Классификация, структура, характеристики файловых систем

 1. Понятие, структура и работа файловой системы

Файловая система - совокупность (порядок, структура и содержание) организации хранения данных на носителях информации, которая непосредственно представляет доступ к хранимым данным, на бытовом уровне это совокупность всех файлов и папок на диске. Основными "единицами" файловой системы принято считать кластер, файл, каталог, раздел, том, диск. 
Совокупность нулей и единиц на носителе информации составляют кластера (минимальный размер места для хранения информации, также их принято называть понятием сектор, размер их кратен 512 байтам).

Файлы - поименованная совокупность байтов, разделенная на сектора. В зависимости от файловой системы, файл может обладать различным набором свойств. Для удобства в работе с файлами используются их (символьные идентификаторы) имена.
Для организации строения файловой системы файлы группируются в каталоги.

Раздел - область диска созданная при его разметке и содержащая один или несколько отформатированных томов.

Том - область раздела с файловой системой, таблицей файлов и областью данных. Один или несколько разделов составляют диск.
Вся информация о файлах хранится в особой области раздела — таблице 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.

MBR (Master Boot Record) специальная область расположенная в начале диска — содержащая необходимую для BIOS информацию для загрузки операционной системы с жесткого диска.
Таблица разделов (partition table) также расположена в начале диска, ее задача — хранить информацию о разделах: начало, длина, загрузка. На загрузочном разделе расположен загрузочный сектор (boot sector), хранящий программу загрузки операционной системы.

Отсчет начинается от MBR (от сектора с номером 0) для всех основных (primary) разделов, как для обычных, так и для расширенного, и только для основных.
Все обычные логические (not extended logical) разделы задаются сдвигом относительно начала того расширенного раздела, в котором они описаны.
Все расширенные логические (extended logical) разделы задаются сдвигом относительно начала основного расширенного раздела (extended primary).

Процесс загрузки операционной системы выглядит следующим образом:
При включении компьютера управление процессором получает BIOS ,идет загрузка (boot) с винчестера, подгружается в оперативную память компьютера первый сектор диска (MBR) и передается ему управление).

В MBR может быть записан как "стандартный" загрузчик, так и загрузчики типа LILO/GRUB.

Стандартный загрузчик находит в таблице основных разделов первый раздел с флагом bootable (загрузочный), считывает его первый сектор (boot-сектор) и передает управление коду, записанному в этом boot-секторе. Если вместо стандартного загрузчика MBR стоит другой, то он не смотрит на флаг bootable, может загружать с любого раздела (прописанных в его настройках).

Например для загрузки операционной системы Windows NT/2k/XP/2003 в boot-секторе записывается код, загружающий с текущего раздела в память основной загрузчик (ntloader). 
Для каждой файловой системы FAT16/FAT32/NTFS используется свой загрузчик. В корне раздела обязательно должен присутствовать файл ntldr. Если вы видете при попытке загрузить Windows сообщение "NTLDR is missing", то это как раз тот случай, когда файл ntldr отсутствует. Также для нормальной работы ntldr возможно нужны файлы bootfont.bin, ntbootdd.sys, ntdetect.com и правильно написанный boot.ini. 

2. Наиболее известные файловые системы

• Advanced Disc Filing System
• AdvFS
• Be File System
• CSI - DOS
• Encrypting File System
• Extended File System
• Second Extended File System
• Third Extended File System
• Fourth Extended File System
• File Allocation Table (FAT)
• Files - 11
• Hierarchical File System
• HFS Plus
• High Perfomance File System (HPFS)
• ISO 9660
• Journaled File System
• Macintosh File System
• MINIX file system
• MicroDOS
• Next3
• New Implementation of a Log-structured F (NILFS)
• Novell Storage Services
• New Technology File System (NTFS)
• Protogon
• ReiserFS
• Smart File System
• Squashfs
• Unix File System
• Universal Disk Format (UDF)
• Veritas File System
• Windows Future Storage (WinFS)
• Write Anywhere File Layout
• XFS
• Zettabyte File System (ZFS)

3. Основные характеристики файловых систем

Операционная система предоставляет приложениям набор функций и структур для работы с файлами. Возможности операционной системы накладывают дополнительные ограничения на ограничения файловой системы, к основным ограничениям можно отнести:

