - на тот сектор среди имеющихся запасных секторов, который был выбран для его замены.

После замены дефектного сектора запасным карта ава­рийного замещения записывается на диск, и на экране появляется всплывающее окно, информирующее пользователя о произошедшей ошибке записи на диск. Каждый раз, когда система выполняет запись или чтение сектора диска, она просматривает карту аварийного замещения и подменяет все номера дефектных секторов номерами запасных секторов с соответствующими данными.

Следует заметить, что это преобразование номеров существенно не влияет на производительность системы, так как оно выполняется только при физическом обращении к диску, но не при чтении данных из дискового кэша.

Файловая система NTFS

Файловая система NTFS (New Technology File System) содержит ряд значительных усовер­шенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем.

Заметим, что за редкими исключениями, с разделами NTFS можно работать напрямую только из Windows NT , хотя и имеются для ряда ОС соответствующие реализа­ции систем управления файлами для чтения файлов из томов NTFS.

Однако полноценных реализаций для работы с NTFS вне системы Windows NT пока нет.

NTFS не поддерживается в широко распространенных ОС Windows 98 и Windows Millennium Edition .

Основные особенности NT FS

· работа на дисках большого объема происходит эффективно (намного эффективнее, чем в FAT );

· имеются средства для ограничения доступа к файлам и катало­гам Þ раз­делы NTFS обеспечивают локальную безопасность как файлов, так и каталогов;

· введен механизм транзакций, при котором осуществляется журналирование файловых операций Þ существенное увеличение надежности;

· сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секто­ров и/или кластеров;

· имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS , может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS - 255 символов.

· система NTFS также об­ладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к отдельным файлам, целым каталогам и даже томам (и впоследствии отменять или назначать их по своему усмотрению).

Структура тома с файловой системой NTFS

Раздел NTFS называется томом (volume ). Максимально возможные размеры тома (и размеры файла) составляют 16 Эбайт (экзабайт 2**64).

Как и другие системы, NTFS делит дисковое пространство тома на кластеры - блоки данных, адресуемые как единицы данных. NTFS поддержива­ет размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; стандартом же считается кластер размером 2 или 4 Кбайт.

Все дисковое пространство в NTFS делится на две неравные части.

Первые 12 % диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, которое может занимать, увеличиваясь в размере, главный служебный метафайл MFT .

Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы MFT-файл по возможности не фрагментировался при своем росте.

Остальные 88 % тома представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

MFT (master file table - общая таблица файлов) по сути - это каталог всех остальных файлов диска, в том числе и себя самого. Он предназначен для определения расположения файлов.

MFT состоит из записей фиксированного размера. Размер записи MFT (минимум 1 Кб и максимум 4 Кб) оп­ределяется во время форматирования тома.

Каждая запись соответ­ствует какому-либо файлу.

Первые 16 записей но­сят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT.

Эти первые 16 эле­ментов MFT - единственная часть диска, имеющая строго фиксированное поло­жение. Копия этих же 16 записей хранится в середине тома для надежности.

Остальные части MFT-файла могут располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска.

Метафайлы носят служебный характер - каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Метафайлы нахо­дятся в корневом каталоге NTFS-тома. Все они начинаются с символа имени «$», хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. В табл. приведены основные метафайлы и их назначение.

Имя метафайла	Назначение метафайла
$MFT	Сам Master File Table
$MFTmirr	Копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине тома
$LogFile	Файл поддержки операций журналирования
$Volume	Служебная информация - метка тома, версия файловой системы и т. д.
$AttrDef	Список стандартных атрибутов файлов на томе
		Корневой каталог
$Bitmap		Карта свободного места тома
$Boot		Загрузочный сектор (если раздел загрузочный)
$Quota		Файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (этот файл начал работать лишь в Windows 2000 с системой NTFS 5.0)
$Upcase		Файл - таблица соответствия заглавных и прописных букв в именах файлов. В NTFS имена файлов записываются в Unicode (что составляет 65 тысяч различных символов) и искать большие и малые эквиваленты в данном случае - нетривиальная задача

В соответствующей записи MFT хранится вся информация о файле:

· имя файла,

· размер;

· атрибуты файла;

· положение на диске отдельных фрагментов и т. д.

Если для информации не хватает одной записи MFT, то используется несколько записей, причем не обязательно идущих подряд.

Если файл имеет не очень большой размер, то данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT.

Файл в томе с NTFS идентифицируется так называемой файловой ссылкой (File Reference ), которая представляется как 64-разрядное число.

· номера файла, который соответствует номеру записи в MFT,

· и номера последовательности. Этот номер увеличивается всякий раз, когда данный номер в MFT используется повторно, что позволяет файловой системе NTFS выполнять внутренние проверки целостности.

Каждый файл в NTFS представлен с помощью потоков (streams ), то есть у него нет как таковых «просто данных», а есть потоки.

Один из потоков - это и есть данные файла.

Большинство атрибутов файла - это тоже потоки.

Таким об­разом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а все остальное, включая и его потоки, - опционально.

Данный подход может эффективно использоваться - например, файлу можно «прилепить» еще один поток, записав в него любые данные.

Стандартные атрибуты для файлов и каталогов в томе NTFS имеют фиксиро­ванные имена и коды типа.

Каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги.

Файл каталога разделен на блоки, каждый из которых содержит

· имя файла,

· базовые атрибуты и

Корневой каталог диска ничем не отличается от обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево, как в HPFS.

Количество файлов в корневом и некорневом каталогах не ограни­чено.

Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности NT : NTFS рассматривает каталоги и файлы как разнотипные объекты и ведет отдельные (хотя и перекры­вающиеся) списки прав доступа для каждого типа.

NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов; это означает, что права доступа к томам, каталогам и файлам могут зависеть от учетной записи пользователя и тех групп, к которым он принадлежит. Каждый раз, когда пользователь обращается к объекту файловой системы, его права доступа проверяются по списку разреше­ний данного объекта. Если пользователь обладает достаточным уровнем прав, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется. Эта модель безопасности применяется как при локальной регистрации пользователей на компьютерах с NT , так и при удаленных сетевых запросах.

Система NTFS также обладает определенными средствами самовосстановления. NTFS поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, вклю­чая ведение журналов транзакций, позволяющих воспроизвести файловые опе­рации записи по специальному системному журналу.

При журналировании файловых операций система управления файлами фиксирует в специальном служебном файле происходящие изменения. В начале операции, связанной с изменением файловой структуры, делается соответствующая пометка. Если во время операций над файлами происходит какой-нибудь сбой, то упомянутая отметка о начале операции остается указанной как незавершенная. При выполнении процедуры проверки целостности файловой системы после перезагрузки машины эти незавершенные опера­ции будут отменены и файлы будут приведены к исходному состоянию. Если же опера­ция изменения данных в файлах завершается нормальным образом, то в этом самом служебном файле поддержки журналирования операция отмечается как завершенная.

Основной недостаток файловой системы NTFS - служебные данные занимают много места (например, каждый элемент каталога занимает 2 Кбайт) - для малых раз­делов служебные данные могут занимать до 25% объема носителя.

Þ система NTFS не может использоваться для форматирования флоппи-дисков. Не стоит пользоваться ею для форматирования разделов объемом менее 100 Мбайт.

Файловая система ОС UNIX

В мире UNIX существует несколько разных видов файловых систем со своей структурой внешней памяти. Наиболее известны традиционная файловая система UNIX System V (s5) и файловая система семейства UNIX BSD (ufs).

Рассмотрим s 5.

Файл в системе UNIX представляет собой множество символов с произвольным доступом.

Файл имеет такую структуру, которую налагает на него пользователь.

Файловая система Unix, это иерархическая, многопользовательская файловая система.

Файловая система имеет древовидную структуру. Вершинами (промежуточными узлами) дерева являются каталоги со ссылками на другие каталоги или файлы. Листья дерева соответствуют файлам или пустым каталогам.

Замечание. На самом деле файловая система Unix не является древообразной. Дело в том, что в системе имеется возможность нарушения иерархии в виде дерева, так как имеется возможность ассоциировать несколько имен с одним и тем же содержимым файла .

Структура диска

Диск разделен на блоки. Размер блока данных определяется при форматировании файловой системы командой mkfs и может быть установлен 512, 1024, 2048, 4096 или 8192 байтов.

Считаем по 512 байт (размер сектора).

Дисковое пространство делится на следующие области (см. рис.):

· загрузочный блок;

· управляющий суперблок;

· массив i -узлов;

· область для хранения содержимого (данных) файлов;

· совокупность свободных блоков (связанных в список);

Блокначальной загрузки

Суперблок

i - узел

. . .

i - узел

Замечание. Для файловой системы UFS - все это для группы цилиндров повторяется (кроме Boot -блока) + выделена специальная область для описания группы цилиндров

Блок начальной загрузки

Блок размещен в блоке №0. (Вспомним, что размещение этого блока в нулевом блоке системного устройства определяется аппаратурой, так как аппаратной загрузчик всегда обращается к нулевому блоку системного устройства. Это последний компонент файловой системы, который зависит от аппаратуры.)

Boot -блок содержит программу раскрутки, которая служит для первоначального запуска ОС UNIX . В файловых системах s 5 реально используется boot -блок только корневой файловой системы. В дополнительных файловых системах эта область присутствует, но не используется.

Суперблок

Он содержит оперативную информацию о состоянии файловой системы, а также данные о параметрах настройки файловой системы.

В частности суперблок содержит следующую информацию

· количество i -узлов (индексных дескрипторов);

· размер раздела???;

· список свободных блоков;

· список свободных i -узлов;

· и другое.

Обратим внимание! Свободное пространство на диске образует связанный список свободных блоков . Этот список хранится в суперблоке.

Элементами списка являются массивы из 50 элементов(если блок = 512 байт, то элемент = 16 бит):

· в элементах массива №№1-48 записаны номера свободных блоков пространства блоков файлов с 2 до 49.

· в №0 элементе содержится указатель на продолжение списка, а

· в последнем элементе (№49) содержится указатель на свободный элемент в массиве.

Если какому-то процессу для расширения файла требуется свободный блок, то система по указателю (на свободный элемент) выбирает элемент массива, и блок с №, хранящимся в данном элементе, предоставляется файлу. Если происходит сокращение файла, то высвободившиеся номера добавляются в массив свободных блоков и корректируется указатель на свободный элемент.

