Что такое том ntfs. Файловыe системы изнутри: FAT vs NTFS. Файлы и потоки
Файловая система NTFS (New Technologies File System – файловая система новой технологии) была выпущена вместе с ОС Windows NT 3.5 в 1993 г. До выхода Windows 2000 разработка двух линий ОС была раздельной, и потребительские ОС Windows 95/98/Me были ограничены использованием FAT16 или FAT32 . В отличие от них, линейка NT , включая Windows XP , поддерживает все системы (за исключением Windows NT4 , не знакомой с FAT32 ).
Система NTFS содержит множество улучшений по сравнению с системами FAT . Наиболее важные относятся к:
· оптимизированному использованию пространства на больших томах,
· исправлению ошибок после аварий,
· защите данных от несанкционированного доступа,
· службе индексации,
· сжатию и шифрованию данных,
· восстановлению системы после серьезных сбоев.
NTFS может управлять разделами размером в несколько сотен Тбайт. Что касается безопасности, то администраторы получили возможность использовать встроенные функций защиты: политики доступа пользователей к файлам и папкам, системы шифрования файлов EFS (Encryption File System – шифрованная файловая система).
Система NTFS , используемая в версиях Windows, вплоть до Windows 2000 , не соответствовала современным требованиям, в частности:
· ограничивала число томов 26 (диски от A до Z);
· изменение раздела всегда требовало перезагрузки;
· информация о томах NTFS хранилась в реестре, что усложняло использование диска с другой системой.
Указанные проблемы были решены в Windows 2000 с помощью LDM (Logical Disk Manager – логический дисковый менеджер), который больше не требует присвоения букв дискам. Улучшения NTFS , используемой в Windows XP , были связаны с:
· улучшением пропускной способности данных,
· введением возможности устанавливать значения размера кластера, отличные от фиксированного по 512 байт;
· улучшением административных функций: индексация папок и ограничение непредвиденных расходов памяти.
Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл – даже служебная информация. Самый главный файл в NTFS называется MFT (Master File Table – общая таблица файлов). В отличие от FAT , которая хранит таблицы отдельно, в начале тома, NTFS помещает MFT в скрытых файлах.
Раздел NTFS может быть почти какого угодно размера. Его максимальный размер ограничен лишь размерами жестких дисков.
NTFS делит все полезное место носителя на кластеры – блоки данных, причем размер кластера изменяется от 512 байт до 64 Кбайт (стандартом считается кластер размером 4 Кбайт).
Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под MFT-зону - пространство, в которое растет метафайл MFT . Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT ) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов (рис. 9).
Рис. 9. Физическая структура NTFS
Механизм использования MFT-зоны следующий: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях ОС ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT-зона может снова расшириться. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне останутся обычные файлы.
MFT размещается в MFT-зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска (в том числе, и себя самого). MFT управляет всеми файлами тома и, так называемыми, метаданными с помощью реляционной базы данных. Информация о файлах размещается в строчках, а в столбцах записаны атрибуты файлов (скрытый, шифрованный, сжатый, системный и т.д.).
MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому-либо файлу. Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны ОС – они называются метафайлами , причем самый первый метафайл – сам MFT . Файлы размером до 900 байт могут полностью помещаться в одну запись. Для файлов большего размера MFT содержит указатели на их расположение в дисковой памяти. То же самое относится и к папкам: если они имеют достаточно малый размер, то полностью входят в MFT .
Первые 16 элементов MFT – единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Вторая копия первых трех записей, для надежности (они очень важны) хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска – восстановить его положение можно с помощью его самого, «зацепившись» за самую основу – за первый элемент MFT .
Каждый метафайл отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество такого подхода заключается в гибкости. Например, в файловой системе FAT физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности - кроме первых 16 элементов MFT .
Метафайлы находятся в корневом каталоге NTFS диска – они начинаются с символа имени «$». В настоящее время используются следующие метафайлы:
· $MFT – сам MFT;
· $MFTmirr – копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска;
· $LogFile – файл поддержки журналирования;
· $Volume – служебная информация (метка тома, версия файловой системы и т.д.);
· $AttrDef – список стандартных атрибутов файлов на томе;
· $. - корневой каталог;
· $Bitmap – карта свободного места тома;
· $Boot – загрузочный сектор (если раздел загрузочный);
· $Quota - файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства;
· $Upcase – файл-таблица соответствия заглавных и прописных букв в именах файлов на текущем томе.
