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

Файловая система с точки зрения пользователя - это "пространство", в котором размещаются файлы. А как научный термин - это способ хранения и организации доступа к данным на информационном носителе или его разделе. Наличие файловой системы позволяет определить, как называется файл, где он находится. Поскольку на IBM PC - совместимых компьютерах информация храниться в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках). Мы рассмотрим файловую систему FAT.

2.1 Система FAT16

Файловая система FAT 16, являющаяся основной для операционных систем DOS, Windows 95?98?Me, Windows NT?2000?XP, а также поддерживается большинством других систем. FAT 16 представляет собой простую файловую систему, разработанную для небольших дисков и простых структур каталогов. Название происходит от названия метода организации файлов - Таблица размещения файлов (File Allocation Table). Эта таблица размещается в начале диска. Число 16 означает, что данная файловая система 16-разрядная - для адресации кластеров используется 16 разрядов. Операционная система использует Таблицу размещения файлов для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске. Кроме того, в Таблице фиксируются сведения о свободных и дефектных кластерах. Чтобы легче было осмыслить файловую систему FAT16 представьте себе оглавление книги и как вы работаете с этим оглавлением, вот именно также операционная система работает с FAT 16.

Чтобы прочитать файл, операционная система должна найти по имени файла запись в папке и прочитать номер первого кластера файла. Первый кластер представляет собой начало файла. Затем необходимо прочитать соответствующий первому кластеру файла элемент FAT. Если элемент содержит метку - последний в цепочке, то дальше ни чего искать не нужно: весь файл умещается в одном кластере. Если кластер не последний, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера. Содержимое следующего кластера должно быть прочитано вслед за первым. Когда будет найден последний кластер в цепочке, то, если файл не занимает весь кластер целиком, необходимо отсечь лишние байты кластера. Лишние байты отсекаются по длине файла, хранящейся в записи папки.

Чтобы записать файл, операционная система должна выполнить следующую последовательность действий. В свободном элементе папки создается описание файла, затем ищется свободный элемент FAT, и ссылка на него размещается в записи папки. Занимается первый кластер, описываемый найденным элементом FAT. В этот элемент FAT помещается номер следующего кластера или признак последнего кластера в цепочке.

Операционная система действует таким образом, чтобы собирать цепочки из соседних кластеров по нарастанию номера. Понятно, что обращение к последовательно расположенным кластерам будет происходить значительно быстрее, чем к кластерам, случайным образом разбросанным по диску. При этом игнорируются уже занятые и помеченные в FAT как дефектные кластеры.

В файловой системе FAT16 под номер кластера отведено 16 разрядов. Поэтому максимальное количество кластеров составляет 65525, а максимальный размер кластера 128 секторов. В таком случае максимальный размер разделов или дисков в FAT16 составляет 4,2 гигабайта. При логическом форматировании диска или раздела операционная система старается использовать минимальный размер кластера, при котором получающееся количество кластеров не превышает 65525. Очевидно, что чем больше размер раздела, тем больше должен быть размер кластера. Многие операционные системы неправильно работают с кластером размером в 128 секторов. В результате максимальный размер раздела FAT16 уменьшается до 2 гигабайт. Обычно, чем больше размер кластера, тем больше становятся потери дискового пространства. Это связано с тем, что последний кластер, занимаемый файлом, заполнен лишь частично. Например, если файл размером 17 Кбайт записывается в раздел с размером кластера 16 Кбайт, то этот файл займет два кластера, причем первый кластер будет заполнен полностью, а во втором кластере будет записан только 1 Кбайт данных, а остальные 15 Кбайт пространства второго кластера останутся не заполненными и будут недоступными для записи других файлов. Если на больших дисках записывается большое количество маленьких файлов, то потери дискового пространства будут значительны. В следующей таблице 2.1 приводятся сведения о возможных потерях дискового пространства при разных размерах раздела.

Файловая система FAT32 - более новая файловая система на основе формата FAT, она поддерживается Windows 95 OSR2, Windows 98 и Windows Millennium Edition. FAT32 использует 32-разрядные идентификаторы кластеров, но при этом резервирует старшие 4 бита, так что эффективный размер идентификатора кластера составляет 28 бит. Поскольку максимальный размер кластеров FAT32 равен 32 Кбайт, теоретически FAT32 может работать с 8-терабайтными томами. Windows 2000 ограничивает размер новых томов FAT32 до 32 Гбайт, хотя поддерживает существующие тома FАТ32 большего размера (созданные в других операционных системах). Большее число кластеров, поддерживаемое FAT32, позволяет ей управлять дисками более эффективно, чем FAT 16. FAT32 может использовать 512-байтовые кластеры для томов размером до 128 Мбайт.