Так как размер массива - 50 элементов, то возможны две критические ситуации:

1. Когда мы освобождаем блоки файлов, а они не могут поместиться в этом массиве. В этом случае из файловой системы выбирается один свободный блок и заполненный полностью массив свободных блоков копируется в этот блок, после этого значение указателя на свободный элемент обнуляется, а в нулевой элемент массива, который находится в суперблоке, записывается номер блока, который система выбрали для копирования содержимого массива . В этот моментсоздается новый элемент списка свободных блоков (каждый по 50 элементов).

2. Когда содержимое элементов массива свободных блоков исчерпалось (в этом случае нулевой элемент массива равен нулю) Если этот элемент нулю не равен, то это означает, что существует продолжение массива. Это продолжение считывается в копию суперблока в оперативной памяти.

Список свободных i -узлов . Это буфер, состоящий из 100 элементов. В нем находится информация о 100 номерах i -узлов, которые свободны в данный момент.

Суперблок всегда находится в ОЗУ

Þ все операции (освобождение и занятие блоков и i -узлов происходят в ОЗУ Þ минимизация обменов с диском.

Но! Если содержимое суперблока не будет записано на диск и выключено питание, то возникнут проблемы (несоответствие реального состояния файловой системы и содержимого суперблока). Но это уже требование к надежности аппаратуры системы.

Замечание . В файловых системах UFS для повышения устойчивости поддерживается несколько копий суперблока (по одной копии на группу цилиндров)

Область индексных дескрипторов

Это массив описаний файлов, называемых i -узлами (i - node ) .(64-х байтные?)

Каждый индексный описатель (i -узел) файла содержит:

· Тип файла (файл/каталог/специальный файл/fifo/socket)

· Атрибуты (права доступа) - 10

· Идентификатор владельца файла

· Идентификатор группы-владельца файла

· Время создания файла

· Время модификации файла

· Время последнего доступа к файлу

· Длина файла

· Количество ссылок к данному i -узлу из различных каталогов

· Адреса блоков файла

! Обратите внимание . Здесь нет имени файла

Рассмотрим подробнее как организована адресация блоков , в которых размещен файл. Итак, в поле с адресами находятся номера первых 10 блоков файла.

Если файл превышает десять блоков, то начинает работать следующий механизм: 11-й элемент поля содержит номер блока, в котором размещены 128(256) ссылок на блоки данного файла. В том случае, если файл еще больше - то используется 12й элемент поля- он содержит номер блока, в котором содержится 128(256) номеров блоков, где каждый блок содержит 128(256) номеров блоков файловой системы. А если файл еще больше, то используется 13 элемент - где глубина вложенности списка увеличена еще на единицу.

Таким образом мы можем получить файл размером (10+128+128 2 +128 3)*512.

Это можно представить в следующем виде:

Адрес 1-го блока файла

Адрес 2-го блока файла

Адрес 10-го блока файла

Адрес блока косвенной адресации (блока с 256 адресами блоков)

Адрес блока 2-й косвенной адресации (блока с 256 адресами блоков с адресами)

Адрес блока 3-й косвенной адресации (блока с адресами блоков с адресами блоков с адресами)

Защита файла

Теперь обратим внимание на идентификаторы владельца и группы и биты защиты.

В ОС Unix используется трехуровневая иерархия пользователей :

Первый уровень - все пользователи.

Второй уровень - группы пользователей. (Все пользователи подразделены на группы.

Третий уровень - конкретный пользователь (Группы состоят из реальных пользователей). В связи с этой трехуровневой организацией пользователей каждый файл обладает тремя атрибутами:

1) Владелец файла. Этот атрибут связан с одним конкретным пользователем, который автоматически назначается системой владельцем файла. Владельцем можно стать по умолчанию, создав файл, а также есть команда, которая позволяет менять владельца файла.

2) Защита доступа к файлу. Доступ к каждому файлу ограничивается по трем категориям:

· права владельца (что может делать владелец с этим файлом, в общем случае - не обязательно все, что угодно);

· права группы, которой принадлежит владелец файла. Владелец сюда не включается (например, файл может быть закрыт на чтение для владельца, а все остальные члены группы могут свободно читать из этого файла;

· все остальные пользователи системы;

По этим трем категориям регламентируются три действия: чтение из файла, запись в файл и исполнение файла (в мнемонике системы R,W,X, соответственно). В каждом файле по этим трем категориям определено - какой пользователь может читать, какой писать, а кто может запускать его в качестве процесса.

Организация каталогов

Каталог с точки зрения ОС - это обычный файл, в котором размещены данные о всех файлах, которые принадлежат каталогу.

Элемент каталога состоит из двух полей:

1)номер i -узла (порядковый номер в массиве i -узлов)и

2)имя файла:

Каждый каталог содержит два специальных имени: ‘.’ - сам каталог; ‘..’ - родительский каталог.

(Для корневого каталога родитель ссылается на него же самого.)

В общем случае, в каталоге могут неоднократно встречаться записи, ссылающиеся на один и тот же i -узел, но в каталоге не могут встречаться записи с одинаковыми именами. То есть с содержимым файла может быть связано произвольное количество имен. Это называется связыванием . Элемент каталога, относящийся к одному файлу называется связью .