Все файлы, размещаемые на диске, упоминаются в MFT . В этом месте хранится вся информация о файле (за исключением собственно данных): имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT , то используются несколько, причем не обязательно подряд.
Файлы небольшого размера (до 900 байт) хранятся прямо в MFT , в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT . Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего «физического» воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте - в MFT .
Имя файла может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode – 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла – 255 символов.
Каталог на NTFS
представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT
, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево
(В-дерево
). Это означает следующее: для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как в FAT, ОС приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом – с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя – выше или ниже? Такой поиск начинается с вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Файлы отсортированы по алфавиту, и ответ на вопрос осуществляется очевидным способом – сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента. Пример поиска по В-дереву показан на рис. 10.
Таким образом, для поиска одного файла среди, например, 1000, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе В-дерева – всего около 10-ти (2 10 = 1024).
Главный каталог диска - корневой - ничем не отличается об обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT .
NTFS – отказоустойчивая система, которая может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях.
В табл. 4 приведены ограничения, налагаемые на файловые системы NTFS и FAT .
Таблица 4. Ограничения файловых систем
Для новой ОС Vista компания Microsoft разрабатывает новую файловую систему Windows Future Storage (WinFS – «грядущая система хранения »), призванную заменить NTFS и FAT . В основе WinFS лежит доработанная NTFS с улучшенными функциями администрирования, организации доступа к файлам, синхронизации и защиты файловых ресурсов.
Новая файловая система предназначена для хранения файлов на основе критериев их содержания, т.е. автора, содержания, имени, источника и последнего обратившегося пользователя. Структура папок, отображаемая в Проводнике , представляет собой просто виртуальную карту.
Сутью WinFS является, так называемая, модель данных – механизм, который постоянно администрирует и структурирует цифровые элементы или «предметы» (items ). Предметы используют описательные элементы, выходящие за понятие файла. Эти описательные элементы не присутствуют в файле, а полностью принадлежат и управляются WinFS . При данной схеме в качестве предметов можно регистрировать не только файлы, но и, например, контакты, ссылки в Интернете, письма и т.д.
С точки зрения пользователей, предметы снимают необходимость в использовании физического места расположения файлов. Вместо этого ОС организует данные, в зависимости от их содержания, в виртуальные папки. При поиске данных пользовательские критерии типа «Все документы по курсу ИКТ за последние два года » заменяют информацию о формате файлов, авторах и расположении.
Microsoft реализовала меняющуюся модель предметов в WinFS , т.е. пользователи могут сами определять предметы с помощью метаданных XML и указывать связи между предметами. При этом существует возможность, например, вывода всех документов данного автора вместе с информацией о его адресе и связанных с ним документов.
| Задание №4 1. Определите, какие файловые системы используются на жестком диске вашей рабочей станции: · выполните команды главного меню Windows: Пуск Þ Настройка Þ Панель управления Þ Администрирование Þ Управление компьютером; · в левой панели консоли Управление компьютером раскройте раздел Запоминающие устройства и дважды щелкните мышью по опции Управление дисками; · в правой панели консоли Управление компьютером отобразится информация о структуре дисков и используемых файловых системах; · запишите эту информацию в свою рабочую тетрадь; · закройте окно консоли. 2. Определите характеристики логических и физических дисков вашей рабочей станции: · выполните команды главного меню Windows: Пуск Þ Программы Þ Стандартные Þ Служебные Þ Сведения о системе; · в левой панели консоли Сведения о системераскройте раздел Компоненты, а в нем – подраздел Запоминающие устройства; · двойным щелчком мыши выберите первую опцию Диски. В правой панели отобразятся характеристики логических дисков. Выпишите значения в свою рабочую тетрадь; · двойным щелчком мыши выберите вторую опцию Диски. В правой панели отобразятся характеристики физических дисков. Выпишите основные значения в свою рабочую тетрадь; · закройте окно консоли. |
NTFS выросла из файловой системы HPFS, разрабатываемой совместно IBM и Microsoft для проекта OS/2. Она начала использоваться вместе с Windows NT 3.1 в 1993 году. Windows NT 3.1 должна была составить конкуренцию серверам на базе NetWare и Unix, поэтому NTFS вобрала в себя все тогдашние технологические достижения. Вот основные из них:
1. Работа с большими дисками. NTFS имеет размер кластера 512 байт, что в принципе оптимально, но его можно менять до 64К. Более важно то, что NTFS способна теоретически работать с томами размером в 16,777,216 терабайт. Теоретически, потому что таких жестких дисков пока просто не существует, и появятся они весьма не скоро.
