Microsoft Windows и файловые системы. В чём разница между FAT32, NTFS и exFAT Файловые системы понятие fat таблицы

Помимо всех остальных задач, выполняет свое основное предназначение - организует работу с данными по определенной структуре. Для этих целей используется файловая система. Что такое ФС и какой она может быть, а также прочая информация о ней будет представлена далее.

Общее описание

Файловая система представляет собой часть операционной системы, которая несет ответственность за размещение, хранение, удаление информации на носителях, предоставление пользователям и приложениям этой информации, а также обеспечение ее безопасного использования. Кроме того, именно она помогает в восстановлении данных в случае аппаратного или программного сбоя. Поэтому так важна файловая система. Что такое ФС и какой она может быть? Имеется несколько видов:

Для жестких дисков, то есть устройств с произвольным доступом;

Для магнитных лент, то есть устройств с последовательным доступом;

Для оптических носителей;

Виртуальные системы;

Сетевые системы.5

В качестве логической единицы хранения данных в файловой системе служит файл, то есть упорядоченная совокупность данных, имеющая определенное имя. Все данные, используемые операционной системой, представлены в виде файлов: программы, изображения, тексты, музыка, видео, а также драйвера, библиотеки и прочее. У каждого такого элемента имеется имя, тип, расширение, атрибуты и размер. Итак, теперь вы знаете, Файловая система представляет собой совокупность таких элементов, а также способы работы с ними. В зависимости от того, в каком виде она используется и какие принципы для нее применимы, можно различать несколько основных видов ФС.

Программный подход

Итак, если рассматривается файловая система (что такое и как с ней работать), то требуется отметить, что это многоуровневая структура, на ее верхнем уровне находится переключатель файловых систем, обеспечивающий интерфейс между системой и конкретным приложением. Он преобразует запросы к файлам в такой формат, который воспринимается следующим уровнем - драйверами. Они, в свою очередь, обращаются к драйверам конкретных устройств, которые хранят необходимую информацию.

У клиент-серверных приложений требования к производительности ФС довольно высоки. Современные системы призваны обеспечивать эффективный доступ, поддержку носителей больших объемов, защиту данных от несанкционированного доступа, сохранение целостности информации.

Файловая система FAT

Этот тип разрабатывался еще в 1977 году Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом. Первоначально ее использовали в ОС 86-DOS. Если говорить о том, что такое файловая система FAT, то стоит отметить, что первоначально она не была способна поддерживать жесткие диски, а работала только с гибкими носителями объемом до 1 мегабайта. Сейчас это ограничение уже неактуально, а данная ФС использовалась компанией "Майкрософт" для ОС MS-DOS 1.0 и последующих версий. В FAT используются определенные соглашения в плане наименования файлов:

В начале имени должна быть буква или цифра, а в нем самом может присутствовать любой символ ASCII, помимо пробела и специальных элементов;

Длина имени должна быть не более 8 символов, после него ставится точка, а далее указывается расширение, которое состоит из трех букв;

В именах файлов может использоваться любой регистр, он не различается и не сохраняется.

Так как изначально FAT проектировалась для однопользовательской ОС DOS, она не предусматривала хранения данных о владельце либо полномочиях доступа. На данный момент эта файловая система распространена наиболее сильно, в той или иной степени ее поддерживает большинство Ее универсальность дает возможность использовать ее на томах, с которыми ведется работа разными ОС. Это простая ФС, которая не способна предотвратить порчу файлов из-за некорректного завершения работы компьютера. В составе операционных систем, работающих на ее основе, имеются специальные утилиты, которые проверяют структуру и корректируют несоответствия файлов.

Файловая система NTFS

Эта ФС является наиболее предпочтительной для работы с ОС Windows NT, так как она разрабатывалась специально под нее. В состав ОС включена утилита convert, которая конвертирует тома с FAT и HPFS в тома NTFS. Если говорить о том, что такое файловая система NTFS, то стоит отметить, что в ней существенно расширены возможности управления доступом к определенным каталогам и файлам, введено множество атрибутов, реализованы средства сжатия файлов динамически, отказоустойчивость, поддерживаются требования стандарта POSIX. В данной ФС можно использовать имена длиной до 255 символов, при этом короткое имя в ней генерируется так же, как и в VFAT. Разбираясь, что такое файловая система NTFS, стоит отметить, что в случае сбоя операционной системы она способна сама восстанавливаться, поэтому дисковый том останется доступным, а каталожная структура не пострадает.

Особенности NTFS

На томе NTFS каждый файл представлен записью в таблице MFT. Первые 16 записей таблицы зарезервированы самой файловой системой для хранения специальной информации. В самой первой записи описана сама файловая таблица. При разрушении первой записи считывается вторая для поиска зеркального файла MFT, где первая запись идентична основной таблице. На логическом центре диска размещается копия файла начальной загрузки. В третьей записи таблицы находится файл регистрации, который используется для восстановления данных. В семнадцатой и последующих записях файловой таблицы находится информация о файлах и каталогах, которые имеются на жестком диске.

Журнал транзакций содержит полный набор операций, изменяющих структуру тома, в числе которых представлены операции по созданию файлов, а также любые команды, влияющие на структуру каталогов. Журнал транзакций предназначен для восстановления NTFS в результате сбоя системы. В записи для корневого каталога содержится список каталогов и файлов, которые находятся в корневом каталоге.

Особенности EFS

Шифрованная файловая система (EFS) представляет собой компонент Windows, при помощи которого сведения на жестком диске могут сохраняться в зашифрованном формате. Шифрование стало самой сильной защитой, которую только может предложить данная операционная система. В данном случае шифрование для пользователя является довольно простым действием, для этого требуется только установить флажок в свойствах папки или файла. Можно указать, кто может читать такие файлы. Происходит шифрование при закрытии файлов, а когда они открываются, то автоматически становятся готовыми к использованию.

Особенности RAW

Устройства, предназначенные для хранения данных, представляют собой наиболее уязвимые комплектующие, которые чаще всего подвержены повреждениям не только в физическом плане, но и в логическом. Определенные проблемы с оборудованием могут оказаться фатальными, а другие имеют какие-то решения. Иногда у пользователей возникает вопрос: "Что такое файловая система RAW?"

Как известно, для записи на жесткой диск или флеш-накопитель какой-либо информации у накопителя должна иметься ФС. Наиболее распространенными являются FAT и NTFS. А RAW даже не является файловой системой, каковой мы обычно ее себе представляем. На самом деле это логическая ошибка уже установленной системы, то есть ее фактическое отсутствие для Windows. Чаще всего RAW связана с разрушением структуры файловой системы. После этого ОС не просто к данным, но и не отображает техническую информацию по оборудованию.

Особенности UDF

Универсальный дисковый формат (UDF) разработан для замены CDFS и добавления поддержки устройств DVD-ROM. Если говорить о том, что такое то это новая реализация старой версии для которая соответствует требованиям Она характеризуется определенными особенностями:

Длина имен файлов может быть до 255 символов;

Регистр имени может быть нижним и верхним;

Максимальная длина пути составляет 1023 символа.

Начиная с Windows XP, данная файловая система поддерживает чтение и запись.

Данная ФС используется для флеш-накопителей, которые предполагается применять при работе с разными компьютерами, работающими под управлением разных операционных систем, в частности Windows и Linux. Именно EXFAT стала тем «мостиком» между ними, так как она способна работать с данными, получаемыми от ОС, в каждой из которых работает своя файловая система. Что такое и как это работает, будет понятно уже на практике.

Выводы

Как понятно из описанного выше, в каждой операционной системе используются определенные файловые системы. Предназначены они для хранения упорядоченных структур данных на физических носителях информации. Если у вас вдруг при пользовании компьютером возникает вопрос о том, что такое конечная файловая система, то вполне возможно, что при попытке скопировать определенный файл на носитель перед вами появилось сообщение о превышении разрешенного размера. Именно поэтому необходимо знать, в какой ФС какой размер файлов считается допустимым, чтобы при переносе информации не сталкиваться с проблемами.

NTFS, FAT или exFAT это совершенно разные файловые системы, которые могут использоваться для хранения данных на различных носителях. Обе созданы в компании Microsoft и в основном используются для Windows, но поддержка в ядре Linux для них тоже есть.

Чаще всего NTFS используется для установки операционной системы Windows или разделов Windows для файлов, в то время как FAT часто применяется на флешках или других внешних накопителях. Также FAT может часто использоваться в качестве основной файловой системы для Android. В этой статье мы рассмотрим различия FAT и NTFS, подробно разберем чем они отличаются и зачем нужны.

Файловая система устанавливает основные правила того как будут организованны данные при записи на носитель, независимо от того, что это - жесткий диск или флеш накопитель. Файловая система описывает каким образом будут организованы папки.

Определенная часть данных под названием файл размещается в нужной области накопителя. Файловая система выполняет все необходимые вычисления, а также определяет минимальный неделимый размер блока данных, максимальный размер файла, следит за фрагментацией. Существует множество различных типов файловых систем, это, например, файловые системы для установки ОС, для внешних носителей, для оптических дисков, распределенные файловые системы. Но в этой статье мы только выполним сравнение fat и ntfs.

Что такое файловая система FAT?

Файловые системы fat32 и ntfs очень сильно отличаются. FAT расшифровывается как File Allocation Table. Это очень давняя файловая система в истории вычислительных систем. Ее история началась в 1977 году. Тогда была разработана 8 битная файловая система, которая использовалась в NCR 7200 на основе Intel 8080. Это был терминал ввода, который работал с гибкими дисками. Файловая система была написана сотрудником Microsoft, Марком Макдональдом после обсуждения ее концепции с Билом Гейтсом.

Затем файловая система FAT начала использоваться в операционной системе MDOS для платформы Z80. Спустя несколько лет были выпущены новые версии, такие как FAT12, FAT16 и FAT32.

FAT32 увеличила максимальный размер тома до 16 Тб, по сравнению с FAT16. Также был увеличен размер файла до 4 Гб. File Allocation Table 32 бит вышла в августе 1995 года для Windows 95. Но эта файловая система все еще не может использоваться для установки тяжелых приложений или хранения больших файлов. Поэтому Microsoft разработала новую файловую систему - NTFS, которая лишена таких недостатков.

FAT32 - это отличная файловая система для внешних носителей, если вам нужно передавать файлы размером не более чем 4 Гб. Она поддерживается множеством различных устройств, таких как фотоаппараты, камеры, музыкальные плееры. Все версии Windows и дистрибутивы Linux полностью поддерживают FAT32. Даже Apple MacOS ее поддерживает.