- Максимальный (минимальный) размер тома;
- Максимальное (минимальное) количество файлов в корневом каталоге;
- Максимальное количество файлов в некорневом каталоге;
- Безопасность на уровне файлов;
- Поддержка длинных имен файлов;
- Самовосстановление;
- Сжатие на уровне файлов;
- Ведение журналов транзакций;

4.Краткое описание наиболее распространенных файловых систем FAT, NTFS, EXT

Файловая система FAT

FAT (file allocation table) означает «таблица размещения файлов».
В файловой системе FAT логическое дисковое пространство любого логического диска делится на две области:
- системную область;
- область данных.
Системная область создается при форматировании и обновляется при манипулировании файловой структурой. Область данных содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому, и доступна через пользовательский интерфейс. Системная область состоит из следующих компонентов:
- загрузочной записи;
- зарезервированных секторов;
- таблицы размещения файлов (FAT);
- корневого каталога.
Таблица размещения файлов представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных. Область данных разбивается на кластеры. Кластер – один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (только в области данных). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в системе управления файлами FAT16 используется 16-битовое слово, следовательно, можно иметь до 65536 кластеров.
Кластер – минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу или некорневому каталогу. Файл или каталог занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что приведет к заметной потере дискового пространства при большом размере кластера.
Так как FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она загружается в ОЗУ и находится там максимально долго.
Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он размещается в фиксированном месте логического диска и имеет фиксированное число элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация в соответствии со следующей структурой:
- имя файла или каталога – 11 байт;
- атрибуты файла – 1 байт;
- резервное поле – 1 байт;
- время создания – 3 байта;
- дата создания – 2 байта;
- дата последнего доступа – 2 байта;
- зарезервировано – 2 байта;
- время последней модификации – 2 байта;
- номер начального кластера в FAT – 2 байта;
- размер файла – 4 байта.
Структура системы файлов является иерархической.

 Файловая система FAT32
FAT32 является полностью независимой 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с FAT16. Принципиальное отличие FAT32 заключается в более эффективном использовании дискового пространства: FAT32 использует кластеры меньшего размера, что приводит к экономии дискового пространства.
FAT32 может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии критических структур данных, что повышает устойчивость дисков к нарушениям структуры FAT по сравнению с предыдущими версиями. Корневой каталог представляет собой обычную цепочку кластеров, поэтому может находиться в произвольном месте диска, что снимает ограничение на размер корневого каталога.

Файловая система NTFS
Файловая система NTFS (New Technology File System) содержит ряд значительных усовершенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем. С точки зрения пользователей файлы по-прежнему хранятся в каталогах, но работа на дисках большого объема в NTFS происходит намного эффективнее:
- имеются средства для ограничения доступа к файлам и каталогам;
- введены механизмы, существенно повышающие надежность файловой системы;
- сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секторов и/или кластеров.

 Основные характеристики файловой системы NTFS:
- надежность. Высокопроизводительные компьютеры и системы совместного использования должны обладать повышенной надежностью, для этой цели введен механизм транзакций, при котором ведется журналирование файловых операций;
- расширенная функциональность. В NTFS введены новые возможности: усовершенствованная отказоустойчивость, эмуляция других файловых систем, мощная модель безопасности, параллельная обработка потоков данных, создание файловых атрибутов, определенных пользователем;
- поддержка стандарта POSIX. К числу базовых средств относятся необязательное использование имен файлов с учетом регистра, хранение времени последнего обращения к файлу и механизм альтернативных имен, позволяющий ссылаться на один и тот же файл по нескольким именам;
- гибкость. Распределение дискового пространства отличается большой гибкостью: размер кластера может изменяться от 512 байт до 64 Кбайт.
NTFS хорошо работает с большими массивами данных и большими томами. Максимальный размер тома (и файла) – 16 Эбайт. (1 Эбайт равен 2**64 или 16000 млрд. гигабайт.) Количество файлов в корневом и некорневом каталогах не ограничено. Поскольку в основу структуры каталогов NTFS заложена эффективная структура данных, называемая «бинарным деревом», время поиска файлов в NTFS не связано линейной зависимостью с их количеством.
Система NTFS обладает некоторыми средствами для самовосстановления и поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, включая ведение журнала транзакций, позволяющий отследить по системному журналу файловые операции записи.
Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности и рассматривает все тома, каталоги и файлы как самостоятельные объекты NTFS. Права доступа к томам, каталогам и файлам зависит от учетной записи пользователя и той группы, к которой он принадлежит.
Файловая система NTFS обладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к томам, каталогам и файлам.