Файловая система FAT 32 в Windows 98 используется в качестве основной. С этой операционной системой поставляется специальная программа преобразования диска из FAT 16 в FAT 32. Windows NT и Windows 2000 тоже могут использовать файловую систему FAT, и поэтому можно загрузить компьютер с DOS-диска и иметь полный доступ ко всем файлам. Однако некоторые из самых прогрессивных возможностей Windows NT и Windows 2000 обеспечиваются ее собственной файловой системой NTFS (NT File System). NTFS позволяет создавать на диске разделы объемом до 2 Тбайт (как и FAT 32), но, кроме этого, в нее встроены функции сжатия файлов, безопасности и аудита, необходимые при работе в сетевой среде. А в Windows 2000 реализуется поддержка файловой системы FAT 32. Установка операционной системы Windows NT начинается на диске FAT, но по желанию пользователя в конце установки данные на диске могут быть конвертированы в формат NTFS.

Можно сделать это и позже, воспользовавшись утилитой Convert. exe, поставляемой вместе с операционной системой. Преобразованный к системе NTFS раздел диска становится недоступным для других операционных систем. Чтобы вернуться в DOS, Windows 3.1 или Windows 9x, нужно удалить раздел NTFS, а вместо него создать раздел FAT. Windows 2000 можно устанавливать на диск с файловой системой FAT 32 и NTFS.

Возможности файловых систем FАТ32 гораздо шире возможностей FAT16. Самая важная ее особенность в том, что она поддерживает диски объемом до 2 047 Гбайт и работает с кластерами меньшего размера, благодаря чему существенно сокращает объемы неиспользуемого дискового пространства. Например, жесткий диск объемом 2 Гбайт в FAT16 использует кластеры размером по 32 Кбайт, а в FAT32 - кластеры размером по 4 Кбайт. Чтобы по возможности сохранить совместимость с существующими программами, сетями и драйверами устройств, FAT32 реализована с минимальными изменениями в архитектуре, API-интерфейсах, структурах внутренних данных и дисковом формате. Но, так как размер элементов таблицы FAT32 теперь составляет четыре байта, многие внутренние и дисковые структуры данных, а также API-интерфейсы пришлось пересмотреть или расширить. Отдельные API на FАТ32-дисках блокируются, чтобы унаследованные дисковые утилиты не повредили содержимое FAT32-дисков. На большинстве программ эти изменения никак не скажутся. Существующие инструментальные средства и драйверы будут работать и на FAT32-дисках. Однако драйверы блочных устройств MS-DOS (например, Aspidisk. sys) и дисковые утилиты нуждаются в модификации для поддержки FAT32. Все дисковые утилиты, поставляемые Microsoft (Format, Fdisk, Defrag, а также ScanDisk для реального и защищенного режимов), переработаны и полностью поддерживают FAT32. Кроме того, Microsoft помогает ведущим поставщикам дисковых утилит и драйверов устройств в модификации их продуктов для поддержки FAT32. FAT32 эффективнее FAT16 при работе с дисками большего объема и не требует их разбиения на разделы по 2 Гбайт. Windows 98 обязательно поддерживает FAT16, так как именно эта файловая система совместима с другими операционными системами, в том числе сторонних компании. В MS-DOS реального режима и в безопасном режиме Windows 98, файловая система FAT32 работает значительно медленнее, чем FAT16. Поэтому, при запуске программ в режиме MS DOS желательно включить в файл Autoexec. bat или PIF-файл команду для загрузки Smartdrv. exe, что ускорит дисковые операции. Некоторые устаревшие программы, рассчитанные на спецификацию FAT16, могут сообщать неправильную информацию об объеме свободного или общего дискового пространства, если он больше 2 Гбайт. Windows 98 предоставляет новые API-интерфейсы для MS-DOS и Win32, которые позволяют корректно определять эти показатели.