Что такое файловая система NTFS?

Для своих новых систем Microsoft разработала новую файловую систему - New Technology File System или NTFS. Она появилась в 1993 году, в Windows NT 3.1. NTFS сняла многие ограничения на размеры файлов и диска. Ее разработка началась еще в далеком 1980 году, в результате объединения Microsoft и IBM для создания новой файловой системы с улучшенной производительностью.

Но сотрудничество компаний продлилось недолго, и IBM выпустила HPFS, которая использовалась в OS/2, а в Microsoft создали NTFS 1.0. Максимальный размер одного файла в NTFS может достигать 16 экзабайт, а это значит, что в ней поместятся даже самые большие файлы.

NTFS 3.1 была выпущена для Windows XP и получила множество интересных улучшений, таких как поддержку уменьшения размера разделов, автоматическое восстановление и символические ссылки, а максимальный размер диска с файловой системой увеличен до 256 ТБ. Это несмотря на максимальный размер файла в 16 Эб.

Из других интересных функций, которые были добавлены позже можно отметить отложенную запись на диск, поддержка дефрагментации, настройка дисковых квот, отслеживание ссылок и шифрование на уровне файлов. При всем этом, NTFS сохраняет совместимость с прежними версиями.

Сейчас это журналируемая файловая система, все действия с файлами заносятся в специальный журнал, с помощью которого файловая система может быть очень быстро восстановлена при повреждениях. NTFS поддерживается в Windows XP и более поздних версиях. Если сравнивать fat или ntfs, то последняя в Linux поддерживается не полностью, возможна запись и восстановление при повреждениях, а в MacOS поддерживается только чтение.

Что такое файловая система exFAT?

Файловая система exFAT - это еще один проект Microsoft по улучшению старой файловой системы. Ее можно исполосовать там, где не подходит FAT32. Она намного легче за NTFS, но поддерживает файлы размером более 4 Гб, и тоже часто применяется на флешках и накопителях. При ее разработке Microsoft использовала свою технологию поиска имен файлов по хэшу, что очень сильно улучшает производительность.

Большинство стран признают патентное право США, поэтому любая реализация exFAT невозможна в любых системах с закрытым или открытым исходным кодом. Но Microsoft хочет чтобы эта файловая система свободно распространялась и использовалась. Поэтому была разработана версия exFAT на основе FUSE под названием fuse-exfat. Она дает полный доступ на чтение и запись. Также была создана реализация на уровне ядра Linux в Samsung, которая сейчас тоже есть в открытом доступе.

Эта файловая система тоже имеет максимальное ограничение на размер файла 16 ЭБ, но она намного легче и не имеет никаких дополнительных возможностей. Если говорить про совместимость, то она полностью поддерживается в Windows, MacOS, Android и Linux.

Различия FAT и Ntfs

А теперь рассмотрим основные различия FAT и NTFS в виде краткого резюме по каждой из файловых систем:

FAT32

• Совместимость: Windows, Mac, Linux, игровые консоли, практически все устройства, имеющие USB порт;
• Плюсы: кроссплатформенность, легкость;
• Минусы: максимальный размер файла 4 ГБ и раздела 16 ГБ, не журналируемая;
• Использование: внешние носители.

NTFS

• Совместимость: Windows, Linux, Xbox One, и только чтение в Mac;
• Плюсы: журналируемая, большие лимиты на размер раздела и файла, шифрование, автоматическое восстановление;
• Минусы: ограниченная кроссплатформенность;
• Использование: для установки Windows.

exFAT

• Совместимость: Windows XP и выше, MacOS X 10.6.5, Linux (fuse), Android;
• Плюсы: большой лимит на размер раздела и файла, легкая по сравнению с NTFS;
• Минусы: Microsoft ограничивает ее использование лицензионным соглашением;
• Использование: для внешних носителей и внешних жестких дисков.

Выводы

В этой статье мы выполнили сравнение fat и ntfs. Это очень разные файловые системы. Но понять какая файловая система лучше fat или ntfs сложно, с одной стороны NTFS имеет намного больше возможностей, но зато FAT более легкая и поддерживается везде, где это возможно. Для разделов данных в Linux, которые должны быть доступны в Windows лучше использовать FAT, а не NTFS, поскольку она поддерживается лучше. А по-вашему что лучше fat или ntfs для Linux?

В FAT имена файлов имеют формат 8.3 и состоят только из символов кодировки ASCII . В VFAT была добавлена поддержка длинных (до 255 символов) имён файлов (англ. Long File Name, LFN ) в кодировке UTF-16LE , при этом LFN хранятся одновременно с именами в формате 8.3, ретроспективно называемыми SFN (англ. Short File Name ). LFN нечувствительны к регистру при поиске, однако, в отличие от SFN, которые хранятся в верхнем регистре, LFN сохраняют регистр символов, указанный при создании файла.

Структура системы FAT

В файловой системе FAT смежные секторы диска объединяются в единицы, называемые кластерами . Количество секторов в кластере равно степени двойки (см. далее). Для хранения данных файла отводится целое число кластеров (минимум один), так что, например, если размер файла составляет 40 байт, а размер кластера 4 кбайт, реально занят информацией файла будет лишь 1 % отведенного для него места. Для избежания подобных ситуаций целесообразно уменьшать размер кластеров, а для сокращения объёма адресной информации и повышения скорости файловых операций - наоборот. На практике выбирают некоторый компромисс. Так как емкость диска вполне может и не выражаться целым числом кластеров, обычно в конце тома присутствуют т. н. surplus sectors - «остаток» размером менее кластера, который не может отводиться ОС для хранения информации.

Пространство тома FAT32 логически разделено на три смежные области:

• Зарезервированная область. Содержит служебные структуры, которые принадлежат загрузочной записи раздела (Partition Boot Record - PBR, для отличия от Master Boot Record - главной загрузочной записи диска; также PBR часто некорректно называется загрузочным сектором) и используются при инициализации тома;
• Область таблицы FAT, содержащая массив индексных указателей («ячеек»), соответствующих кластерам области данных. Обычно на диске представлено две копии таблицы FAT в целях надежности;
• Область данных, где записано собственно содержимое файлов - то есть текст текстовых файлов, кодированное изображение для файлов рисунков, оцифрованный звук для аудиофайлов и т. д. - а также т. н. метаданные - информация относительно имен файлов и папок, их атрибутов, времени создания и изменения, размеров и размещения на диске.

В FAT12 и FAT16 также специально выделяется область корневого каталога. Она имеет фиксированное положение (непосредственно после последнего элемента таблицы FAT) и фиксированный размер в секторах.

Если кластер принадлежит файлу, то соответствующая ему ячейка содержит номер следующего кластера этого же файла. Если ячейка соответствует последнему кластеру файла, то она содержит специальное значение (FFFF 16 для FAT16). Таким образом выстраивается цепочка кластеров файла. Неиспользуемым кластерам в таблице соответствуют нули. «Плохим» кластерам (которые исключаются из обработки, например, по причине нечитаемости соответствующей области устройства) также соответствует специальный код.

При удалении файла первый знак имени заменяется специальным кодом E5 16 и цепочка кластеров файла в таблице размещения обнуляется. Поскольку информация о размере файла (которая располагается в каталоге рядом с именем файла) при этом остаётся нетронутой, в случае, если кластеры файла располагались на диске последовательно и они не были перезаписаны новой информацией, возможно восстановление удалённого файла.

Загрузочная запись

Первая структура тома FAT называется BPB (англ. BIOS parameter block ) и расположена в зарезервированной области, в нулевом секторе. Эта структура содержит информацию, идентифицирующую тип файловой системы и физические характеристики носителя (дискеты или раздела на жёстком диске).

BIOS Parameter Block

BPB в принципе отсутствовал в FAT, обслуживавшей MS-DOS 1.x, так как в то время предполагалось лишь два различных типа тома - одно- и двусторонние пятидюймовые дискеты на 360 кб, причём формат тома определялся по первому байту области FAT. BPB был введен в MS-DOS 2.x в начале 1983 года как обязательная структура загрузочного сектора, по которой впредь следовало определять формат тома; старая схема определения по первому байту FAT лишилась поддержки. Также в MS-DOS 2.0 была введена иерархия файлов и папок (до этого все файлы хранились в корневом каталоге).

Структура BPB в MS-DOS 2.x содержала 16-битное поле «общего количества секторов», что означало принципиальную неприменимость этой версии FAT для томов объёмом более 2 16 = 65 536 секторов, то есть более 32 Мб при стандартном размере сектора 512 байт. В MS-DOS 4.0 (1988) вышеназванное поле BPB было расширено до 32 бит, что означало увеличение теоретического размера тома до 2 32 = 4 294 967 296 секторов, то есть до 2 ТБ при 512-байтном секторе.

Следующая модификация BPB появилась вместе с Windows 95 OSR2, в которой была введена FAT32 (в августе 1996 года). Было снято двухгигабайтное ограничение на размер тома, том FAT32 теоретически может иметь размер до 8 Тб. Впрочем, размер каждого отдельного файла при этом не может превышать 4 Гб. BIOS Parameter Block FAT32 в целях совместимости с ранними версиями FAT повторяет BPB FAT16 вплоть до поля BPB_TotSec32 включительно, далее следуют различия.

«Загрузочный сектор» FAT32 в действительности представляет собой три 512-байтных сектора - сектора 0, 1 и 2. Каждый из них содержит сигнатуру 0xAA55 по адресу 0x1FE, то есть в последних двух байтах, в случае если размер сектора равен 512 байт. Если же размер сектора более, чем 512 байт, то сигнатура содержится как по адресу 0x1FE, так и в последних двух байтах нулевого сектора, то есть дублируется.

FSInfo

Загрузочная запись раздела FAT32 содержит структуру под названием FSInfo , используемую для хранения значения числа свободных кластеров тома. FSInfo, как правило, занимает сектор 1 (см. поле BPB_FSInfo) и имеет следующую структуру (адреса относительно начала сектора):

• FSI_LeadSig. 4-байтовая подпись 0x41615252, свидетельствует, что сектор используется для структуры FSInfo.
• FSI_Reserved1. Промежуток с 4-го по 483-й байт сектора включительно, обнуляется.
• FSI_StrucSig. Ещё одна подпись, расположена по адресу 0x1E4 и содержит значение 0x61417272.
• FSI_Free_Count. Четырёхбайтовое поле по адресу 0x1E8, содержит последнее известное системе значение числа свободных кластеров тома. Значение 0xFFFFFFFF означает, что число свободных кластеров неизвестно и должно вычисляться.
• FSI_Nxt_Free. Четырёхбайтовое поле по адресу 0x1EC, содержит номер кластера, от которого должен начинаться поиск свободных кластеров по таблице индексных указателей. Обычно это поле содержит номер последнего кластера FAT, отведенного для хранения файла. Значение 0xFFFFFFFF означает, что поиск свободного кластера должен проводиться с самого начала таблицы FAT, то есть со второго кластера.
• FSI_Reserved2. Зарезервированное 12-байтное поле по адресу 0x1F0.
• FSI_TrailSig. Подпись 0xAA550000 - последние 4 байта сектора FSInfo.

