Файловые системы

       Содержание 

      Введение…………………………………………………………………....................................3

1. Общие сведения о файловых системах …………………………………….…………..……..3
2. Файловая система FAT…………………………………………………………………………4
3. Файловая система FAT32…………………………….………………………………………...5
4. Файловая система HPFS……………………………………………..........................................6
5. Файловая система NTFS………………………………………………………………………..8
6. Файловая система ОС семейства UNIX……………………………………………………...11

      Заключение…………………………………………………………………..............................12

      Список литературы……………………………………………………………………….……14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение 

     В настоящее время на одном диске  в среднем записывается несколько  десятков тысяч файлов. Как разобраться  во всем этом многообразии с тем, чтобы  точно адресоваться к файлу? Назначение файловой системы – эффективное решение указанной задачи.

     Файловая система с точки зрения пользователя – это «пространство», в котором размещаются файлы. Как научный термин – это способ хранения и организации доступа к данным на информационном носителе или его разделе. Наличие файловой системы позволяет определить, как называется файл, где он находится. Поскольку на IBM PC – совместимых компьютерах информация храниться в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках).

     Существуют  различные виды файловых систем. По предназначению их можно классифицировать на следующие категории:

• Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2, ext3 и др.
• Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.
• Для оптических носителей – CD и DVD: ISO9660, ISO9690, HFS, UDF и др.
• Виртуальные файловые системы: AEFS и др.
• Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.
• Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.

     В данной работе рассмотрены файловые системы FAT, HPFS, NPFS, а также файловая система ОС семейства UNIX. 
 
 

     1. Общие сведения о файловых системах 

     Совокупность  каталогов и системных структур данных, отслеживающих размещение файлов на диске и свободное дисковое пространство, называется файловой системой. Основной структурной единицей любой файловой системы является файл и каталог.

     Файл  – минимальная структурированная  именованная последовательность данных. Каждый файл имеет набор атрибутов, состав которого зависит от используемой файловой системы.

     Каталог (папка) является своеобразной объединяющей структурой для расположенных на диске файлов. Каталог может содержать  в себе файлы и другие (вложенные) каталоги. Каталоги и файлы образуют на диске древовидную иерархическую структуру – дерево каталогов. Единственный каталог не входящий ни в одну из директорий называется корневым каталогом.

     Файловая  система включает в себя систему  каталогов и системы размещения файлов на диске, простейшей из которых считается FAT в MS-DOS. Эти системы определяют возможности и эффективность манипулирования файлами – создания, записи, чтения, поиска, модификации, удаления, восстановления удаленных файлов, – а также средства восстановления файловой системы после сбоев, вызванных неисправностями и некорректными действиями пользователей или программ. В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение». 
 

     2. Файловая система FAT 

     FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов) – этот термин относится к одному из способов организации файловой системы на диске. Эта таблица хранит информацию о файлах на жестком диске в виде последовательности чисел, определяющих, где находится каждая часть каждого файла. С ее помощью операционная система выясняет, какие кластеры занимает нужный файл. Кластер – минимальный размер места на диске, которое может быть выделено для хранения одного файла.

     FAT является самой распространенной файловой системой и поддерживается подавляющим большинством операционных систем. Сначала FAT была 12-разрядной и позволяла работать с дискетами и логическими дисками объемом не более 16 Мбайт. В MS-DOS версии 3.0 таблица FAT стала 16-разрядной для поддержки дисков большей емкости, а для дисков объемом до 2 047 Гбайт используется 32-разрядная таблица FAT.

     Файловая  система FAT представляет собой таблицу размещения файлов, в которой указываются:

• непосредственно адреса участков логического диска, предназначенные для размещения файлов;
• свободные области дискового пространства;
• дефектные области диска.

     В этой таблице каждому блоку, предназначенному для хранения данных, соответствует 16-битовое значение. Если блок свободен, то значение будет нулевым. Если же блок принадлежит файлу, то значение равно адресу следующего блока этого файла. Если это последний блок в файле, то значение – OxFFF (рис. 1). Существует также специальный код для обозначения плохого блока, не читаемого из-за дефекта физического носителя. В каталоге хранится номер первого блока и длина файла, измеряемая в байтах. Емкость диска при использовании 12-битовой FAT ограничена 4096 блоками (2 Мбайт), что приемлемо для дискет, но совершенно не годится для жестких дисков и других устройств большой емкости. На таких устройствах DOS использует FAT с 16-битовыми элементами. На еще больших (более 32 Мбайт) дисках DOS выделяет пространство не блоками, а кластерами из нескольких блоков.  

Рис. 1 Структура файловой системы FAT 

     В таблице FAT кластеры, принадлежащие файлу или каталогу, связываются в цепочки. В 16-разрядной FAT можно иметь до 65536 кластеров. В операционных системах Windows NT/2000/XP разделы FAT могут иметь до 4097 Мб. В этом случае кластер занимает 128 секторов диска.

     Логическое  объединение секторов в кластеры позволяет уменьшить размер таблицы FAT и ускорить доступ к файлу. Однако слишком большой размер кластера приводит к неэффективному использованию области данных, особенно при большом количестве маленьких файлов. Например, при размере кластера в 32 сектора (16 Кб) средняя величина потерь на файл составляет 8 Кб. Поэтому в современных файловых системах размер кластера не превышает 4 Кб.

     Поскольку файлы на диске подвержены изменению (удаляются, перемещаются, увеличиваются  или уменьшаются), то выделение первого  свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов. Данные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а в удаленных друг от друга.

