ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.06.2021
Просмотров: 2425
Скачиваний: 6
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 FAT12 и FAT16 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 s5 и ufs
Файловые системы s5 (получившие название от System V, родового имени нескольких версий ОС UNIX, разработанных в Bell Labs компании AT&T) и ufs (UNIX File System) используют очень близкую физическую модель. Это не удивительно, так как система ufs является развитием системы s5. Файловая система ufs расширяет возможности s5 по поддержке больших дисков и файлов, а также повышает ее надежность.
ВНИМАНИЕ
В этом разделе вместо термина «кластер» будет использоваться термин «блок», как это принято в файловых системах UNIX.
Расположение файловой системы s5 на диске иллюстрирует рис. 7.15. Раздел диска, где размещается файловая система, делится на четыре области:
загрузочный блок;
суперблок (superblock) содержит самую общую информацию о файловой системе: размер файловой системы, размер области индексных дескрипторов, число индексных дескрипторов, список свободных блоков и список свободных индексных дескрипторов, а также другую административную информацию;
область индексных дескрипторов (inode list), порядок расположения индексных дескрипторов в которой соответствует их номерам;
область данных, в которой расположены как обычные файлы, так и файлы-каталоги, в том числе и корневой каталог; специальные файлы представлены в файловой системе только записями в соответствующих каталогах и индексными дескрипторами специального формата, но места в области данных не занимают.
Рис. 7.15. Расположение файловой системы s5 на диске
Основной особенностью физической организации файловой системы s5 является отделение имени файла от его характеристик, хранящихся в отдельной структуре, называемой индексным дескриптором (inode). Индексный дескриптор в s5 имеет размер 64 байта и содержит данные о типе файла, адресную информацию, привилегии доступа к файлу и некоторую другую информацию:
идентификатор владельца файла;
тип файла; файл может быть файлом обычного типа, каталогом, специальным файлом, а также конвейером или символьной связью;
права доступа к файлу;
временные характеристики: время последней модификации файла, время последнего обращения к файлу, время последней модификации индексного дескриптора;
число ссылок на данный индексный дескриптор, равный количеству псевдонимов файла;
адресная информация (структура адреса рассмотрена выше в разделе «Физическая организация и адресация файла»);
размер файла в байтах.
Каждый индексный дескриптор имеет номер, который одновременно является уникальным именем файла. Индексные дескрипторы расположены в особой области диска в строгом соответствии со своими номерами. Соответствие между полными символьными именами файлов и их уникальными именами устанавливается с помощью иерархии каталогов. Система ведет список номеров свободных индексных дескрипторов. При создании файла ему выделяется номер из этого списка, а при уничтожении файла номер его индексного дескриптора возвращается в список.
Запись о файле в каталоге состоит всего из двух полей: символьного имени файла и номера индексного дескриптора. Например, на рис. 7.16 показана информация, содержащаяся в каталоге /user.
Рис. 7.16. Структура каталога в файловой системе s5
Файловая система не накладывает особых ограничений на размер корневого каталога, так как он расположен в области данных и может увеличиваться как обычный файл.
Доступ к файлу осуществляется путем последовательного просмотра всей цепочки каталогов, входящих в полное имя файла, и соответствующих им индексных дескрипторов. Поиск завершается после получения всех характеристик из индексного дескриптора заданного файла.
Рис. 7.17. Поиск адреса файла по его символьному имени
Рассмотрим эту процедуру на примере файла /bin/my_shell/print, входящего в состав файловой системы, изображенной на рис. 7.17. Определение физического адреса этого файла включает следующие этапы.
1. Прежде всего просматривается корневой каталог с целью поиска первой составляющей символьного имени — bin. Определяется номер (в данном примере — 6) индексного дескриптора каталога, входящего в корневой каталог. Адрес корневого каталога известен системе.
2. Из области индексных дескрипторов считывается дескриптор с номером 6. Начальный адрес дескриптора определяется на основании известных системе номера начального сектора области индексных дескрипторов и размера индексного дескриптора. Из индексного дескриптора 6 определяется физический адрес каталога /bin.
3. Просматривается каталог /bin с целью поиска второй составляющей символьного имени my_shell. Определяется номер индексного дескриптора каталога /bin/my_shell (в данном случае — 25).
