Диагностика и технология ремонта накопителей на жестких магнитных дисках. Разделы жесткого диска и файловые системы

Файловая система – это, с одной стороны, система управления данными , размещенными на внешнем запоминающем устройстве. Для организации хранения данных на внешнем устройстве, доступа к ним при выполнении операций ОС строит специальные таблицы, справочники. Дисковое пространство может быть организовано по-разному. Поэтому, с другой стороны, файловая система – это сами данные и служебная информация , используемая для управления этими данными, размещенными на одном устройстве, организации их ввода и хранения, выполнения операций над ними (одно устройство – одна файловая система). Способ организации хранения данных на внешних устройствах зависит от используемых в ОС файловых систем.

В настоящее время в различных операционных системах Microsoft используются разные типы файловых систем . Каждая из них имеет свои особенности, и, к сожалению, они могут не распознаваться «неродными» ОС.

Старая файловая система FAT16 распознается всеми ОС, начиная с MS-DOS, она поддерживается Windows , Windows NT, OS/2 и Unix, но она очень неэффективна, много места на диске тратится впустую. FAT32 может вызвать проблемы при установке на ПК нескольких ОС. В приведенной ниже таблице показаны возможности ОС для поддержки различных файловых систем.

Файловая система FAT разработана для небольших дисков и простых структур каталогов. Основа ее организации – таблица FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов). Эта система эффективна только на логических дисках, размер которых не превышает 256 Мб. Место на диске при размещении данных с использованием FAT может выделяться только целыми кластерами , поэтому дисковое пространство может расходоваться впустую, если размещаемый файл не заполняет последний выделенный ему кластер целиком (например, если размер кластера равен 32 Кб, то при размещении на диске файла размером в 10 Кб не будет использоваться 22 Кб выделенной этому файлу дисковой памяти).

При сбоях (например, при внезапном отключении питания) информация о размещении цепочки кластеров, занятых файлом, может быть утеряна. Информация, находящаяся в таблице FAT, может быть испорчена. Это может привести к появлению на диске «мусора» – недоступных для использования кластеров.

Для восстановления файловой системы в состав ОС включаются специальные утилиты, которые сканируют (проверяют) диск и ищут на нем физические повреждения и ошибки в файловой системе.

Общее ограничение размера диска при использовании FAT– 2 Гб. При использовании FAT ограничен размер корневого каталога (512 файлов или папок, а при использовании длинных имен – еще меньше).

Таблица FAT хранится в начале диска. Для повышения надежности работы создается ее копия.

Файловая система FAT32 обеспечивает преимущества по сравнению с реализацией FAT: поддерживаются диски размером до 2 Тб; более эффективно используется дисковое пространство (используются кластеры размером в 4, 8, 16 и 32 Кб); снимается ограничение на размер корневого каталога (он хранится, как и все остальные папки и файлы, в виде цепочки кластеров); обеспечивается большая надежность и более быстрая загрузка программ.

Основной целью при реализации файловой системы NTFS (NT File System) было обеспечение сочетания высокой производительности, надежности и эффективности. В этой системе реализовано скоростное выполнение стандартных операций над файлами (поиск, чтение, запись). NTFS поддерживает контроль доступа к данным и привилегии владельцев. В этой системе можно назначить права (полномочия) на доступ к устройствам, папкам и отдельным файлам.

Файловая система NTFS обладает следующими дополнительными возможностями: ведение журнала дисковой активности (журнала транзакций) позволяет быстро выполнять восстановление дисков после сбоев (каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл, рассматривается как транзакция, т.е. неделимая операция, которая полностью должна быть завершена, а в случае сбоя система выполняет откат на ее начало); гибкие опции форматирования обеспечивают более эффективное использование дискового пространства; опции сжатия позволяют выполнять сжатие отдельных файлов и каталогов (при размерах кластера до 4 Кб); тома могут расширяться и использовать дисковое пространство, не выделенное другим разделам; чередующиеся тома дают возможность ускорить доступ к данным; зеркальные тома и тома RAID-5 обеспечивают отказоустойчивое хранение данных.

Файловая система NTFS 5 предоставляет новые возможности: Windows поддерживает распределенную файловую систему (DFS – Distributed File System), позволяющую объединить в единый логический том все сетевые ресурсы, и файловую систему с шифрованием (EFS – Encrypting File System), являющуюся надстройкой над NTFS, которая дополняет ее возможностями шифрования данных.

Различные операционные системы поддерживают различные файловые системы . Ваш съемный диск должен использовать FAT32 для лучшей совместимости, но если Вы планируете хранить большие файлы – то форматируйте в NTFS. Mac форматирует диски в стандарт HFS+, который не работает с Windows. В Linux тоже есть свои файловые системы.

Почему их так много?

Файловая системы 101

Различные файловые системы – это просто различные способы организации и хранения файлов на жестком диске, флэш-диске или любом другом устройстве хранения. Каждое запоминающее устройство имеет одну или несколько секций, и каждая секция должна быть «отформатирована» в режим определенной файловой системы. Процесс форматирования создает пустую файловую систему такого типа на устройстве.

