Какое соглашение в файловой системе действует в новейших ос

Обновлено: 18.05.2024

Операцио́нная систе́ма, ОС (англ. operating system) - базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных функций ОС может осуществлять и другие, например, предоставление пользовательского интерфейса, сетевое взаимодействие и т.п. С 1990-х наиболее распространёнными операционными системами для персональных компьютеров и серверов являются ОС семейства Microsoft Windows и Windows NT, Mac OS и Mac OS X, системы класса UNIX, и Unix подобные (особенно GNU/Linux).

Операционные системы могут быть классифицированы по базовой технологии ([Юникс] -подобные или подобные Windows), типу лицензии ([собственническое программное обеспечение|проприетарная] или [открытое программное обеспечение|открытая]), развивается ли в настоящее время (устаревшие DOS или NextStep или современные GNU/Linux и Windows), для рабочих станций (DOS, Apple), или для серверов ([AIX]), [операционная система реального времени|ОС реального времени] и [встроенная операционная система|встроенные ОС] ([VxWorks], [QNX]), [PDA], или специализированные (управление производством, обучение, и т. п). Назначение и основные возможности программы MS EXCEL. Интерфейс программы. Основные элементы интерфейса. Понятие электронной таблицы, ячейки, строки, столбца, система адресации. Движение по табличному полю. Ввод данных. Типы данных. Редактирование содержимого ячейки. Изменение ширины и высоты ячейки. Свойства ячейки (команда “Формат ячеек”).

2. Файловые системы

Все современные ОС обеспечивают создание файловой системы, которая предназначена для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним.

Основные функции файловой системы можно разделить на две группы:

Функции для работы с файлами (создание, удаление, переименование файлов и т.д.)

Функции для работы с данными, которые хранятся в файлах (запись, чтение, поиск данных и т.д.)

Известно, что файлы используются для организации и хранения данных на машинных носителях. Файл - это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем или поименованная область на машинных носителях.

Структурирование множества файлов на машинных носителях осуществляется с помощью каталогов, в которых хранятся атрибуты (параметры и реквизиты) файлов. Каталог может включать множество подкаталогов, в результате чего на дисках образуются разветвленные файловые структуры. Организация файлов в виде древовидной структуры называется файловой системой.

Принцип организации файловой системы - табличный. Данные о том, в каком месте на диске записан файл, хранится в таблице размещения файлов (File Allocation Table, FAT).

Эта таблица размещается в начале тома. В целях защиты тома на нем хранятся две копии FAT. В случае повреждения первой копии FAT дисковые утилиты могут воспользоваться второй копией для восстановления тома.

По принципу построения FAT похожа на оглавление книги, так как операционная система использует ее для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора 512 байт. Поскольку размер FAT - таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным.

В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Сначала для дискет и небольших жестких дисков (менее 16 Мбайт) использовалась 12-разрядная версия FAT (так называемая FAT12). Затем в MS-DOS была введена 16-разрядная версия FAT для более крупных дисков.

Операционные системы MS DOS, Win 95, Win NT реализуют 16 - разрядные поля в таблицах размещения файлов. Файловая система FAT32 была введена в Windows 95 OSR2 и поддерживается в Windows 98 и Windows 2000.

FAT32 представляет собой усовершенствованную версию FAT, предназначенную для использования на томах, объем которых превышает 2 Гбайт.

FAT32 обеспечивает поддержку дисков размером до 2 Тбайт и более эффективное расходование дискового пространства. FAT32 использует более мелкие кластеры, что позволяет повысить эффективность использования дискового пространства.

В Windows XP применяется FAT32 и NTFS. Более перспективным направлением в развитии файловых систем стал переход к NTFS (New Technology File System - файловая система новой технологии) с длинными именами файлов и надежной системой безопасности.

Объем раздела NTFS не ограничен. В NTFS минимизируется объем дискового пространства, теряемый вследствие записи небольших файлов в крупные кластеры. Кроме того, NTFS позволяет экономить место на диске, сжимая сам диск, отдельные папки и файлы.

По способам именования файлов различают “короткое" и “длинное” имя.

Согласно соглашению, принятому в MS-DOS, способом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3., т.е. имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя файла отводится 8 символов, а на его расширение - 3 символа.

Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита. Имена файлов, записанные в соответствии с соглашением 8.3, считаются “короткими".

С появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие “длинного" имени. Такое имя может содержать до 256 символов. Этого вполне достаточно для создания содержательных имен файлов. “Длинное” имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных: \ /: *? “ |.

В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Имя файла заканчивается расширением, состоящим из трех символов. Расширение используется для классификации файлов по типу.

Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов (папок), через которые проходит. В качестве разделителя используется символ “\” (обратный слеш - обратная косая черта). Например: D: \Documents and Settings\ТВА\Мои документы\lessons-tva\ robots. txt Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры - людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система.