Файлы существуют независимо от элементов каталогов, а связи в каталогах указывают действительно на физические файлы. Файл «исчезает» когда удаляется последняя связь, указывающая на него.

Итак, чтобы получить доступ к файлу по имени, операционная система

1. находит это имя в каталоге, содержащем файл,

2. получает номер i -узла файла,

3. по номеру находит i- узел в области i-узлов,

4. из i-узла получает адреса блоков, в которых расположены данные файла,

5. по адресам блоков считывает блоки из области данных.

Структура дискового раздела в EXT 2 FS

Все пространство раздела делится на блоки. Блок может иметь размер от 1, 2 или 4 килобайта. Блок является адресуемой единицей дискового пространства.

Блоки, в свою область объединяются в группы блоков. Группы блоков в файловой системе и блоки внутри группы нумеруются последовательно, начиная с 1. Первый блок на диске имеет номер 1 и принадлежит группе с номером 1. Общее число блоков на диске (в разделе диска) является делителем объема диска, выраженного в секторах. А число групп блоков не обязано делить число блоков, потому что последняя группа блоков может быть не полной. Начало каждой группы блоков имеет адрес, который может быть получен как ((номер группы - 1)* (число блоков в группе)).

Каждая группа блоков имеет одинаковое строение. Ее структура представлена в таблице.

Первый элемент этой структуры (суперблок) - одинаков для всех групп, а все остальные - индивидуальны для каждой группы. Суперблок хранится в первом блоке каждой группы блоков (за исключением группы 1, в которой в первом блоке расположена загрузочная запись). Суперблок является начальной точкой файловой системы. Он имеет размер 1024 байта и всегда располагается по смещению 1024 байта от начала файловой системы. Наличие нескольких копий суперблока объясняется чрезвычайной важностью этого элемента файловой системы. Дубликаты суперблока используются при восстановлении файловой системы после сбоев.

Информация, хранимая в суперблоке, используется для организации доступа к остальным данным на диске. В суперблоке определяется размер файловой системы, максимальное число файлов в разделе, объем свободного пространства и содержится информация о том, где искать незанятые участки. При запуске ОС суперблок считывается в память и все изменения файловой системы вначале находят отображение в копии суперблока, находящейся в ОП, и записываются на диск только периодически. Это позволяет повысить производительность системы, так как многие пользователи и процессы постоянно обновляют файлы. С другой стороны, при выключении системы суперблок обязательно должен быть записан на диск, что не позволяет выключать компьютер простым выключением питания. В противном случае, при следующей загрузке информация, записанная в суперблоке, окажется не соответствующей реальному состоянию файловой системы.

Вслед за суперблоком расположено описание группы блоков (Group Descriptors). Это описание содержит:

Адрес блока, содержащего битовую карту блоков (block bitmap) данной группы;

Адрес блока, содержащего битовую карту индексных дескрипторов (inode bitmap) данной группы;

Адрес блока, содержащего таблицу индексных дескрипторов (inode table) данной группы;

Счетчик числа свободных блоков в данной группе;

Число свободных индексных дескрипторов в данной группе;

Число индексных дескрипторов в данной группе, которые являются каталогами

и другие данные.

Информация, которая хранится в описании группы, используется для того, чтобы найти битовые карты блоков и индексных дескрипторов, а также таблицу индексных дескрипторов.

Файловая система Ext 2 характеризуется:

• иерархической структурой,
• согласованной обработкой массивов данных,
• динамическим расширением файлов,
• защитой информации в файлах,
• трактовкой периферийных устройств (таких как терминалы и ленточные устройства) как файлов.

Внутреннее представление файлов

Каждый файл в системе Ext 2 имеет уникальный индекс. Индекс содержит информацию, необходимую любому процессу для того, чтобы обратиться к файлу. Процессы обращаются к файлам, используя четко определенный набор системных вызовов и идентифицируя файл строкой символов, выступающих в качестве составного имени файла. Каждое составное имя однозначно определяет файл, благодаря чему ядро системы преобразует это имя в индекс файла.Индекс включает в себя таблицу адресов расположения информации файла на диске. Так как каждый блок на диске адресуется по своему номеру, в этой таблице хранится совокупность номеров дисковых блоков. В целях повышения гибкости ядро присоединяет к файлу по одному блоку, позволяя информации файла быть разбросанной по всей файловой системе. Но такая схема размещения усложняет задачу поиска данных. Таблица адресов содержит список номеров блоков, содержащих принадлежащую файлу информацию.

Индексные дескрипторы файлов

Каждому файлу на диске соответствует индексный дескриптор файла, который идентифицируется своим порядковым номером - индексом файла. Это означает, что число файлов, которые могут быть созданы в файловой системе, ограничено числом индексных дескрипторов, которое либо явно задается при создании файловой системы, либо вычисляется исходя из физического объема дискового раздела. Индексные дескpиптоpы существуют на диске в статической форме и ядро считывает их в память прежде, чем начать с ними работать.

Индексный дескриптор файла содержит следующую информацию:

- Тип и права доступа к данному файлу.

Идентификатор владельца файла (Owner Uid).

Размер файла в байтах.