Смысл введения FSInfo в оптимизации работы системы, так как в FAT32 таблица индексных указателей может иметь значительные размеры и её побайтовый просмотр может занять значительное время. Однако значения полей FSI_Free_Count и FSI_Nxt_Free могут не соответствовать действительности и должны проверяться на адекватность. Кроме того, они даже не обновляются в резервной копии FSInfo, расположенной, как правило, в секторе 7.

Определение типа FAT тома

Определение типа FAT тома (то есть выбор между FAT12, FAT16 и FAT32) производится ОС по количеству кластеров в томе, которое в свою очередь определяется из полей BPB. Прежде всего вычисляется количество секторов корневого каталога:

RootDirSectors = (BPB_RootEntCnt * 32) / BPB_BytsPerSec

DataSec = TotSec - (BPB_ResvdSecCnt + (BPB_NumFATs * FATSz) + RootDirSectors)

Наконец, определяется количество кластеров области данных:

CountofClusters = DataSec / BPB_SecPerClus

По количеству кластеров проводится однозначное соответствие с файловой системой:

• CountofClusters < 4085 - FAT12
• CountofClusters = 4085 ÷ 65524 - FAT16
• CountofClusters > 65524 - FAT32

Согласно официальной спецификации, это единственный допустимый способ определения типа FAT. Искусственное создание тома, нарушающего указанные правила соответствия, приведет к его некорректной обработке Windows. Тем не менее, рекомендуется избегать значений CountofClusters, близких к критическим (4085 и 65525), для верного определения типа файловой системы любыми, часто некорректно написанными драйверами.

Со временем FAT стали широко использовать в различных устройствах для совместимости между DOS, Windows, OS/2, Linux. Майкрософт не выказывала намерений принуждать к их лицензированию [уточнить ] .

В феврале 2009 года Майкрософт подала в суд на компанию TomTom , производителя автомобильных навигационных систем на основе Linux , обвиняя её в нарушении патентов.

Примечания

1. http://cd.textfiles.com/megademo2/INFO/OS2_HPFS.TXT
2. www.microsoft.com/mscorp/ip/tech/fathist.asp в archive.org
3. Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification 1.03 . Microsoft (6 декабря 2000). - Документа в формате Microsoft Word, 268 Кб. Архивировано
4. What About VFAT? . TechNet Archive . Microsoft (15 октября 1999). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 5 апреля 2010.
5. Не следует путать расширение файловой системы VFAT с одноимённым драйвером файловой системы, который появился в Windows for Workgroups 3.11 и предназначен для обработки вызовов функций MS-DOS (INT 21h) в защищённом режиме (см.: KB126746: Windows for Workgroups Version History . VERSION 3.11 → Non-Network Features . Microsoft (14 ноября 2003). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 5 апреля 2010. )
6. Federal Patent Court declares FAT patent of Microsoft null and void (англ.) . heise online . Heise Zeitschriften Verlag (2 марта 2007). Архивировано
7. Brian Kahin. Microsoft Roils the World with FAT Patents (англ.) . The Huffington Post (10 марта 2009). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 10 марта 2009.
8. Ryan Paul. Microsoft suit over FAT patents could open OSS Pandora"s Box (англ.) . Ars Technica . Condé Nast Publications (25 февраля 2009). Архивировано
9. Glyn Moody. (англ.) . ComputerworldUK . IDG (5 марта 2009). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 9 марта 2009.
10. Steven J. Vaughan-Nichols. Linux companies sign Microsoft patent protection pacts (англ.) . Блоги Computerworld . IDG (5 марта 2009). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 9 марта 2009.
11. Erica Ogg. TomTom countersues Microsoft in patent dispute (англ.) . CNet (19 марта 2009). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 20 марта 2009.

Ссылки

• ECMA-107 (англ.) стандарт FAT

Материал к обзорной лекции № 33

для студентов специальности

«Программное обеспечение информационных технологий»

доцента кафедры ИВТ, к.т.н. Ливак Е.Н.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФАЙЛАМИ

Основные понятия, факты

Назначение. Особенности файловыхсистем FAT , VFAT , FAT 32, HPFS , NTFS . Файловые системы ОС UNIX (s5, ufs), ОС Linux Ext2FS.Системные области диска (раздела, тома). Принципы размещения файлов и хранения информации о расположении файлов. Организация каталогов. Ограничение доступа к файлам и каталогам.

Навыки и умения

Использование знаний о структуре файловой системы для защиты и восстановления компьютерной информации (файлов и каталогов). Организация разграничения доступа к файлам.

Файловые системы. Структура файловой системы

Данные на диске хранятся в виде файлов. Файл - это именованная часть диска.

Для управления файлами предназначены системы управления файлами.

Возможность иметь дело с данными, хранящимися в файлах, на логическом уровне предоставляет файловая система. Именно файловая система определяет способ организации данных на каком-либо носителе данных.

Таким образом, файловая система - это набор спецификаций и соответствующее им программное обеспечение, которые отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управлением ресурсами, которые используются файлами.

Система управления файлами является основной подсистемой в абсолютном большинстве современных ОС.

С помощью системы управления файлами

· связываются по данным все системные обрабатывающие программы;

· решаются проблемы централизованного распределения дискового пространства и управления данными;

· предоставляются возможности пользователю по выполнению операций над файлами (создание и т.п.), по обмену данными между файлами и различными устройствами, по защите файлов от несанкционированного доступа.

В некоторых ОС может быть несколько систем управления файлами, что обеспечивает им возможность работать с несколькими файловыми системами.

Постараемся различать файловую систему и систему управления файлами.

Термин «файловая система» определяет принципы доступа к данным, организованным в файлы.

Термин «система управления файлами» относится к конкретной реализации файловой системы, т.е. это комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной ОС.

Итак, для работы с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой системой, для каждой ОС должна быть разработана соответствующая система управления файлами. Эта система УФ будет работать только в той ОС, для которой она создана.

Для семейства ОС Windows в основном используются файловые системы: VFAT , FAT 32, NTFS .

Рассмотрим структуру этих файловых систем.

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области:

· системную область и

· область данных.

Системная область создается и инициализируется при форматировании, а впоследствии обновляется при манипулировании файловой структурой.

Системная область состоит из следующих компонентов:

· загрузочного сектора, содержащего загрузочную запись (boot record );

· зарезервированных секторов (их может и не быть);

· таблицыразмещенияфайлов (FAT, File Allocation Table);

· корневогокаталога (Root directory, ROOT).

Эти компоненты расположены на диске друг за другом.

Область данных содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому.

Область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер - это один или несколько смежных секторов области данных. С другой стороны, кластер - это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу. Т.е. файл или каталог занимает целое число кластеров. Для создания и записи на диск нового файла операционная системаотводит для него несколько свободных кластеров диска. Эти кластеры не обязательно должны следовать друг за другом. Для каждого файла хранится список всех номеров кластеров, которые предоставлены данному файлу.

Разбиение области данных на кластеры вместо использования секторов позволяет:

· уменьшить размер таблицы FAT ;

· уменьшить фрагментацию файлов;

· сокращается длина цепочек файла Þ ускоряется доступ к файлу.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов (ведь на каждый файл теряется в среднем полкластера).

В современных файловых системах (FAT 32, HPFS , NTFS ) эта проблема решается за счет ограничения размера кластера (максимум 4 Кбайта)

Картой области данных являетсяТ аблица размещения файлов (File Allocation Table - FAT) Каждый элемент таблицы FAT (12, 16 или 32 бит) соответствует одному кластеру диска и характеризует его состояние: свободен, занят или является сбойным кластером (bad cluster).

· Если кластер распределен какому-либо файлу (т.е., занят), то соответствующий элемент FAT содержит номер следующего кластера файла;

· последний кластер файла отмечается числом в диапазоне FF8h - FFFh (FFF8h - FFFFh);

· если кластер является свободным, он содержит нулевое значение 000h (0000h);

· кластер, непригодный для использования (сбойный), отмечается числом FF7h (FFF7h).

Таким образом, в таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу, связываются в цепочки.

Таблица размещения файлов хранится сразу после загрузочной записи логического диска, ее точное расположение описано в специальном поле в загрузочном секторе.

Она хранится в двух идентичных экземплярах, которые следуют друг за другом. При разрушении первой копии таблицы используется вторая.

В связи с тем, что FAT используется очень интенсивно при доступе к диску, она обычно загружается в ОП (в буфера ввода/вывода или кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно.

Основной недостаток FAT - медленная работа с файлами. При создании файла работает правило - выделяется первый свободный кластер. Это ведет к фрагментации диска и сложным цепочкам файлов. Отсюда следует замедление работы с файлами.

Для просмотра и редактирования таблицы FAT можно использовать утилиту Disk Editor .

Подробнаяинформация о самом файле хранится в другой структуре, которая называется корневым каталогом. Каждый логический диск имеет свой корневой каталог (ROOT, англ. - корень).

Корневой каталог описываетфайлы и другие каталоги. Элементом каталога является дескриптор (описатель) файла.

Дескриптор каждого файла и каталога включает его

· имя

· расширение

· дату создания или последней модификации

· время создания или последней модификации

· атрибуты (архивный, атрибут каталога, атрибут тома, системный, скрытый, только для чтения)

· длину файла (для каталога - 0)

· зарезервированное поле, которое не используется

· номер первого кластера в цепочке кластеров, отведенных файлу или каталогу; получив этот номер, операционная система, обращаясь к таблице FAT, узнает и все остальные номера кластеров файла.

Итак, пользователь запускает файл на выполнение. Операционная система ищет файл с нужным именем, просматривая описания файлов в текущем каталоге. Когда найден требуемый элемент в текущем каталоге, операционная система считывает номер первого кластера данного файла, а затем по таблице FAT определяет остальные номера кластеров. Данные из этих кластеров считываются в оперативную память, объединяясь в один непрерывный участок. Операционная система передает управление файлу, и программа начинает работать.