Обычный файл представляет собой массив байтов, и может читаться и записываться, начиная с произвольного байта файла. Ядро не различает в обычных файлах границ записей, хотя многие программы воспринимают символы перевода строки в качестве признаков конца строк, но другие программы могут предполагать наличие других структур. В самом файле не хранится никакой системной информации о файле, но в файловой системе размещается некоторая информация о владельце, правах доступа и об использовании каждого файла.

Компонент под названием имя файла является строкой длиной до 255 символов. Эти имена хранятся в файле особого типа, который называется каталогом. Информация о файле в каталоге называется записью каталога и включает, кроме имени файла, указатель на сам файл. Записи каталога могут ссылаться как на другие каталоги, так и на обычные файлы. Таким образом формируется иерархия каталогов и файлов, которая и называется файловой системой filesystem;

Рисунок 2-2. Небольшая файловая система

Одна небольшая файловая система показана на Рис.2-2. Каталоги могут содержать подкаталоги, и нет ограничений вложенности одного каталога в другой по глубине. Для соблюдения целостности файловой системы, ядро не позволяет процессу производить запись непосредственно в каталоги. Файловая система может хранить не только обычные файлы и каталоги, но также ссылки на другие объекты, такие, как устройства и сокеты.

Файловая система образует дерево, начало которого находится в корневом каталоге, иногда называемому по имени слэш, которое соответствует символу одинарной наклонной черты (/). Корневой каталог содержит файлы; в нашем примере на Рисунке 2.2, он содержит vmunix, копию выполнимого объектного файла ядра. В нем также расположены каталоги; в этом примере он содержит каталог usr. Внутри каталога usr располагается каталог bin, который в основном содержит выполнимый объектный код программ, таких, как ls и vi.

Процесс обращается к файлу, указывая путь до него, который является строкой, состоящей из нескольких или ни одного имен файлов, разделенных символами слэша (/). С каждым процессом ядро связывает два каталога, при помощи которых можно интерпретировать маршруты до файлов. Корневой каталог процесса является самой верхней точкой файловой системы, которую может достичь процесс; обычно он соответствует корневому каталогу всей файловой системы. Маршрут, начинающийся с символа слэша, называется абсолютным маршрутом, и интерпретируется ядром, начиная с корневого каталога процесса.

Имя пути, которое не начинается со слэша, называется относительным маршрутом, и интерпретируется относительно текущего рабочего каталога процесса. (Этот каталог кратко также называют текущим каталогом или рабочим каталогом) Текущий каталог сам по себе можно обозначить непосредственно по имени dot, что соответствует одной точке (). Имя файла dot-dot (.) обозначает родительский каталог текущего каталога. Корневой каталог является предком самому себе.

Процесс может задать собственный корневой каталог при помощи системного вызова chroot, и установить текущий каталог системным вызовом chdir. Каждый процесс может в любой момент выполнить вызов chdir, но chroot позволено выполнять только процессу с административными привилегиями. Chroot обычно используется для ограничения доступа к системе.

Взяв файловую систему, изображенную на Рисунке 2.2, и полагая, что процесс имеет в качестве корневого каталога корневой каталог файловой системы, и в качестве текущего каталога /usr, он может обратиться к файлу vi либо от корня по абсолютному имени /usr/bin/vi, либо из текущего каталога с относительным именем bin/vi.

Системные утилиты и базы данных располагаются в нескольких всем известных каталогах. Частью предопределенной иерархии является каталог, содержащий домашний каталог для каждого пользователя - например, /usr/staff/mckusick и /usr/staff/karels на Рисунке 2.2 Когда пользователи регистрируются в системе, то рабочий каталог их командного процессора устанавливается в домашний каталог. В своих домашних каталогах пользователи могут создавать каталоги так же легко, как и обычные файлы. Таким образом, пользователь может строить иерархии каталогов произвольной сложности.

Пользователь обычно знает только об одной файловой системе, но система может знать, что одна виртуальная файловая система на самом деле состоит из нескольких физических файловых систем, каждая из которых расположена на отдельном устройстве. Физическая файловая система не может располагаться на нескольких физических устройствах. Так как большинство физических дисковых устройств разбиваются на несколько логических устройств, то на одном физическом устройстве может располагаться более одной файловой системы, но не более одной для каждого логического устройства. Одна из файловых систем - та, с которой начинаются все абсолютные имена - называется корневой файловой системой, и она всегда доступна. Другие файловые системы могут монтироваться; это значит, что они могут интегрироваться в иерархию каталогов корневой файловой системы. Ссылки на каталог, в котором находится смонтированная в него файловая системе, прозрачно преобразуются ядром в ссылки на корневой каталог смонтированной файловой системы.