2. Устойчивость. NTFS содержит две копии аналога FAT, которые называются MFT (Master File Table). В отличие от FAT MSDOS, MFT больше напоминает таблицу базы данных. Если оригинал MFT повреждён в случае аппаратной ошибки (например, появления bad-сектора), то система при следующей загрузке использует копию MFT, и автоматически создаёт новый оригинал, уже с учётом повреждений. Но это не самое главное. Главное, что NTFS использует систему транзакций при записи файлов на диск. Эта система пришла из СУБД, где защита целостности данных - жизненно важное дело. Уже это говорит о её эффективности. В упрощённом виде она работает так:
- Драйвер ввода/вывода NTFS инициирует процесс записи, одновременно сообщая сервису Log File Service вести лог всего происходящего.
- Данные пишутся в кэш, под управлением сервиса Cache Manager.
- Cache Manager посылает данные Virtual Memory Manager-у (менеджеру виртуальной памяти), для записи на диск в фоновом режиме.
- Virtual Memory Manager посылает данные драйверу диска, пропустив их через Fault Tolerant Driver (если у вас массив дисков RAID).
- Драйвер диска шлёт их контроллеру, который уже пишет их либо в кэш, либо прямо на диск.
- Если эта операция проходит без ошибок, запись лога удаляется.
- Если происходит сбой, запись лога остается в таблице транзакций, и при следующем доступе к диску Log File Service обнаруживает эту запись, и просто восстанавливает всё как было до этой операции.
Такая система гарантирует абсолютную сохранность данных в случае копирования, перемещения и удаления файлов или директорий. При внесении изменений в файл, вы теряете те изменения, которые находились в момент сбоя в памяти или в кэше контроллера, и не успели записаться на диск.
3. Защищенность. NTFS рассматривает файлы, как объекты. Каждый файловый объект обладает свойствами, такими как его имя, дата создания, дата последнего обновления, архивный статус, и дескриптор безопасности. Файловый объект также содержит набор методов, которые позволяют с ним работать, такие как open, close, read и write. Пользователи, включая сетевых, для обращения к файлу вызывают эти методы, а Security Reference Monitor определяет, имеет ли пользователь необходимые права для вызова какого-либо из этих методов. Кроме этого, файлы можно шифровать. Правда, с шифрованием стоит быть осторожнее. Если у вас рухнет система, или вы её переустановите то вы не сможете прочитать зашифрованные файлы, если не имеете ERD.
4. Компрессия данных. NTFS позволяет компрессировать отдельные каталоги и файлы, в отличие от DriveSpace, который позволял сжимать только диски целиком. Это очень удобно, для экономии пространства на диске, например можно сжимать «на лету» большие графические файлы формата BMP, или текстовые файлы, причём для пользователя всё это будет прозрачно.
5. Поддержка формата ISO Unicode. Формат Unicode использует 16bit для кодировки каждого символа, в отличие от ASCII, который использовал 8bit, или ещё хуже - 7bit. Для простого пользователя это означает то, что теперь он может называть файлы на любом языке, хоть на китайском - система это будет поддерживать, не требуя изменить кодовую страницу, как это делал DOS и W9x.
Переход с FAT32 на NTFS
Всё зависит от того, с какой целью вы используете компьютер, и сколько у вас оперативной памяти. Следует учесть, что NTFS работает несколько медленнее чем FAT, из-за дополнительно загружаемых сервисов и её системы безопасности. Если у вас мало оперативной памяти, и вы решили поставить себе XP, то вам однозначно нельзя ставить себе NTFS. Если у вас 128MB или больше, то можно уже подумать об NTFS. Следует взвесить преимущества и недостатки NTFS для простого пользователя и решить, что вам нужно. К преимуществам FAT32 можно отнести то, что она быстрее и требует меньше памяти для работы. Если система работает только с FAT32, то в память не грузятся драйвера и сервисы, необходимые NTFS. Кроме этого, при использовании FAT32 имеется возможность доступа к диску при загрузке с загрузочного флоппи W9x. Преимущества NTFS для простого пользователя можно описать одним ёмким словом: indestructible. На полном серьёзе, вышибить NTFS чрезвычайно сложно, хоть и возможно. Для опыта запускалась куча различных приложений, оптимизаторы диска, и в самые неподходящие моменты жалась кнопка reset. Повторение этого садизма добрый десяток раз никакого впечатления на систему не произвело, она продолжала работать без ошибок. Кроме этого, NTFS обладает встроенными средствами шифрования файлов, что обеспечивает определённую уверенность в сохранности данных. Конечно, при условии что система не будет переустанавливаться.
