Файловые системы

Теория и терминология. Файловая система (ФС) – это то, на чем держится далеко неидеальный, но маломальский порядок на жестких дисках наших компьютеров. Носители информации способны лишь хранить, записывать или считывать биты данных из определенных секторов, а за доступ к информации отвечает именно файловая система. Этому термину можно дать несколько определений, каждое из которых верно. Файловая система это:

· Система организации и хранения информации на жестком диске или других носителях;

· Программные алгоритмы операционной системы для управления данной системой организации информации;

· И, наконец, на бытовом уровне, файловая система это совокупность всех файлов и папок на диске.

Файловая система позволяет оперировать не нулями и единицами, а более удобными и понятными для пользователя объектами – файлами. Файл – поименованная область жесткого (или гибкого) диска, в которой хранится определенная информация в виде последовательности байтов. В работе с файлами используются их символьные идентификаторы – имена. Содержимое же файлов (0 и 1) записано в кластеры – мельчайшие единицы данных, которыми оперирует файловая система, размер их кратен 512 байтам. Для организации информации кроме имени файла используются также папки (каталоги), как некая абстракция, позволяющая группировать файлы по определенному критерию. По сути, папка – это файл, содержащий информацию о «вложенных» в него папках и файлах.

Раздел – это определенная область диска, созданная во время операции разметки диска. Каждый раздел содержит, как правило, один отформатированный том.

Том – область раздела со своей файловой системой, своей таблицей размещения файлов и областью данных. Один или несколько разделов составляют диск.

Вся информация о файлах хранится в особой области раздела – таблице размещения файлов. Что такое таблица размещения файлов? Файлы в канцелярском понимании – это «дела», пылящиеся в таком месте, куда месяцами не ступает нога человека, но установить это место всегда можно по номеру «дела», если заглянуть в амбарную книгу, называемую реестром. Роль такого «реестра» па жестком диске ПК выполняет специальная FAT-таблица (File Allocation Table – таблица размещения файлов). Таблица файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы файлов и дополнительную информацию о них (дата изменения, права доступа, имя и т. д.) с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела. Она находится на служебной дорожке жесткого диска. Физическое повреждение секторов, в которых записана эта таблица, равносильно краху всей информации, хранящейся на жестком диске, поэтому эта таблица всегда продублирована, и операционная система компьютера бережно следит за тем, чтобы информация в разных экземплярах таблицы строго совпадала.

Разбиение дисков на разделы и тома отчасти вызвано необходимостью максимального использования дискового пространства винчестера. Наверное, вас не очень обрадует известие о том, что жесткий диск, за который вы платили деньги при покупке компьютера, используется отнюдь не на 100%, а во многих случаях даже и не на 70%. И дело не в том, что он у вас заполнен, а в том, что информация на него записывается не очень плотно, причем чем больше емкость диска, тем меньше его полезная емкость. Во всем виноваты «кластеры», а точнее говоря, даже и не они сами, а их слишком большие размеры. Мы работаем с файлами, имеющими имена, записанные обычными буквами. Компьютер переводит эти имена в числовые адреса секторов с помощью таблицы размещения файлов. Этим занимается операционная система.Конечно, каждая система делает это по-разному, но до последнего времени операционные системы, работающие на компьютерах платформы IBM PC, выражали адрес 16-разрядным числом, поскольку в таблицах размещения файлов на запись адреса каждого сектора зарезервировано 2 байта. Имея 16 двоичных разрядов, можно задать 65536 разных адресов (2¹⁶). При такой системе на диск можно записать 65536 различных файлов, и у каждого будет свой уникальный адрес. Если, например, объем жесткого диска составляет 2 Гбайт, то поделив этот размер на 65536 адресов, получим, что минимально адресуемое пространство жесткого диска составляет 32 Кбайт. Эта единица и называется кластером. Таким образом, размер кластера зависит от размера жесткого диска. Поскольку кластер – это минимальное адресуемое дисковое пространство значит ни один файл не может занимать меньше места, чем составляет кластер. На больших дисках файл, имеющий размер 1 байт, займет все 32 Кбайт. То же произойдет и с файлом длиной 2 байта и т. д. Если файл имеет размер 32,1 Кбайт, он займет два кластера, то есть все 64 Кбайт. Потери от кластеризации жестких дисков составляют огромную величину, в отдельных случаях достигающую 40% их объема. Это явление получило название кластеризация.

Самый простой метод борьбы с кластеризацией – разбиение жесткого диска на разделы или тома (логические диски). Эту операцию производят перед форматированием диска. При разбиении жесткого диска на несколько логических дисков каждый вновь образующийся диск имеет собственную структуру и свою таблицу размещения файлов, поэтому чем меньше размеры полученных логических дисков, тем меньше и размеры их кластеров.

