Логическая и физическая организация

Логическая и физическая организация

Файловой системы

Рекомендуемая литература:

1. В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. Сетевые операционные системы. Учебное пособие.-СПб.:БХВ-Петербург, 2006.-536с.

2. В.А.Шеховцов. Операційні системи.Підручник.-К.:Виканавча група ВНV. 2005. 576с.

3. Столлингс В. Операционные системы. М.: Вильямс, 2001. -672с.

Раздел 6

Логическая и физическая организация файловой системы

1. Логическая организация файловой системы

· Цели и задачи файловой системы

· Типы файлов

· Иерархическая структура файловой системы

· Имена файлов

· Монтирование

· Антрибуты файлов

· Логическая организация файла

2. Физическая организация файловой системы

· Физическая организация и адресация файла

· Физическая организация FAT

· Физическая организация NTFS

Логическая организация файловой системы

Одной из основных задач операционной системы является предоставление удобств пользователю при работе с данными, хранящимися на дисках. Для этого ОС под­меняет физическую структуру хранящихся данных некоторой удобной для поль­зователя логической моделью. Логическая модель файловой системы материа­лизуется в виде дерева каталогов, выводимого на экран такими утилитами, как Norton Commander или Windows Explorer, в символьных составных именах фай­лов, в командах работы с файлами. Базовым элементом этой модели является файл, который так же, как и файловая система в целом, может характеризовать­ся как логической, так и физической структурой.

Типы файлов

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят:

-обычные файлы,

-файлы-каталоги,

-специальные файлы,

-именованные конвейеры,

-отображаемые в память файлы и дру­гие.

Обычные файлы, или просто файлы, содержат информацию произвольного харак­тера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных опе­рационных систем (например, UNIX, Windows, OS/2) никак не ограничивает и не контролирует содержимое и структуру обычного файла. Содержание обычно­го файла определяется приложением, которое с ним работает. Например, тексто­вый редактор создает текстовые файлы, состоящие из строк символов, представ­ленных в каком-либо коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т. п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют коды символов, они часто имеют сложную внут­реннюю структуру, например исполняемый код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип фай­лов — их собственные исполняемые файлы.

Каталоги — это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-ли­бо неформальному признаку (например, в одну группу объединяются файлы, со­держащие документы одного договора, или файлы, составляющие один программ­ный пакет). Во многих операционных системах в каталог могут входить файлы любых типов, в том числе другие каталоги, за счет чего образуется древовидная структура, удобная для поиска. Каталоги устанавливают соответствие между име­нами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами. В число таких характеристик входит, в частности, инфор­мация (или указатель на другую структуру, содержащую эти данные) о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу и датах его создания и мо­дификации. Во всех остальных отношениях каталоги рассматриваются файло­вой системой как обычные файлы.

Специальные файлы — это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к фай­лам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю вы­полнять операции ввода-вывода посредством обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются опера­ционной системой в команды управления соответствующим устройством.

Современные файловые системы поддерживают и другие типы файлов, такие как символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы. Они будут рассмотрены позже.

Имена файлов

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных фай­ловых системах обычно используются три типа имен файлов:

-простые,

-полные (состав­ные),

-относительные.

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими.

Так, в популярной файловой системе FAT длина имен ограничи­вались схемой 8.3 (8 символов — собственно имя, 3 символа — расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС UNIX, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов.

Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенство­ванные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддер­живают длинные простые символьные имена файлов.

Например, в файловых сис­темах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows ХР, имя файла может содержать до 255 символов.

Примеры простых имен файлов и каталогов:

quest j_ul.doc

task-entran.exe

приложение к CD 254L на русской языке.doc

installable filesystem manager.doc

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинако­вые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным ката­логам. То есть здесь работает схема «много файлов — одно простое имя».

Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех катало­гов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Таким образом, полное Имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слеш, при этом принято не указывать имя корневого ката­лога. На рис. 5.3, б два файла имеют простое имя main.exe, однако их составные имена /depart/main.ехе и /user/anna/main.exe различаются.

В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие «один файл — одно полное имя». В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько катало­гов, а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл — много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифи­цируется полным именем.

Файл может быть идентифицирован также относительным именем.

Относи­тельное имя файла определяется через понятие «текущий каталог». Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по ко­манде ОС. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования пол­ного имени файла. При использовании относительных имен пользователь иден­тифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла.