Файловая система обеспечивает способ разделения данных на диске на отдельные части, которые являются файлами. Он также предоставляет способ хранения данных об этих файлах – например, их имён, разрешений и других атрибутов. Файловая система также предоставляет индекс-список файлов на диске и где они расположены на диске, так что операционная система может видеть, что на диске в одном месте, и ей не придётся «прочесывать» весь диск, чтобы найти файл .

Операционная система должна понимать файловую систему, чтобы она могла отображать её содержимое, открывать файлы и сохранять в них файлы. Если ваша операционная система не понимает файловую систему, Вы можете установить драйвер файловой системы, который обеспечивает поддержку такой файловой системы.

Файловую систему компьютерного диска можно сравнить с системой организации хранения документов – биты данных на компьютере называются «файлами», и они организованы в «файловой системе», как бумажные файлы могут быть организованы в файловые шкафы. Существуют разные способы организации этих файлов и хранения данных – это есть «файловые системы».

Почему так много файловых систем

Не все файловые системы равнозначны. Различные файловые системы имеют различные способы организации своих данных. Некоторые файловые системы работают быстрее, чем другие, некоторые имеют дополнительные функции безопасности , а некоторые поддерживают диски с большими объемами памяти, в то время как другие работают только на дисках с меньшим объемом памяти. Некоторые файловые системы более надежны и устойчивы к повреждению файлов, в то время как другие снижают надежность в угоду скорости.

Не существует лучшей файловой системы , которая подходила бы для всех целей. Каждая компьютерная операционная система имеет тенденцию использовать свою собственную файловую систему, над которой также работают разработчики операционной системы. Microsoft, Apple и разработчики ядра Linux работают над своими файловыми системами. Новые файловые системы могут быть быстрее, стабильнее, лучше масштабироваться для более крупных устройств хранения данных и иметь больше возможностей, чем старые.

Файловая система не похожа на раздел , который является просто куском пространства для хранения. Файловая система определяет, как файлы раскладываются, организовываются, индексируются и как с ними связаны метаданные. Всегда есть возможность настроить и улучшить как это делается.

Переключение файловых систем

Каждый раздел имеет файловую систему. Иногда вы можете «конвертировать» файловую систему раздела, но это редко возможно. Вместо этого, вероятно, Вам придётся сначала скопировать важные данные из раздела.

Операционные системы автоматически форматируют разделы в соответствующую файловую систему в процессе установки . Если у вас есть раздел в формате Windows, на который вы хотите установить Linux, в процессе установки Linux отформатирует раздел NTFS или FAT32 в файловую систему Linux, предпочтительную для вашего дистрибутива Linux.

Таким образом, если у вас есть устройство хранения данных и вы хотите использовать другую файловую систему, просто скопируйте файлы с него, чтобы создать их резервную копию . Затем воспользуйтесь инструментом Управление дисками в Windows, gparted в Linux или дисковой утилитой в Mac OS.

Обзор распространенных файловых систем

Вот краткий обзор некоторых из наиболее распространенных файловых систем, с которыми вы столкнетесь. Он не является исчерпывающим – существует много других файловых систем для специальных задач:

• FAT32 : является одной из наиболее старых файловых систем Windows, но он всё ещё используется на съемных носителях – небольших по объему. Большие внешние жесткие диски объемом 1 ТБ или более будут, в любом случае, отформатированы с помощью NTFS. FAT32 имеет смысл использовать только с небольшими устройствами хранения или для совместимости с другими устройствами, такими как цифровые камеры, игровые консоли, приставки и другие устройства, которые поддерживают только FAT32, но NTFS.
• NTFS : современная версия файловой системы Windows – используется начиная с Windows XP. Внешние диски могут быть отформатированы с помощью FAT32 или NTFS.
• HFS+ : Mac использует HFS+ для своих внутренних разделов, ей же форматирует внешние диски – для использования внешнего жесткого диска с Time Machine требуется, чтобы атрибуты файловой системы можно было добавлять в резервную копию. Маки также могут читать и записывать файлы в файловые системы FAT32, но Вам понадобится стороннее программное обеспечение для записи в файловые системы NTFS с Mac.
• Ext2 / Ext3 / Ext4 : Вы будете часто видеть файловые системы ext2, ext3 и ext4 в Linux. Ext2 является более старой файловой системой, и она не имеет важных функций, таких как ведение журнала – если питание гаснет или компьютер аварийно завершает работу во время записи на диск ext2, данные могут быть потеряны. Ext3 добавляет эти характеристики робастности за счет некоторой скорости. Ext4 является более современным и быстрым вариантом – это файловая система используется по умолчанию на большинстве дистрибутивов Linux. Windows и Mac не поддерживают эти файловые системы – вам понадобится сторонний инструмент для доступа к файлам в таких файловых системах. Вместе с тем, Linux может читать и записывать как в FAT32, так и в NTFS.
• Btrfs : это новая файловая система Linux, которая всё ещё находится в разработке. На данный момент он не является стандартным для большинства дистрибутивов Linux, но, вероятно, однажды заменит Ext4. Цель состоит в том, чтобы предоставить дополнительные функции, которые позволяют Linux масштабировать до больших объемов хранения.
• Swap : в Linux файловая система «swap», на самом деле, не является файловой системой. Раздел, отформатированный как «swap», может быть использован в качестве пространства подкачки операционной системы – как файл подкачки Windows, но требует специальный раздел.