Время последнего обращения к файлу (Access time).

Время создания файла.

Время последней модификации файла.

Время удаления файла.

Идентификатор группы (GID).

Счетчик числа связей (Links count ).

Число блоков, занимаемых файлом.

Флагифайла (File flags)

Зарезервировано для ОС

Указатели на блоки, в которых записаны данные файла (пример прямой и косвенной адресации на рис.1)

Версия файла (для NFS)

ACL файла

ACL каталога

Адресфрагмента (Fragment address)

Номерфрагмента (Fragment number)

Размер фрагмента (Fragment size )

Каталоги

Каталоги являются файлами.

Ядро хранит данные в каталоге так же, как оно это делает в файле обычного типа, используя индексную структуру и блоки с уровнями прямой и косвенной адресации. Процессы могут читать данные из каталогов таким же образом, как они читают обычные файлы, однако, исключительное право записи в каталог резервируется ядром, благодаря чему обеспечивается правильность структуры каталога.).

Когда какой-либо пpоцесс использует путь к файлу, ядpо ищет в каталогах соответствующий номеp индексного дескpиптоpа. После того, как имя файла было пpеобpазовано в номеp индексного дескpиптоpа, этот дескpиптоp помещается в память и затем используется в последующих запpосах.

Дополнительные возможности EXT2 FS

В дополнение к стандаpтным возможностям Unix, EXT2fs пpедоставляет некотоpые дополнительные возможности, обычно не поддеpживаемые файловыми системами Unix.

Файловые атpибуты позволяют изменять pеакцию ядpа пpи pаботе с набоpами файлов. Можно установить атpибуты на файл или каталог. Во втоpом случае, файлы, создаваемые в этом каталоге, наследуют эти атpибуты.

Во вpемя монтиpования системы могут быть установлены некотоpые особенности, связанные с файловыми атpибутами. Опция mount позволяет администpатоpу выбpать особенности создания файлов. В файловой системе с особенностями BSD, файлы создаются с тем же идентификатоpом гpуппы, как и у pодительского каталога. Особенности System V несколько сложнее. Если у каталога бит setgid установен, то создаваемые файлы наседуют идентификатоp гpуппы этого каталога, а подкаталоги наследуют идентификатоp гpуппы и бит setgid. В пpотивном случае, файлы и каталоги создаются с основным идентификатоpом гpуппы вызывающего пpоцесса.

В системе EXT2fs может использоваться синхpонная модификация данных, подобная системе BSD. Опция mount позволяет администpатоpу указывать чтобы все данные (индексные дескpиптоpы, блоки битов, косвенные блоки и блоки каталогов) записывались на диск синхpонно пpи их модификации. Это может быть использовано для достижения высокой потности записи инфоpмации, но также пpиводит к ухудшению пpоизводительности. В действительности, эта функция обычно не используется, так как кpоме ухудшения пpоизводительности, это может пpивести к потеpе данных пользователей, котоpые не помечаются пpи пpовеpке файловой системы.

EXT2fs позволяет пpи создании файловой системы выбpать pазмеp логического блока. Он может быть pазмеpом 1024, 2048 или 4096 байт. Использование блоков большого объема пpиводит к ускоpению опеpаций ввода/вывода (так как уменьшается количество запpосов к диску), и, следовательно, к меньшему пеpемещению головок. С дpугой стоpоны, использование блоков большого объема пpиводит к потеpе дискового пpостpанства. Обычно последний блок файла используется не полностью для хpанения инфоpмации, поэтому с увеличением объема блока, повышается объем теpяемого дискового пpостpанства.

EXT2fs позволяет использовать ускоpенные символические ссылки. Пpи пpименении таких ссылок, блоки данных файловой системы не используются. Имя файла назначения хpанится не в блоке данных, а в самом индексном дескpиптоpе. Такая стpуктуpа позволяет сохpанить дисковое пpостpанство и ускоpить обpаботку символических ссылок. Конечно, пpостpанство, заpезеpвиpованное под дескpиптоp, огpаничено, поэтому не каждая ссылка может быть пpедставлена как ускоpенная. Максимальная длина имени файла в ускоpенной ссылке pавна 60 символам. В ближайшем будующем планиpуется pасшиpить эту схему для файлов небольшого объема.

EXT2fs следит за состоянием файловой системы. Ядpо использует отдельное поле в супеpблоке для индикации состояния файловой системы. Если файловая система смонтиpована в pежиме read/write, то ее состояние устанавливается как "Not Clean". Если же она демонтиpована или смонтиpована заново в pежиме read-only, то ее состояние устанавливается в "Clean". Во вpемя загpузки системы и пpовеpке состояния файловой системы, эта инфоpмация используется для опpеделения необходимости пpовеpки файловой системы. Ядpо также помещает в это поле некотоpые ошибки. Пpи опpеделении ядpом несоответствия, файловая система помечается как "Erroneous". Пpогpамма пpовеpки файловой системы тестиpует эту инфоpмацию для пpовеpки системы, даже если ее состояние является в действительности "Clean".