Файлы организованы иерархически в каталоги. Каталог является типом файла, но, в отличие от обычных файлов, каталог имеет структуру, определяемую системой. Процесс может читать каталог, как будто это обычный файл, но только ядру разрешено изменять каталог. Каталоги создаются системным вызовом mkdir и удаляются системным вызовом rmdir. До 4.2BSD системные вызовы mkdir и rmdir были реализованы как последовательность системных вызовов link и unlink. Имелось три причины для добавления системных вызовов специально для создания и удаления каталогов:

Операция может быть сделана атомарной. Если система завершила работу аварийно, то каталог не может оставаться в промежуточном состоянии, что может случиться при последовательном вызове серии операций.

При работе сетевой файловой системы создание и удаление файлов и каталогов должны выполняться атомарно, чтобы могли выполняться последовательно.

При реализации поддержки не-UNIX файловых систем, таких, как файловая система MS-DOS, на другом разделе диска, может оказаться, что эта файловая система не поддерживает ссылочных операций. Хотя другие файловые системы могут поддерживать концепцию каталогов, скорее всего, они не будут создавать и удалять каталоги со ссылками, как это делается в файловой системе UNIX. Соответственно они могут создавать и и удалять каталоги только при наличии явных запросов на удаление или создание каталогов.

3. Файловые системы и имена файлов

Не все CD могут быть прочитаны во всех операционных системах, очень многое зависит от файловой системы и способа именования файлов при создании диска. Если Вам нужна максимальная совместимость, проверьте это по таблице:

Файловая система/имена файлов	Операционная система
	DOS/Windows 3.1	Windows			Mac	Unix
	DOS/Windows 3.1	95	NT 3.51	NT 4.0	Mac	Unix
ISO 9660 Level 1	+	+	+	+	+	+
Joliet	+*	+	-	+	+*	+*
Romeo	-	+	+	+	+***	+/-
HFS (Mac)	-	-	-	-	+	+****
UDF (DirectCD)	-	+**	-	+**	+**
ISO 9660 Level 3 (DirectCD for Windows)	-	+	+	-

* короткие имена FILENA~1. TXT или длинные с патчем для Linux ** если установлен драйвер UDF *** если имя короче 31 символа **** Linux со специальным патчем.

ISO 9660 (8+3 characters set) (или ISO 9660 Level 1)

MS-DOS 8+3 filenames (неограниченный набор символов)

Другие файловые системы

ISO-9660 Level 2

ISO-9660 Level 3

1. Автоматизированные информационные технологии в экономике. Под. ред. Г.А. Титоренко - М. Компьютер ЮНИТИ, 1998, - 336 с.

2. Бердтис А. Структуры данных. - М.: Статистика, 1974, - 408 с.

3. Блек Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. - М.: Мир, 1980.

4. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. - М.: Финансы и статистика, 1992.

5. Бойков В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. М. Мир 1997.

6. Боэм Б.У. Инженерное программирование для проектирования программного обеспечения. - М.: Радио і связь, 1985, - 512с.

7. Брябрин В.М. Программное обеспечение персональных ЭВМ. - М.: Наука, 1988.

8. Васильев В.Н. Организация, управление и экономика гибкого интегрированного производства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1986. -312 с.

9. Вершинин О.В. Компьютер для менеджера. - М.: Высшая школа, 1990.

10. Вычислительные машины, системы и сети / Под ред. А.П. Пятибратова. - М.: Финансы и статистика, 1991.

11. Герасименко В.А. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных. - В 2-х кн. - М.: Энергоатомиздат, 1994.

12. Гершгорин Л.Г. Что такое АРМ бухгалтера. - М.: Финансы и статистика, 1988.

Раздел: Информатика, программирование
Количество знаков с пробелами: 15649
Количество таблиц: 1
Количество изображений: 1

Файловая система обеспечивает работу пользователей и программ с файлами (чтение и запись информации на диске), а так же ведет учет свободных и занятых кластеров на диске.

Файловая система осуществляет работу с данными на диске, основываясь на адресах секторов.

Работа с программами основывается на именах файлов.

Цели, состав и функции

Цели использования файловой системы:

Экранирование физической организации долговременного хранилища данных.
Создание простой модели (логической) этого хранилища.
Предоставление программам и пользователям удобного набора команд для манипулирования файлами.

Состав файловой системы определяется следующими компонентами:

Все файлы на диске.
Наборы структур данных, которые используются для управления файлами.
Комплекс системных программных средств которые реализуют различные операции над файлами (создание, запись, чтение, поиск и другие).