Для просмотра и редактирования корневого каталога ROOT можно также использовать утилиту Disk Editor .

Файловая система VFAT

Файловая система VFAT (виртуальная FAT ) впервые появилась в Windows for Workgroups 3.11 и была предназначена для файлового ввода/вывода в защищенном режиме.

Используется эта файловая система в Windows 95.

Поддерживается она также и в Windows NT 4.

VFAT - это «родная» 32-разрядная файловая система Windows 95. Ее контролирует драйвер VFAT .VXD .

VFAT использует 32-разрядный код для всех файловых операций, может использовать 32-разрядные драйверы защищенного режима.

НО, элементы таблицы размещения файлов остаются 12- или 16-разрядными, поэтому на диске используется та же структура данных (FAT ). Т.е. формат таблицы VFAT такой же , как и формат FAT .

VFAT наряду с именами «8.3» поддерживает длинные имена файлов . (Часто говорят, что VFAT - это FAT с поддержкой длинных имен).

Основной недостаток VFAT - большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска.

Файловая система FAT 32

Это новая реализация идеи использования таблицы FAT .

FAT 32 - это полностью самостоятельная 32-разрядная файловая система.

Впервые использовалась в Windows OSR 2 (OEM Service Release 2).

В настоящее время FAT 32 используется в Windows 98 и Windows ME .

Она содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT .

1. Намного эффективнее расходует дисковое пространство за счет того, что использует кластеры меньшего размера (4 Кб) - подсчитано, что экономится до 15%.

2. Имеет расширенную загрузочную запись, которая позволяет создавать копии критических структур данных Þ повышает устойчивость диска к нарушениям структур диска

3. Может использовать резервную копию FAT вместо стандартной.

4. Может перемещать корневой каталог, другими словами, корневой каталог может находиться в произвольном месте Þ снимает ограничение на размер корневого каталога (512 элементов, т.к. ROOT должен был занимать один кластер).

5. Усовершенствована структура корневого каталога

Появились дополнительные поля, например, время создания, дата создания, дата последнего доступа, контрольная сумма

По-прежнему для длинного имени файла используется несколько дескрипторов.

Файловая система HPFS

HPFS (High Performance File System ) - вы­сокопроизводительная файловая система.

HPFS впервые появилась в OS/2 1.2 и LAN Manager .

Перечислим основные особенности HPFS.

· Главное отличие - базовые принципы размещения файлов на диске и принципы хранения информации о местоположении файлов. Благодаря этим принципам HPFS имеет высокую производительность и отказоустойчивость, является надежной файловой системой.

· Дисковое пространство в HPFS выделяется не кластерами (как в FAT ), а блоками. В современной реализации размер блока взят равным одному сектору, но в принципе он мог бы быть и иного размера. (По сути дела, блок - это и есть кластер, только кластер всегда равен одному сектору). Размещениефайлов в таких небольших блоках позволяет более эффектив­но использовать пространство диска , так как непроизводительные потери сво­бодного места составляют в среднем всего (полсектора) 256 байт на каждый файл. Вспомним, что чем больше размер кластера, тем больше места на диске расходуется напрас­но.

· Система HPFS стремится расположить файл в смежных блоках, или, если такой возможности нет, разместить его на диске таким образом, чтобы экстенты (фрагменты) файла физически были как можно ближе друг к другу. Такой подход существенно уменьшает время позиционирова­ния головок записи/чтения жесткого диска и время ожидания (задержка между установкой головки чтения/записи на нужную дорожку). Напомним, что в FAT файлу просто выделяется первый свободный кластер.

Экстенты (extent ) - фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противномслучае - несколько экстентов.

· Используется метод сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска ин­формации о местонахождении файлов (каталоги хранятся в центре диска, кроме того, предусмотрена автоматиче­ская сортировка каталогов), что существенно повышает производительность HPFS (в сравнении с FAT ).

· В HPFS предусмотрены специальные расширенные атрибуты файлов, позволяющие управлять доступом к файлам и каталогам .

Расширенные атрибуты (extended attributes , EAs ) позволяют хранить дополнительную информацию о файле. Например, каждому файлу может быть сопоставлено его уникаль­ное графическое изображение (значок), описание файла, коммента­рий, сведения о владельце файла и т. д.

C труктура раздела HPFS

В начале раздела с установленной HPFS расположено три управляющих блока:

· загрузочный блок (boot block ),

· дополнительный блок (super block ) и

· запас­ной (резервный) блок (spare block ).

Они занимают 18 секторов.

Все остальное дис­ковое пространство в HPFS разбито на части из смежных секторов - полосы (band - полоса, лента). Каждая полоса занимает на диске 8 Мбайт.

Каждая полоса и имеет свою собственную битовую карту распределе­ния секторов .Битовая карта показывает, какие секторы данной полосы за­няты, а какие - свободны. Каждому сектору полосы данных соответствует один бит в ее битовой карте. Если бит = 1, то сектор занят, если 0 - свободен.

Битовые карты двух полос располагаются на диске рядом, так же располагаются и сами полосы. То есть последовательность полос и карт выглядит как на рис.

Сравним с FAT . Там на весь диск только одна «битовая карта» (таблица FAT ). И для работы с ней приходится перемещать головки чте­ния/записи в среднем через половину диска.

Именно для того, чтобы сократить время позиционирования головок чтения/записи жесткого диска, в HPFS диск разбит на полосы.

Рассмотрим управляющие блоки .

Загрузочный блок (boot block )

Содержит имя тома, его серийный номер, блок парамет­ров BIOS и программу начальной загрузки.

Программа начальной загрузки на­ходит файл OS 2 LDR , считывает его в память и передает управление этой про­грамме загрузки ОС, которая, в свою очередь, загружает с диска в память ядро OS/2 - OS 2 KRNL . И уже OS 2 KRIML с помощью сведений из файла CONFIG . SYS за­гружает в память все остальные необходимые программные модули и блоки дан­ных.

Загрузочный блок располагается в секторах с 0 по 15.

Супер Блок (super block )

Содержит

· указатель на список битовых карт (bitmap block list ). В этом списке перечислены все блоки на диске, в которых расположены би­товые карты, используемые для обнаружения свободных секторов;

· указатель на список дефектных блоков (bad block list ). Когда система обнаруживает поврежденный блок, он вносится в этот список и для хранения информации больше не используется;

· указатель на группу каталогов (directory band ),

· указатель на файловый узел (F -node ) корневого каталога,

· дату последней проверки раздела програм­мой CHKDSK ;

· информацию о размере полосы (в текущей реализации HPFS - 8 Мбайт).

Super block размещается в 16 секторе.

Резервный блок (spare block)

Содержит

· указатель на карту аварийного замеще­ния (hotfix map или hotfix -areas );

· указатель на список свободных запасных бло­ков (directory emergency free block list );

· ряд системных флагов и дескрипторов.

Этот блок разме­щается в 17 секторе диска.

Резервный блок обеспечивает высокую отказоустойчивость файловой системы HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске.

Принцип размещения файлов

Экстенты (extent ) - фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противномслучае - несколько экстентов.

Для сокращения времени позиционирования головок чтения/записи жесткого диска система HPFS стремится

1)расположить файл в смежных блоках;

2)если такой возможности нет, то разместить экстенты фрагментированного файла как можно ближе друг к другу,

Для этого HPFS использует статистику, а также старается условно резервировать хотя бы 4 килобайта места в конце файлов, которые растут.

Принципы хранения информации о расположении файлов

Каждый файл и каталог диска имеет свой файловый узел F-Node . Это структура, в которой содержится информация о располо­жении файла и о его расширенных атрибутах.

Каждый F-Node занимает один сектор и всегда располагается поблизости от своего файла или каталога (обычно - непосредственно перед файлом или ка­талогом). Объект F-Node содержит

· длину,

· первые 15 символов имени файла,

· специальную служебную информацию,

· статистику по доступу к файлу,

· расши­ренные атрибуты файла,

· список прав доступа (или только часть этого списка, если он очень большой); если расширен­ные атрибуты слишком велики для файлового узла, то в него записывается ука­затель на них.

· ассоциативную информацию о расположении и подчине­нии файла и т. д.

Если файл непрерывен, то его размещение на диске описывается двумя 32-битными числами. Первое число представляет собой указатель на первый блок файла, а второе - длину экстента (число следующих друг за другом бло­ков, принадлежащих файлу).

Если файл фрагментирован, то размещение его экстентов описывается в файловом узле дополнительными парами 32-битных чисел.

В файловом узле можно разместить информацию максимум о восьми экстентах файла. Если файл имеет больше экстентов, то в его файловый узел записывается указатель на блок размещения (allocation block ), который может содержать до 40 указателей на экстенты или, по аналогии с блоком дерева каталогов, на другие блоки размещения.

Структура и размещение каталогов

Для хранения каталогов используется полоса, находящаяся в центре диска .

Эта полоса называетсяdirectory band .

Если она полностью заполнена, HPFS начинает располагать каталоги файлов в других полосах.

Расположение этой информаци­онной структуры в середине диска значительно сокращает среднее время пози­ционирования головок чтения/записи.

Однако существенно больший (по сравнению с размещением Directory Band в середине логического диска) вклад в производительность HPFS дает использо­вание метода сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска ин­формации о местонахождении файлов.

Вспомним, что в файловой системе FAT каталог имеет линейную структуру, специальным образом не упорядоченную, поэтому при поиске файла требуется последовательно просматривать его с само­го начала.

В HPFS структура каталога представляет собой сбалансированное де­рево с записями, расположенными в алфавитном порядке.

Каждая за­пись, входящая в состав дерева, содержит

· атрибуты файла,

· указатель на соответствующий файловый узел,

· информацию о времени и дате создания фай­ла, времени и дате последнего обновления и обращения,

· длине данных, содержа­щих расширенные атрибуты,

· счетчик обращений к файлу,

· длине имени файла

· само имя,

· и другую информацию.

Файловая система HPFS при поиске файла в каталоге просматривает только не­обходимые ветви двоичного дерева. Такой метод во много раз эффек­тивнее, чем последовательное чтение всех записей в каталоге, что имеет место в системе FAT .

Размер каждого из блоков, в терминах которых выделяются каталоги в текущей реализации HPFS, равен 2 Кбайт. Размер записи, описывающей файл, зависит от размера имени файла. Если имя занимает 13 байтов (для формата 8.3), то блок из 2 Кбайт вмещает до 40 описателей файлов. Блоки связаны друг с другом по­средством списка.