NTFS (New Technology File System) - наиболее предпочтительная файловая система при работе с ОС Windows NT, поскольку она была специально разработана для данной системы. В состав Windows NT входит утилита convert, осуществляющая конвертирование томов с FAT и HPFS в тома NTFS. В NTFS значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализована отказоустойчивость, средства динамического сжатия файлов, поддержка требований стандарта POSIX. NTFS позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов, при этом она использует тот же алгоритм для генерации короткого имени, что и VFAT. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле - главной файловой таблице MFT (Master File Table). NTFS резервирует первые 16 записей таблицы размером около 1 Мб для специальной информации. Первая запись таблицы описывает непосредственно саму главную файловую таблицу. За ней следует зеркальная запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись, чтобы отыскать зеркальный файл MFT, первая запись которого идентична первой записи MFT. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе.

В журнале транзакций (log file) регистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файла и любые команды, изменяющие структуру каталогов. Журнал транзакций применяется для восстановления тома NTFS после сбоя системы. Запись для корневого каталога содержит список файлов и каталогов, хранящихся в корневом каталоге.

Схема распределения пространства на томе хранится в файле битовой карты (bitmap file). Атрибут данных этого файла содержит битовую карту, каждый бит которой представляет один кластер тома и указывает, свободен ли данный кластер или занят некоторым файлом.

NTFS также поддерживает файл плохих кластеров (bad cluster file) для регистрации поврежденных участков на томе и файл тома (volume file), содержащий имя тома, версию NTFS и бит, который устанавливается при повреждении тома. Наконец, имеется файл, содержащий таблицу определения атрибутов (attribute definition table), которая задает типы атрибутов, поддерживаемые на томе, и указывает можно ли их индексировать, восстанавливать операцией восстановления системы и т.д.

NTFS распределяет пространство кластерами и использует для их нумерации 64 разряда, что дает возможность иметь 264 кластеров, каждый размером до 64 Кбайт. Как и в FAT размер кластера может меняться, но необязательно возрастает пропорционально размеру диска. Размеры кластеров, устанавливаемые по умолчанию при форматировании раздела, приведены в табл.3.1.

Табл 3.1.1 - Размеры кластера

NTFS позволяет хранить файлы размером до 16 эксабайт (264 байт) и располагает встроенным средством уплотнения файлов в реальном времени. Сжатие является одним из атрибутов файла или каталога и подобно любому атрибуту может быть снято или установлено в любой момент (сжатие возможно на разделах с размером кластера не более 4 Кб). При уплотнении файла, в отличие от схем уплотнения используемых в FAT, применяется пофайловое уплотнение, таким образом, порча небольшого участка диска не приводит к потере информации в других файлах.

Для уменьшения фрагментации NTFS всегда пытается сохранить файлы в непрерывных блоках. Эта система использует структуру каталогов в виде B-дерева, аналогичную высокопроизводительной файловой системе HPFS, а не структуре со связанным списком применяемой в FAT. Благодаря этому поиск файлов в каталоге осуществляется быстрее, поскольку имена файлов хранятся сортированными в лексикографическом порядке.

NTFS была разработана как восстанавливаемая файловая система, использующая модель обработки транзакций. Каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл на томе NTFS, рассматривается системой как транзакция и может выполняться как неделимый блок. При модификации файла пользователем сервис файла регистрации фиксирует всю информацию необходимую для повторения или отката транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла. Если нет, NTFS производит откат транзакции.

Несмотря на наличие защиты от несанкционированного доступа к данным NTFS не обеспечивает необходимую конфиденциальность хранимой информации. Для получения доступа к файлам достаточно загрузить компьютер в DOS с дискеты и воспользоваться каким-нибудь сторонним драйвером NTFS для этой системы.

Начиная с версии Windows NT 5.0 (новое название Windows 2000) Microsoft поддерживает новую файловую систему NTFS 5.0. В новой версии NTFS были введены дополнительные атрибуты файлов; наряду с правом доступа введено понятие запрета доступа, позволяющее, например, при наследовании пользователем прав группы на какой-нибудь файл, запретить ему возможность изменять его содержимое. Новая система также позволяет:

вводить ограничения (квоты) на размер дискового пространства, предоставленного пользователям;

проецировать любой каталог (как на локальном, так и на удаленном компьютере) в подкаталог на локальном диске.

Интересной возможностью новой версии Windows NT является динамическое шифрование файлов и каталогов, повышающее надежность хранения информации. В состав Windows NT 5.0 входит файловая система с шифрованием (Encrypting File System, EFS), использующая алгоритмы шифрования с общим ключом. Если для файла установлен атрибут шифрования, то при обращении пользовательской программы к файлу для записи или чтения происходит прозрачное для программы кодирование и декодирование файла.

3.2 Сравнение NTFS и FAT32

Заключение

Список литературы