Например, если текущим каталогом явля­ется каталог /user, то относительное имя файла /user/anna/main.exe выглядит следующим образом: anna/ main.exe.

В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдо­нимы. В этом случае, так же как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие «один файл — много полных имен», так как каждому простому име­ни файла соответствует по крайней мере одно полное имя.

И хотя полное имя однозначно определяет файл, операционной системе проще работать с файлом, если между файлами и их именами имеется взаимно одно­значное соответствие. С этой целью она присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение «один файл — одно уникальное имя». Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, при­сваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя пред­ставляет собой числовой идентификатор и предназначено только для операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Монтирование

В общем случае вычислительная система может иметь несколько дисковых уст­ройств. Даже типичный персональный компьютер обычно имеет один накопитель на жестком диске, один накопитель на гибких дисках и накопитель для компакт-дисков. Мощные же компьютеры, как правило, оснащены большим количеством дисковых накопителей, на которые устанавливаются пакеты дисков. Более того, даже одно физическое устройство с помощью средств операционной системы может быть представлено в виде нескольких логических устройств, в частности путем разбиения дискового пространства на разделы. Возникает вопрос, каким образом организовать хранение файлов в системе, имеющей несколько устройств внешней памяти?

Первое решение состоит в том, что на каждом из устройств размещается авто­номная файловая система, то есть файлы, находящиеся на этом устройстве, описы­ваются деревом каталогов, никак не связанным с деревьями каталогов на других устройствах. В таком случае для однозначной идентификации файла пользова­тель наряду с составным символьным именем файла должен указывать иденти­фикатор логического устройства.

Примером такого автономного существования файловых систем является операционная система MS-DOS, в которой полное имя файла включает буквенный идентификатор логического диска. Так, при об­ращении к файлу, расположенному на диске А, пользователь должен указать имя этого диска: A:\privat\letter\uni\let1.doc.

Другим вариантом является такая организация хранения файлов, при которой пользователю предоставляется возможность объединять файловые системы, на­ходящиеся на разных устройствах, в единую файловую систему, описываемую единым деревом каталогов. Такая операция называется монтированием. Рассмот­рим, как осуществляется эта операция на примере ОС UNIX.

Среди всех имеющихся в системе логических дисковых устройств операционная система выделяет одно устройство, называемое системным. Пусть имеются две файловые системы, расположенные на разных логических дисках (рис. 5.2), при­чем один из дисков является системным.

Файловая система, расположенная на системном диске, назначается корневой. Для связи иерархий файлов в корневой файловой системе выбирается некото­рый существующий каталог, в данном примере — каталог man. После выполне­ния монтирования выбранный каталог man становится корневым каталогом вто­рой файловой системы.

 

 

Рис. 5.2 а Файловая система 1 до монтирования

 

 

Рис. 5.2 б Файловые системы 2 до монтирования

Через этот каталог монтируемая файловая система подсоединяется как поддерево к общему дереву (рис. 5.3)

 

Рис. 5.3 Общая файловая система после монтирования

После монтирования общей файловой системы для пользователя нет логической разницы между корневой и смонтированной файловыми системами, в частности именование файлов производится так же, как если бы она с самого начала была единой.

Атрибуты файлов

Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибу­ты.

Атрибуты — это информация, описывающая свойства файла.

Примеры воз­можных атрибутов файла:

□ тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);

□ владелец файла;

□ создатель файла;

□ пароль для доступа к файлу;

□ информация о разрешенных операциях доступа к файлу;

□ времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

□ текущий размер файла;

□ максимальный размер файла;

□ признак «только для чтения»;

□ признак «скрытый файл»;

□ признак «системный файл»;

□ признак «архивный файл»;

□ признак «двоичный/символьный»;

□ признак «временный» (удалить после завершения процесса);

□ признак блокировки;

□ длина записи в файле;

□ указатель на ключевое поле в записи;

□ длина ключа.

Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в фай­ловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов.

Например, в файловых системах, поддерживающих неструктурированные файлы, нет необходимости использовать три последних атрибута в приведенном списке, связанных со структуризацией файла. В одно­пользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать характеристики, имеющие отношение к пользователям и защите, такие как владелец файла, соз­датель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.

Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предос­тавленное для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать зна­чения любых атрибутов, а изменять —только некоторые.

Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходи­мыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MS-DOS (рис. 5.4, а). На рисунке представлена структура записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены признаки файла: R — только для чтения, А — архивный, Н — скрытый, S — системный.

Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, ко­гда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реали­зован, например, в файловой системе ufs ОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла, так называ­ется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рис. 5.4, б).

 

Рис. 5.4 Структура записи каталогов: а) в MS-DOS и б) в OC UNIX

В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибу­тов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут со­держать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тот же но­мер индексного дескриптора.

Рис. 5.6 Схема устройства жесткого диска

На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические коль­ца — дорожки (traks), на которых хранятся данные. Количество дорожек зависит от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается, элемент, называемый головкой, считывает двоич­ные данные с магнитной дорожки или записывает их на магнитную дорожку.

Головка может позиционироваться над заданной дорожкой. Головки перемеща­ются над поверхностью диска дискретными шагами, каждый шаг соответствует сдвигу на одну дорожку. Запись на диск осуществляется благодаря способности головки изменять магнитные свойства дорожки. В некоторых дисках вдоль каж­дой поверхности перемещается одна головка, а в других — имеется по головке на каждую дорожку. В первом случае для поиска информации головка должна перемещаться по радиусу диска. Обычно все головки закреплены на едином пе­ремещающем механизме и двигаются синхронно. Поэтому, когда головка фикси­руется на заданной дорожке одной поверхности, все остальные головки останав­ливаются над дорожками с такими же номерами. В тех же случаях, когда на каждой дорожке имеется отдельная головка, никакого перемещения головок с одной дорожки на другую не требуется, за счет этого экономится время, затрачи­ваемое на поиск данных.

Цилиндр (cylinder) –совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин паке­та.

Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), или блоками (blocks), так что все дорожки име­ют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, вы­ражающийся степенью двойки. Чаще всего размер сектора составляет 512 байт. Учитывая, что дорожки разного радиуса имеют одинаковое число секторов, плот­ность записи становится тем выше, чем ближе дорожка к центру.

Сектор — наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройст­ва с оперативной памятью.

Для того чтобы контроллер мог найти на диске нуж­ный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер ци­линдра, номер поверхности и номер сектора. Так как прикладной программе в общем случае нужен не сектор, а некоторое количество байт, не обязательно кратное размеру сектора, то типичный запрос включает чтение нескольких сек­торов, содержащих требуемую информацию, и одного или двух секторов, содер­жащих наряду с требуемыми избыточные данные (рис. 5.7).

Рис.5.7 Считывание избыточных данных при обмене с диском

Операционная система при работе с диском использует, как правило, собствен­ную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster).

Иногда кластер называют блоком (например, в ОС Unix), что может привести к терми­нологической путанице. Вообще, терминология, используемая при описании форматов дисков и файловых систем, зависит от аппаратной платформы (RISC, Wintel и т. п.) и операционной системы. Это нужно учитывать и трактовать термины в зависимости от контекста.

При соз­дании файла место на диске ему выделяется кластерами.

Например, если файл имеет размер 2560 байт, а размер кластера в файловой системе определен в 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера.

Дорожки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического, или низкоуровневого, форматирования диска, предшествующей использованию дис­ка. Для определения границ блоков на диск записывается идентификационная информация. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа операционной системы, которая этот диск будет использовать.

Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического, форматирования. При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация. Необходимая для работы файловой системы, в том числе информация о доступ­ном и неиспользуемом пространстве, о границах областей, отведенных под фай­лы и каталоги, информация о поврежденных областях. Кроме того, на диск записывается загрузчик операционной системы.

Загрузчик операционной системы — небольшая программа, которая на­чинает процесс инициализации операционной системы после включения пита­ния или рестарта компьютера.

Прежде чем форматировать диск под определенную файловую систему, он мо­жет быть разбит на разделы.

Раздел — это непрерывная часть физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое уст­ройство (используются также названия логический диск и логический раздел).

Во многих операционных системах используется термин «том» (volume). В разных ОС толкование этого термина имеет свои нюансы, но чаще всего он обозначает логическое устройство, отформатированное под конкретную файловую систему

Логическое устройство функционирует так, как если бы это был отдельный фи­зический диск. Именно с логическими устройствами работает пользователь, об­ращаясь к ним по символьным именам, используя, например, обозначения А, В, С, SYS и т. п. Операционные системы разного типа используют единое для всех них представление о разделах, но создают на его основе логические устройства, специфические для каждого типа ОС. Так же как файловая система, с которой работает одна ОС, в общем случае не может интерпретироваться ОС другого типа, логические устройства не могут быть использованы операционными систе­мами разного типа. На каждом логическом устройстве может создаваться только одна файловая система.