Проблемы

При переименовании файлов может возникнуть так называемая перебаланси­ровка дерева. Создание файла, переименование или стирание может приводить к каскадированию блоков каталогов . Фактически, переименование может потер­петь неудачу из-за недостатка дискового пространства, даже если файл непо­средственно в размерах не увеличился. Во избежание этого «бедствия» HPFS поддерживает небольшой пул свободных блоков, которые могут использовать­ся при «аварии». Эта операция может потребовать выделения дополнительных блоков на заполненном диске. Указатель на этот пул свободных блоков сохраня­ется в SpareBlock ,

Принципы размещения файлов и каталогов на диске в HPFS :

· информация о местоположении файлов рассредоточена по всему дис­ку, при этом записи каждого конкретного файла размещаются (по возможно­сти) в смежных секторах и поблизости от данных об их местоположении;

· каталоги размещаются в середине дискового пространства;

· каталоги хранятся в виде бинарного сбалансированного дерева с записями, расположенными в алфавитном порядке.

Надежность хранения данных в HPFS

Любая файловая система должна обладать средствами исправления ошибок, возникаю­щих при записи информации на диск. Система HPFS для этого использует меха­низм аварийного замещения ( hotfix ).

Если файловая система HPFS сталкивается с проблемой в процессе записи дан­ных на диск, она выводит на экран соответствующее сообщение об ошибке. Затем HPFS сохраняет информацию, которая должна была быть записана в дефектный сектор, в одном из запасных секторов, заранее зарезервированных на этот слу­чай. Список свободных запасных блоков хранится в резервном блоке HPFS. При обнаружении ошибки во время записи данных в нормальный блок HPFS выби­рает один из свободных запасных блоков и сохраняет эти данные в нем. Затем файловая система обновляет карту аварийного замещения в резервном блоке.

Эта карта представляет собой просто пары двойных слов, каждое из которых является 32-битным номером сектора.

Первый номер указывает на дефектный сек­тор, а второй - на тот сектор среди имеющихся запасных секторов, который был выбран для его замены.

После замены дефектного сектора запасным карта ава­рийного замещения записывается на диск, и на экране появляется всплывающее окно, информирующее пользователя о произошедшей ошибке записи на диск. Каждый раз, когда система выполняет запись или чтение сектора диска, она просматривает карту аварийного замещения и подменяет все номера дефектных секторов номерами запасных секторов с соответствующими данными.

Следует заметить, что это преобразование номеров существенно не влияет на производительность системы, так как оно выполняется только при физическом обращении к диску, но не при чтении данных из дискового кэша.

Файловая система NTFS

Файловая система NTFS (New Technology File System) содержит ряд значительных усовер­шенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем.

Заметим, что за редкими исключениями, с разделами NTFS можно работать напрямую только из Windows NT , хотя и имеются для ряда ОС соответствующие реализа­ции систем управления файлами для чтения файлов из томов NTFS.

Однако полноценных реализаций для работы с NTFS вне системы Windows NT пока нет.

NTFS не поддерживается в широко распространенных ОС Windows 98 и Windows Millennium Edition .

Основные особенности NT FS

· работа на дисках большого объема происходит эффективно (намного эффективнее, чем в FAT );

· имеются средства для ограничения доступа к файлам и катало­гам Þ раз­делы NTFS обеспечивают локальную безопасность как файлов, так и каталогов;

· введен механизм транзакций, при котором осуществляется журналирование файловых операций Þ существенное увеличение надежности;

· сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секто­ров и/или кластеров;

· имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS , может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS - 255 символов.

· система NTFS также об­ладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к отдельным файлам, целым каталогам и даже томам (и впоследствии отменять или назначать их по своему усмотрению).

Структура тома с файловой системой NTFS

Раздел NTFS называется томом (volume ). Максимально возможные размеры тома (и размеры файла) составляют 16 Эбайт (экзабайт 2**64).

Как и другие системы, NTFS делит дисковое пространство тома на кластеры - блоки данных, адресуемые как единицы данных. NTFS поддержива­ет размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; стандартом же считается кластер размером 2 или 4 Кбайт.

Все дисковое пространство в NTFS делится на две неравные части.

Первые 12 % диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, которое может занимать, увеличиваясь в размере, главный служебный метафайл MFT .

Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы MFT-файл по возможности не фрагментировался при своем росте.

Остальные 88 % тома представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

MFT (master file table - общая таблица файлов) по сути - это каталог всех остальных файлов диска, в том числе и себя самого. Он предназначен для определения расположения файлов.

MFT состоит из записей фиксированного размера. Размер записи MFT (минимум 1 Кб и максимум 4 Кб) оп­ределяется во время форматирования тома.

Каждая запись соответ­ствует какому-либо файлу.

Первые 16 записей но­сят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT.

Эти первые 16 эле­ментов MFT - единственная часть диска, имеющая строго фиксированное поло­жение. Копия этих же 16 записей хранится в середине тома для надежности.

Остальные части MFT-файла могут располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска.

Метафайлы носят служебный характер - каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Метафайлы нахо­дятся в корневом каталоге NTFS-тома. Все они начинаются с символа имени «$», хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. В табл. приведены основные метафайлы и их назначение.

В соответствующей записи MFT хранится вся информация о файле:

· имя файла,

· размер;

· атрибуты файла;

· положение на диске отдельных фрагментов и т. д.

Если для информации не хватает одной записи MFT, то используется несколько записей, причем не обязательно идущих подряд.

Если файл имеет не очень большой размер, то данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT.

Файл в томе с NTFS идентифицируется так называемой файловой ссылкой (File Reference ), которая представляется как 64-разрядное число.

· номера файла, который соответствует номеру записи в MFT,

· и номера последовательности. Этот номер увеличивается всякий раз, когда данный номер в MFT используется повторно, что позволяет файловой системе NTFS выполнять внутренние проверки целостности.

Каждый файл в NTFS представлен с помощью потоков (streams ), то есть у него нет как таковых «просто данных», а есть потоки.

Один из потоков - это и есть данные файла.

Большинство атрибутов файла - это тоже потоки.

Таким об­разом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а все остальное, включая и его потоки, - опционально.

Данный подход может эффективно использоваться - например, файлу можно «прилепить» еще один поток, записав в него любые данные.

Стандартные атрибуты для файлов и каталогов в томе NTFS имеют фиксиро­ванные имена и коды типа.

Каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги.

Файл каталога разделен на блоки, каждый из которых содержит

· имя файла,

· базовые атрибуты и

Корневой каталог диска ничем не отличается от обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево, как в HPFS.

Количество файлов в корневом и некорневом каталогах не ограни­чено.

Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности NT : NTFS рассматривает каталоги и файлы как разнотипные объекты и ведет отдельные (хотя и перекры­вающиеся) списки прав доступа для каждого типа.

NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов; это означает, что права доступа к томам, каталогам и файлам могут зависеть от учетной записи пользователя и тех групп, к которым он принадлежит. Каждый раз, когда пользователь обращается к объекту файловой системы, его права доступа проверяются по списку разреше­ний данного объекта. Если пользователь обладает достаточным уровнем прав, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется. Эта модель безопасности применяется как при локальной регистрации пользователей на компьютерах с NT , так и при удаленных сетевых запросах.

Система NTFS также обладает определенными средствами самовосстановления. NTFS поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, вклю­чая ведение журналов транзакций, позволяющих воспроизвести файловые опе­рации записи по специальному системному журналу.

При журналировании файловых операций система управления файлами фиксирует в специальном служебном файле происходящие изменения. В начале операции, связанной с изменением файловой структуры, делается соответствующая пометка. Если во время операций над файлами происходит какой-нибудь сбой, то упомянутая отметка о начале операции остается указанной как незавершенная. При выполнении процедуры проверки целостности файловой системы после перезагрузки машины эти незавершенные опера­ции будут отменены и файлы будут приведены к исходному состоянию. Если же опера­ция изменения данных в файлах завершается нормальным образом, то в этом самом служебном файле поддержки журналирования операция отмечается как завершенная.

Основной недостаток файловой системы NTFS - служебные данные занимают много места (например, каждый элемент каталога занимает 2 Кбайт) - для малых раз­делов служебные данные могут занимать до 25% объема носителя.

Þ система NTFS не может использоваться для форматирования флоппи-дисков. Не стоит пользоваться ею для форматирования разделов объемом менее 100 Мбайт.

Файловая система ОС UNIX

В мире UNIX существует несколько разных видов файловых систем со своей структурой внешней памяти. Наиболее известны традиционная файловая система UNIX System V (s5) и файловая система семейства UNIX BSD (ufs).

Рассмотрим s 5.

Файл в системе UNIX представляет собой множество символов с произвольным доступом.

Файл имеет такую структуру, которую налагает на него пользователь.

Файловая система Unix, это иерархическая, многопользовательская файловая система.

Файловая система имеет древовидную структуру. Вершинами (промежуточными узлами) дерева являются каталоги со ссылками на другие каталоги или файлы. Листья дерева соответствуют файлам или пустым каталогам.

Замечание. На самом деле файловая система Unix не является древообразной. Дело в том, что в системе имеется возможность нарушения иерархии в виде дерева, так как имеется возможность ассоциировать несколько имен с одним и тем же содержимым файла .

Структура диска

Диск разделен на блоки. Размер блока данных определяется при форматировании файловой системы командой mkfs и может быть установлен 512, 1024, 2048, 4096 или 8192 байтов.

Считаем по 512 байт (размер сектора).

Дисковое пространство делится на следующие области (см. рис.):

· загрузочный блок;

· управляющий суперблок;

· массив i -узлов;

· область для хранения содержимого (данных) файлов;

· совокупность свободных блоков (связанных в список);

Замечание. Для файловой системы UFS - все это для группы цилиндров повторяется (кроме Boot -блока) + выделена специальная область для описания группы цилиндров

Блок начальной загрузки

Блок размещен в блоке №0. (Вспомним, что размещение этого блока в нулевом блоке системного устройства определяется аппаратурой, так как аппаратной загрузчик всегда обращается к нулевому блоку системного устройства. Это последний компонент файловой системы, который зависит от аппаратуры.)

Boot -блок содержит программу раскрутки, которая служит для первоначального запуска ОС UNIX . В файловых системах s 5 реально используется boot -блок только корневой файловой системы. В дополнительных файловых системах эта область присутствует, но не используется.

Суперблок

Он содержит оперативную информацию о состоянии файловой системы, а также данные о параметрах настройки файловой системы.