Конвеpтируем диск FAT32 в NTFS без потеpи данных.
1. Можно воспользоваться командой
CONVERT том: /FS:NTFS Преобразование произойдет при следующей перезагрузке. Потери информации не при этом не будет, но нужно иметь в виду, что размер кластера после конвертации составит 512 байт, что не очень хорошо на больших разделах, кроме того, диск после конвертации будет сильно фрагментирован. Обратное преобразование (NTFS -> FAT) без потери данных средствами XP невозможно, потребуется отформатировать раздел заново.
2. Выполнить конвертацию
также сможет программа Partition Magic. C NTFS 5 нормально работает, начиная с версии 6.0, но если использовать только загрузочную дискету, то подойдет и версия 5.01. Данная программа также позволяет выполнять обратное преобразование без потери данных и даже может менять размер кластера (к сожалению, только на FAT16 и FAT32). Partition Magic не работает с динамическими дисками, только с основными.
Операционные системы Microsoft семейства Windows NT нельзя представить без файловой системы NTFS - одной из самых сложных и удачных из существующих на данный момент файловых систем. Данная статья расскажет вам, в чем особенности и недостатки этой системы, на каких принципах основана организация информации, и как поддерживать систему в стабильном состоянии, какие возможности предлагает NTFS и как их можно использовать обычному пользователю.
Часть 1. Физическая структура NTFS
Начнем с общих фактов. Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно размера. Предел, конечно, есть, но я даже не буду указывать его, так как его с запасом хватит на последующие сто лет развития вычислительной техники - при любых темпах роста. Как обстоит с этим дело на практике? Почти так же. Максимальный размер раздела NTFS в данный момент ограничен лишь размерами жестких дисков. NT4, правда, будет испытывать проблемы при попытке установки на раздел, если хоть какая-нибудь его часть отступает более чем на 8 Гб от физического начала диска, но эта проблема касается лишь загрузочного раздела.
Лирическое отступление. Метод инсталляции NT4.0 на пустой диск довольно оригинален и может навести на неправильные мысли о возможностях NTFS. Если вы укажете программе установки, что желаете отформатировать диск в NTFS, максимальный размер, который она вам предложит, будет всего 4 Гб. Почему так мало, если размер раздела NTFS на самом деле практически неограничен? Дело в том, что установочная секция просто не знает этой файловой системы:) Программа установки форматирует этот диск в обычный FAT, максимальный размер которого в NT составляет 4 Гбайт (с использованием не совсем стандартного огромного кластера 64 Кбайта), и на этот FAT устанавливает NT. А вот уже в процессе первой загрузки самой операционной системы (еще в установочной фазе) производится быстрое преобразование раздела в NTFS; так что пользователь ничего и не замечает, кроме странного \"ограничения\" на размер NTFS при установке. :)
Структура раздела - общий взгляд
Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт. Никаких аномалий кластерной структуры NTFS не имеет, поэтому на эту, в общем-то, довольно банальную тему, сказать особо нечего.
Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону - пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.
Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место - незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Жизнь продолжается... Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.
MFT и его структура
Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл - даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table - общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности - они очень важны - хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска - восстановить его положение можно с помощью его самого, \"зацепившись\" за самую основу - за первый элемент MFT.
Метафайлы
Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество настолько модульного подхода заключается в поразительной гибкости - например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности - кроме первых 16 элементов MFT.
Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска - они начинаются с символа имени \"$\", хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Любопытно, что и для этих файлов указан вполне реальный размер - можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию всего вашего диска, посмотрев размер файла $MFT. В следующей таблице приведены используемые в данный момент метафайлы и их назначение.
| $MFT | сам MFT |
| $MFTmirr | копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска |
| $LogFile | файл поддержки журналирования (см. ниже) |
| $Volume | служебная информация - метка тома, версия файловой системы, т.д. |
| $AttrDef | список стандартных атрибутов файлов на томе |
| $. | корневой каталог |
| $Bitmap | карта свободного места тома |
| $Boot | загрузочный сектор (если раздел загрузочный) |
| $Quota | файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (начал работать лишь в NT5) |
| $Upcase | файл - таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode, что составляет 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально. |
Файлы и потоки
Итак, у системы есть файлы - и ничего кроме файлов. Что включает в себя это понятие на NTFS?
