Введение
Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

·                     совокупность всех файлов на диске,

·                     наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

·                     комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.



1. Понятие файлов

1.1 Имена и типы файлов


Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлу действительно мнемоническое название, по которому даже через достаточно большой промежуток времени можно будет вспомнить, что содержит этот файл. Поэтому современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. Например, Windows NT в своей новой файловой системе NTFS устанавливает, что имя файла может содержать до 255 символов, не считая завершающего нулевого символа.

При переходе к длинным именам возникает проблема совместимости с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять эквивалентные короткие имена (псевдонимы) файлам, имеющим длинные имена. Таким образом, одной из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

Длинные имена поддерживаются не только новыми файловыми системами, но и новыми версиями хорошо известных файловых систем. Например, в ОС Windows 95 используется файловая система VFAT, представляющая собой существенно измененный вариант FAT. Среди многих других усовершенствований одним из главных достоинств VFAT является поддержка длинных имен. Кроме проблемы генерации эквивалентных коротких имен, при реализации нового варианта FAT важной задачей была задача хранения длинных имен при условии, что принципиально метод хранения и структура данных на диске не должны были измениться.

Обычно разные файлы могут иметь одинаковые символьные имена. В этом случае файл однозначно идентифицируется так называемым составным именем, представляющем собой последовательность символьных имен каталогов. В некоторых системах одному и тому же файлу не может быть дано несколько разных имен, а в других такое ограничение отсутствует. В последнем случае операционная система присваивает файлу дополнительно уникальное имя, так, чтобы можно было установить взаимно-однозначное соответствие между файлом и его уникальным именем. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и используется программами операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Типы файлов. Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-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 ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог - это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

1.                   информация о разрешенном доступе,

2.                   пароль для доступа к файлу,

3.                   владелец файла,

4.                   создатель файла,

5.                   признак "только для чтения",

6.                   признак "скрытый файл",

7.                   признак "системный файл",

8.                   признак "архивный файл",

9.                   признак "двоичный/символьный",

10.                признак "временный" (удалить после завершения процесса),

11.                признак блокировки,

12.                длина записи,

13.                указатель на ключевое поле в записи,

14.                длина ключа,

15.                времена создания, последнего доступа и последнего изменения,

16.                текущий размер файла,

максимальный размер файла.

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов, как это сделано в файловой системе MS-DOS, или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX . Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня.

Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов. В MS-DOS каталоги

образуют древовидную структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

1.2 Логическая организация файла


Программист имеет дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись - это наименьший элемент данных, которым может оперировать программист при обмене с внешним устройством. Даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами, операционная система обеспечивает программисту доступ к отдельной логической записи.  Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины.

Записи могут быть расположены в файле последовательно (последовательная организация) или в более сложном порядке, с использованием так называемых индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи (индексно-последовательная

организация).

Для идентификации записи может быть использовано специальное поле записи, называемое ключом. В файловых системах ОС UNIX и MS-DOS файл имеет простейшую логическую структуру - последовательность однобайтовых записей.

1.3 Физическая организация и адрес файла


Физическая организация файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности на диске. Файл состоит из физических записей - блоков. Блок - наименьшая единица данных, которой внешнее устройство обменивается с оперативной памятью. Непрерывное размещение - простейший вариант физической организации (рисунок 2.34,а), при котором файлу предоставляется последовательность блоков диска, образующих единый сплошной участок дисковой памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока. Другое достоинство этого метода - простота. Но имеются и два существенных недостатка. Во-первых, во время создания файла заранее не известна его длина, а значит не известно, сколько памяти надо зарезервировать для этого файла, во-вторых, при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация, и пространство на диске используется не эффективно, так как отдельные участки маленького размера (минимально 1 блок) могут остаться не используемыми.

Следующий способ физической организации - размещение в виде связанного списка блоков дисковой памяти (рисунок 1.4,б ). При таком способе в начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла также может быть задан одним числом - номером первого блока. В отличие от предыдущего способа, каждый блок может быть присоединен в цепочку какого-либо файла, следовательно фрагментация отсутствует. Файл может изменяться во время своего существования, наращивая число блоков. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла: для того, чтобы прочитать пятый по порядку блок файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых блока, прослеживая цепочку номеров блоков. Кроме того, при этом способе количество данных файла, содержащихся в одном блоке, не равно степени двойки (одно слово израсходовано на номер следующего блока), а многие программы читают данные блоками, размер которых равен степени двойки.