Функции файловой системы:

Отображение логической модели данных на физическую организацию хранилища данных. То есть структура файлов и папок на компьютере переноситься на физический жесткий диск. А именно на конкретные сектора.
Обеспечение устойчивости файловой системы к сбоям и ошибкам.
Предоставление программного интерфейса для приложений. Что бы программы могли работать с файлами.
Обеспечение совместного доступа к файлу несколькими процессами. О процессах я рассказывал в основах операционных систем.
Защита файлов от несанкционированного доступа.

Какие бывают файловые системы

Для Windows используются два файловые системы:

FAT (File Allocation Table).
NTFS (New Technology File System).

Для UNIX систем это:

UFS (Unix File System).
S5 (применительно к System V).

Физическая организация файловых систем

Обычные HDD диски состоят из:

Дорожек. Концентрических колец предназначенных для хранения данных, размеченных на диске. Они состоят из одинакового числа секторов.
Секторов. Сектор является наименьшей адресуемой единицей дискового устройства для обмена данными. Размер сектора фиксирован.
При низкоуровневом форматировании создаются дорожки и сектора, на диск записывается информация для определения границ секторов.

Логические диски

При работе в операционной системы мы работаем с логическими дисками или разделами. Физический диск может быть разбит на один или несколько логических дисков.

Логический диск или раздел это часть (или весь) физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство.

На одном логическом диске может использоваться только одна файловая система.

На моем примере.

В моем случае диск C это часть физического SSD диска. Диски D и E — полностью два физических диска. Часто один физический диск разбивают на два логически C и D.

Возможные варианты организации логических дисков:

Один физический – один логический.
Один физический – несколько логических.
Несколько физических – один логический.

Вариант несколько физических = дин логический обычно используется в RAID массивах.

На картинке выше видно что один диск (диск C) помечен как загружаемый (системный) иконкой слева.

Высокоуровневое форматирование диска

Высокоуровневое форматирование диска необходимо для создания логического диска и файловой системы на нем.

При форматировании пространство логического диска разбивается на кластеры определенного размера.

Кластер (блок) является минимальной единицей хранения данных, используемой в файловой системе.

При форматировании на диск записывается следующая информация:

Загрузчик операционной системы.
Сведения о границах областей отведенных под файлы и каталоги.
Информация о поврежденных областях.
Информация о доступном и неиспользуемом пространстве.

Служебная область содержит общую информацию о файловой системе, свободных кластерах, о размещении файлов в кластерах.

Главная таблица файлов – MFT содержит как минимум одну запись для каждого файла и запись для себя. На кластеры делится весь раздел диска, а не только область данных.

В файловой системе NTFS данные организуются следующим образом.

Организация данных в NTFS

Возникает вопрос, а что же такое файл?

Файл это неструктурированная последовательность байтов, в которую можно записывать и из которой можно считывать информацию. Файл это логический объект, позволяющий обращаться к информации по имени.

За счет использования файлов в операционной системе появилась возможность простого доступа пользователей и приложений к информации по имени.

Наличие имени файла позволяет получать доступ к информации независимо от адресов кластеров, в которых располагается файл. Существует возможность определения прав доступа пользователей к файлу.

Типы файлов

Обычные файлы — это файлы которые содержат информацию произвольного характера. Они имеют произвольную структуру. Операционная система должна распознавать как минимум один тип файлов, это собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы – фиктивные файлы, которые ассоциируются с устройствами ввода-вывода.

Каталоги – файлы, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователем по какому-либо признаку. Каталоги могут содержать файлы любых типов, включая каталоги.

Другие — тип файлов, содержащий символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в памяти.

Иерархическая структура файловой системы состоит из следующих элементов:

Дерево – файл может входить только в один каталог.
Сеть – файл может входить в несколько каталогов.

Корневым называют каталог верхнего уровня.

Иерархическая структура файловой системы

Монтирование логических дисков

Монтированием логических дисков называют встраивание логического диска в иерархическую структуру файлов операционной системы.

В качестве точки монтирования может выступать любой пустой каталог существующей файловой системы. При монтировании он становится корневым для файловой системы монтируемого диска.

Возможности файловой системы

Учет свободных кластеров

Использование связного списка номеров свободных кластеров. В каждом кластере, входящем в список, помещаются номера свободных кластеров и ссылка на следующий кластер из списка. При этом в оперативной памяти достаточно хранить один кластер из списка.

Использование битового массива. Свободные кластеры помечаются 1, а занятые 0 (или наоборот). В оперативной памяти достаточно хранить один кластер битового массива. Выделяемые файлу свободные кластеры располагаются близко друг к другу, что приводит к увеличению быстродействия.

Дисковые квоты

Дисковая квота – максимальное количество файлов и блоков (кластеров), назначаемое пользователю для хранения данных.

Гибкий лимит – при превышении гибкого лимита во время регистрации пользователю выдается предупреждение, и счетчик предупреждений уменьшается на 1. Если счетчик равен 0, то в регистрации отказывается.