Прежде всего, обязательный элемент - запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.
Опциональный элемент - потоки данных файла. Может показаться странным определение \"опциональный\", но, тем не менее, ничего странного тут нет. Во-первых, файл может не иметь данных - в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во-вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда идет в ход довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего \"физического\" воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте - в MFT.
Довольно интересно обстоит дело и с данными файла. Каждый файл на NTFS, в общем-то, имеет несколько абстрактное строение - у него нет как таковых данных, а есть потоки (streams). Один из потоков и носит привычный нам смысл - данные файла. Но большинство атрибутов файла - тоже потоки! Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а всё остальное опционально. Данная абстракция может использоваться для создания довольно удобных вещей - например, файлу можно \"прилепить\" еще один поток, записав в него любые данные - например, информацию об авторе и содержании файла, как это сделано в Windows 2000 (самая правая закладка в свойствах файла, просматриваемых из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами: наблюдаемый размер файла - это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длинны, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места - просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология прилепила в нему дополнительный поток (альтернативные данные) гигабайтового размера. Но на самом деле в текущий момент потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны. Просто имейте в виду, что файл на NTFS - это более глубокое и глобальное понятие, чем можно себе вообразить просто просматривая каталоги диска. Ну и напоследок: имя файла может содержать любые символы, включая полый набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла - 255 символов.
Каталоги
Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево. Вот что это означает: для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как у FAT-а, операционной системе приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом - с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя - выше или ниже? Мы начинаем с такого вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Файлы, скажем, просто отсортированы по алфавиту, и ответ на вопрос осуществляется очевидным способом - сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента.
Многие пользователи сталкиваются с непониманием основ работы файловых систем Windows. Казалось бы, зачем ненужная теория? На самом деле именно знание глубокого функционирования различных файловых систем позволяет верно выбирать ту или иную файловую систему для того или иного носителя информации. Порой ошибка в выборе может стать критической позже при решении задачи восстановления информации или преждевременного износа носителя.
Файловая система состоит из системы управления файлами и совокупности файлов на определенном виде носителя (CD, DVD, FDD, HDD, Flash ит.д.). Система управления файлами обеспечивает пользователям и приложениям возможность доступа к файлам, их сохранения и поддержку целостности их содержимого. Наиболее распространенным долговременным носителем информации в современных вычислительных системах является жесткий диск – «Винчестер». Этот термин применяется к любому герметичному диску с аэродинамической конструкцией считывающих магнитных головок.
Файловые системы современных операционных систем устанавливаются в разделы жесткого диска.
FAT 32. Простота и надежность.
Существуют три файловые системы FAT: FAT12 (для гибких дисков FDD), FAT16, FAT32. Они различаются количестом бит (12, 16, 32) для указания номера кластера в системе управления файлами. В файловых системах FAT логическое дисковое пространство любого логического диска делится на системную область и область данных. BR – загрузочная запись Boot Record; RS – зарезервированные сектора; FAT1, FAT2 – таблицы 1 и 2 размещения файлов; RDir (Root directory, ROOT) – корневой каталог. Область данных разбивается на кластеры, которые представляют собой 1 или несколько смежных секторов. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу, связываются по цепочке. Картой области данных является, по сути, Таблица размещения файлов (File Allocation Table - FAT) Каждый элемент таблицы FAT (12, 16 или 32 бит) соответствует одному кластеру диска и характеризует его состояние: свободен, занят или является сбойным кластером (bad clаster). Для указания номера кластера в системе управления файлами FAT16 используется 16-ти битовое слово, и можно адресовать 65536 кластеров.
Кластер – это минимально адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая для файла. Файл или каталог занимает целое число кластеров. Разбиение области данных на кластеры вместо использования секторов позволяет: уменьшить размер таблицы FAT, уменьшить фрагментацию файлов, сокращается длина цепочек файла, ускоряется доступ к файлу. Последний кластер может быть задействован не полностью, что приведет к заметной потере дискового пространства при большом размере кластера. На дискете кластер занимает 1 или 2 сектора. На жестком диске – 4, 8, 16, 32, 64 – сектора в одном кластере. Каждый элемент имеет следующую структуру: имя файла, атрибут файла, резервное поле, время создания, дата создания, дата последнего доступа, резерв, дата последней модификации, время последней модификации, номер начального кластера Fat, размер файла.