4. Считывается индексный дескриптор 25, определяется физический адрес /bin/my_shell.
5. Просматривается каталог /bin/my_shell, определяется номер индексного дескриптора файла print (в данном случае — 131).
6. Из индексного дескриптора 131 определяются номера блоков данных, а также другие характеристики файла /bin/my_shell/print.
Эта процедура требует в общем случае нескольких обращений к диску, пропорционально числу составляющих в полном имени файла. Для уменьшения среднего времени доступа к файлу его дескриптор копируется в специальную системную область оперативной памяти. Копирование индексного дескриптора входит в процедуру открытия файла.
Физическая организация файловой системы ufs отличается от описанной физической организации файловой системы s5 тем, что раздел состоит из повторяющейся несколько раз последовательности областей «загрузчик—суперблок—блок группы цилиндров—область индексных дескрипторов» (рис. 7.18).
Рис. 7.18. Физическая организация файловой системы ufs
В этих повторяющихся последовательностях областей суперблок является резервной копией основной первой копии суперблока. При повреждении основной копии суперблока может быть использована резервная копия суперблока. Области же блока группы цилиндров и индексных дескрипторов содержат индивидуальные для каждой последовательности значения. Блок группы цилиндров описывает количество индексных дескрипторов и блоков данных, расположенных на данной группе цилиндров диска. Такая группировка делается для ускорения доступа, чтобы просмотр индексных дескрипторов и данных файлов, описываемых этими дескрипторами, не приводил к слишком большим перемещениям головок диска.
Кроме того, в ufs имена файлов могут иметь длину до 255 символов (кодировка ASCII, по одному байту на символ), в то время как в s5 длина имени не может превышать 14 символов.
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 2 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 тома1 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).
1 В Windows NT логический раздел принято называть томом.
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, k).
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. 7.19. 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.
Рис. 7.19. Структура тома NTFS
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.
|
Номер записи |
Системный файл |
Имя файла |
Назначение файла |
|
0 |
Главная таблица файлов |
$Mft |
Содержит полный список файлов тома NTFS |
|
1 |
Копия главной таблицы файлов |
SMftMirr |
Зеркальная копия первых трех записей MFT |
|
2 |
Файл журнала |
SLogFile |
Список транзакций, который используется для восстановления файловой системы после сбоев |
|
3 |
Том |
SVolume |
Имя тома, версия NTFS и другая информация о томе |
|
4 |
Таблица определения атрибутов |
SAttrDef |
Таблица имен, номеров и описаний атрибутов |
|
5 |
Индекс корневого каталога |
$. |
Корневой каталог |
|
6 |
Битовая карта кластеров |
SBitmap |
Разметка использованных кластеров тома |
|
7 |
Загрузочный сектор раздела |
SBoot |
Адрес загрузочного сектора раздела |
|
8 |
Файл плохих кластеров |
SBadClus |
Файл, содержащий список всех обнаруженных на томе плохих кластеров |
|
9 |
Таблица квот |
SQuota |
Квоты используемого пространства на диске для каждого пользователя |
|
10 |
Таблица преобразования регистра символов |
SUpcase |
Используется для преобразования регистра символов для кодировки Unicode |
|
11-15 |
Зарезервированы для будущего использования |
|
|
В NTFS файл целиком размещается в записи таблицы MFT, если это позволяет сделать его размер. В том же случае, когда размер файла больше размера записи MFT, в запись помещаются только некоторые атрибуты файла, а остальная часть файла размещается в отдельном отрезке тома (или нескольких отрезках). Часть файла, размещаемая в записи MFT, называется резидентной частью, а остальные части — нерезидентными. Адресная информация об отрезках, содержащих нерезидентные части файла, размещается в атрибутах резидентной части.
Некоторые системные файлы являются полностью резидентными, а некоторые имеют и нерезидентные части, которые располагаются после первого отрезка MFT. Нулевая запись MFT содержит описание самой MFT, в том числе и такой ее важный атрибут, как адреса всех ее отрезков. После форматирования MFT состоит из одного отрезка, но после создания первого же несистемного файла для хранения его атрибутов требуется еще один отрезок, так как изначально непрерывная последовательность кластеров MFT уже завершена системными файлами.