Уменьшение кластеров достигаю также увеличением числа разрядов для записи адреса секторов в FAT-таблице, например, 32 разряда (FAT 32).

В начале диска находится особая область – MBR (Master Boot Record), содержащая программную логику, необходимую BIOS для загрузки системы с жесткого диска. Таблица разделов (partition table) также расположена в начале диска, ее задача – хранить информацию о разделах: начало раздела, его длина, какой раздел является загрузочным. На загрузочном разделе расположен загрузочный сектор (boot sector), хранящий программу загрузки операционной системы. Такова в общих чертах система организации информации от кластеров и до разделов диска.

Современные файловые системы, кроме непосредственно хранения и изменения файлов, следят за сохранностью структуры данных и корректностью файловых операций, позволяют шифровать и сжимать информацию, оптимизируют поиск и сортировку файлов, а также предлагают множество других сервисных функций.

История развития файловых систем ОС Windows. Файловые системы прошли очень долгий по компьютерным меркам путь, усложняясь параллельно с развитием операционных систем и аппаратного обеспечения компьютеров. Так, первая ФС, используемая в MS DOS (1981 г.) FAT12 изначально предназначалась для работы с гибкими дисками. Благодаря 12-битной адресации и кластеру в 4 Кбайта она, однако, поддерживала разделы до 16 Мбайт. В целом же это была простая файловая система, обеспечивавшая основные функции – имя файла в формате 8.3, каталоги, время создания (изменения).

Чуть позже с добавлением 16-битной адресации и максимального размера кластера в 32 Кбайта появилась FAT16, поддерживавшая разделы до 2 Гбайт. В первой версии Windows 95 была реализована поддержка длинных имен файлов (до 255 символов) и сохранение регистра символов в названии. Появившаяся после FAT16 файловая система FAT32 позволяла работать с разделами до 2 терабайт. Корневой каталог теперь не располагался в определенном месте, а представлял собой обычную цепочку кластеров, таким образом, было снято старое ограничение на количество элементов в корне. Загрузочный сектор раздела дублировался для отказоустойчивости.

Вскоре семейство ОС Windows пополнилось новой файловой системой NTFS (New Technology File System), которая позволила обеспечить такое сочетание производительности, надежности и эффективности, которого невозможно добиться с помощью любой из прежних реализаций файловых систем. Основными целями разработки NTFS являлись обеспечение скоростного выполнения стандартных операций над файлами: чтение, запись, поиск.

NTFS обладает характеристиками защищенности, поддерживая контроль доступа к данным и привилегии владельца, играющие исключительно важную роль в обеспечении целостности жизненно важных конфиденциальных данных. Папки и файлы NTFS могут иметь назначенные им права доступа (permissions) вне зависимости от того, являются они общими или нет. NTFS – единственная файловая система в Windows, которая позволяет назначать права доступа к отдельным файлам. Основную информацию о томе (логическом диске) NTFS содержит загрузочный сектор раздела (Partition Boot Sector), который начинается с сектора 0 и может иметь длину до 16 секторов. Он состоит из двух структур:

Блок параметров BIOS. Эта структура содержит информацию о строении тома и структурах файловой системы.

Код, описывающий, как найти и загрузить файлы для любой из установленных на компьютере операционных систем.

Следует отметить, что файловая система NTFS является наилучшим выбором для работы с томами большого объема.

Файловая система NTFS версии 5.0 является стандартной в Windows 2000/XP и позволяет реализовать следующие возможности.

Структура тома с файловой системой NTFS 5.0. Прежде всего, одним из основных понятий, используемых при работе с NTFS, является понятие тома (volume). Том означает логическое дисковое пространство, которое может быть воспринято как логический диск, то есть том может иметь букву (буквенный идентификатор) диска. Частным случаем тома является логический диск. Как и многие другие файловые системы, NTFS делит все полезное дисковое пространство тома на кластеры – блоки данных, адресуемые как единицы данных. Файловая система NTFS поддерживает размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; неким стандартом же считается кластер размером 2 или 4 Кбайт.

Следует отметить, однако, что система NTFS не может использоваться для форматирования флоппи-дисков. Не стоит пользоваться ею для форматирования разделов объемом менее 50 Мбайт. Относительно высокие накладные расходы приводят к тому, что для малых разделов служебные данные могут занимать до 25% объема носителя.