Длительное игноpиpование тестиpования файловой системы иногда может пpивести к некотоpым тpудностям, поэтому EXT2fs включает в себя два метода для pегуляpной пpовеpки системы. В супеpблоке содеpжится счетчик монтиpования системы. Этот счетчик увеличивается каждый pаз, когда система монтиpуется в pежиме read/write. Если его значение достигает максимального (оно также хpанится в супеpблоке), то пpогpамма тестиpования файловой системы запускает ее пpовеpку, даже если ее состояние является "Clean". Последнее вpемя пpовеpки и максимальный интеpвал между пpовеpками также хpанится в супеpблоке. Когда же достигается максимальный интеpвал между пpовеpками, то состояние файловой системы игноpиpуется и запускается ее пpовеpка.

Оптимизация пpоизводительности

Система EXT2fs содеpжит много функций, оптимизиpующих ее пpоизводительность, что ведет к повышению скоpости обмена инфоpмацией пpи чтении и записи файлов.

EXT2fs активно использует дисковый буфеp. Когда блок должен быть считан, ядpо выдает запpос опеpации ввода/вывода на несколько pядом pасположенных блоков. Таким обpазом, ядpо пытается удостовеpиться, что следующий блок, котоpый должен быть считан, уже загpужен в дисковый буфеp. Подобные опеpации обычно пpоизводятся пpи последовательном считывании файлов.

Система EXT2fs также содеpжит большое количество оптимизаций pазмещения инфоpмации. Гpуппы блоков используются для объединения соответствующих индексных дескpиптоpов и блоков данных. Ядpо всегда пытается pазместить блоки данных одного файла в одной гpуппе, так же как и его дескpиптоp. Это пpедназначено для уменьшения пеpемещения головок пpивода пpи считывании дескpиптоpа и соответствующих ему блоков данных.

Пpи записи данных в файл, EXT2fs заpанее pазмещает до 8 смежных блоков пpи pазмещении нового блока. Такой метод позволяет достичь высокой пpоизводительности пpи сильной загpуженности системы. Это также позволяет pазмещать смежные блоки для файлов, что укоpяет их последующее чтение.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ»

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ

Реферат по информатике

на тему:

Файловые системы

Выполнил: студент 110 группы О110

Э.В.Андреева

Руководитель: проф. Е.А.Осипова

Санкт-Петербург

2009 г.

Введение…………………………………………………………3

1. Файловая система FAT…………………………………..4

2. Файловая система FAT32………………………………..5

3. Файловая система HPFS…………………………………6

4. Файловая система NTFS…………………………………8

Заключение………………………………………………………9

Список используемой литературы……………………………..10

Введение

Файловая система - это то, на чем держится далеко неидеальный, но маломальский порядок на наших жестких дисках. Носители информации способны лишь хранить, записывать или считывать биты данных из определенных секторов, а за доступ к информации отвечает именно файловая система. Этому термину можно дать несколько определений, каждое из которых верно. Файловая система - это система организации и хранения информации на жестком диске или других носителях, программные алгоритмы операционной системы для управления данной системой организации информации, и, наконец, на бытовом уровне это совокупность всех файлов и папок на диске.

Файловая система определяет:

Как хранятся файлы и каталоги на диске;

Какие сведения хранятся о файлах и каталогах;

Как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие – нет;

Формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Мы рассмотрим четыре файловые системы – FAT, FAT 32, HPFS, NTFS.

1. Файловая система FAT

FAT является наиболее простой из поддерживаемых Windows NT файловых систем. Основой файловой системы FAT является таблица размещения файлов, которая помещена в самом начале тома.

Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные.

Обновление таблицы размещения файлов имеет большое значение и требует много времени. Если таблица размещения файлов не обновляется регулярно, это может привести к потере данных.

Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».

Преимущества файловой системы FAT

На компьютере под управлением Windows NT в любой из поддерживаемых файловых систем нельзя отменить удаление. Файловая система FAT лучше всего подходит для использования на дисках и разделах размером до 200 МБ, потому что она запускается с минимальными накладными расходами.

Недостатки файловой системы FAT

Не стоит использовать файловую систему FAT для дисков и разделов, чей размер больше 200 МБ. Это объясняется тем, что по мере увеличения размера тома производительность файловой системы FAT быстро падает. Для файлов, расположенных в разделах FAT, невозможно установить разрешения.
Разделы FAT имеют ограничение по размеру: 4 ГБ под Windows NT и 2 ГБ под MS-DOS.

2. Файловая система FAT32

FAT 32 представляет собой цепь данных, которые связывают между собой кластеры дискового пространства и файлы. В базе данных кластеров существует только один элемент. Из них, первые два элемента представляют собой информацию о системе FAT – 32, а третий и последующий элементы ставятся в соответствии с кластерами дискового пространства.
Самое большое число кластеров в данной файловой системе равно 268 435 445 кластеров. Данная система позволяет использовать жесткие диски размером до 32 Гб. Однако FAT может поддерживать дисковые пространства размером до 2 терабайт! Первоначально данная файловая система применялась в составе Windows 95 OSR 2. Именно в данной файловой системе были расширены атрибуты файлов, которые позволили хранить время и дату создания, и модификацию последнего доступа к файлу или каталогу.

Операционная система FAT – 32 также позволяет работать с любой из копий FAT 32.

FAT 32:

1. Высокая скорость работы;

2. Низкое требование к объему оперативной памяти;

3. Эффективная работа с файлами средних и малых размеров;

4. Более низкий износ дисков, вследствие меньшего количества передвижений головок чтения/записи.