     Таблица FAT является основой данной файловой системы, поэтому она хранится на диске в двух экземплярах. Обновляются копии FAT одновременно, а для работы используется только первый экземпляр. Если он окажется поврежденным, то произойдет обращение ко второму экземпляру. Утилиты проверки и восстановления файловой системы при обнаружении несоответствия первичной и резервной таблицы FAT осуществляет восстановление основной таблицы, используя данные из её копии.

     В файловой системе FAT дисковое пространство логического диска делится на системную область и область данных. Системная область создается и инициализируется при форматировании диска, а в последующем обновляется при работе. Область данных содержит файлы и каталоги, которые образуют на диске иерархическое дерево каталогов, с единственной директорией не входящей в другие – корневым каталогом. Область данных доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область содержит загрузочную запись, зарезервированные сектора, таблицу размещения файлов и корневой каталог. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится справочная информация. Каждый элемент такого справочника занимает 32 байта и содержит: имя файла или каталога, расширение имени файла, атрибуты файла – системный, архивный, только для чтения и др., дату и время создания и последнего изменения файла, номер начального кластера, размер файла.

     Система FAT очень проста и имеет одно серьезное достоинство: устойчивость к сбоям. В то же время у нее есть и ряд серьезных недостатков. Первый недостаток состоит в том, что при каждой операции над файлами система должна обращаться к FAT. Это приводит к частым перемещениям головок дисковода и в результате к резкому снижению производительности. Действительно, исполнение программы на одной и той же машине под MS DOS и под DOS-эмулятором систем UNIX или OS/2 различается по скорости почти в 1,5 раза. Особенно это заметно при архивировании больших каталогов.

     Файловая  система FAT 16 может иметь не более 65535 кластеров на логический диск, и это приводит к ограничению размера логического диска. С увеличением размера диска приходится увеличивать размер кластеров, что приводит к крайне неэффективному и бесполезному расходу дискового пространства. 

     3. Файловая система FAT32 

     FAT32 – последняя версия файловой системы FAT и улучшение предыдущей версии. Она была создана, чтобы преодолеть ограничения на размер тома в FAT16, позволяя при этом использовать старый код программ MS-DOS и сохранив формат. FAT32 использует 32-разрядную адресацию кластеров. FAT32 появилась вместе с Windows 95 OSR2.

     FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Кластеры в этой файловой системе меньше, чем кластеры в предыдущих версиях FAT. Следовательно, для дисков размером до 8 Гб FAT 32 может использовать кластеры размером 4 Кб. Таблица размещения файлов в FAT 32 может содержать до кластеров (в 32-разрядном коде, используемом для представления номера кластера, фактически используются только 28 разрядов). Система FAT 32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись позволяет создавать копии важных структур данных. Это повышает устойчивость файловой системы к нарушениям структуры таблицы размещения данных. Корневой каталог представлен в виде обычной цепочки кластеров и может находиться в произвольном месте диска. Файловая система FAT 32 имеет ряд усовершенствований структуры корневого каталога. Для представления длинных имен используются элементы корневого каталога.

     Для этого число файлов в нем увеличено  с 512 до 2048. Кроме того, для того чтобы  снизить расход элементов каталога на описание файлов с длинными именами, рекомендуется не давать файлам слишком длинные имена.

     Длинное имя файла в VFAT представлено следующим образом.

     Первые 11 байт элемента каталога DOS используются для хранения имени файла. Такое имя состоит из двух частей: в первых восьми байтах хранятся символы собственно имени, а в последних трех – символы расширения имени файла. Если имя состоит менее чем из восьми символов, то в элементе каталога оно дополняется символами пробела, для того чтобы полностью заполнить все восемь байтов. При работе с именем файла необходимость в отображении точки, которая используется для отделения имени файла от расширения, отпадает. В 12-ом байте элемента каталога хранятся атрибуты файла:

1. А – архив. Показывает, что файл был открыт программой имеющей возможность изменить его содержимое.
2. D – каталог. Показывает, что данный элемент указывает на подкаталог (папку), а не на файл.
3. V – том (volume). Применяется только к одному элементу каталога в корневом каталоге. В нем собственно и хранится имя дискового тома.
4. S – системный. Показывает, что файл является частью операционной системы или специально помечен подобным образом.
5. H – скрытый. К скрытым файлам относятся также системные файлы.
6. R – только для чтения. Указывает, что данный файл не следует изменять. Этот атрибут используется для примитивной защиты от ошибок пользователя.

     На  дисках с FAT12 или FAT16 следующие 10 байт не используются. На диске с FAT 32 они содержат различную информацию о файле. Тринадцатый байт зарезервирован для Windows NT и в подсистеме DOS не используется.

     Для длинного имени файла используется несколько элементов каталога. Таким  образом, применение длинных имен приводит к уменьшению количества файлов, находящихся  в корневом каталоге. Длинное имя  может содержать до 256 символов и всего один файл с полным длинным именем займет до 25 элементов таблицы FAT. При этом на диске с файловой системой FAT16 максимальное число файлов в корневом каталоге сократится до 21. Поэтому необходимо избегать длинных имен файлов в корневом каталоге. Длина полной спецификации файла, включающая в себя путь к файлу и его имя, также ограничена. В файловой системе FAT32 успешно решена проблема длинных имен в корневом каталоге, но проблема с ограничением длинны полной файловой спецификации остается. Поэтому рекомендуется ограничивать длинные имена 75-80 символами, для того чтобы оставить достаточно места для пути к файлу.