Жесткий лимит – лимит который не может быть превышен.

Резервное копирование

Резервное копирование это процесс создания на носителе, предназначенном для восстановления данных в оригинальном месте их расположения в случае их повреждения или разрушения.

Существуют следующие способы повышения эффективности и удобства резервного копирования:

Сохранение не всей файловой системы, а только некоторых каталогов.
Инкрементное резервное копирование: сохраняются только файлы, изменявшиеся после последнего резервного копирования.
Хранение резервных копий на других носителях, а так же в удаленном месте.
Сжатие резервируемых данных.
Быстрое фиксирование состояния файловой системы путем копирования критических структур данных для решения проблемы изменения данных во время резервного копирования.
Возможность восстановления в исходное место размещения, в другое место с сохранением структуры каталогов и без сохранения структуры.

Физическое резервное копирование это последовательное копирование всех кластеров диска.

Логическое резервное копирование это проверка каталогов и сохранение содержащихся в них информации.

Преимущества физического копирования:

простота реализации;
высокая скорость.

резервирование свободных кластеров;
невозможность восстановления отдельных файлов;
невозможность инкрементного резервного копирования.

Логическое резервирование происходит следующим образом:

Резервируются файлы, которые были изменены. Резервируются каталоги, содержащиеся в пути к этому файлу.
Создается битовый массив, индексированный по номеру индексного дескриптора.
Рекурсивно исследуется каталоги, пометки снимаются с каталогов, в которых нет модифицированных файлов и каталогов.
Резервируются все помеченные каталоги, перед каталогом записывается его атрибуты.
Резервируются все помеченные файлы, перед файлом записываются его атрибуты.
Исследуются все элементы начального каталога и помечаются модифицированные файлы и все каталоги, в которых рекурсивно ищутся все модифицированные файлы.

Далее создается резервная копия.

Восстановление файловой системы из резервной копии происходит следующим образом:

Создается пустая файловая система.
Восстанавливаются данные последней полной архивации, сначала каталоги, а затем файлы.
Восстанавливаются данные из инкрементных резервных копий.
Восстанавливается список свободных кластеров.

Теперь вы знаете основы файловых систем.

Обучаю HTML, CSS, PHP. Создаю и продвигаю сайты, скрипты и программы. Занимаюсь информационной безопасностью. Рассмотрю различные виды сотрудничества.

Аннотация: Основные понятия. Возможности NTFS. Структура NTFS. Файлы NTFS. Структуры данных для управления файлами.

Основные понятия

Файловая система ( file system ) – способ организации данных в виде файлов на устройствах внешней памяти (жестких и оптических дисках, устройствах флеш-памяти и т. п.).

Файловая система должна обеспечивать:

безопасное и надежное хранение данных (т. е. защищенное от несанкционированного использования и различного рода сбоев и ошибок);
программный интерфейс доступа к файлам;
организацию файлов в виде иерархии каталогов.

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 1 ISO 9660 – стандарт ISO (International Organization for Standardization – Международная организация по стандартизации) для файловых систем CD дисков и Joliet 2 Joliet – 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 3 2 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 [5, 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.

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 MFT ( MFT Zone ). По мере увеличения главной таблицы файлов, файл $ Mft расширяется, занимая зарезервированное место в зоне.

Остальное место на томе NTFS отводится под файлы – системные и пользовательские.

Рассмотрим более подробно структуру MFT (рис.17.2).

Главная таблица файлов MFT состоит из множества записей о файлах (файловых записей), расположенных на томе. Размер одной записи – 1 КБ (2 сектора). Самая первая запись в MFT – это запись о самом файле $ Mft . Во второй записи содержится информация о файле $MftMirr – зеркальной копии MFT . В этом файле дублируются первые 4 записи таблицы MFT , в том числе запись о $ Mft . В случае возникновения сбоя, если MFT окажется недоступной, информация о системных файлах будет считываться из $MftMirr (в загрузочной записи имеется адрес $MftMirr).

Перечислим следующие несколько записей в таблице MFT и кратко опишем назначение соответствующих системных файлов:

$LogFile – файл журнала, в котором записывается информация о всех операциях, изменяющих структуру тома NTFS, например, создание файлов и каталогов. Файл журнала используется при восстановлении тома NTFS после сбоев;
$Volume – файл информации о томе, в котором содержатся имя тома (Volume label), версия NTFS и набор флагов состояния тома, например, флаг (т. н. грязный бит, dirty bit), установка которого означает, что том был поврежден и требует восстановления при помощи системной утилиты Chkdsk;
$AttrDef – таблица определения атрибутов (Attribute Definition Table), содержащая возможные на данном томе типы атрибутов файлов (см. далее);
Root Directory (обозначается также обратным слешем "\") – файл с информацией о корневом каталоге тома. В нем хранятся ссылки на файлы и каталоги, содержащиеся в корневом каталоге;
$BitMap – файл битовой карты (bitmap), каждый бит в этой карте соответствует кластеру на томе: если бит равен 1, кластер занят, иначе – свободен;
$Boot – файл загрузочной записи тома;
$BadClus – файл плохих кластеров (bad clusters), содержащий информацию обо всех кластерах, имеющих сбойные секторы (bad sectors).