Популярным способом, используемым, например, в файловой системе FAT операционной системы MS-DOS, является использование связанного списка индексов. С каждым блоком связывается некоторый элемент - индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска (в MS-DOS это таблица FAT). Если некоторый блок распределен некоторому файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла. При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа, но снимаются оба отмеченных недостатка: во-первых, для доступа к произвольному месту файла достаточно прочитать только блок индексов, отсчитать нужное количество блоков файла по цепочке и определить номер нужного блока, и, во-вторых, данные файла занимают блок целиком, а значит имеют объем, равный степени двойки.

В заключение рассмотрим задание физического расположения файла путем простого перечисления номеров блоков, занимаемых этим файлом. ОС UNIX использует вариант данного способа, позволяющий обеспечить фиксированную длину адреса, независимо от размера файла. Для хранения адреса файла выделено 13 полей. Если размер файла меньше или равен 10 блокам, то номера этих блоков непосредственно перечислены в первых десяти полях адреса. Если размер файла больше 10 блоков, то следующее 11-е поле содержит адрес блока, в котором могут быть расположены еще 128 номеров следующих блоков файла. Если файл больше, чем 10+128 блоков, то используется 12-е поле, в котором находится номер блока, содержащего 128 номеров блоков, которые содержат по 128 номеров блоков данного файла. И, наконец, если файл больше 10+128+128(128, то используется последнее 13-е поле для тройной косвенной адресации, что позволяет задать адрес файла, имеющего размер максимум 10+ 128 + 128(128 + 128(128(128.

2.Общие понятия файловой системы

   2.1Общая модель файловой системы


Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой моделью (рисунок 2.1), в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в свою очередь, для выполнения своей работы использует интерфейс (обращается с набором запросов) нижележащего уровня.

Задачей символьного уровня является определение по символьному имени файла его уникального имени. В файловых системах, в которых каждый файл может иметь только одно символьное имя (например, MS-DOS), этот уровень отсутствует, так как символьное имя, присвоенное файлу пользователем, является одновременно уникальным и может быть использовано операционной системой.



Рис. 2.1. Общая модель файловой системы

В других файловых системах, в которых один и тот же файл может иметь несколько символьных имен, на данном уровне просматривается цепочка каталогов для определения уникального имени файла. В файловой системе UNIX, например, уникальным именем является номер индексного дескриптора файла (i-node).

На следующем, базовом уровне по уникальному имени файла определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и другие. Как уже было сказано, характеристики файла могут входить в состав каталога или храниться в отдельных таблицах. При открытии файла его характеристики перемещаются с диска в оперативную память, чтобы уменьшить среднее время доступа к файлу. В некоторых файловых системах (например, HPFS) при открытии файла вместе с его характеристиками в оперативную память перемещаются несколько первых блоков файла, содержащих данные.

Следующим этапом реализации запроса к файлу является проверка прав доступа к нему. Для этого сравниваются полномочия пользователя или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов доступа к данному файлу. Если запрашиваемый вид доступа разрешен, то выполнение запроса продолжается, если нет, то выдается сообщение о нарушении прав доступа.

На логическом уровне определяются координаты запрашиваемой логической записи в файле, то есть требуется определить, на каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая логическая запись. При этом абстрагируются от физического расположения файла, он представляется в виде непрерывной последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит от логической организации файла. Например, если файл организован как последовательность логических записей фиксированной длины l, то n-ая логическая запись имеет смещение l((n-1) байт. Для определения координат логической записи в файле с индексно-последовательной организацией выполняется чтение таблицы индексов (ключей), в которой непосредственно указывается адрес логической записи.

На физическом уровне файловая система определяет номер физического блока, который содержит требуемую логическую запись, и смещение логической записи в физическом блоке. Для решения этой задачи используются результаты работы логического уровня - смещение логической записи в файле, адрес файла на внешнем устройстве, а также сведения о физической организации файла, включая размер блока.  Подчеркнем, что задача физического уровня решается независимо от того, как был логически организован файл.

После определения номера физического блока, файловая система обращается к системе ввода-вывода для выполнения операции обмена с внешним устройством. В ответ на этот запрос в буфер файловой системы будет передан нужный блок, в котором на основании полученного при работе физического уровня смещения выбирается требуемая логическая запись.

2.2 Современные архитектуры файловых систем


Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих, в число которых входят и файловые системы в традиционном понимании.