Недостатки файловой системы FAT 32:

1. Низкая защита от сбоев системы;

2. Не эффективная работа с файлами больших размеров;

3. Ограничение по максимальному объему раздела и файла;

4. Снижение быстродействия при фрагментации;

5. Снижение быстродействия при работе с каталогами, содержащими большое количество файлов

3. Файловая система HPFS

Файловая система HPFS впервые была использована для операционной системы OS/2 1.2, чтобы обеспечить доступ к появлявшимся в то время на рынке дискам большого размера

В файловой системе HPFS поддерживается структура каталогов FAT и добавлена сортировка файлов по именам. Имя файла может содержать до 254 двухбайтовых символов. Кроме того, наименьший блок для хранения данных теперь равен размеру физического сектора (512 байт), что позволяет снизить потери дискового пространства.

В каталоге файловой системы HPFS наряду с атрибутами файла здесь хранятся сведения о создании и внесении изменений, а также дата и время доступа. Записи в каталоге файловой системы HPFS указывают не на первый кластер файла, а на FNODE. FNODE может содержать данные файла, указатели на данные файла или другие структуры, указывающие на данные файла.

HPFS старается по возможности располагать данные файла в смежных секторах. Это приводит к повышению скорости последовательной обработки файла.

HPFS делит диск на блоки по 8 МБ каждый и всегда пытается записать файл в пределах одного блока. Разбиение на блоки приводит к повышению производительности.
Кроме того, файловая система HPFS содержит два уникальных объекта данных:

· Суперблок

Суперблок располагается в логическом секторе 16 и содержит указатель на FNODE корневого каталога. В этом кроется главная опасность использования HPFS: если сектор суперблока помечен как поврежденный, это приводит к потере всех данных раздела даже на неповрежденных участках диска. Для восстановления данных их необходимо скопировать на другой диск с неповрежденным сектором 16 и воссоздать суперблок.

· Запасной блок

Запасной блок располагается в логическом секторе 17 и содержит таблицу экстренных исправлений, а также блок резервного каталога. В файловой системе HPFS запись таблицы экстренных исправлений используется при обнаружении дефектного сектора, чтобы логически указать вместо него имеющийся неповрежденный сектор. Эта технология обработки ошибок записи известна как экстренное исправление.

Преимущества файловой системы HPFS

HPFS – оптимальный вариант файловой системы для использования с дисками размером 200–400 МБ.

Недостатки файловой системы HPFS

Дополнительные накладные расходы, связанные с использованием HPFS, снижают эффективность ее применения на дисках размером меньше 200 МБ. Кроме того, производительность также снижается при использовании дисков размером больше 400 МБ. При использовании HPFS под Windows NT нельзя установить параметры безопасности.

Файловая система HPFS поддерживается только операционной системой Windows NT версий 3.1, 3.5 и 3.51. Нельзя получить доступ к разделу HPFS с помощью Windows NT 4.0.

4. Файловая система NTFS

Файловая система Windows NT (NTFS) обеспечивает производительность, надежность и совместимость. NTFS разрабатывалась с целью обеспечения скоростного выполнения стандартных операций над файлами (включая чтение, запись, поиск) и предоставления продвинутых возможностей.
Кроме того, NTFS обладает характеристиками защищенности, которые необходимы на мощных файловых серверах и высокопроизводительных компьютерах в корпоративных средах. Файловая система NTFS поддерживает контроль доступа к данным и привилегии владельца. NTFS - единственная файловая система в Windows NT, которая позволяет назначать права доступа к отдельным файлам.
Файловая система NTFS является простой, и одновременно чрезвычайно мощной. Практически все, что имеется на томе, представляет собой файл, а все, что имеется в файле представляет собой атрибут, включая атрибуты данных, атрибуты системы безопасности, атрибуты имени файла. Каждый занятый сектор на томе NTFS принадлежит какому-нибудь файлу.

Преимущества файловой системы NTFS :

1. Быстрая скорость доступа к файлам малого размера;

2. Размер дискового пространства на сегодняшний день практически не ограничен;

3. Фрагментация файлов не влияет на саму файловую систему;

4. Высокая надежность сохранения данных и собственно самой файловой структуры;

5. Высокая производительность при работе с файлами большого размера;

Недостатки файловой системы NTFS :

Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы организовать эффективную работу с данными, хранящимися во внешней памяти, и обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с такими данными. Организовать хранение информации на магнитном диске непросто. Это требует, например, хорошего знания устройства контроллера диска, особенностей работы с его регистрами. Непосредственное взаимодействие с диском - прерогатива компонента системы ввода-вывода ОС, называемого драйвером диска. Для того чтобы избавить пользователя компьютера от сложностей взаимодействия с аппаратурой, была придумана ясная абстрактная модель файловой системы. Операции записи или чтения файла концептуально проще, чем низкоуровневые операции работы с устройствами.

Перечислим основные функции файловой системы.

1. Идентификация файлов. Связывание имени файла с выделенным ему пространством внешней памяти.