В частном случае, когда все дисковое пространство охватывается одним разде­лом, логическое устройство представляет физическое устройство в целом. Если диск разбит на несколько разделов, то для каждого из этих разделов может быть создано отдельное логическое устройство. Логическое устройство может быть соз­дано и на базе нескольких разделов, причем эти разделы не обязательно должны принадлежать одному физическому устройству. Объединение нескольких разде­лов в единое логическое устройство может выполняться разными способами и преследовать разные цели, основные из которых: увеличение общего объема ло­гического раздела, повышение производительности и отказоустойчивости. При­мерами организации совместной работы нескольких дисковых разделов являют­ся так называемые RAID-массивы, подробнее о которых будет сказано далее.

На разных логических устройствах одного и того же физического диска могут располагаться файловые системы разного типа. На рис. 5.8 показан пример дис­ка, разбитого на три раздела, в которых установлены две файловых системы NTFS (разделы С и Е) и одна файловая система FAT (раздел D).

Все разделы одного диска имеют одинаковый размер блока, определенный для данного диска в результате низкоуровневого форматирования. Однако в резуль­тате высокоуровневого форматирования в разных разделах одного и того же дис­ка, представленных разными логическими устройствами, могут быть установле­ны файловые системы, в которых определены кластеры отличающихся размеров.

Операционная система может поддерживать разные статусы разделов, особым образом отмечая разделы, которые могут быть использованы для загрузки моду­лей операционной системы, и разделы, в которых можно устанавливать только приложения и хранить файлы данных. Один из разделов диска помечается как загружаемый (или активный). Именно из этого раздела считывается загрузчик ОС.

 

 

 

Рис. 5.8 Разбиение диска на разделы

Физическая организация FAT

Логический раздел, отформатированный под файловую систему FAT, состоит из следующих областей (рис. 5.11).

□ Загрузочный сектор содержит программу начальной загрузки операционной системы. Вид этой программы зависит от типа операционной системы, кото­рая будет загружаться из этого раздела.

□ Основная копия FAT содержит информацию о размещении файлов и катало­гов на диске.

□ Резервная копня FAT.

□ Корневой каталог занимает фиксированную область размером в 32 сектора (16 Кбайт), что позволяет хранить 512 записей о файлах и каталогах, так как каждая запись каталога состоит из 32 байт.

□ Область данных предназначена для размещения всех файлов и всех катало­гов, кроме корневого каталога.

Файловая система FAT поддерживает всего два типа файлов: обычный файл и каталог. Файловая система распределяет память только из области данных, при­чем использует в качестве минимальной единицы дискового пространства клас­тер.

Таблица FAT (как основная копия, так и резервная) состоит из массива индекс­ных указателей, количество которых равно количеству кластеров области дан­ных. Между кластерами и индексными указателями имеется взаимно однознач­ное соответствие — нулевой указатель соответствует нулевому кластеру и т. д.

 

Рис.5.11 Физичекая структура файловой системы FAT

Индексный указатель может принимать следующие значения, характеризующие состояние связанного с ним кластера:

□ кластер свободен (не используется);

□ кластер используется файлом и не является последним кластером файла; в этом случае индексный указатель содержит номер следующего кластера файла;

□ последний кластер файла;

□ дефектный кластер;

□ резервный кластер.

Таблица FAT является общей для всех файлов раздела. В исходном состоянии (после форматирования) все кластеры раздела свободны и все индексные указа­тели (кроме тех, которые соответствуют резервным и дефектным блокам) при­нимают значение «кластер свободен». При размещении файла ОС просматривает FAT, начиная с начала, и ищет первый свободный индексный указатель. После его обнаружения в поле записи каталога «номер первого кластера» (см. рис. 5.4, а) фиксируется номер этого указателя. В кластер с этим номером записываются данные файла, он становится первым кластером файла. Если файл умещается в одном кластере, то в указатель, соответствующий данному кластеру, заносится специальное значение «последний кластер файла». Если же размер файла боль­ше одного кластера, то ОС продолжает просмотр FAT и ищет следующий указа­тель на свободный кластер. После его обнаружения в предыдущий указатель за­носится номер этого кластера, который теперь становится следующим кластером файла. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут размещены все данные файла. Таким образом создается связный список всех кластеров файла.