В частности суперблок содержит следующую информацию

· количество i -узлов (индексных дескрипторов);

· размер раздела???;

· список свободных блоков;

· список свободных i -узлов;

· и другое.

Обратим внимание! Свободное пространство на диске образует связанный список свободных блоков . Этот список хранится в суперблоке.

Элементами списка являются массивы из 50 элементов(если блок = 512 байт, то элемент = 16 бит):

· в элементах массива №№1-48 записаны номера свободных блоков пространства блоков файлов с 2 до 49.

· в №0 элементе содержится указатель на продолжение списка, а

· в последнем элементе (№49) содержится указатель на свободный элемент в массиве.

Если какому-то процессу для расширения файла требуется свободный блок, то система по указателю (на свободный элемент) выбирает элемент массива, и блок с №, хранящимся в данном элементе, предоставляется файлу. Если происходит сокращение файла, то высвободившиеся номера добавляются в массив свободных блоков и корректируется указатель на свободный элемент.

Так как размер массива - 50 элементов, то возможны две критические ситуации:

1. Когда мы освобождаем блоки файлов, а они не могут поместиться в этом массиве. В этом случае из файловой системы выбирается один свободный блок и заполненный полностью массив свободных блоков копируется в этот блок, после этого значение указателя на свободный элемент обнуляется, а в нулевой элемент массива, который находится в суперблоке, записывается номер блока, который система выбрали для копирования содержимого массива . В этот моментсоздается новый элемент списка свободных блоков (каждый по 50 элементов).

2. Когда содержимое элементов массива свободных блоков исчерпалось (в этом случае нулевой элемент массива равен нулю) Если этот элемент нулю не равен, то это означает, что существует продолжение массива. Это продолжение считывается в копию суперблока в оперативной памяти.

Список свободных i -узлов . Это буфер, состоящий из 100 элементов. В нем находится информация о 100 номерах i -узлов, которые свободны в данный момент.

Суперблок всегда находится в ОЗУ

Þ все операции (освобождение и занятие блоков и i -узлов происходят в ОЗУ Þ минимизация обменов с диском.

Но! Если содержимое суперблока не будет записано на диск и выключено питание, то возникнут проблемы (несоответствие реального состояния файловой системы и содержимого суперблока). Но это уже требование к надежности аппаратуры системы.

Замечание . В файловых системах UFS для повышения устойчивости поддерживается несколько копий суперблока (по одной копии на группу цилиндров)

Область индексных дескрипторов

Это массив описаний файлов, называемых i -узлами (i - node ) .(64-х байтные?)

Каждый индексный описатель (i -узел) файла содержит:

· Тип файла (файл/каталог/специальный файл/fifo/socket)

· Атрибуты (права доступа) - 10

· Идентификатор владельца файла

· Идентификатор группы-владельца файла

· Время создания файла

· Время модификации файла

· Время последнего доступа к файлу

· Длина файла

· Количество ссылок к данному i -узлу из различных каталогов

· Адреса блоков файла

! Обратите внимание . Здесь нет имени файла

Рассмотрим подробнее как организована адресация блоков , в которых размещен файл. Итак, в поле с адресами находятся номера первых 10 блоков файла.

Если файл превышает десять блоков, то начинает работать следующий механизм: 11-й элемент поля содержит номер блока, в котором размещены 128(256) ссылок на блоки данного файла. В том случае, если файл еще больше - то используется 12й элемент поля- он содержит номер блока, в котором содержится 128(256) номеров блоков, где каждый блок содержит 128(256) номеров блоков файловой системы. А если файл еще больше, то используется 13 элемент - где глубина вложенности списка увеличена еще на единицу.

Таким образом мы можем получить файл размером (10+128+128 2 +128 3)*512.

Это можно представить в следующем виде:

Адрес 1-го блока файла

Адрес 2-го блока файла

Адрес 10-го блока файла

Адрес блока косвенной адресации (блока с 256 адресами блоков)

Адрес блока 2-й косвенной адресации (блока с 256 адресами блоков с адресами)

Адрес блока 3-й косвенной адресации (блока с адресами блоков с адресами блоков с адресами)

Защита файла

Теперь обратим внимание на идентификаторы владельца и группы и биты защиты.

В ОС Unix используется трехуровневая иерархия пользователей :

Первый уровень - все пользователи.

Второй уровень - группы пользователей. (Все пользователи подразделены на группы.

Третий уровень - конкретный пользователь (Группы состоят из реальных пользователей). В связи с этой трехуровневой организацией пользователей каждый файл обладает тремя атрибутами:

1) Владелец файла. Этот атрибут связан с одним конкретным пользователем, который автоматически назначается системой владельцем файла. Владельцем можно стать по умолчанию, создав файл, а также есть команда, которая позволяет менять владельца файла.

2) Защита доступа к файлу. Доступ к каждому файлу ограничивается по трем категориям:

· права владельца (что может делать владелец с этим файлом, в общем случае - не обязательно все, что угодно);

· права группы, которой принадлежит владелец файла. Владелец сюда не включается (например, файл может быть закрыт на чтение для владельца, а все остальные члены группы могут свободно читать из этого файла;

· все остальные пользователи системы;

По этим трем категориям регламентируются три действия: чтение из файла, запись в файл и исполнение файла (в мнемонике системы R,W,X, соответственно). В каждом файле по этим трем категориям определено - какой пользователь может читать, какой писать, а кто может запускать его в качестве процесса.

Организация каталогов

Каталог с точки зрения ОС - это обычный файл, в котором размещены данные о всех файлах, которые принадлежат каталогу.

Элемент каталога состоит из двух полей:

1)номер i -узла (порядковый номер в массиве i -узлов)и

2)имя файла:

Каждый каталог содержит два специальных имени: ‘.’ - сам каталог; ‘..’ - родительский каталог.

(Для корневого каталога родитель ссылается на него же самого.)

В общем случае, в каталоге могут неоднократно встречаться записи, ссылающиеся на один и тот же i -узел, но в каталоге не могут встречаться записи с одинаковыми именами. То есть с содержимым файла может быть связано произвольное количество имен. Это называется связыванием . Элемент каталога, относящийся к одному файлу называется связью .

Файлы существуют независимо от элементов каталогов, а связи в каталогах указывают действительно на физические файлы. Файл «исчезает» когда удаляется последняя связь, указывающая на него.

Итак, чтобы получить доступ к файлу по имени, операционная система

1. находит это имя в каталоге, содержащем файл,

2. получает номер i -узла файла,

3. по номеру находит i- узел в области i-узлов,

4. из i-узла получает адреса блоков, в которых расположены данные файла,

5. по адресам блоков считывает блоки из области данных.

Структура дискового раздела в EXT 2 FS

Все пространство раздела делится на блоки. Блок может иметь размер от 1, 2 или 4 килобайта. Блок является адресуемой единицей дискового пространства.

Блоки, в свою область объединяются в группы блоков. Группы блоков в файловой системе и блоки внутри группы нумеруются последовательно, начиная с 1. Первый блок на диске имеет номер 1 и принадлежит группе с номером 1. Общее число блоков на диске (в разделе диска) является делителем объема диска, выраженного в секторах. А число групп блоков не обязано делить число блоков, потому что последняя группа блоков может быть не полной. Начало каждой группы блоков имеет адрес, который может быть получен как ((номер группы - 1)* (число блоков в группе)).

Каждая группа блоков имеет одинаковое строение. Ее структура представлена в таблице.

Первый элемент этой структуры (суперблок) - одинаков для всех групп, а все остальные - индивидуальны для каждой группы. Суперблок хранится в первом блоке каждой группы блоков (за исключением группы 1, в которой в первом блоке расположена загрузочная запись). Суперблок является начальной точкой файловой системы. Он имеет размер 1024 байта и всегда располагается по смещению 1024 байта от начала файловой системы. Наличие нескольких копий суперблока объясняется чрезвычайной важностью этого элемента файловой системы. Дубликаты суперблока используются при восстановлении файловой системы после сбоев.

Информация, хранимая в суперблоке, используется для организации доступа к остальным данным на диске. В суперблоке определяется размер файловой системы, максимальное число файлов в разделе, объем свободного пространства и содержится информация о том, где искать незанятые участки. При запуске ОС суперблок считывается в память и все изменения файловой системы вначале находят отображение в копии суперблока, находящейся в ОП, и записываются на диск только периодически. Это позволяет повысить производительность системы, так как многие пользователи и процессы постоянно обновляют файлы. С другой стороны, при выключении системы суперблок обязательно должен быть записан на диск, что не позволяет выключать компьютер простым выключением питания. В противном случае, при следующей загрузке информация, записанная в суперблоке, окажется не соответствующей реальному состоянию файловой системы.

Вслед за суперблоком расположено описание группы блоков (Group Descriptors). Это описание содержит:

Адрес блока, содержащего битовую карту блоков (block bitmap) данной группы;

Адрес блока, содержащего битовую карту индексных дескрипторов (inode bitmap) данной группы;

Адрес блока, содержащего таблицу индексных дескрипторов (inode table) данной группы;

Счетчик числа свободных блоков в данной группе;

Число свободных индексных дескрипторов в данной группе;

Число индексных дескрипторов в данной группе, которые являются каталогами

и другие данные.

Информация, которая хранится в описании группы, используется для того, чтобы найти битовые карты блоков и индексных дескрипторов, а также таблицу индексных дескрипторов.

Файловая система Ext 2 характеризуется:

• иерархической структурой,
• согласованной обработкой массивов данных,
• динамическим расширением файлов,
• защитой информации в файлах,
• трактовкой периферийных устройств (таких как терминалы и ленточные устройства) как файлов.

Внутреннее представление файлов

Каждый файл в системе Ext 2 имеет уникальный индекс. Индекс содержит информацию, необходимую любому процессу для того, чтобы обратиться к файлу. Процессы обращаются к файлам, используя четко определенный набор системных вызовов и идентифицируя файл строкой символов, выступающих в качестве составного имени файла. Каждое составное имя однозначно определяет файл, благодаря чему ядро системы преобразует это имя в индекс файла.Индекс включает в себя таблицу адресов расположения информации файла на диске. Так как каждый блок на диске адресуется по своему номеру, в этой таблице хранится совокупность номеров дисковых блоков. В целях повышения гибкости ядро присоединяет к файлу по одному блоку, позволяя информации файла быть разбросанной по всей файловой системе. Но такая схема размещения усложняет задачу поиска данных. Таблица адресов содержит список номеров блоков, содержащих принадлежащую файлу информацию.