В данном примере файл с именем MyFile.txt размещается, начиная с 8-го кластера и занимает 12 кластеров. Цепочка кластеров для данного случая: 8,9,А,В,15,16,17,19,1А,1В,1C,1D. Кластер с номером 18 помечен кодом F7 как плохой. Он не может быть использован для размещения данных. Этот код выставляется утилитами форматирования и проверки дисков. Кластер 1D помечен кодом FF как конечный, принадлежащий данному файлу. Свободные кластеры помечены кодом 0. При выделении нового кластера для записи в файл берется 1-ый свободный кластер. Поскольку файлы на диске изменяются, удаляются, перемещаются, увеличиваются и уменьшаются, то данное правило размещения приводит к фрагментации, т.е. данные одного файла располагаются не в смежных кластерах, а порой очень удаленных друг от друга. Образовывается сложная цепочка. Это приводит к замедлению работы с файлами. Так как Fat используется при доступе к диску очень интенсивно, она загружается в оперативную память. Система Fat32 намного эффективнее расходует дисковое пространство, так как использует кластеры меньшего размера по сравнению с предыдущими версиями Fat. По сравнению с Fat16 это дает экономию 10-16%.
Элемент каталога в поле атрибут может хранить следующие значения:
1) архивный (устанавливается при изменении файла и снимается программой выполняющей резервное копирование файлов на другой носитель);
2) директория;
3) метка тома;
4) системный;
5) скрытый;
6) только для чтения.
Длинные имена в FAT32 обеспечиваются использованием нескольких элементов записи каталога: для одного файла (один элемент – одна запись для имени 8.3, и 24 записи для самого длинного имени, которое может содержать до 256 символов. Поэтому не рекомендуется использовать длинные имена.
Основной недостаток FAT - медленная работа с файлами. При создании файла работает правило - выделяется первый свободный кластер. Это ведет к фрагментации диска и сложным цепочкам файлов. Отсюда следует замедление работы с файлами.
В принципе, файловая система FAT - это то, что нужно сегодня избегать. Поэтому жизненно важно выбрать подходящий, который позволит вам избежать это файловой системы.
NTFS: удобство и высокая скорость.
Одним из основных понятий, используемых при работе с NTFS, является понятие тома. Возможно создание отказоустойчивого тома, занимающего несколько разделов, то есть использование RAID-технологии. NTFS делит все полезное дисковое пространство тома на кластеры - блоки данных, адресуемые как единицы данных. NTFS поддерживает размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; 2 или 4 Кбайт диска отводятся под MFT-зону - пространство, которое может занимать, увеличиваясь в размере, главный служебный метафайл MFT. Запись данных в эту область невозможна. MFT-зона пуста, чтобы служебный файл (MFT) по возможности не фрагментировался при своем росте.
MFT (общая таблица файлов) - централизованный каталог всех остальных файлов диска, в том числе и себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера в 1 Кбайт, каждая запись соответствует какому-либо файлу. Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая строго фиксированное положение. Копия этих же 16 записей хранится в середине тома для надежности, поскольку они очень важны. Остальные части MFT-файла могут располагаться в произвольных местах диска - восстановить его положение можно с помощью его самого, «зацепившись» за самую основу - за первый элемент MFT. Каждый файл в NTFS представлен с помощью потоков, у него нет данных, а есть «потоки». Один из потоков - данные файла. Для одного файла можно определить несколько потоков данных.
Основные особенности NTFS:
Работа на дисках большого объема происходит эффективно (намного эффективнее, чем в FAT);
Имеются средства для ограничения доступа к файлам и каталогам;
Разделы NTFS обеспечивают локальную безопасность как файлов, так и каталогов;
Введен механизм транзакций, при котором осуществляется журналирование файловых операций;
Существенное увеличение надежности;
Сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секторов и/или кластеров;
Имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS, может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS - 255 символов.
Система NTFS также обладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к отдельным файлам, целым каталогам и даже томам (и впоследствии отменять или назначать их по своему усмотрению). Каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги.
NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов; это означает, что права доступа к томам, 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 права доступа проверяются по списку разрешений данного объекта. Если пользователь обладает достаточным уровнем прав, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется. Эта модель безопасности применяется как при локальной регистрации пользователей на компьютерах с NT, так и при удаленных сетевых запросах.
Система NTFS также обладает определенными средствами самовосстановления. NTFS поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, включая ведение журналов транзакций, позволяющих воспроизвести файловые операции записи по специальному системному журналу.
Основной недостаток файловой системы NTFS - служебные данные занимают много места (например, каждый элемент каталога занимает 2 Кбайт) - для малых разделов служебные данные могут занимать до 25% объема носителя.
Таким образом, выбирая тип файловой системы, мы выбираем не какое-то абстрактное действие, мы принимаем комплекс решений, которые влияют на всю систему в целом. Зачем же знать так подробно всю подноготную файловой системы? Это необходимо для ее возможного восстановления, о чем мы расскажем в одной из следующих статей=)
Windows поддерживает несколько файловых систем для различных внешних устройств:- NTFS – основная файловая система семейства Windows NT;
- FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов) – простая файловая система используемая Windows для устройств флеш памяти, а также для совместимости с другими операционными системами при установке на диски с множественной загрузкой. Основным элементом этой файловой системы является таблица размещения файлов FAT (по имени которой названа вся файловая система), необходимая для определения расположения файла на диске. Существует три варианта FAT, отличающихся разрядностью идентификаторов, указывающих размещение файлов: FAT12, FAT16 и FAT32;
- exFAT (Extended FAT – расширенная FAT) – развитие файловой системы FAT, использующее 64 разрядные идентификаторы. Применяется в основном для устройств флеш-памяти;
- CDFS (CD ROM File System) – файловая система для CD дисков, объединяющая форматы ISO 9660 1ISO 9660 – стандарт ISO (International Organization for Standardization – Международная организация по стандартизации) для файловых систем CD дисков и Joliet 2Joliet – расширение стандарта ISO 9660, разработанное Microsoft. Снимает жесткие ограничения на именование файлов ;
- UDF (Universal Disk Format – универсальный формат дисков) – файловая система для CD и DVD дисков, разработанная для замены ISO 9660.
Для дальнейшего изложения необходимо знать следующие важные понятия: диск , раздел, простые и составные тома, сектор, кластер .
Диск ( disk ) – устройство внешней памяти , например, жесткий диск или оптический диск (CD, DVD , Blu ray).
Раздел ( partition ) – непрерывная часть жесткого диска. Диск может содержать несколько разделов.
Том ( volume ) или логический диск (logical disk ) – область внешней памяти, с которой операционная система работает как с единым целым. Тома бывают простые и составные.
Простой том (simple volume ) – том, состоящий из одного раздела.
Составной том (multipartition volume ) – том, состоящий из нескольких разделов (необязательно на одном диске).
Понятия раздела и простого тома отличаются: во первых, разделы формируются, в основном, только на жестких дисках, а тома создаются и на других устройствах внешней памяти (например на оптических дисках и устройствах флеш памяти), во вторых, понятие "раздел" связано с физическим устройством, а понятие "том" – с логическим представлением внешней памяти.
Сектор ( sector ) – блок данных фиксированного размера на диске; наименьшая единица информации для диска. Типичный размер сектора для жестких дисков равен 512 байтам, для оптических дисков – 2048 байт . Деление диска на секторы происходит один раз при создании диска в процессе низкоуровневого форматирования и обычно не может быть изменено.
Кластер ( cluster ) – логический блок данных на диске, включающий один или несколько секторов. Количество секторов, составляющих кластер , обычно кратно степеням двойки. Размер кластера задается операционной системой в процессе высокоуровневого форматирования, которое может осуществляться многократно.
При записи на диск файл всегда будет занимать целое число кластеров. Например, файл размером 100 байт в файловой системе с размером кластера 4 КБ будет занимать ровно 4 КБ.
Выбор размера кластера связан со следующими соображениями. Малые кластеры позволяют сократить размер фактически неиспользуемого дискового пространства, возникающего за счет размещения файла в целом числе кластеров. Но при этом общее количество кластеров на диске увеличивается и размер служебных структур файловой системы, в которых хранится информация о файлах, возрастает.
Возможности NTFS
Файловая система NTFS ( New Technology File System ) разрабатывалась Microsoft в начале 1990 х гг. как основная файловая система для серверных версий операционных систем Windows . NTFS была представлена в 1993 году в операционной системе Windows NT 3.1.