Существуют и другие файловые системы, особенно в Linux и других Unix-подобных системах.

Типичный пользователь компьютера не должен знать большую часть этого материала – но знание основ поможет Вам понять такие вопросы, как: «почему этот диск в формате Mac не работает с моим ПК на Windows?» и «должен ли я отформатировать этот жесткий диск USB как FAT32 или NTFS?».

Так же, как и при установке новой копии Windows, о разбиении винчестера на разделы нужно продумать заранее. Есть несколько вещей, которые вы должны знать о разделах, которые требуются при установке Ubuntu Linux. Установка Ubuntu требует как минимум двух разделов: один для самой операционной системы - обозначается «/» и называется «root» (корневой раздел), а второй для виртуальной памяти (для файлов подкачки) - называется «swap». Есть еще третий раздел - Home, создается по желанию, на нем будут храниться основные настройки приложений и файлы пользователя.

Разделы жесткого диска

Раздел - часть долговременной памяти жёсткого диска или флеш-накопителя, выделенная для удобства работы, и состоящая из смежных блоков. На одном устройстве хранения может быть несколько разделов.

Создание разделов на различных видах современных накопителей почти всегда предусмотрено (хотя, к примеру, на, ныне уже не используемых, флоппи-дисках было невозможно создать несколько разделов). Однако в Windows, с флешки с несколькими разделами будет доступен только первый из них (в Windows принято считать флешки аналогом флоппи-диска, а не жесткого диска).

Преимущества использования нескольких разделов

Выделение на одном жёстком диске нескольких разделов даёт следующие преимущества:

На одном физическом жёстком диске можно хранить информацию в разных файловых системах, или в одинаковых файловых системах, но с разным размером кластера (например, выгодно хранить файлы большого размера - например, видео - отдельно от маленьких, и задавать больший размер кластера для хранилища больших файлов);

Можно отделить информацию пользователя от файлов операционной системы;

На одном жёстком диске можно установить несколько операционных систем;

Манипуляции с одной файловой системой не сказываются на других файловых системах.

Таблица разделов жесткого диска

Существует несколько типов таблиц разделов жестких дисков. Наиболее распространенной на данным момент являемся IBM-PC совместимая таблица разделов, являющаяся частью главной загрузочной записи (MBR). MBR располагается в первом(нулевом) физическом секторе жесткого диска. Однако в последнее время начинает все чаще использоваться таблица GPT (GUID Partition Table). Если ваш диск имеет таблицу разбиения GPT, то вам не нужно заботится о количестве разделов (в GPT по умолчанию зарезервировано место под 128 разделов) и разбираться с типами разделов (в GPT - все разделы первичные). Если у вас MBR разбивка - то в данной статье приводится детальное описание такого разбиения диска.

Структура диска, разбитого на разделы (MBR)

Информация о размещении разделов на жёстком диске хранится в таблице разделов, которая является частью главной загрузочной записи (MBR).

Раздел может быть либо первичным , либо расширенным .

В первом секторе каждого первичного раздела находится загрузочный сектор, отвечающий за загрузку операционной системы с этого раздела. Информация о том, какой раздел будет использован для загрузки операционной системы, тоже записана в главной загрузочной записи.

В MBR под таблицу разделов выделено 64 байта. Каждая запись занимает 16 байт. Таким образом, всего на жестком диске может быть создано не более 4 разделов. Когда разрабатывалась структура MBR, это считалось достаточным. Однако, позднее был введён расширенный раздел , в котором можно прописать несколько логических разделов.

По правилам расширенный раздел может быть только один. Таким образом, в максимальной конфигурации на жёстком диске может быть сформировано три первичных и один расширенный раздел, содержащий несколько логических .

Виды разделов

Первичный (основной) раздел

Первичный раздел обязательно должен быть на физическом диске. Этот раздел всегда содержит либо одну файловую систему, либо другие логические разделы. На физическом диске может быть до четырёх первичных разделов. Некоторые старые операционные системы - например, MS -DOS и Windows - могли быть установлены только на первичный раздел.

Расширенный и Логические разделы

Таблица разделов может содержать не более 4 первичных разделов, поэтому были изобретёны расширенный разделы. В расширенном разделе можно создать несколько логических разделов. Логические разделы выстраиваются в цепочку где информация о первом логическом разделе храниться в MBR, а информация о последующем хранится в первом секторе логического раздела. Такая цепочка позволяет (в теории) создавать неограниченное количество разделов, но (на практике) число логических разделов ограничивается утилитами и, обычно, больше 10 логических разделов не создать.

Важно отметить что некоторые версии Windows не могут загрузиться с логического раздела (нужен обязательно первичный раздел), тогда как для Linux никакой разницы в виде разделов - нет, Linux загружается и работает с разделами совершенно независимо от их вида (первичный или логический).