Надежность. В системе NTFS для повышения надежности введен механизм аварийной замены дефектных секторов резервными секторами. Другими словами, если обнаруживается сбой при чтении данных, то система постарается прочесть эти данные, переписать их в специально зарезервированное для этой цели пространство диска, а дефектные сектора пометить как плохие и более к ним не обращаться.

Ограничения доступа к файлам и папкам. Файловая система NTFS рассматривает все тома, папки и файлы как самостоятельные объекты и обеспечивает их безопасность. Это означает, что разрешения доступа к томам, папкам (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 разрешения на доступ проверяются по списку управления доступом для данного объекта. Если пользователь обладает необходимым уровнем разрешений, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется. Эта модель безопасности применяется как при локальной регистрации пользователей на компьютерах с Windows, так и при удаленных сетевых запросах. Кроме того, NTFS обладает набором специальных расширенных атрибутов файлов или папок, задаваемых для разрешения доступа пользователей к этим объектам. Разрешения обеспечивают гибкую защиту, так как их можно применять и к каталогам, и к отдельным файлам; они распространяются как на локальных пользователей, так и на пользователей, подключающихся к ресурсам по сети. Разрешения NTFS обеспечивают высокую избирательность защиты: для каждого файла в папке можно установить свои разрешения. Например, одному пользователю можно позволить считывать и изменять содержимое файла, другому только считывать, третьему вообще запретить доступ.

Расширенная функциональность. Система NTFS позволяет осуществлять шифрование хранимых файлов. Шифрующая система (Encrypting File System, EPS) обеспечивает конфиденциальность хранящейся информации.

Кроме того, имеется возможность квотирования, при котором пользователи могут хранить свои файлы только в пределах отведенной им квоты на дисковое пространство. С их помощью можно ограничить пространство, занимаемое на томе отдельными пользователями.

Поддержка дисков большого объема. Система NTFS создавалась с расчетом на работу с большими дисками. Чем больше объем диска и чем больше на нем файлов, тем больший выигрыш мы получаем, используя NTFS. Максимально возможные размеры тома (и размеры файла) могут составлять 16 Эбайт (1 Эбайт (экзабайт) равен 1021 байт). При использовании файловой системы NTFS количество файлов в корневом и не корневом каталогах не ограничено. Кроме того, время поиска файлов не связано линейной зависимостью с их количеством (в отличие от систем на базе FAT). Наконец, помимо немыслимых размеров томов и файлов, система NTFS также обладает встроенными средствами сжатия, что позволяет экономить дисковое пространство и размещать в нем больше файлов.

Конвертирование файловых систем. Выше мы уже обсуждали достоинства и недостатки файловых систем для Windows и, возможно, у кого-то возникнет желание сменить FAT32 на NTFS. Первое, что приходит на ум – отформатировать диск заново. Но потеря всей информации недопустима для большинства пользователей, да и переустанавливать операционную систему захочется далеко не каждому.

Чтобы сменить файловую систему раздела и сохранить записанную на нем информацию, необходима программа-конвертор файловой системы. Как правило, конвертирование файловых систем является неотъемлемой функцией программ менеджеров разделов диска. Известная и хорошо зарекомендовавшая себя программа-конвертор Acronis Disk Director Suite умеет делать преобразование FAT16 в FAT32 и только.

В контексте нашей проблемы выгоднее смотрится менеджер разделов Norton PartitionMagic, в составе которого есть средства конвертирования между FAT16, FAT32 и NTFS. Любопытно, что для конвертирования FAT32 в NTFS Norton PartitionMagic использует стандартные средства Windows 2000/XP, поэтому для этой операции нет смысла приобретать сторонние программы. К сожалению, при переводе FAT32 в NTFS невозможно задать размер кластера тома, он всегда устанавливается в 512 байт, что не самым лучшим образом влияет на производительность.

Итак, мы рассмотрели общие вопросы организации файловых систем, историю ФС для Windows и современное состояние в этой области, а также некоторые практические аспекты работы с файловыми системами. Надеемся, все эти сведения будут не лишними, ведь понимание принципов работы файловых систем необходимо для понимания проблем хранения информации, а что может быть важнее информации для работников сферы бизнеса?

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение операционной системе.

2. Какие задачи возложены на операционную систему?

3. Что такое драйвер и каковы его функции?

4. Что понимается под технологией "plug-and-play"?

5. Каковы особенности операционных систем семейства Windows?

6. Дайте определение файловой системе.

7. Какие файловые системы поддерживает операционная система Windows 98?

8. Какие файловые системы поддерживает операционная система Windows 2000/XP?

9. Что такое таблица размещения файлов?

10. Опишите основные отличия файловых систем FAT и NTFS.

11. Опишите основные преимущества файловой системы NTFS.