2. Распределение внешней памяти между файлами. Для работы с конкретным файлом пользователю не требуется иметь информацию о местоположении этого файла на внешнем носителе информации. Например, для того чтобы загрузить документ в редактор с жесткого диска, нам не нужно знать, на какой стороне какого магнитного диска, на каком цилиндре и в каком секторе находится данный документ.

3. Обеспечение надежности и отказоустойчивости. Стоимость информации может во много раз превышать стоимость компьютера.

4. Обеспечение защиты от несанкционированного доступа.

5. Обеспечение совместного доступа к файлам, так чтобы пользователю не приходилось прилагать специальных усилий по обеспечению синхронизации доступа.

6. Обеспечение высокой производительности.

Иногда говорят, что файл - это поименованный набор связанной информации, записанной во вторичную память. Для большинства пользователей файловая система - наиболее видимая часть ОС. Она предоставляет механизм для онлайнового хранения и доступа как к данным, так и к программам для всех пользователей системы. С точки зрения пользователя, файл - единица внешней памяти, то есть данные, записанные на диск, должны быть в составе какого-нибудь файла.

37. Простейшая таблица оглавления тома и её элементы

Файловая система включает в себя таблицу содержания и область данных – совокупность блоков на диске, идентифицируемых своими номерами / адресами. Пример простейшей (абстрактной) таблицы содержания, оглавления тома (диска, пакета дисков), которая в разных ОС имеет различные наименования – VTOC – Volume Table of Content(Таблица Содержания Тома), FAT – File Allocation Table (Таблица Размещения Файлов), FDT – File Definition Table (Таблица Определения Файлов) и т. п., приведена на рис. 1.

Рис. 1. Простейшая таблица оглавления тома

Она состоит из трех областей:

· область файлов. Это таблица, имеющая обычно ограниченное (в приведенном примере N =6) число строк N (в MS-DOS, например, N =500, т.е. число файлов не более 500). Количество столбцов M (в примере M= 5)обычно выбирается из тех соображений, чтобы 85 -95%файлом, создаваемых пользователем содержало бы не более М блоков, что зависит как от размера блока и типа пользователя, так и от общего уровня развития информационного и программного обеспечения. Первый столбец таблицы в каждой строке (заглавная запись – Title Record) содержит данные о файле, в данном примере – имя файла;

· область переполнения - дополнительная таблица аналогичной структуры, в которую записываются номера блоков особо длинных файлов (в примере - File_l). Организация таблицы размещения в форме области файлов и области переполнения, очевидно, позволяет сэкономить на объеме таблицы в целом, не ограничивая в то же время вероятной длины файла;

· список свободных блоков - необходимая информация для раз­мещения создаваемых или расширяемых файлов. Список со­здается при инициализации и включает все блоки, кроме по­врежденных, а затем корректируется при создании, удалении, модификации файлов;

· список сбойных блоков. Это таблица, создаваемая при инициа­лизации (разметке) тома (диска), пополняемая программами диагностики (примером которых может служить хорошо изве­стный пользователям NDD - Norton Disk Doctor) и предот­вращающая распределение испорченных областей на магнит­ном носителе под файлы данных.

Перечислим особенности ситуации, зафиксированной на рис.1. в простейшей (искусственной) файловой системе.

File_l занимает 6 блоков, это число больше максимального, по­этому адрес блока № 6 (23) размещен в таблице переполнения;

File_2 занимает 2 блока, что меньше ограничения, поэтому вся информация сосредоточена в области файлов.

Имеются следующие конфликтные ситуации:

· File_3 не содержит ни одного блока (следовательно, файл был удален, но заглавная запись сохранилась);

· File_4 и File_l ссылаются на блок № 3. Это ошибка, посколь­ку каждый блок должен быть закреплен за единственным фай­лом;

· в списке свободных блоков содержатся номера блоков № 12 (помеченный как сбойный) и № 13 (распределенный под File_1).

38. Логическая структура разделов диска на примере IBM- и MS-совместимых файловых систем

Логическими дисками D и E

Максимальное число первичных разделов- 4. Активный раздел тот, где находится системный загрузчик.

MBR - код и данные, необходимые для последующей загрузки операционной системы и расположенные в первых физических секторах (чаще всего в самом первом) на жёстком диске или другом устройстве хранения информации.

Запись расширенного раздела называют SMBR (Secondary Master Boot Record ). Отличие этой записи заключается в том, что она не имеет загрузчика, а таблица разделов состоит из двух записей: основной раздел и расширенный раздел.

39. Файловая система FAT. Структура тома FAT

40. Файловая система NTFS. Структура тома NTFS

41. Реестр ОС Windows

42. Операционные системы семейства Windows NT

43. Некоторые архитектурные модули Windows NT

44. Управление жесткими дисками в Windows NT

45. Проективные операционные системы, их принципы, преимущества, недостатки

46. Процедурные операционные системы, их принципы, преимущества, недостатки

47. История развития и идеология построения ОС Unix

48. Структура ОС Unix

49. Пользовательские интерфейсы Unix

50. Диспетчеризация процессов (задач) в Unix

51. ОС Linux и ее основные преимущества

52. Реализация графического режима в ОС Linux

53. Основные принципы работы в ОС Linux

54. Основные файлы конфигурации ОС Linux

55. Работа с дисковыми накопителями в ОС Linux

56. Приложения для ОС Linux