Новая файловая система имеет многоуровневую структуру (рисунок 2.2), на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем (в Windows 95, например, такой переключатель называется устанавливаемым диспетчером файловой системы - installable filesystem manager, IFS). Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем - уровнем файловых систем.


Рис. 2.2. Архитектура современной файловой системы

Каждый компонент уровня файловых систем выполнен в виде драйвера соответствующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Драйвер файловой системы может быть написан в виде реентерабельного кода, что позволяет сразу нескольким приложениям выполнять операции с файлами. Каждый драйвер файловой системы в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к файловой системе.

Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой файловой системы новой архитектуры. Подсистема ввода вывода - это составная часть файловой системы, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам файловой системы, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах), драйверы, поддерживаемые поставщиками (такие драйверы перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные), драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость - драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса - от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова.

В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова.

Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше - в измененном или в неизмененном виде - на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

3. Виды файловых систем

3.1 Файловая система
FAT


 Большинство существующих на сегодняшний день файловых систем построены на основе таблицы размещения файлов (File Allocation Table - FAT), которая содержит дорожки данных в каждом кластере на диске. Существует несколько типов файловой системы FAT - FAT 12, FAT 16 и FAT 32. Они отличаются количеством цифр, используемых в таблице размещения файлов. Другими словами, в FAT 32 используется 32-разрядное число для хранения дорожки данных в каждом кластере, в FAT 16 - 16-разрядное число и т.д. В настоящее время существуют следующие типы файловой системы FAT:

·                     FAT 12, используемая в разделах емкостью не более 16 Мбайт (например, дискета);

·                     FAT 16, используемая в разделах емкостью от 16 Мбайт до 2 Гбайт;

·                     FAT 32, используемая (необязательно) в разделах емкостью от 512 Мбайт до 2 Тбайт.

     Файловые системы FAT 12 и FAT 16 изначально применяются в DOS и Windows и поддерживаются практически всеми известными на сегодняшний день операционными системами. Большинство персональных компьютеров поставляется с жесткими дисками, на которых установлена одна из файловых систем FAT.
     Файловая система FAT 32 поддерживается операционной системой Windows 95 и более поздними версиями, а также Windows 2000.
     Для обеспечения пользовательским приложениям доступа к файлам независимо от типа используемого диска в операционной системе предусмотрено несколько структур. Эти структуры поддерживаются системами Windows и представлены ниже в порядке расположения на диске:

·                     загрузочные секторы главного и дополнительного разделов;

·                     загрузочный сектор логического диска;

·                     таблицы размещения файлов (FAT);

·                     корневой каталог;

·                     область данных;

·                     цилиндр для выполнения диагностических операций чтения/записи.

 Информация о каждом разделе сохраняется в загрузочном секторе раздела (или логического диска) в начале каждого раздела. Существует также основная таблица списка разделов, помещенная в загрузочный сектор главного раздела.
     Загрузочный сектор главного раздела (или главная загрузочная запись (Master Boot Record - MBR)) является первым сектором на жестком диске (цилиндр 0, головка 0, сектор 1) и состоит из двух элементов.

·                     Таблица главного раздела. Содержит список разделов на диске и расположение загрузочных секторов соответствующих логических дисков. Эта таблица очень маленькая и может содержать максимум четыре записи. Таким образом, для получения большего количества разделов в операционной системе (например, DOS) можно создать один дополнительный раздел и поместить в него несколько логических дисков.

·                     Главный загрузочный код. Небольшая программа, которая выполняется системой BIOS. Основная функция этого кода - передача управления в раздел, который обозначен как активный (или загрузочный).

Загрузочный сектор - это первый сектор на любом логическом диске DOS. Например, на дискете или на диске Zip это самый первый физический сектор, так как дискету нельзя разбить на разделы и она имеет только один логический диск. На жестком диске загрузочный сектор (секторы) располагается в начале каждого раздела, не являющегося дополнительным, или в начале любой области диска, распознаваемой как логический диск DOS.
     Эти секторы немного похожи на загрузочные секторы разделов, так как содержат таблицы со специальной информацией о логическом диске.

·                     Блок параметров диска, в котором содержится специфическая информация, например размер раздела, количество используемых секторов диска, размер кластера и метка тома.

·                     Загрузочный код - программа, которая начинает процесс загрузки операционной системы. Для DOS и Windows 9x/Me это файл Io.sys.