Кроме перечисленных, имеются и другие системные файлы NTFS , а в новых версиях появляются новые системные файлы.

Операционная система Windows 8, Windows 8.1 поддерживает несколько файловых систем: NTFS, FAT и FAT32. Но работать может только на NTFS , то есть установлена может быть только на раздел жесткого диска, отформатированного в данной файловой системе.

Обусловлено это теми особенностями и инструментами безопасности, которые предусмотрены в NTFS , но отсутствуют в файловых системах Windows предыдущего поколения: FAT16 и FAT32 .

Далее мы остановимся на всей линейке файловых систем для Windows, чтобы понять, какую роль они играют в работе системы и как они развивались в процессе становления Windows плоть до Windows 8.

Общие сведения о файловых системах

Преимущества NTFS касаются практически всего: производительности, надежности и эффективности работы с данными (файлами) на диске. Так, одной из основных целей создания NTFS было обеспечение скоростного выполнения операций над файлами (копирование, чтение, удаление, запись), а также предоставление дополнительных возможностей: сжатие данных, восстановление поврежденных файлов системы на больших дисках и т.д.

Другой основной целью создания NTFS была реализация повышенных требований безопасности, так как файловые системы FAT , FAT32 в этом отношении вообще никуда не годились. Именно в NTFS можно разрешить или запретить доступ к какому-либо файлу или папке (разграничить права доступа).

Сначала рассмотрим сравнительные характеристики файловых систем, а потом остановимся на каждой из них поподробнее. Сравнение, для большей наглядности, приведены в табличной форме.

Файловая система FAT для современных жестких дисков просто не подходит (ввиду ее ограниченных возможностей). Что касается FAT32 , то ее еще можно использовать, но уже с натяжкой.

Если купить жесткий диск на 1000 ГБ, то вам придется разбивать его как минимум на несколько разделов. А если вы собираетесь заниматься видеомонтажом, то вам будет очень мешать ограничение в 4 Гб как максимально возможный размер файла.

Всех перечисленных недостатков лишена файловая система NTFS . Так что, даже не вдаваясь в детали и специальные возможности файловой системы NTFS , можно сделать выбор в ее пользу.

Вообще использование FAT32 может быть оправдано лишь в тех случаях, когда у вас на компьютере установлено несколько операционных систем, а какая-либо из них не поддерживает NTFS . Но на сегодняшний день таких практически нет. Разве что вы захотите установить у себя антиквариат типа Windows 98.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (обычно под ней понимается FAT 16) была разработана достаточно давно и предназначалась для работы с небольшими дисковыми и файловыми объемами, простой структурой каталогов. Аббревиатура FAT расшифровывается как File Allocation Table (с англ. таблица размещения файлов). Эта таблица размещается в начале тома, причем хранятся две ее копии (в целях обеспечения большей устойчивости).

Файловая система FAT изначально разрабатывалась компанией Microsoft для дискет. Только потом они стали ее применять для жестких дисков. Сначала это была FAT12 (для дискет и жестких дисков до 16 МБ), а потом она переросла в FAT16 , которая была введена в эксплуатацию с операционной системой MS-DOS 3.0.

Далее она поддерживается в Windows 3.x, Windows 95, Windows 98, Windows NT/2000 и т.д.

Файловая система FAT32

Начиная с Windows 95 OSR2, компания Microsoft начинает активно использовать в своих операционных системах FAT32 - тридцатидвухразрядную версию FAT . Что поделать, технический прогресс не стоит на месте и возможностей FAT 16 стало явно недостаточно.

По сравнению с ней FAT32 стала обеспечивать более оптимальный доступ к дискам, более высокую скорость выполнения операций ввода/вывода, а также поддержку больших файловых объемов (объем диска до 2 Тбайт).

В FAT32 реализовано более эффективное расходование дискового пространства (путем использования более мелких кластеров). Выгода по сравнению с FAT16 составляет порядка 10.15%. То есть при использовании FAT32 на один и тот же диск может быть записано информации на 10. 15% больше, чем при использовании FAT16.

Кроме того, необходимо отметить, что FAT32 обеспечивает более высокую надежность работы и более высокую скорость запуска программ.