В настоящее время NTFS рассматривается в качестве предпочтительной файловой системы как для серверных, так и для клиентских версий Windows .
В NTFS используются 64 разрядные идентификаторы кластеров, поэтому теоретически том NTFS может содержать 264 кластеров (16 ЭБ 32 10 байт = 1 килобайт (КБ), 2 20 байт = 1 мегабайт (МБ), 2 30 байт = 1 гигабайт (ГБ), 2 40 байт = 1 терабайт (ТБ), 2 50 байт = 1 петабайт (ПБ), 2 60 байт = 1 экзабайт (ЭБ), 2 70 байт = 1 зеттабайт (ЗБ). ). Однако текущие реализации в Windows поддерживают только 32 разрядную адресацию кластеров, что при размере кластера максимум 64 КБ (216 байт ) позволяет NTFS тому достигать размера до 256 ТБ:
2 32 * 2 16 байт = 2 48 байт = 2 8 * 2 40 байт = 256 ТБ.
Для томов, больших 4 ГБ, при форматировании Windows предлагает размер кластера по умолчанию 4 КБ.
Перечислим некоторые возможности NTFS [ , стр. 761]:
- восстанавливаемость (recoverability) – способность файловой системы возвращаться к работоспособному состоянию после возникновения сбоя. Реализуется такая возможность, во первых, за счет поддержки атомарных транзакций, во вторых, за счет избыточности хранения информации. Атомарная транзакция (atomic transaction) – операция с файловой системой, приводящая к её изменению, которая либо полностью успешно выполняется, либо не выполняется вообще (т. е. в случае сбоя во время атомарной транзакции все изменения откатываются). Избыточность используется при хранении важнейших данных файловой системы, критически необходимых для её корректной работы;
- безопасность (security) – защищенность файлов от несанкционированного доступа. Реализуется при помощи модели безопасности Windows, рассмотренной в лекции 9 "Безопасность в Windows";
- шифрование (encryption) – преобразование файла в зашифрованный код, который невозможно прочесть без ключа. Обычные механизмы безопасности, такие как назначение прав доступа пользователей к файлам, не обеспечивают полной защиты информации, например, в случае перемещения диска на другой компьютер. Администратор операционной системы всегда может получить доступ к файлам других пользователей, даже на томе NTFS. Поэтому в NTFS включена поддержка шифрующей файловой системы EFS (Encrypting File System), которая позволяет легко зашифровывать и расшифровывать файлы;
- поддержка RAID (Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks – массив недорогих (независимых) дисков с избыточностью) – возможность использования для хранения информации нескольких дисков; данные с одного диска автоматически копируются на другие, обеспечивая тем самым повышенную надежность;
- дисковые квоты для пользователей (Per-User Volume Quotas) – возможность выделения для каждого пользователя определенного пространства на диске (квоты); NTFS не позволяет пользователю записывать данные на диск сверх выделенной квоты.
Структура NTFS
Структура тома NTFS представлена на рис.17.1 .
Рис.
17.1.
В начале тома находится загрузочная запись тома ( Volume Boot Record ), в которой содержится код загрузки Windows , информация о томе (в частности, тип файловой системы), адреса системных файлов ($ Mft и $MftMirr – см. далее). Загрузочная запись занимает обычно 8 КБ (16 первых секторов).
В определенной области тома ( адрес начала этой области указывается в загрузочной записи) расположена основная системная структура NTFS – главная таблица файлов (Master File Table , MFT ). В записях этой таблицы содержится вся информация о расположении файлов на томе, а небольшие файлы хранятся прямо в записях MFT .
Важной особенностью NTFS является то, что вся информация , как пользовательская, так и системная, хранится в виде файлов. Имена системных файлов начинаются со знака "$". Например, загрузочная запись тома содержится в файле $ Boot , а главная таблица файлов – в файле $ Mft . Такая организация информации позволяет единообразно работать как с пользовательскими, так и с системными данными на томе.
Поскольку MFT является важнейшей системной структурой, к которой при операциях с томом наиболее часто происходят обращения, выгодно хранить файл $ Mft в непрерывной области логического диска, чтобы избежать его фрагментации (размещения в разных областях диска), и, следовательно, повысить скорость работы с ним. С этой целью при форматировании тома выделяется непрерывная область, называемая зоной