Выбор файловой системы

Подобно Windows, Linux за свою жизнь повидала несколько разных файловых систем. Ubuntu «понимает» файловые системы Windows, но не установится на них. Ubuntu может сразу же записывать и считывать из разделов FAT16, FAT32 и VFAT и NTFS. Однако Windows не может работать с файловыми системами Linux, и вам придётся передавать файлы в и из Windows из-под операционной системы Ubuntu.

Помимо знакомых файловых систем Windows, вы можете выбрать несколько таких, которые вы, возможно, не знаете. Среди таких файловых систем - ext4 . Ext4 в настоящий момент является одной из самых подходящих файловых систем для настольной системы. Файловые системы ext3 и ext2 сейчас используются редко: ext3 - чуть более старая версия ext4, и не имеет никаких преимуществ перед ext4, а ext2 не имеет журналирования , без него при, системном сбое будет трудно восстановить данные. Файловые системы BTRFS, XFS, ReiserFS, Reiser4, JFS и т.д. также можно использовать, однако их стоит выбирать исходя из понимания особенностей этих ФС (стоит почитать немного о разных ФС, что бы сделать правильный выбор). Раздел «swap» предназначен только для виртуальной памяти и в отличие от других файловых систем ему не требуется точка монтирования.

Точки монтирования

Linux не назначает буквы каждому диску и разделу, как в Windows и DOS. Вместо этого вы должны задать точку монтирования для каждого диска и раздела. Linux работает по принципу иерархического дерева каталогов, где корневой каталог ( /) является основной точкой монтирования, в которую по умолчанию входят все остальные. В отличии от Windows в Linux все используемые разделы дисков монтируются в подкаталоги корня, а не как отдельные устройства (C:, D: …).

К примеру, в /home хранятся все ваши персональные файлы. Если вы хотите разместить эти данные в отдельном от корня разделе, то создадите новый раздел и установите точку монтирования на /home . Это можно сделать для любого подкаталога. Во время установки Ubuntu предоставляет возможность задать следующие точки монтирования: /boot (начальный загрузчик и заголовки ядра), /dev (драйверы и устройства), /home (пользовательские файлы), /opt (дополнительное программное обеспечение), /srv (системные сервисы) /tmp (временные файлы), /usr (приложения), /usr/local (данные, доступные всем пользователям) и /var (server spool и логи). Также при установке можно создать и свои точки монтирования с произвольными именами.

Для типичной настольной системы нет никакого смысла выделять собственные разделы для /dev , /opt , /srv , /tmp , /usr/local и /var . Если вы планируете запускать более двух операционных систем или использовать шифрование корневого раздела, то возможно потребуется отдельный раздел для /boot . Иногда стоит также создать раздел для /usr , но только если вы уже имеете чёткое представление о том, сколько места займут приложения. Желательно создать отдельный раздел для /home . Это предоставит вам дополнительные удобства при обновлении и переустановке системы.

Минимально можно ограничится только двумя разделами: «root» и «swap», тогда /boot , /home , /usr и все остальные будут просто храниться в корневом разделе ( /).

Структура файловой системы

Объем раздела для корня файловой системы

Свежеустановленная система Ubuntu занимает 4-6 Гб дискового пространства, однако при активном использовании (установке большого количества программ, увеличении кэша программ, и т.д.) или возникновении сбоев в работе, что приводит к росту объема папок с логами системы (/var/log ) может понадобиться большее количество дискового пространства, поэтому для корня файловой системы необходимо выделять раздел 10-15Гб.

Объем раздела для /home

Разделу с папкой /home обычно отдают всё оставшееся пространство, если Ubuntu будет единственной системой на ПК и все мультимедиа данные будут храниться в ней, или, в случае установки рядом с Windows, выделяют отдельный раздел в формате NTFS для мультимедиа данных, а раздел для /home делают минимальным только для хранения файлов конфигурации.

Перенос папки /home на новый раздел после установки

Часто возникает желание привести в порядок неправильно разбитый жесткий диск при установке Ubuntu. При этом возникает необходимость перенести папку /home на отдельный раздел жесткого диска. Ниже приведена краткое руководство действий для выполнения этой задачи.

Создание отдельного раздела

new_home

по опыту в повседневной работе система не требует более 1Гб оперативной памяти, значит если у вас установлено 4 и более Гб оперативной памяти, то для целей подкачки SWAP не нужен

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.

Файловая система определяет то, как будут храниться данные на диске, и какие принципы доступа к хранимой информации могут быть использованы при её считывании.

Мы привыкли воспринимать информацию на нашем ПК в виде конкретных файлов, аккуратно (или не очень:)) разложенных по папкам. А, между тем, Ваш компьютер работает с данными совсем по иному принципу. На жёстком диске для него не существует цельных файлов. Он "видит" лишь чётко адресованные секторы с байт-кодом. Причём код одного файла не всегда хранится в соседних секторах (так называемая фрагментация данных).

Как же компьютер "понимает", где ему, например, искать наш текстовый документ, который лежит, скажем, на Рабочем столе? За это, оказывается, отвечает файловая система жёсткого диска. И сегодня мы с Вами узнаем, какие бывают файловые системы и каковы их особенности.