Обусловлено это двумя существенными нововведениями:

Возможностью перемещения корневого каталога и резервной копии FAT (если основная копия получила повреждения)
Возможностью хранения резервной копии системных данных.

Файловая система NTFS

Ни одна из версий FAT не обеспечивает хоть сколько-нибудь приемлемого уровня безопасности. Это, а также необходимость в добавочных файловых механизмах (сжатия, шифрования) привело к необходимости создания принципиально новой файловой системы. И ею стала файловая система NT (NTFS)

NTFS — от англ. New Technology File System, файловая система новой технологии. Как уже упоминалось, основным ее достоинством является защищенность: для файлов и папок NTFS могут быть назначены права доступа (на чтение, на запись и т.д.). Благодаря этому существенно повысилась безопасность данных и устойчивость работы системы.

Назначение прав доступа позволяет запретить/разрешить каким-либо пользователям и программам проделывать какие-либо операции над файлами. Например, не обладая достаточными правами, посторонний пользователь не сможет изменить какой-либо файл. Или не обладая достаточными правами, вирус не сможет испортить файл.

Кроме того, NTFS , как было сказано выше, обеспечивает лучшую производительность и возможность работы с большими объемами данных.

Начиная с Windows 2000, используется версия NTFS 5.0, которая, помимо стандартных, позволяет реализовывать следующие возможности:

Шифрование данных - эта возможность реализуется специальной надстройкой NTFS, которая называется Encrypting File System(EFS) - шифрующая файловая система. Благодаря этому механизму шифрованные данные могут быть прочитаны только на компьютере, на котором произошла шифровка.
Дисковые квоты - стало возможно назначать пользователям определенный (ограниченный) размер на диске, который они могут использовать.
Хранение разреженных файлов. Встречаются файлы, в которых содержится большое количество последовательных пустых байтов. Файловая система NTFS позволяет оптимизировать их хранение.
Использование журнала изменений - позволяет регистрировать все операции доступа к файлам и томам.

И еще одно нововведение NTFS - точки монтирования. С помощью точек монтирования можно определить различные не связанные между собой папки и даже диски в системе, как один диск или папка. Это имеет большую важность для сбора в одном месте разнородной информации, находящейся в системе.

Напоследок необходимо иметь в виду, что если для файла под NTFS были установлены определенные права доступа, а потом вы его скопировали на раздел FAT, то все его права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утеряны. Так что будьте бдительны.

Устройство NTFS. Главная таблица файлов MFT

Как и любая другая файловая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - минимальные блоки данных, на которые разбиваются файлы. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт. Однако общепринятым стандартом считается кластер размером 4 Кбайт. Именно он используется по умолчанию. Принцип существования кластеров можно проиллюстрировать следующим примером.

Если у вас размер кластера составляет 4 Кбайт (что скорее всего), а нужно сохранить файл, размером 5 Кбайт, то реально под него будет выделено 8 Кбайт, так как в один кластер он не помещается, а под файл дисковое пространство выделяется только кластерами.

Для каждого NTFS-диска имеется специальный файл - MFT (Master Allocation Table - главная таблица файлов). В этом файле содержится централизованный каталог всех имеющихся на диске файлов. При создании файла NTFS создает и заполняет в MFT соответствующую запись, в которой содержится информация об атрибутах файла, содержимом файла, имя файла и т.п.

Помимо MFT , имеется еще 15 специальных файлов (вместе с MFT - 16), которые недоступны операционной системе и называются метафайлами . Имена всех метафайлов начинаются с символа $, но стандартными средствами операционной системы просмотреть их и вообще увидеть не представляется возможным. Далее для примера представлены основные метафайлы:

SMFT - сам MFT.
$MFTmirr - копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска (зеркало).
$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.

Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в кодировке Unicode , которую составляют 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.

Что касается принципа организации данных на диске NTFS, то он условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, в которое растет метафайл MFT.

Запись каких-либо пользовательских 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.

Однако при нехватке дискового пространства MFT-зона может сама уменьшаться (если это возможно), так что никакого дискомфорта вы замечать не будете. При этом новые данные уже будут записываться в бывшую MFT-зону.

В случае последующего высвобождения дискового пространства MFT-зона снова будет увеличиваться, однако в дефрагментированном виде (то есть не единым блоком, а несколькими частями на диске). В этом нет ничего страшного, просто считается, что система более надежна, когда MFT-файл не дефрагментирован.

Кроме того, при не дефрагментированном MFT-файле вся файловая система работает быстрее. Соответственно чем более дефрагментированным является MFT-файл, тем медленней работает файловая система.

Что касается размера MFT-файла, то он примерно вычисляется, исходя из 1 МБ на 1000 файлов.