Индексные дескрипторы файлов

Каждому файлу на диске соответствует индексный дескриптор файла, который идентифицируется своим порядковым номером - индексом файла. Это означает, что число файлов, которые могут быть созданы в файловой системе, ограничено числом индексных дескрипторов, которое либо явно задается при создании файловой системы, либо вычисляется исходя из физического объема дискового раздела. Индексные дескpиптоpы существуют на диске в статической форме и ядро считывает их в память прежде, чем начать с ними работать.

Индексный дескриптор файла содержит следующую информацию:

Каталоги

Каталоги являются файлами.

Ядро хранит данные в каталоге так же, как оно это делает в файле обычного типа, используя индексную структуру и блоки с уровнями прямой и косвенной адресации. Процессы могут читать данные из каталогов таким же образом, как они читают обычные файлы, однако, исключительное право записи в каталог резервируется ядром, благодаря чему обеспечивается правильность структуры каталога.).

Когда какой-либо пpоцесс использует путь к файлу, ядpо ищет в каталогах соответствующий номеp индексного дескpиптоpа. После того, как имя файла было пpеобpазовано в номеp индексного дескpиптоpа, этот дескpиптоp помещается в память и затем используется в последующих запpосах.

Дополнительные возможности EXT2 FS

В дополнение к стандаpтным возможностям Unix, EXT2fs пpедоставляет некотоpые дополнительные возможности, обычно не поддеpживаемые файловыми системами Unix.

Файловые атpибуты позволяют изменять pеакцию ядpа пpи pаботе с набоpами файлов. Можно установить атpибуты на файл или каталог. Во втоpом случае, файлы, создаваемые в этом каталоге, наследуют эти атpибуты.

Во вpемя монтиpования системы могут быть установлены некотоpые особенности, связанные с файловыми атpибутами. Опция mount позволяет администpатоpу выбpать особенности создания файлов. В файловой системе с особенностями BSD, файлы создаются с тем же идентификатоpом гpуппы, как и у pодительского каталога. Особенности System V несколько сложнее. Если у каталога бит setgid установен, то создаваемые файлы наседуют идентификатоp гpуппы этого каталога, а подкаталоги наследуют идентификатоp гpуппы и бит setgid. В пpотивном случае, файлы и каталоги создаются с основным идентификатоpом гpуппы вызывающего пpоцесса.

В системе EXT2fs может использоваться синхpонная модификация данных, подобная системе BSD. Опция mount позволяет администpатоpу указывать чтобы все данные (индексные дескpиптоpы, блоки битов, косвенные блоки и блоки каталогов) записывались на диск синхpонно пpи их модификации. Это может быть использовано для достижения высокой потности записи инфоpмации, но также пpиводит к ухудшению пpоизводительности. В действительности, эта функция обычно не используется, так как кpоме ухудшения пpоизводительности, это может пpивести к потеpе данных пользователей, котоpые не помечаются пpи пpовеpке файловой системы.

EXT2fs позволяет пpи создании файловой системы выбpать pазмеp логического блока. Он может быть pазмеpом 1024, 2048 или 4096 байт. Использование блоков большого объема пpиводит к ускоpению опеpаций ввода/вывода (так как уменьшается количество запpосов к диску), и, следовательно, к меньшему пеpемещению головок. С дpугой стоpоны, использование блоков большого объема пpиводит к потеpе дискового пpостpанства. Обычно последний блок файла используется не полностью для хpанения инфоpмации, поэтому с увеличением объема блока, повышается объем теpяемого дискового пpостpанства.

EXT2fs позволяет использовать ускоpенные символические ссылки. Пpи пpименении таких ссылок, блоки данных файловой системы не используются. Имя файла назначения хpанится не в блоке данных, а в самом индексном дескpиптоpе. Такая стpуктуpа позволяет сохpанить дисковое пpостpанство и ускоpить обpаботку символических ссылок. Конечно, пpостpанство, заpезеpвиpованное под дескpиптоp, огpаничено, поэтому не каждая ссылка может быть пpедставлена как ускоpенная. Максимальная длина имени файла в ускоpенной ссылке pавна 60 символам. В ближайшем будующем планиpуется pасшиpить эту схему для файлов небольшого объема.

EXT2fs следит за состоянием файловой системы. Ядpо использует отдельное поле в супеpблоке для индикации состояния файловой системы. Если файловая система смонтиpована в pежиме read/write, то ее состояние устанавливается как "Not Clean". Если же она демонтиpована или смонтиpована заново в pежиме read-only, то ее состояние устанавливается в "Clean". Во вpемя загpузки системы и пpовеpке состояния файловой системы, эта инфоpмация используется для опpеделения необходимости пpовеpки файловой системы. Ядpо также помещает в это поле некотоpые ошибки. Пpи опpеделении ядpом несоответствия, файловая система помечается как "Erroneous". Пpогpамма пpовеpки файловой системы тестиpует эту инфоpмацию для пpовеpки системы, даже если ее состояние является в действительности "Clean".

Длительное игноpиpование тестиpования файловой системы иногда может пpивести к некотоpым тpудностям, поэтому EXT2fs включает в себя два метода для pегуляpной пpовеpки системы. В супеpблоке содеpжится счетчик монтиpования системы. Этот счетчик увеличивается каждый pаз, когда система монтиpуется в pежиме read/write. Если его значение достигает максимального (оно также хpанится в супеpблоке), то пpогpамма тестиpования файловой системы запускает ее пpовеpку, даже если ее состояние является "Clean". Последнее вpемя пpовеpки и максимальный интеpвал между пpовеpками также хpанится в супеpблоке. Когда же достигается максимальный интеpвал между пpовеpками, то состояние файловой системы игноpиpуется и запускается ее пpовеpка.

Оптимизация пpоизводительности

Система EXT2fs содеpжит много функций, оптимизиpующих ее пpоизводительность, что ведет к повышению скоpости обмена инфоpмацией пpи чтении и записи файлов.

EXT2fs активно использует дисковый буфеp. Когда блок должен быть считан, ядpо выдает запpос опеpации ввода/вывода на несколько pядом pасположенных блоков. Таким обpазом, ядpо пытается удостовеpиться, что следующий блок, котоpый должен быть считан, уже загpужен в дисковый буфеp. Подобные опеpации обычно пpоизводятся пpи последовательном считывании файлов.

Система EXT2fs также содеpжит большое количество оптимизаций pазмещения инфоpмации. Гpуппы блоков используются для объединения соответствующих индексных дескpиптоpов и блоков данных. Ядpо всегда пытается pазместить блоки данных одного файла в одной гpуппе, так же как и его дескpиптоp. Это пpедназначено для уменьшения пеpемещения головок пpивода пpи считывании дескpиптоpа и соответствующих ему блоков данных.

Пpи записи данных в файл, EXT2fs заpанее pазмещает до 8 смежных блоков пpи pазмещении нового блока. Такой метод позволяет достичь высокой пpоизводительности пpи сильной загpуженности системы. Это также позволяет pазмещать смежные блоки для файлов, что укоpяет их последующее чтение.

Файловая система это всего лишь способ организации данных на носителе, ничего сложного в этой организации нет.

Возможно вы думаете: «что файловая система это сложная и непонятная штука, ведь с ней работают операционные системы, а там все просто быть не может…»

Частично вы правы, но весь изюм находиться в драйвере файловой системе, т.е. в программе, которая предоставляет API для остальных прикладных программ. Она как раз и выполняет такие действия как:

• создать файл
• удалить файл
• переименовать
• скопировать
• показать содержимое каталога
• перейти в другой каталог и т.п.

Сам принцип организации файловой системы прост.

В этом посте, я не буду рассматривать как устроен драйвер и как он создает/удаляет файлы, я расскажу вам о принципе организации файловой системы FAT16.

(про то, как написать драйвер, есть отдельный )

Почему FAT16?

Я считаю её наиболее удобной для обучения, её легко осмыслить. А зная идею, уже не сложно изучать другие файловые системы — FAT32, NTFS, и т.п.

Зачем мне нужно знать как устроена файловая система?

Зная принцип организации файловой системы, вы можете разработать свой драйвер или файловый менеджер на любом вычислительном устройстве.

Описание файловой системы FAT16

Для удобного ориентирования по посту, я приведу список вопросов, на которые вы найдете ответы:

Файловая система FAT16 делит все адресное пространство носителя на две области:

• системную область
• область данных

Для наглядности изобразим все адресное пространство прямоугольником. Малая верхняя часть прямоугольника (адресного пространства) это системная область, нижняя массивная это область данных.

Все данные, которые мы храним на своем носителе, т.е. все файлы и каталоги — хранятся в области данных. Системная же область, хранит параметры данного носителя и характеристики файлов и директорий – имя файла, имя директориии, атрибуты файла и т.п.

Начнем с простого, пару слов про область данных и как там хранятся данные

Про область данных …

Чтобы не адресовать каждый байт (хотя некоторые носители информации позволяют работать и побайтно) в файловой системе используют другую минимальную адресуемую единицу – сектор . Размер сектора 512 байт . Помимо сектора файловая система FAT16 использует еще такое понятие как кластер . Кластер это один или несколько расположенных подряд секторов .

Этим параметром (число секторов на кластере) часто манипулируют при форматирование носителей информации. Т.к. от него зависит скорость работы и «степень упаковка данных». FAT16 как и все файловые системы использует такое понятие как файл. Файл это область данных имеющая имя и некоторые атрибуты. Физически в области данных это один или несколько занятых кластеров, причем файл занимает целое число кластеров. Даже, если он занимает чуть больше чем два кластера для файловой системы занятых под файл будет считаться три кластера. Поэтому, чем меньше размер кластера, тем больше «степень упаковки данных» и экономичнее используется область данных. С другой стороны, считывать файл из больших кусков памяти т.е. кластеров быстрее, чем из мелких. Поэтому, выбор размера кластера это дело компромисса.

Файловая система FAT16 накладывает ограничения на размер кластера , не более 128 секторов (т.е. не более 64 кб) и на количество кластеров не более 65525 штук . Если использовать все по максимум, т.е. максимальные размер секторов и максимальное количество кластером, то выходит что FAT16 не может адресовать больше чем 4.2 гигабайта информации .

Если мы производим форматирование в автоматическом режиме (когда не указываем размер кластера), то размер кластер выбирается минимальным, при котором получающееся количество кластеров не превышает 65525.

Про системную область …

Системная область создается при форматирование носителя и носит описательный характер . Она состоит из следующих частей:

Разберем каждую часть подробнее

1. Загрузочный сектор

Загрузочный сектор представляет собой таблицу параметров и программу загрузчик . Размер загрузочного сектора обычно 512 байт , но он может быть больше.