Что такое файловая система

Чтобы понять, что такое файловая система, лучше всего воспользоваться методом аналогий. Представим, что жёсткий диск - это некий ящик, в котором хранятся разноцветные кубики. Эти кубики - части разных файлов, хранящихся в ограниченных по размеру ячейках, называемых кластерами . Они могут быть просто навалены кучей или иметь определённый порядок размещения. Так вот, если эти условные кубики хранятся не хаотичной грудой, а в соответствии с какой-то логикой, мы и можем говорить о наличии некоего аналога файловой системы.

Файловая система определяет порядок хранения данных на диске и принципы доступа к ним, однако, во многом тип файловой системы зависит и от типа носителя. Например, очевидно, что для магнитной ленты, которая поддерживает запись только последовательных блоков данных, подойдёт лишь одноуровневая файловая система с последовательным доступом к кластерам с информацией, а для современного SSD-диска - любая многоуровневая с произвольным доступом:

По принципу последовательности хранения блоков данных файловые системы, как мы уже увидели, можно разделить на те, которые хранят кластеры с фрагментами файла последовательно или произвольно . Что касается уровней, то по ним ФС можно разделить на одноуровневые и древовидные (многоуровневые).

В первом случае все файлы отображаются в виде единого плоского списка, а во втором - в виде иерархического. Уровень вложений при этом, как правило, неограничен, а ветвление идёт либо только от одного ("root" в UNIX), либо от нескольких корневых каталогов (логические диски в Windows):

К особенностям файловых систем можно также отнести наличие различных механизмов, защищающих структуру данных от сбоев. Одним из наиболее современных механизмов обеспечения отказоустойчивости ФС является журналирование . Оно позволяет записывать в специальные служебные файлы (их называют "журналами" или "логами") все действия, производимые с файлами.

Журналирование может быть полным , когда для каждой операции создаётся бэкап не только состояния кластеров, но и всех записанных данных. Такое журналирование часто применяют для различных баз данных, но оно существенно замедляет работу системы и увеличивает размер логов (фактически логи хранят полный бэкап всей файловой системы со всеми её данными).

Гораздо же более часто журналируются только логические операции и (опционально) состояние кластеров файловой системы. То есть, в журнал записывается только то, что, скажем, файл с именем "file.txt" размером 52 КБ был записан в такие-то кластеры. Содержимое же самого файла в логе никак не значится. Такой подход позволяет избежать дублирования данных, ускоряет процессы работы с файлами и уменьшает в разы размеры самого журнала. Единственный недостаток при таком способе журналирования - при сбое могут быть потеряны записываемые данные (поскольку их копии нет), но само состояние файловой системы останется работоспособным.

Форматирование

Поскольку мы говорим о файловых системах в контексте современных компьютеров с их жёсткими или SSD-дисками, то большее внимание мы уделим именно многоуровневым ФС с произвольным доступом к кластерам. Наиболее популярными в компьютерном мире сегодня являются: FAT32, NTFS, exFAT, ext3/ext4, ReiserFS и HFS+.

Изменение файловой системы на диске достигается его форматированием . Оно предусматривает создание на уровне жёсткого диска в начальном его секторе специальных служебных меток, определяющих принципы доступа к данным. При этом кластеры с имеющимися данными при форматировании, как правило, очищаются или помечаются как пустые и доступные для перезаписи. Исключением являются частные случаи конвертации файловой системы (например, из FAT32 в NTFS), при которой вся структура данных сохраняется.

Для форматирования можно воспользоваться штатными средствами операционной системы (например, консольными командами Linux или контекстным меню диска в Windows), функциями, доступными на подготовительном этапе установки ОС, или же специальными программами. Единственное, что следует учесть при программном решении, так это то, что Ваша операционная система может не поддерживать выбранную Вами файловую систему без установки дополнительных драйверов (например, ext3/4 в Windows):

Существует также понятие низкоуровневого форматирования . Изначально оно подразумевало очистку диска с записью в его кластеры специальной служебной информации для выравнивания считывающих головок. Для современных жёстких дисков такой функции на программном уровне уже не предусмотрено (сделать это можно лишь при помощи спецоборудования), однако понятие низкоуровневого форматирования сохранилось, правда немного трансформировалось.

Осуществляется оно сейчас при помощи специального софта (HDD Low Level Format Tool для Windows) или команд (DD для Linux). При его применении все кластеры жёсткого диска перезаписываются нулями и полностью уничтожается любая разметка. После этого файловая система фактически исчезает и в Windows отображается как RAW . Чтобы получить доступ к диску после такого форматирования, нужно отформатировать его в одной из доступных традиционных файловых систем более высокого уровня.

Особенности файловых систем

Ну а теперь рассмотрим некоторые особенности самых распространённых файловых систем.

FAT32

Одна из самых старых файловых систем для дисков, которая ещё широко используется в наши дни - FAT32 (сокр. англ. "File Allocation Table" - "таблица размещения файлов"). В силу своей распространённости, она поддерживается максимальным числом всевозможного оборудования, начиная с автомагнитол, кончая мощными современными компьютерами. Большинство флеш-накопителей, продаваемых сегодня, тоже отформатированы в FAT32.

Впервые данная ФС появилась в Windows 95 OSR2 в 1996 году, став логическим развитием ещё более ранней FAT16 (1983 год). Одной из основных причин перехода на новую файловую систему стало появление ёмких (по тем временам) жёстких дисков объёмом более 2 ГиБ (гибибайт - более точный вариант гигабайта (109 ) - 230 байт) (максимально возможный размер раздела в FAT16). FAT32 позволила использовать до 268 435 445 кластеров максимум по 32 КБ, что эквивалентно 8 ТиБ на том. Однако, если размер кластера будет стандартным (512 Б), то максимальный размер тома будет лишь чуть более 127 ГБ.

Основой FAT32, как следует из её названия, является файловая таблица. Она хранит в себе записи об имеющихся файлах, а также о времени их создания и последнего доступа к ним. Журналирование отсутствует, поэтому процессы чтения/записи в этой файловой системе происходят быстрее, нежели, например, в NTFS, которая ведёт более полные логи. Именно по причине хорошего быстродействия FAT32 всё ещё широко используется в наши дни.

Главным же недостатком FAT32 на данный момент является ограничение на максимальный размер файла - 4 ГиБ. Файлы, превышающие данный порог, должны быть разбиты на части, что в свою очередь, затрудняет доступ к ним. Кроме того, FAT32 имеет ещё некоторые ограничения в среде Windows. Например, штатными средствами Вы не сможете создать разделы более 32 ГБ. Поэтому флешки на 64 ГБ и более придётся форматировать либо при помощи специального софта, либо на Linux.

Однако, и в этом случае, хоть доступ к носителю и сохранится, но он будет затруднён "тормозами" как при чтении, так и при записи данных. Поэтому при использовании накопителей объёмом более 32 ГБ лучше отформатировать их в иных файловых системах, вроде exFAT или NTFS.

NTFS

Если линейка Windows 95/98 продолжала традиции уже на тот момент устаревающей операционной системы DOS, то новая линейка NT изначально была направлена на инновации. Поэтому с появлением Windows NT 3.1 в 1993 году специально под неё была создана новая файловая система NTFS (сокр. англ. "New Technology File System" - "файловая система новой технологии").

Эта файловая система до сих пор является основной для всех современных версий Windows, поскольку обеспечивает неплохую скорость работы, поддерживает накопители объёмом до 16 ЭиБ (эксбибайт - 260 ) (при максимальном размере кластера в 64 КБ) без ограничений по размерам файлов и имеет в своём арсенале довольно неплохой функционал. Например, NTFS является журналируемой файловой системой, а также поддерживает распределение ролей пользователей для доступа к отдельным данным, чего не было в той же FAT32.

Как и в FAT32, основой NTFS является таблица, но она являет собой более совершенную базу данных и называется MFT (сокр. англ. "Master File Table" - "главная файловая таблица"). Строки в этой таблице соответствуют файлам, хранящимся на конкретном разделе, а столбцы содержат атрибуты этих файлов (дата создания, размер, права доступа и т.п.).

Кроме того, для повышения отказоустойчивости в NTFS ведётся журнал USN (сокр. англ. "Update Sequence Number" - досл. "номер порядка обновления"). В этот журнал, аналогично таблице FAT32, записываются данные об изменениях того или иного файла. Однако, если в таблице FAT32 записывалось только время последнего доступа к данным, что не давало никаких особых практических выгод, то в USN может сохранятся предыдущее состояние файловой системы, что позволяет восстанавливать его в случае сбоев.

Ещё одной особенностью NTFS является поддержка альтернативных потоков данных (англ. "Alternate Data Streams" - ADS). Изначально они были задуманы для разграничения выполнения различных процессов. Потом (в Windows 2000) использовались для хранения некоторых атрибутов файлов (имя автора, иконка и т.п.), аналогично тому, как это делалось в HFS от MacOS. В современных Windows альтернативные потоки могут хранить практически любую информацию. Этим даже пользуются некоторые вирусы для скрытия своего присутствия в системе.

Дело в том, что альтернативные потоки не пеленгуются Проводником Windows и, по сути, невидимы для пользователей и большинства программ. Однако, Вы можете их просматривать и даже пользоваться ими, например, для скрытия каких-либо данных при помощи специального ПО. Смотреть данные в альтернативных потоках удобно при помощи программы NTFS Stream Explorer , а использовать их для сокрытия файлов при помощи Xp-lore :

Из дополнительных особенностей, которые заслуживают упоминания для NTFS, являются поддержка шифрования, сжатия данных, "мягких" и "жёстких" ссылок на файлы (для папок такой возможности, увы, нет), дисковых квот для разных пользователей системы, а также, естественно, разграничения прав на доступ к файлам.

NTFS изначально была создана исключительно для Windows, однако, сегодня поддерживается большинством медиаплееров (флешки могут быть тоже отформатированы в ней), операционными системами Linux и MacOS (правда, с некоторыми ограничениями на запись). Стоит, однако, отметить слабую поддержку NTFS на популярных игровых консолях. Из них поддержка её есть только у Xbox One.

exFAT

С увеличением во второй половине 2000-х годов объёмов флеш-накопителей стало ясно, что повсеместно используемая файловая система FAT32 скоро исчерпает свой потенциал. Использовать журналируемую NTFS для флешек с их ограниченным количеством циклов перезаписи и более медленной работой оказалось не совсем целесообразно. Поэтому в 2006 году всё та же корпорация Microsoft выпустила в свет новую файловую систему exFAT (сокр. англ. "Extended FAT" - "расширенная FAT") в комплекте с операционной системой Windows Embedded CE 6.0:

Она стала логическим продолжением развития FAT32, поэтому иногда её называют также FAT64. Главным козырем новой файловой системы стало снятие ограничения на размеры файлов и увеличение теоретического предела для дискового раздела до 16 ЭиБ (как в NTFS). При этом, в силу отсутствия журналирования, exFAT сохранила высокую скорость доступа к данным и компактность.

Ещё одним преимуществом exFAT стала возможность увеличения размера кластера до 32 МБ, что существенно позволило оптимизировать хранение больших файлов (например, видео). Кроме того, хранение данных в exFAT организовано таким образом, чтобы максимально минимизировать процессы фрагментации и перезаписи одних и тех же кластеров. Всё это сделано, опять же, в угоду оптимизации работы флеш-накопителей, для которых и была изначально разработана файловая система.

В силу того, что exFAT - относительно новая ФС, имеются некоторые ограничения по её использованию. В Windows полная её поддержка появилась лишь в Vista SP1 (хотя есть обновление для Windows XP SP2 - ). MacOS поддерживает exFAT с версии 10.6.5, а для Linux требуется устанавливать отдельный драйвер (в некоторых дистрибутивах он встроен, а в некоторых поддерживается только чтение).

ext2, ext3 и ext4

Если в среде Windows уже не первое десятилетие "правит бал" NTFS, то в лагере Linux традиционно царит очень большое разнообразие, в том числе и среди применяемых файловых систем. Правда, есть одна их линейка, которая используется большинством дистрибутивов по умолчанию. Это файловые системы семейства ext (англ. сокр. "Extended File System" - "расширенная файловая система"), которые с 1992 года изначально создавались именно под Linux.

Наибольшее распространение получила вторая версия ext2 , которая, как и NTFS, появилась ещё в 1993 году. Правда, в отличии от NTFS, ext2 не является журналируемой файловой системой. Это одновременно и её плюс, и минус. Плюс в том, что она является одной из самых быстрых ФС на запись данных. Также отсутствие журналирования делает предпочтительным её использование на флеш-накопителях и SSD-дисках. Платой же за быстродействие является низкая отказоустойчивость.

С целью улучшить стабильность ext2 в 2001 году была разработана её улучшенная версия ext3 . В ней появилось журналирование, которое может работать в трёх режимах: "writeback" (записываются только метаданные файловой системы), "ordered" (запись в журнал производится всегда ПЕРЕД изменением ФС) и "journal" (полный бэкап метаданных и самих изменяемых файлов).

В остальном особых новшеств не появилось. Да и скорость работы, по сравнению с предыдущей версией, существенно снизилась, поэтому уже в 2006 году появился прототип следующей стадии развития файловой системы ext4 , окончательный релиз которой состоялся в 2008 году. Четвёртая расширенная файловая система сохранила журналирование, но существенно повысила скорость чтения данных, которая стала даже выше, чем в ext2!

Из других новшеств стоит отметить увеличение максимального объёма раздела диска до 1 ЭиБ (с 32 ТиБ в ext2 и ext3), увеличение максимального размера файла до 16 ТиБ (с 2 ТиБ в более ранних версиях) и появление механизма экстентов (от англ. "extent" - "пространство"). Последний позволяет обращаться не к одиночным блокам, как это реализовано в других ФС (и в ext3 в частности), а к объединённым пространствам диска из последовательно идущих кластеров, общим объёмом до 128 МБ, что существенно повышает производительность и уменьшает фрагментацию данных.

На сегодняшний день поддержка файловых систем семейства ext той или иной версии присутствует по умолчанию почти во всех Linux"ах. Из них, практически все системы 2010 года выпуска и старше поддерживают ext4. Для доступа к ext-разделам в Windows и MacOS требуется устанавливать специальное ПО и/или драйверы.

ReiserFS

Ещё одной молодой и перспективной файловой системой "родом" из мира Linux является ReiserFS . Стараниями команды американского разработчика Ганса Райзера она стала первой журналируемой ФС, которая была добавлена в ядро Linux версии 2.4.1 в 2001 году, как раз перед добавлением поддержки ext3.

Фактически, как и появившаяся вслед за ней ext3, ReiserFS дала возможность использовать в Linux полное или частичное журналирование. Однако, в отличие от ext3, имела больший допустимый размер файла (до 8 ТиБ против 2) и максимальную длину имени файла равную 255 символам, а не байтам (4032 байт).

Также одной из особенностей ReiserFS, за которую она полюбилась пользователям стала возможность менять размер раздела без его размонтирования. Подобной функции не было у ext2, но позднее она появилась в ext3, хотя ReiserFS в этом плане тоже была первой.

Несмотря на ряд преимуществ перед альтернативными файловыми системами своего времени, ReiserFS также не была лишена недостатков. К наиболее существенным из них стоит отнести довольно слабую отказоустойчивость при повреждении структуры метаданных и неэффективный алгоритм дефрагментации. Поэтому с 2004 года началась работа по улучшению файловой системы, которая стала известна под названием Reiser4 .