В начальный период после форматирования файлы будут размещаться в после­довательных кластерах области данных, однако после определенного количества удалений файлов кластеры одного файла окажутся в произвольных местах об­ласти данных, чередуясь с кластерами других файлов (рис..5.12).

Размер таблицы FAT и разрядность используемых в ней индексных указателей определяется количеством кластеров в области данных. Для уменьшения потерь из-за фрагментации желательно кластеры делать небольшими, а для сокраще­ния объема адресной информации и повышения скорости обмена наоборот -чем больше, тем лучше. При форматировании диска под файловую систему FAT обычно выбирается компромиссное решение и размеры кластеров выбираются из диапазона от 1 до 128 секторов, или от 512 байт до 64 Кбайт.

Очевидно, что разрядность индексного указателя должна быть такой, чтобы в нем можно было задать максимальный номер кластера для диска определенного объема. Существует несколько разновидностей FAT, отличающихся разрядностью индексных указателей, которая и используется в качестве условного обозначе­ния: FAT12, FAT16 и FAT32. В файловой системе FAT12 используются 12-разрядные указатели, что позволяет поддерживать до 4096 кластеров в области дан­ных диска, в FAT16 — 16-разрядные указатели для 65 536 кластеров и в FAT32 -32-разрядные для более чем 4 миллиардов кластеров.

Форматирование FAT 12 обычно характерно только для небольших дисков объ­емом не более 16 Мбайт, чтобы не использовать кластеры более 4 Кбайт. По этой же причине считается, что FAT 16 целесообразнее для дисков с объемом не более 512 Мбайт, а для больших дисков лучше подходит FAT32, которая способна ис­пользовать кластеры 4 Кбайт при работе с дисками объемом до 8 Гбайт и только для дисков большего объема начинает использовать 8, 16 и 32 Кбайт. Макси­мальный размер раздела FAT16 ограничен 4 Гбайт, такой объем дает 65 536 кла­стеров по 64 Кбайт каждый, а максимальный размер раздела FAT32 практически не ограничен — 2³² кластеров по 32 Кбайт.

Таблица FAT при фиксированной разрядности индексных указателей имеет пе­ременный размер, зависящий от объема области данных диска.

Рис. 5.12 Списки указателей файлов в FAT

При удалении файла из файловой системы FAT в первый байт соответствующей записи каталога заносится специальный признак, свидетельствующий о том, что эта запись свободна, а во все индексные указатели файла заносится признак «кла­стер свободен». Остальные данные в записи каталога, в том числе номер первого кластера'файла, остаются нетронутыми, что оставляет шансы для восстановле­ния ошибочно удаленного файла. Существует большое количество утилит для восстановления удаленных файлов FAT, выводящих пользователю список имен удаленных файлов с отсутствующим первым символом имени, затертым после освобождения записи. Очевидно, что надежно можно восстановить только фай­лы, которые были расположены в последовательных кластерах диска, так как при отсутствии связного списка выявить принадлежность произвольно расположен­ного кластера удаленному файлу невозможно (без анализа содержимого класте­ров, выполняемого пользователем «вручную»).

Резервная копия FAT всегда синхронизируется с основной копией при любых операциях с файлами, поэтому резервную копию нельзя использовать для от­мены ошибочных действий пользователя, выглядевших с точки зрения системы вполне корректными. Резервная копия может быть полезна только в том случае, когда секторы основной памяти оказываются физически поврежденными и не читаются.

Используемый в FAT метод хранения адресной информации о файлах не отли­чается большой надежностью — при разрыве списка индексных указателей в одном месте, например из-за сбоя в работе программного кода ОС по причине внешних электромагнитных помех, теряется информация обо всех последующих кластерах файла.

Файловые системы FAT 12 и FAT 16 оперировали с именами файлов, состоящи­ми из 12 символов по схеме «8.3». В версии FAT16 операционной системы Win­dows NT был введен новый тип записи каталога — «длинное имя», что позволяет использовать имена длиной до 255 символов, причем каждый символ длинного имени хранится в двухбайтном формате Unicode. Имя по схеме «8.3», названное теперь коротким (не нужно путать его с простым именем файла, также называе­мого иногда коротким), по-прежнему хранится в 12-байтовом поле имени файла в записи каталога, а длинное имя помещается порциями по 13 символов в одну или несколько записей, следующих непосредственно за основной записью ката­лога. Каждый символ в формате Unicode кодируется двумя байтами, поэтому 13 символов занимают 26 байт, а оставшиеся 6 отведены под служебную инфор­мацию. Таким образом у файла появляются два имени — короткое, для совмес­тимости со старыми приложениями, не понимающими длинных имен в Unicode, и длинное, удобное в использовании имя. Файловая система FAT32 также под­держивает короткие и длинные имена.

Файловые системы FAT12 и FAT16 получили большое распространение благо­даря их применению в операционных системах MS-DOS и Windows 3.x — самых массовых операционных системах первого десятилетия эры персональных ком­пьютеров. По этой причине эти файловые системы поддерживаются сегодня и другими ОС, такими как UNIX, OS/2, Windows NT/2000 и Windows 95/98. Од­нако из-за постоянно растущих объемов жестких дисков, а также возрастающих требований к надежности, эти файловые системы быстро вытесняются как сис­темой FAT32, впервые появившейся в Windows 95 OSR2, так и файловыми сис­темами других типов. \

Физическая организация NTFS

Файловая система NTFS была разработана в качестве основной файловой системы для ОС Windows NT в начале 90-х годов с учетом опыта разработки файловых систем FAT и HPFS (основная файловая система для OS/2), а также других су­ществовавших в то время файловых систем. Основными отличительными свой­ствами NTFS являются:

□ поддержка больших файлов и больших дисков объемом до 2⁶⁴ байт;

□ восстанавливаемость после сбоев и отказов программ и аппаратуры управле­ния дисками;

□ высокая скорость операций, в том числе и для больших дисков;

□ низкий уровень фрагментации, в том числе и для больших дисков;

□ гибкая структура, допускающая развитие за счет добавления новых типов за­писей и атрибутов файлов с сохранением совместимости с предыдущими вер­сиями ФС;

□ устойчивость к отказам дисковых накопителей;

□ поддержка длинных символьных имен;

□ контроль доступа к каталогам и отдельным файлам.

Структура тома NTFS

В отличие от разделов FAT и s5/ufs все пространство тома NTFS представляет собой либо файл, либо часть файла. Основой структуры тома NTFS является главная таблица файлов (Master File Table, MFT), которая содержит по крайней мере одну запись для каждого файла тома, включая одну запись для самой себя. Каждая запись MFT имеет фиксированную длину, зависящую от объема дис­ка, — 1,2 или 4 Кбайт. Для большинства дисков, используемых сегодня, размер записи MFT равен 2 Кбайт, который мы далее будет считать размером записи по умолчанию.

Все файлы на томе NTFS идентифицируются номером файла, который определяется позицией файла в MFT. Этот способ идентификации файла близок к способу, исполь­зуемому в файловых системах s5 и ufs, где файл однозначно идентифицируется номе­ром его записи в области индексных дескрипторов.

Весь том NTFS состоит из последовательности кластеров, что отличает эту фай­ловую систему от рассмотренных ранее, где на кластеры делилась только область данных. Порядковый номер кластера в томе NTFS называется логическим номе­ром кластера (Logical Cluster Number, LCN). Файл NTFS также состоит из после­довательности кластеров, при этом порядковый номер кластера внутри файла называется виртуальным номером кластера (Virtual Cluster Number, VCN).

Базовая единица распределения дискового пространства для файловой системы NTFS — непрерывная область кластеров, называемая отрезком. В качестве адре­са отрезка NTFS использует логический номер его первого кластера, а также ко­личество кластеров в отрезке k, то есть пара (LCN, k). Таким образом, часть файла, помещенная в отрезок и начинающаяся с виртуального кластера VCN, ха­рактеризуется адресом, состоящим из трех чисел: (VCN, LCN, к).

Для хранения номера кластера в NTFS используются 64-разрядные указатели, что дает возможность поддерживать тома и файлы размером до 2⁶⁴ кластеров. При размере кластера в 4 Кбайт это позволяет использовать тома и файлы, со­стоящие из 64 миллиардов килобайт.

Структура тома NTFS показана на рис. 5.13.

Рис. 5.13 Структура тома NTFS

Загрузочный блок тома NTFS рас­полагается в начале тома, а его копия — в середине тома. Загрузочный блок со­держит стандартный блок параметров BIOS, количество блоков в томе, а также начальный логический номер кластера основной копии MFT и зеркальную ко­пию MFT.

Далее располагается первый отрезок MFT, содержащий 16 стандартных, созда­ваемых при форматировании, записей о системных файлах NTFS.

Назначение этих файлов описано в показанной ниже таблице MFT.