     Загрузочный сектор дискеты загружается ROM BIOS, а при загрузке системы с жесткого диска MBR передает управление загрузочному сектору активного раздела. В обоих случаях загрузочный сектор логического диска получает управление. Он выполняет некоторые проверки и затем пытается прочитать с диска первый системный файл (в DOS/Windows это файл Io.sys). Загрузочный сектор не виден, так как находится вне области хранения файлов логического диска.

Каталог - это база данных, содержащая информацию о записанных на диске файлах. Каждая запись в ней имеет длину 32 байт, и между записями не должно быть никаких разделителей. В каталоге сохраняется практически вся информация о файле, которой располагает операционная система.

·                     Имя файла и расширение - восемь символов имени и три символа расширения; точка между именем и расширением файла подразумевается, но не включается в эту запись.

·                     Байт атрибутов файла, содержащий флаг, который представляет стандартные атрибуты файла.

·                     Время и дата создания файла или его модификации.

·                     Размер файла в байтах.

·                     Ссылка на начальный кластер - номер кластера, с которого начинается файл.

Информация о расположении файла, т.е. расположении оставшихся кластеров, содержится в FAT.
          Все каталоги имеют одинаковую структуру. Записи в этой базе данных сохраняют важную информацию о файлах, которая связана с информацией, хранящейся в FAT, посредством одного из полей записи - номера первого занимаемого файлом кластера на диске. Если бы все файлы на диске не превышали размеров одного кластера, потребности в FAT вообще бы не возникло. В FAT содержится информация о файле, отсутствующая в каталоге, - номера кластеров, в которых расположен весь файл.

     Таблица размещения файлов (FAT) содержит номера кластеров, в которых расположены файлы на диске. Каждому кластеру в FAT соответствует одно число. Секторы, не содержащие пользовательских данных (файлов), не отражены в FAT. К таким секторам относятся загрузочные секторы, таблицы размещения файлов и секторы корневого каталога.
     В файловой системе FAT дисковое пространство разбивается не на секторы, а на группы секторов, которые называются кластерами (ячейками размещения). Кластер содержит один или несколько секторов. Размер кластера определяется при делении диска на разделы с помощью программы Fdisk и зависит от размера создаваемого раздела. Наименьший размер диска, который может занимать файл ненулевого размера, - один кластер. Каждый файл использует целое число кластеров. Например, если файл занимает на один байт больше размера кластера, то для его размещения на диске будет выделено два кластера.
     FAT - это электронная таблица, управляющая распределением дискового пространства. Каждая ячейка этой таблицы связана с определенным кластером на диске. Число, содержащееся в этой ячейке, сообщает о том, использован ли данный кластер под какой-либо файл и, если использован, где находится следующий кластер этого файла.

Область данных диска - это область, следующая за загрузочным сектором, таблицами размещения файлов и корневым каталогом на любом логическом диске. Эта область контролируется с помощью FAT и корневого каталога и делится на ячейки размещения, называемые кластерами. В этих кластерах и располагаются сохраняемые на диске файлы.

3.1.1 Ошибки файловой системы FAT

     Ошибки в файловой системе появляются скорее из-за программных, нежели из-за аппаратных сбоев (например, при неверном завершении работы Windows).

Потерянные кластеры. Это наиболее распространенная ошибка файловой системы, при которой кластеры в FAT помечаются как используемые, хотя на самом деле таковыми не являются. Эти потерянные кластеры появляются при неверном завершении работы приложения или крахе системы. Программы восстановления диска могут обнаружить эти кластеры и восстановить их.
     Программы восстановления диска просматривают диск и создают копию FAT в оперативной памяти. Затем эта копия сравнивается с "настоящей" FAT и таким образом выявляются потерянные кластеры, т.е. не принадлежащие ни одному из существующих файлов. Практически все программы восстановления могут сохранять информацию из потерянных кластеров в файл, а затем обнулять их.
     Например, программа Chkdsk из цепочек потерянных кластеров создает файлы с именами FILE0001.CHK, FILE0002.CHK и т.д.

Пересекающиеся файлы. Такие файлы появляются, когда две записи каталога неправильно указывают на один кластер. В результате кластер "содержит" данные из нескольких файлов, что, естественно, недопустимо.
     Чаще всего один из пересекающихся файлов поврежден. Программы восстановления данных обычно решают проблему пересекающихся файлов следующим образом: файлы копируются с новыми именами в свободное место диска, а пересекающаяся область обоих файлов (и их остальные части) удаляется. Обратите внимание, что удаляются оба файла, т.е. устранение подобной ошибки не порождает новых проблем: например, запись в каталоге указывает на несуществующий файл. Просмотрев два восстановленных файла, можно определить, какой из них поврежден.