Правда, несмотря на ряд нововведений, улучшений и исправлений, новая файловая система осталась уделом немногих энтузиастов. Дело в том, что в 2006 году Ганс Райзер совершил убийство собственной жены и был взят под стражу, а позднее и заключён в тюрьму. Соответственно, его компания Namesys, которая занималась разработкой Reiser4, была расформирована. С тех пор поддержку и доработку файловой системы осуществляет группа разработчиков под курированием русского разработчика Эдуарда Шишкина.

В конечном итоге поддержка Reiser4 в ядро Linux до сих пор так и не добавлена, но ReiserFS имеется. Поэтому многие продолжают использовать её в различных сборках как файловую систему по умолчанию.

HFS

Говоря о файловых системах, характерных для различных операционок, нельзя не упомянуть о MacOS с её HFS (сокр. англ. "Hierarchical File System" - "иерархическая файловая система"). Первые версии данной системы появились ещё в 1985 году вместе с операционной системой Macintosh System 1.0:

По современным меркам данная файловая система была весьма малоэффективной, поэтому в 1998 года вместе с MacOS 8.1 появилась её улучшенная версия под названием HFS+ или Mac OS Extended , которая поддерживается до сегодняшнего дня.

Как и предшественница, HFS+ делит диск на блоки по 512 КБ (по умолчанию), которые объединяет в кластеры, ответственные за хранение тех или иных файлов. Однако, новая ФС имеет 32-битную адресацию (вместо 16-битной). Это позволяет избежать ограничений на размер записываемого файла и обеспечивает поддержку максимального размера тома до 8 ЭиБ (а в последних ревизиях до 16 ЭиБ).

Из других преимуществ HFS+ нужно отметить журналирование (под него выделяется целый скрытый том под названием HFSJ), а также многопоточность. Причём, если в NTFS альтернативные потоки не имеют особо чёткой регламентации на типы хранимой информации, то в HFS+ конкретно выделяется два потока: поток данных (хранит основные данные файлов) и поток с ресурсами (хранит метаданные файлов).

HFS+ практически идеальна для традиционных HDD, однако, как и рассмотренная выше ReiserFS, имеет не самые эффективные алгоритмы борьбы с фрагментацией данных. Поэтому с распространением SSD-накопителей и внедрением их в технику Apple всё чаще на смену ей приходит файловая система, разработанная в 2016 году APFS (сокр. англ. "Apple File System" - "Файловая система Apple"), появившаяся в настольной macOS High Sierra (10.13) и мобильной iOS 10.3.

Во многом APFS сходна с exFAT в плане оптимизации процессов чтения/записи, однако, в отличие от неё, имеет журналирование, поддерживает распределение прав доступа к данным, имеет улучшенные алгоритмы шифрования и сжатия данных, а также может работать с томами размером аж до 9 ЙиБ (не смейтесь - "йобибайт ") за счёт 64-битной адресации!

Единственным минусом APFS является то, что она поддерживается лишь современной техникой Apple и пока недоступна на других платформах.

Сравнение файловых систем

Сегодня мы рассмотрели много различных популярных файловых систем, поэтому не мешало бы свести все данные о них в единую таблицу:

Характеристики / ФС	FAT32	NTFS	exFAT	ext2	ext4	ReiserFS	HFS+	APFS
Год внедрения	1996	1993	2008	1993	2006	2001	1998	2016
Сфера применения		Windows, съёмные накопители, Linux	съёмные накопители, Windows Vista+, Linux	Linux, съёмные накопители	Linux	Linux	MacOS	MacOS
Максимальный размер файла	4 ГиБ	16 ЭиБ	16 ЭиБ	2 ТиБ	16 ТиБ	8 ТиБ	16 ЭиБ	9 ЙиБ
Максимальный размер тома	8 ТиБ	16 ЭиБ	64 ЗиБ (зебибайт)	32 ТиБ	1 ЭиБ	16 ТиБ	16 ЭиБ	9 ЙиБ
Журналирование	-	+	-	-	+	+	+	+
Управление правами доступа	-	+	-	-	+	+	+	+

Выводы

Как видим, для каждой операционной системы существует своя оптимальная файловая система, которая позволяет наиболее эффективно работать с данными. Например, для Windows - это NTFS, для MacOS - HFS+ или APFS. Исключением из правила можно считать лишь многочисленные дистрибутивы Linux. Здесь имеется не один десяток файловых систем, каждая со своими преимуществами и недостатками.

Большинству же пользователей Windows стоит запомнить лишь три наиболее распространённые ФС: FAT32 - для небольших флешек и старого оборудования, NTFS - для большинства компьютеров и exFAT - для ёмких флеш-накопителей и внешних SSD-дисков (об актуальности форматирования системного диска в exFAT до сих пор спорят в виду отсутствия журналирования и большей подверженности сбоям).

P.S. Разрешается свободно копировать и цитировать данную статью при условии указания открытой активной ссылки на источник и сохранения авторства Руслана Тертышного.