 Файловая система Ext3
Файловая система ext3 может поддерживать файлы размером до 1 ТБ. С Linux-ядром 2.4 объём файловой системы ограничен максимальным размером блочного устройства, что составляет 2 терабайта. В Linux 2.6 (для 32-разрядных процессоров) максимальный размер блочных устройств составляет 16 ТБ, однако ext3 поддерживает только до 4 ТБ.
Ext3 имеет хорошую совместимость с NFS и не имеет проблемы с производительностью при дефиците свободного дискового пространства. Еще одно достоинство ext3 происходит из того, что она основана на коде ext2. Дисковый формат ext2 и ext3 идентичен; из этого следует, что при необходимости ext3 filesystem можно монтировать как ext2 без каких либо проблем. И это еще не все. Благодаря факту, что ext2 и ext3 используют идентичные метаданные, имеется возможность оперативного обновления ext2 в ext3.
Надежность Ext3
В дополнение к ext2-compatible, ext3 наследует другие преимущества общего формата metadata. Пользователи ext3 имеют в своем распоряжении годами проверенный fsck tool. Конечно, основная причина перехода на journaling filesystem - отказ от необходимости периодических и долгих проверок непротиворечивости метаданных на диске. Однако "журналирование" не способно защитить от сбоев ядра или повреждения поверхности диска (или кое-чего подобного). В аварийной ситуации вы оцените факт преемственности ext3 от ext2 с ее fsck.
Журнализация в ext3.
Теперь, когда имеется общее понимание проблемы, посмотрим, как ext3 осуществляет journaling. В коде журнализации для ext3 используется специальный API, называемый Journaling Block Device layer или JBD. JBD был разработан для журнализации на любых block device. Ext3 привязана к JBD API. При этом код ext3 filesystem сообщает JBD о необходимости проведения модификации и запрашивает у JBD разрешение на ее проведение. Журналом управляет JBD от имени драйвера ext3 filesystem. Такое соглашение очень удобно, так как JBD развивается как отдельный, универсальный объект и может использоваться в будущем для журналирования в других filesystems.
Защита данных в Ext3
Теперь можно поговорить о том, как ext3 filesystem обеспечивает журнализацию и data, и metadata. Фактически в ext3 имеются два метода гарантирования непротиворечивости.
Первоначально ext3 разрабатывалась для журналирования full data и metadata. В этом режиме (называется "data=journal" mode), JBD журналирует все изменения в filesystem, связанные как с data, так и с metadata. При этом JBD может использовать журнал для отката и восстановления metadata и data. Недостаток "полного" журналирования в достаточно низкой производительности и расходе большого объема дискового пространства под журнал.
Недавно для ext3 был добавлен новый режим журналирования, который сочетает высокую производительность и гарантию непротиворечивости структуры файловой системы после сбоя (как у "обычных" журналируемых файловых систем). Новый режим работы обслуживает только metadata. Однако драйвер ext3 filesystem по-прежнему отслеживает обработку целых блоков данных (если они связаны с модификацией метаданных), и группирует их в отдельный объект, называемый transaction. Транзакция будет завершена только после записи на диск всех данных. "Побочный" эффект такой "грубой" методики (называемой "data=ordered" mode) - ext3 обеспечивает более высокую вероятность сохранности данных (по сравнению с "продвинутыми" журналируемыми файловыми системами) при гарантии непротиворечивости metadata. При этом происходит журналирование изменений только структуры файловой системы. Ext3 использует этот режим по умолчанию.
Ext3 имеет множество преимуществ. Она разработана для максимальной простоты развертывания. Она основана на годами проверенном коде ext2 и получила "по наследству" замечательный fsck tool. Ext3 в первую очередь предназначена для приложений, не имеющих встроенных возможностей по гарантированию сохранности данных. В целом, ext3 - замечательная файловая система и достойное продолжение ext2.Есть еще одна характеристика, положительно отличающая ext3 от остальных journaled filesystems под Linux - высокая надежность.

Файловая система ext4 является достойным эволюционным продолжением системы ext.

<На главную>