Неверный файл или каталог. Иногда информация в записи каталога для

 файла или подкаталога не соответствует действительности: запись содержит

кластер с неверной датой или неправильным форматом. Практически все программы восстановления диска устраняют и эту проблему.

Команды Chkdsk, Recover и Scandisk - это "реанимационная бригада" DOS, занимающаяся восстановлением поврежденных данных на диске. Эти команды имеют очень простой и не слишком дружественный интерфейс, их применение зачастую оказывает значительное воздействие на систему, но иногда только они и могут помочь.

    3.3 Файловая система
NTFS


По сравнению с FAT или FAT32, NTFS предоставляет пользователю целое сочетание достоинств: эффективность, надежность и совместимость. Файловая система NTFS применяется в операционной системе Windows NT/2000/XP.

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

При установке NTFS, диск разделяется на две неравные части: первая отводиться под MFT (Master File Table - общая таблица файлов), называется MFT - зоной и занимает порядка 12% от общего размера диска, вторую часть занимают собственно ваши данные. Есть еще и третья зона, но о ней позже. MFT лежит в начале диска, каждая запись в MFT соответствует какому-либо файлу и занимает около 1 Kb. По своей сути это каталог всех файлов находящихся на диске. Надо заметить, что любой элемент данных в NTFS рассматривается как файл, даже MFT.

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.

 Первые 16 файлов (метафайлы) в MFT - зоне являются особой кастой. В них содержится служебная информация, они имеют фиксированное положение и они недоступны даже операционной системе. Кстати, первым из этих 16 является сам MFT - файл. Существует копия первых трех записей.

Третья зона, в свою очередь, делит диск пополам. Это сделано для надежности, в случае утери информации в MFT - файле, всегда можно восстановить информацию, а там уже дело техники, как говориться. Все остальные файлы в MFT - зоне могут располагаться произвольно. Надо заметить, что в MFT - зоне теоретически кроме служебных файлов ничего не находиться. Но бывают случаи, когда места на той части диска, что отведена для пользователя не остается и тогда MFT - зона уменьшается. Соответственно появляется место во второй половине диска для записи данных. Когда же в этой зоне освобождается достаточное количество свободного места, MFT - зона опять расширяется. И вот тут то появляется проблема. В MFT - зону попадают обычные файлы и она начинает фрагментироваться. Но вернемся к метафайлам. Каждый из них отвечает за какую-либо область работы. Начинаются они с символа имени $. Приведем пример некоторых из них:

$MFT - не что иное как сам MFT

$MFTmirr - та самая копия, что по серединке диска

$LogFile - это файл журналирования

$Boot - как видно из названия, его величество загрузочный сектор

$Bitmap - карта свободного места раздела

Информация о метафайлах находиться в MFT - файле. Такая система придумана для увеличения надежности NTFS и себя оправдывает. NTFS практически не имеет ограничения на размеры диска ( во всяком случае при нынешних технологиях производства жестких дисков). Размер кластера может варьироваться от 512 b до 64 Kb, хотя обычный его размер равен 4 Kb.

Каталог NTFS. Это метафайл с обозначением $. Он разделен на части, в каждой из которых содержится имя файла, его атрибуты и ссылка на MFT - файл. А там уже есть вся остальная информация. Каталог представляет собой бинарное дерево, т.е. в  каталоге информация о данных на диске расположена таким образом, что при поиске какого-либо файла каталог разбивался на две части и ответ заключался в том, в какой именно части находиться искомое. Затем та же самая операция повторяется в выбранной половине. И так до тех пор, пока не будет найден нужный файл.

Файлы. Их как таковых нет, есть так называемые потоки. То есть, любая единица информации представляет собой несколько потоков. Один поток - это сами данные, он является основным. Другие потоки - атрибуты файла. К любому файлу можно прикрепить любой другой файл. Проще говоря, к потокам одних данных можно прикрепить совершенно новый поток и записать туда новые данные. Вот только информация по объему файла берется по объему основного потока. Пустые или малоразмерные файлы на диске отображены только в метафайлах. Сделано это в целях экономии дискового пространства. Вообще надо отметить, что понятие файл намного глубже и шире и все свойства описать довольно сложно. Отмечу, что максимальная длина имени файла может достигать 255 символов.

Ко всему прочему, файлы NTFS имеют такой атрибут как сжатый. Любой файл или даже каталог может быть сжат. Сама операция сжатия происходит незаметно, так как скорость ее довольно высока. До кучи, используется так называемое виртуальное сжатие т. е. одна часть файла может быть сжата, а другая нет. Сжатие осуществляется блоками. Каждый блок равен 16 кластерам.

В NTFS используется шифрование данных. Таким образом, если вам пришлось по каким – либо причинам переустановить систему заново, то зашифрованные файлы без соответствующей санкции прочитать не сможете.

Журналирование. NTFS - отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция - действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний - квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разрушения и путаницу - он либо совершен, либо отменен.

Пример: осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось - физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком - система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место - начинается новая транзакция.

Таким образом, журналирование – средство для  существенного сокращения числа ошибок и сбоев системы. Вряд ли рядовой пользователь NTFS хоть когда-нибудь заметит ошибку системы или вынужден будет запускать chkdsk - опыт показывает, что NTFS восстанавливается в полностью корректное состояние даже при сбоях в очень загруженные дисковой активностью моменты. Можно даже оптимизировать диск и в самый разгар этого процесса нажать reset - вероятность потерь данных даже в этом случае будет очень низка. Важно понимать, однако, что система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы, а не ваших данных. Если вы производили запись на диск и получили аварию - ваши данные могут и не записаться.

    3.4 Сравнительная характеристика FAT 32 и NTFS. Достоинства и  недостатки

Достоинства
NTFS
:

1. Быстрая скорость доступа к файлам малого размера;

2. Размер дискового пространства на сегодняшний день практически не ограничен;

3. Фрагментация файлов не влияет на саму файловую систему;

4. Высокая надежность сохранения данных и собственно самой файловой структуры;

5. Высокая производительность при работе с файлами большого размера;

Недостатки
NTFS:

1. Более высокие требования к объему оперативной памяти по сравнению с FAT 32;

2. Работа с каталогами средних размеров затруднена из-за их фрагментации;

3. Более низкая скорость работы по сравнению с FAT 32;

Достоинства
FAT 32:

1. Высокая скорость работы;

2. Низкое требование к объему оперативной памяти;

3. Эффективная работа с файлами средних и малых размеров;

4. Более низкий износ дисков, вследствие меньшего количества передвижений головок чтения/записи.

Недостатки
FAT 32:

1. Низкая защита от сбоев системы;

2. Не эффективная работа с файлами больших размеров;

3. Ограничение по максимальному объему раздела и файла;

4. Снижение быстродействия при фрагментации;

5. Снижение быстродействия при работе с каталогами, содержащими большое количество файлов.

3.5 Файловые системы Linux

Современная, мощная и бесплатная операционная система Linux предоставляет широкую территорию для разработки современных систем и пользовательского программного обеспечения. Некоторые из наиболее интересных разработок в недавних ядрах Linux это новые, высоко производительные технологии для управления хранением, размещением и обновлением данных на диске.

3.5.1 EXT 2 (The Second Extended File System)

Ext2 - файловая система, создаваемая в Linux по умолчанию. В результате ее создания раздел дискового накопителя будет состоять из множества областей, - групп блоков, которые, в свою очередь, подразделяются на меньшие области.
Индексный дескриптор- это указатель на файл, в котором содержится информация относящаяся к файлу: владелец, права доступа, дата последнего изменения. Каждому файлу соответствует один индексный дескриптор. Количество индексных дескрипторов постоянно и задается во время создания файловой системы (по умолчанию на каждые 4096 байт - один дескриптор).
Суперблок - в суперблоке храниться информация обо всей файловой системе. Суперблок есть в каждой группе блоков, он является всего лишь резервной копией суперблока из первой группы блоков.
Дескриптор группы - здесь хранится информация о каждой группе блоков. Здесь также находятся указатели на таблицу индексных дескрипторов.
Битовая карта блоков - массив битов, указывающих на использованные блоки.
Таблица индексных дескрипторов - таблица реально выделенных для данной группы блоков индексных дескрипторов.
Блоки данных– блоки, в которых непосредственно находятся данные.
На рис.3.1 приведена схема файловой системы Linux..


Рис. 3.1 Файловая система Ext2