Конвертирование разделов FAT32 в NTFS без потери данных. Утилита convert

Вы можете без особого труда конвертировать существующий FAT32-раздел в NTFS. Для этого в Windows 8, Windows 8.1 предусмотрена утилита командной строки convert .

Параметры ее работы показаны на скриншоте.

Таким образом, чтобы конвертировать в NTFS диск D:, в командную строку следует ввести следующую команду:

После этого от вас попросят ввести метку тома, если такая есть (метка тома указывается рядом с именем диска в окне Мой компьютер. Она служит для более подробного обозначения дисков и может использоваться, а может не использоваться. Например, это может быть Files Storage (D:).

NTFS, аббревиатура от New Technology File System, является файловой системой, впервые представленной Microsoft в 1993 году с выпуском Windows NT 3.1. NTFS является основной файловой системой, используемой компанией Microsoft в производимых Windows 10, Windows 8, Windows 7, Windows Vista, Windows XP, Windows 2000 и Windows NT.

Линейка операционных систем Windows Server также часто использует NTFS. Эта файловая система также поддерживается в других операционных системах, таких как Linux и BSD. macOS поддерживает NTFS только для чтения.

Как проверить диск на использование NTFS

Есть несколько способов, чтобы проверить, отформатирован ли жёсткий диск в формат файловой системой NTFS, или он использует другую файловую систему.

Через утилиту управления дисками

Файловая система будет указана прямо в этом же окне, наряду с томом и другими сведениями о диске.

Откройте проводник Windows

Другой способ проверить, отформатирован ли диск в файловой системе NTFS, – щелкнуть правой кнопкой мыши или удерживать пальцем соответствующий диск, прямо из проводника Windows.

Затем выберите Свойства из выпадающего меню. Прочтите, что находится рядом с Файловой системой на вкладке Общие. Если диск NTFS, то будет указано Файловая система: NTFS.

Используйте командную строку

Ещё один способ узнать, какая файловая система используется жестким диском, использовать интерфейс командной строки.

Откройте командную строку (в некоторых версиях Windows это может быть командная строка с повышенными правами) и введите команду, чтобы отобразить различные сведения о диске C: , включая его файловую систему:

fsutil fsinfo volumeinfo C:

Команда fsutil fsinfo volumeinfo C: / findstr "System" может быть использован, чтобы обрезать результаты.

Чтобы проверить другой жесткий диск, используйте букву тома этого диска вместо C:

Если вы не знаете букву диска, вы можете получить экранную распечатку с использованием команды fsutil fsinfo drives.

Особенности файловой системы NTFS

Теоретически, NTFS может поддерживать жесткие диски до 16 EB. Размер отдельного файла ограничен чуть менее 256 ТБ, по крайней мере, в Windows 8 и Windows 10, а также в некоторых более новых версиях Windows Server.
NTFS поддерживает квоты использования диска. Квоты использования диска устанавливаются администратором для ограничения объема дискового пространства, которое может занимать пользователь. Они используются, в основном, для контроля количества общего дискового пространства, которое кто-то может использовать на сетевом диске.
Атрибуты файлов, ранее невидимые в операционных системах Windows, такие как атрибут сжатия и индексирования, доступны для дисков в формате NTFS.
Шифрованная файловая система (EFS) – это ещё одна функция, поддерживаемая NTFS. EFS обеспечивает шифрование на уровне файлов, это означает, что отдельные файлы и папки могут быть зашифрованы. Это другая функция, в отличие от полного шифрования диска, которое представляет собой шифрование всего диска.
NTFS – это файловая система с журналирование, это означает, что она имеет способ записи системных изменений в журнал до того, как изменения будут фактически произведены. Это позволяет файловой системе вернуться к предыдущим, хорошо работающим условиям в случае сбоя, поскольку новые изменения ещё не приняты.
Служба теневого копирования томов (VSS) – это функция NTFS, которая может использоваться службами онлайн-резервного копирования и другими программными средствами для резервного копирования файлов, и даже сама Windows может использовать эту службу для хранения резервных копий ваших файлов.
Другая функция, представленная в этой файловой системе, называется транзакционная NTFS. Эта функция позволяет разработчикам программного обеспечения создавать приложения, которые либо полностью работают, либо полностью терпят неудачу. Программы, использующие транзакционную NTFS, не будут частично работать при ошибках в коде.

NTFS включает и другие функции, такие как жесткие ссылки, разреженные файлы и точки повторной обработки.

Альтернативы NTFS

Файловая система FAT была основной файловой системой в старых операционных системах Microsoft и, по большей части, NTFS её заменила. Однако, все версии Windows по-прежнему поддерживают FAT, и обычно можно найти диски, отформатированные с использованием её вместо NTFS.

ExFAT является новой файловой системой, она предназначена для использования, где NTFS работает недостаточно хорошо или несовместима, как на флэш-накопителях.

Читайте также: