Лекція 8 Поняття файлової системи

Файлові системи з'явилися з дуже простої причини: комп'ютерам необхідні засоби довгострокового зберігання і вибірки даних. Файлові системи надають користувачам механізм зберігання даних в ієрархії файлів і каталогів. Файлова система складається із службових і призначених для користувача даних, організованих таким чином, що комп'ютер знає, де знайти їх при необхідності. В більшості випадків файлова система не залежить від конкретного екземпляру комп'ютера.

 

Категорії даних

При розгляді різних типів файлових систем корисно мати еталонну модель, що спрощує порівняння різних файлових систем (наприклад, FAT і Ext3). Крім того, наявність еталонної моделі спрощує пошук інформації. В нашій еталонній моделі буде задіяно п'ять категорій: дані файлової системи, вмісту, метадані, дані імен файлів і прикладні дані. Будь-яка інформація файлової системи належить до однієї із перерахованих категорій залежно від того, яку роль вона грає у файловій системі. Ми використовуватимемо ці категорії при описі файлових систем, хоча деякі системи (а саме, FAT) не так добре відповідають еталону, як інші системи.

Категорія даних файлової системи включає загальну інформацію, яка відноситься до файлової системи в цілому. Кожна файлова система володіє деякою загальною структурою, але її екземпляри унікальні, оскільки вони володіють унікальним розміром і можуть оптимізуватися. Дані файлової системи вказують, де знайти деякі структури даних і наскільки великі одиниці зберігання інформації. Їх можна порівняти з «географічною картою» файлової системи.

До категорії даних вмісту відносяться дані, які складають фактичний вміст файлів (що, власне, і є головною причиною для створення файлових систем). Велика частина даних файлової системи відноситься до цієї категорії, а для їх зберігання зазвичай застосовуються контейнери стандартного розміру. Назва контейнерів залежить від файлової системи (наприклад, кластер або блок); для опису файлових систем я буду використовувати загальний термін блок даних.

Категорія метаданих включає дані з описами файлів; інакше кажучи, це дані, що описують інші дані. Зокрема, до метаданих відноситься інформація про місцезнаходження вмісту файлу, його розмір, час і дату останнього читання або запису у файл, контролі доступу і так далі. Метадані не включають ні фактичного вмісту файлу, ні його імені. Прикладами структур даних цієї категорії є записи каталогів FAT, записи NTFS MFT (Master File Table), структури і-вузлів UFS і Ext3.

Категорія даних імен файлів, або інтерфейсу з користувачем, містить інформацію про імена, привласнені всім файлам. У більшості файлових систем ці дані зберігаються в каталогах у вигляді списку імен файлів з відповідними адресами метаданих. Категорію даних імен файлів можна порівняти з ім'ям хоста в мережі. Мережеві пристрої взаємодіють один з одним по IP-адресам, незручних для людини. Коли користувач вводить ім’я хоста віддаленого комп'ютера, обмін даними стає можливим лише після того, як локальний комп'ютер перетворить ім'я в ІР-адресу.

Категорія прикладних даних містить дані, які забезпечують спеціальні можливості. Ці дані не задіяні в процесі зчитування або запису у файл, і у багатьох випадках їх включення в специфікацію файлової системи не є строго обов'язковим. Дані включаються в специфікацію лише тому, що їх реалізація на рівні файлової системи (замість звичайного файлу) сприяє підвищенню ефективності. Приклади даних категорії додатків — статистика призначених для користувача квот і журнали файлової системи. Ці дані можуть бути корисні в ході дослідження, але, оскільки читання і запис файлу можливі і без них, про прикладні дані забувають частіше, ніж про всі інші.

Відношення між п'ятьма категоріями даних показані на рис. 8.1.

Необхідні і допоміжні дані

До необхідних даних файлової системи відносяться дані, без яких неможливе збереження і вибірка файлів. До такого роду даним відносяться адреси, по яких зберігається вміст файлу, ім'я файлу і покажчик, що пов'язує ім'я із структурою метаданих. Допоміжні дані файлової системи забезпечують додаткові зручності але для вирішення головного завдання — збереження і вибірки файлів — вони не потрібні. Як приклад допоміжних даних можна назвати час останнього звертання і дозволу доступу.

Чому так важливо відрізняти необхідні дані від допоміжних? Тому що необхідним даним ми просто зобов'язані довіряти, тоді як для допоміжних даних це не обов'язково. Наприклад, у всіх файлових системах присутнє деяке значення, яке вказує, де зберігається вміст файлу. Воно відноситься до необхідних даних; адже якщо це значення виявиться хибним, користувач не зможе прочитати файл. З іншого боку, інформація про час останнього звернення або ідентифікатор користувача є допоміжним, тому що її істинність не є абсолютно необхідною. Навіть якщо час останнього звернення до файлу не оновлюватиметься, це ніяк не вплине на читання або запис у файл. Отже, ми повинні довіряти необхідним даним більшою мірою, ніж допоміжним, тому що вони життєво важливі для збереження і читання файлів.

Деякі ОС вимагають, аби деякі значення обов'язково задавалися, але це не означає, що ці дані є необхідними. Наприклад, дуже строга (і вигадана) ОС може відмовитися вмонтовувати файлові системи з файлами, час останнього звернення до яких відноситься до майбутнього. Інша ОС не звертає уваги на проблеми з часом, змонтує файлову систему і збереже в ній дані. Microsoft Windows вимагає, аби всі файлові системи FAT починалися з деякого блоку даних, хоча останній використовується лише в тому випадку, якщо файлова система є завантажувальною. З іншого боку, в Linux подібні вимоги відсутні.

Якщо розглядати що відбувається з цієї точки зору, стає очевидно, що аналітик повинен добре знати не лише тип файлової системи, але і ОС, що записує дані у файлову систему. Якщо ми говоримо про відновлення файлів, недостатньо знати, як відновити видалений файл у файловій системі FAT, — треба задатися питанням, як відновити файл, видалений Windows 98 у файловій системі FAT. Система FAT реалізована в багатьох операційних системах, і кожна з них може використовувати свою методику видалення файлів. Наприклад, більшість ОС обмежуються мінімальним набором дій, необхідних для видалення файлу, але інші системи можуть знищувати всі дані, що асоціюються з файлом. В обох випадках кінцевим результатом буде дійсна файлова система FAT.