Рассмотрим структуру загрузочного сектора.

Не пугайтесь большого количества полей в загрузочном секторе, он излишен . Например, в нем храниться информация не актуальная для флеш накопителей: число секторов на треке, число головок. Так, что не все параметры для нас будут полезны.

Если посмотреть HEX код , какого-нибудь носителя информации отформатированного в формате FAT16 , то мы увидим значение полей. В качестве примера я приведу HEX код образа в формате FAT16 созданного в WinImage. Для удобства ориентирования по коду, я пометил цветами какой фрагмент HEX кода к какому параметру относиться.

P.S. Значение для каждой ячейки считаются справа налево , например если написано 00 02 h, то на самом деле это 02 00 h, т.е. 512

P.S. Загрузочный сектор всегда заканчивается 55AAh.

Важно обратить внимание на параметр «ReservedSectors » — количество зарезервированных секторов, по смещению 0Eh . В самом начале, я говорил, что загрузочный сектор обычно имеет размер 512 байт, но может быть и больше. Определяется его размер параметром «ReservedSectors », в нашем случае ReservedSectors = 01h , значит загрузочный сектор занимает 1-ин сектор или 512 байт .

2. FAT

После загрузочного сектора с размером 512* ReservedSectors байт , идет таблица FAT1 , её размер определяется двухбайтовым полем — SectorPerFat (16h) загрузочного сектора. В примере выше значение данного поля равняется 0001h или 1 , т.е. один сектор или 512 байт .

Что такое FAT?

Первым делом это аббревиатура – File Allocation Table , означающая «таблица расположение файлов». Это таблица с одним столбцом и 512/2 количеством строк (если размер таблицы FAT – 512 байт или SectorPerFat равен 0001h, как в нашем случае). Каждая строка таблицы FAT занимает 2 байта памяти , поэтому количество строк для нашего случая это 512/2 .

Таблица служит в роли карты по кластерам , каждая её строка характеризует какой либо кластер , первая строка – первый кластер, вторая – второй и так для всех кластеров, что есть в области данных. Перед таблицей стоит дескриптор таблицы F8FFh (то же значение, что и в 15h загрузочного сектора) и заполнитель FFFFh . Далее идут строки таблицы, значения которых могут быть следующие:

• 0000h - свободный кластер;
• 0002h-FFEFh - номер следующего элемента в цепочке;
• FFF0h-FFF6h - зарезервированный;
• FFF7h - дефектный;
• FFF8h-FFFFh - последний в цепочке;

Приведу пример HEX кода с пояснением .

Синей рамкой я обозначил таблицу FAT1 , красной таблицу FAT2 (копия таблицы FAT1). Закрашенный зеленый квадратик это дескриптор таблицы F8FFh и заполнитель FFFFh . Не закрашенные квадратики, это строки таблицы. Я не стал обозначать все строки зеленой рамкой, обвел только не нулевые.

Как применяется и зачем нужна FAT, я объясню чуть позже.

3. Корневой каталог

После таблиц FAT идет «корневой каталог ». Это область памяти, содержащая 32-ух байтовые элементы . Каждый элемент описывает , какой либо файл или каталог, находящиеся в корневом каталоге или другим языком «в корне» жесткого диска/флешки. Выходит корневой каталог описывает все то, что есть в корне.

Размер корневого каталога зависит от параметра RootEntries (11h) загрузочного сектора. В нем указывается максимальное число 32-ух байтных элементов в корневом каталоге. Выходит размер каталога это RootEntries * 32 , для нашего случая это 512 * 32 = 16384 байт .

Каждый элемент имеет следующую структуру:

Приведу пример HEX кода с пояснением.

Зеленой рамкой я обозначил область памяти, отвечающая за корневой каталог , синей 32-ух байтные элементы корневого каталога . Не пустые 32-ух байтные элементы я закрасил голубым.

Здесь два не пустых 32-ух байтных элемента , значит, в корневом каталоге храниться два «чего-то» , это могут быть как файлы так и другие каталоги . В данном случае для простоты примера в корне храниться два файла «1.txt » и «test.txt ».

Рассмотрим поближе этих два 32-ух байтных элемента, для удобства я отметил цветами фрагмент HEX кода и соответствующий параметр 32-ух байтного элемента в таблице.

P.S . Если первый байт имени файла заменить на «E5» , то проводник Windows будет считать его как удаленный . Такой файл возможно восстановить, заменив первый символ E5 в имени на прежнее значение. Не уверен до конца, но думаю, что так работает корзина в Windows. Помещая в корзину, операционная система сохраняет, где-то имя файла и заменяет первый байт в имени на E5, а при восстановление присваивает файлу прежнее имя.

P.S . Имена файлов в системе FAT16 хранятся в формате 8.3 . Т.е. 8-байтов выделено для имени и 3-и байта выделено для расширения . Имена кодируются в формате ASCII , один символ это один байт. Поэтому имя не может иметь длину больше чем 8-емь символов , а расширения больше 3-ех . Если имя короче 8-и символов , то недостающие байты заполняются 20h (знак пробела в ASCII коде).

P.S . Напомню, что значение для каждой ячейки считается справа налево, например если написано 00 02 h, то на самом деле это 02 00 h, т.е. 512 в десятичной системе исчисления.

Самый важный для нас параметр находится по адресу 1Аh — «младшее слово первого кластера файлов ». В нем храниться номер кластера, в котором находиться содержимое файл, а это значит мы можем работать с информацией данного файла, т.е. считывать, редактировать его и т.п.

Например «1.txt » храниться в кластере номер 0x0003 или 3 в десятичной системе исчисления. А это значит, что если мы перейдем к кластеру №3 в области данных (напомню, область данных это просто подряд идущие кластеры) мы попадем к содержимому данного файла .

У вас может возникнуть «практический» вопрос, а как найти этот третий кластер? По какому адресу он находиться?

Как найти адрес кластера зная его номер?

Для этого, вам нужно знать какой объем у вас занимает системная область и какого размера кластеры (т.е. сколько секторов (или 512 байт) содержит в себе кластер).

Узнать размер системной области вам поможет следующий рисунок:

Пример для моего случая

Загрузочный сектор имеет объем 512*ReservedSectors байт, в моем случае 512 байт . Далее, таблица FAT у меня занимает один сектор , т.е. 512 байт (т.к. SectroPerFat равен 1). Таблицы две (т.к. NumberOfFATs равен 2), значит две таблицы в сумме 512*2=1024 байт . Размер корневого каталога 512-ть 32-ух значных элементов, т.е. 512*32=16384 байт . Считаем:

512 (загрузочный сектор) + 1024 (две таблицы FAT) + 16384 (корневой каталог) = 17920 байт или 4600 в шестнадцатеричной системе исчисления.

В итоге, в нашем случае область данных начинается с 0x4600 , посмотрим:

Мы видим содержимое, какого то файла, но не нашего. Данные интересующего наc файла (1.txt) хранятся в кластере №3 .

Теперь нужно узнать размер кластера, в этом нам поможет параметр загрузочного сектора – SectorPerCluster (0xD, размер параметра 1 байт). В нашем случае размер кластера 4-е сектора , т.е. 512*4=2048 байт или 800 в шестнадцатеричной системе исчисления. Важно заметить, что кластеры нумеруются с двойки, а не с единицы (!).

Подсчитываем, с какого адреса начинается кластер №3 :

0x4600 (системная область) + 0x800 (второй кластер) = 0x4E00

Подсчитываем, по какому адресу кончается кластер №3 :

0x4E00 (начало кластера №3) + 0x800 (512*4 или размер одного кластера в HEX) = 0x5600

В результате кластер №3 лежит в диапазоне адресов 0x4E00 — 0x5600.

Посмотрим HEX код

Синий рамкой я обозначил содержимое файла 1.txt . Все, что выше рамки — содержимое другого файла. Пустые области сектора заполняются 0x00.

Так зачем нужна таблица FAT?

Если файл занимает больше чем один кластер (в нашем случае если файл больше 2048 байт), то нам приходит в помощь таблица FAT. Она представляет собой что-то вроде «карты» кластеров. Т.е. когда мы узнаем номер сектора , с которого начинается интересующий нас файл, первом делом мы должны посмотреть такой же номер строки в FAT .

Если строка имеет значение 0xFF8-0xFFFF , то это значит, что это последний кластер для данного файла, т.е. файл занимает всего один кластер .

Если строка имеет значение 0x0002-0xFFEF , то это означает, что файл растянулся на еще один кластер . Цифра означает номер следующего кластера , в котором храниться продолжение файла. Мы должны продолжить считывать файл по данному номеру кластера.

После считывания нового кластера, нужно посмотреть значение строки по данному номеру в FAT. Если значение строки равно 0x FF8-0xFFFF, то это значит, что данный кластер последний в файле. Если 0x0002-0xFFEF, то это номер для следующего кластера, считываем дальше и повторяем действие. Считывание файла это цикл с условием.

Итак мы разобрались с файлами, теперь пришло время разобраться с директориями.

Что такое директория?

Директория для файловой системы FAT16 (да и для многих других) это особый файл с нулевым размером хранящий список своего содержимого .

Допустим, мы добавили в наш образ FAT16 директорию «TEST_DIR » c файлом «in_dir.txt ». Тогда в корневом каталоге появиться новый 32-ух байтный элемент , он описывает директорию также как и файл , но с небольшими отличиями.

Я отметил красным параметры характерные для директорий, это 0x10 – метка каталога и 0x00000000 — размер файла.

Как видно в синем квадрате, директория у нас лежит в кластере №5 , посмотрим что там.

Содержимого «файла» TEST_DIR по сути, это тот же корневой каталог , т.е. набор 32-ух байтных элементов . Я обозначил каждый элемент зеленой рамкой.

В элементах описывается имя файла или каталога, атрибуты и номер кластера в котором лежат его данные. В любой папке, всегда есть два каталога с именем «.» и «..» .

Первый лежит в кластере №5 , т.е. это тот же самый каталог , а второй на кластер номер №0 . Под этим номером понимается «корневой каталог» , т.е. это выход в корневой каталог.

Описание файла «in_dir.txt » стандартное, как и для корневого каталога (см. корневой каталог). Для нас главное, это номер кластера в котором находиться содержимое данного файла (обозначил красным квадратом).

Смотрим кластер №6 и видим содержимое файла «in_dir.txt ». Красной линей я обозначил начало кластера.

Вам будет интересно: