Файловые системы NTFS и FAT. Плюсы и минусы

Файловая система FAT 32 в Windows 98 используется в качестве основной. С этой операционной системой поставляется специальная  программа преобразования диска  из FAT 16 в FAT 32. Windows NT и Windows 2000 тоже могут  использовать файловую систему FAT, и  поэтому можно загрузить компьютер  с DOS-диска и иметь полный доступ ко всем файлам. Однако некоторые из самых прогрессивных возможностей Windows NT и Windows 2000 обеспечиваются ее собственной  файловой системой NTFS (NT FileSystem). NTFS позволяет  создавать на диске разделы объемом  до 2 Тбайт (как и FAT 32), но, кроме этого, в нее встроены функции сжатия файлов, безопасности и аудита, необходимые  при работе в сетевой среде. А  в Windows 2000 реализуется поддержка  файловой системы FAT 32. Установка операционной системы Windows NT начинается на диске FAT, но по желанию пользователя в конце  установки данные на диске могут  быть конвертированы в формат NTFS.

Можно сделать это и позже, воспользовавшись утилитой Convert.exe, поставляемой вместе с операционной системой. Преобразованный  к системе NTFS раздел диска становится недоступным для других операционных систем. Чтобы вернуться в DOS, Windows 3.1 или Windows 9x, нужно удалить раздел NTFS, а вместо него создать раздел FAT. Windows 2000 можно устанавливать на диск с файловой системой FAT 32 и NTFS.

Возможности файловых систем FАТ32 гораздо  шире возможностей FAT16. Самая важная ее особенность в том, что она  поддерживает диски объемом до 2 047 Гбайт и работает с кластерами меньшего размера, благодаря чему существенно  сокращает объемы неиспользуемого  дискового пространства. Например, жесткий диск объемом 2 Гбайт в FAT16 использует кластеры размером по 32 Кбайт, а в FAT32 - кластеры размером по 4 Кбайт. Чтобы по возможности сохранить  совместимость с существующими  программами, сетями и драйверами устройств, FAT32 реализована с минимальными изменениями в архитектуре, API-интерфейсах, структурах внутренних данных и дисковом формате. Но, так как размер элементов таблицы FAT32 теперь составляет четыре байта, многие внутренние и дисковые структуры данных, а также API-интерфейсы пришлось пересмотреть или расширить. Отдельные API на FАТ32-дисках блокируются, чтобы унаследованные дисковые утилиты не повредили содержимое FAT32-дисков. На большинстве программ эти изменения никак не скажутся. Существующие инструментальные средства и драйверы будут работать и на FAT32-дисках. Однако драйверы блочных устройств MS-DOS (например, Aspidisk.sys) и дисковые утилиты нуждаются в модификации для поддержки FAT32. Все дисковые утилиты, поставляемые Microsoft (Format, Fdisk, Defrag, а также ScanDisk для реального и защищенного режимов), переработаны и полностью поддерживают FAT32. Кроме того, Microsoft помогает ведущим поставщикам дисковых утилит и драйверов устройств в модификации их продуктов для поддержки FAT32. FAT32 эффективнее FAT16 при работе с дисками большего объема и не требует их разбиения на разделы по 2 Гбайт. Windows 98 обязательно поддерживает FAT16, так как именно эта файловая система совместима с другими операционными системами, в том числе сторонних компании. В MS-DOS реального режима и в безопасном режиме Windows 98, файловая система FAT32 работает значительно медленнее, чем FAT16. Поэтому, при запуске программ в режиме MS DOS желательно включить в файл Autoexec.bat или PIF-файл команду для загрузки Smartdrv.exe, что ускорит дисковые операции. Некоторые устаревшие программы, рассчитанные на спецификацию FAT16, могут сообщать неправильную информацию об объеме свободного или общего дискового пространства, если он больше 2 Гбайт. Windows 98 предоставляет новые API-интерфейсы для MS-DOS и Win32, которые позволяют корректно определять эти показатели.

1.3 Структура файла

Файлы могут быть структурированы  несколькими различными способами. Три типа структур показаны на рисунке 1. Файл на рисунке 1a представляет собой неструктурированную последовательность байтов. В данном случает операционная система не интересуется содержимым файла. Все, что она видит, - это байты.

Значения этим байтам присваиваются  программами уровня пользователя. Такой  подход характерен как для систем UNIX, так и в Windows.

 

Рисунок 1 - Три типа файлов: последовательность байтов (а); последовательность записей (б); дерево (в)

Когда операционная система считает, что файлы — это не более  чем  последовательность байтов, она  предоставляет максимум гибкости. Программы  пользователя могут помещать в свои файлы все, что им заблагорассудится, и называть их как им удобно. Операционная система ничем при этом не помогает, но и ничем не мешает. Последнее  обстоятельство может иметь особое значение для тех пользователей, которые хотят сделать что-либо необычное. Эта файловая модель используется всеми версиями UNIX, MS-DOS и Windows.

Первый шаг навстречу некой  структуре показан на рисунке 1б. В данной модели файл представляет собой последовательность записей  фиксированной длины, каждая из которых  имеет свою собственную внутреннюю структуру. Основная идея файла как  последовательности записей состоит  в том, что операция чтения возвращает одну из записей, а операция записи перезаписывает или дополняет одну из записей. В качестве исторического  отступления заметим, что несколько  десятилетий назад, когда в компьютерном мире властвовали перфокарты из 80 столбцов, многие операционные системы универсальных  машин в основе своей файловой системы использовали файлы, состоящие  из 80-символьных записей, в сущности, образы перфокарт. Эти операционные системы поддерживали также файлы, состоящие из 132-символьных записей, предназначавшиеся для строковых  принтеров (которые в то время  представляли собой большие цепные печатающие устройства, имеющие 132 столбца). Программы на входе читали блоки  по 80 символов, а на выходе  записывали блоки по 132 символа, даже если заключительные 52 символа были пробелами. Ни одна современная универсальная система больше не использует эту модель в качестве своей первичной файловой системы, но, возвращаясь к временам 80-столбцовых перфокарт и 132-символьной принтерной бумаги, следует отметить, что это была весьма распространенная модель для универсальных компьютеров. Третья разновидность структуры файла показана на рисунке 1в. При такой организации файл состоит из дерева записей, необязательно одинаковой длины, каждая из которых в своей конкретной позиции содержит ключевое поле. Дерево сортируется по ключевому полю, позволяя проводить ускоренный поиск по конкретному ключу Здесь основной операцией является не получение «следующей» записи, хотя возможно проведение и этой операции, а получение записи с указанным ключом. Для файла зоопарк на рис. 1в, можно, к примеру, запросить систему выдать запись с ключом пони, нисколько не заботясь о ее конкретной позиции в файле.

Более того, к файлу могут быть добавлены новые записи, и решение  о том, куда их поместить, будет принимать  не пользователь, а операционная система. Совершенно ясно, что этот тип файла  отличается от бессистемных битовых  потоков, используемых в UNIX и Windows, но широкое  применение он нашел на больших универсальных  компьютерах, которые до сих пор  используются при обработке коммерческих данных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Файловая система  NTFS

Формат файловых систем определяют принципы хранения данных на носителе и влияют на характеристики файловой системы. Формат файловой системы может  налагать ограничения на размеры  файлов и емкости поддерживаемых устройств внешней памяти. Некоторые  форматы файловых систем эффективно реализуют поддержку либо больших, либо малых файлов и дисков.

NTFS (Windows NT filesystem) – файловая система, разработанная специально для Windows NT и унаследованная Windows 2000, Windows XP, Windows 2003.  NTFS использует 64-разрядные индексы кластеров. Это позволяет ей адресовать тома размером до 16 миллиардов Гб. Однако WindowsXP ограничивает размеры томов NTFS до значений, при которых возможна адресация 32-разрядными кластерами, т.е. до 128 Тб (с использованием кластеров по 64 Кб).

С самого начала разработка NTFS велась с учетом требований, предъявляемых к файловой системе корпоративного класса. Чтобы свести к минимуму потери данных в случае неожиданного выхода системы из строя или её краха, файловая система должна гарантировать целостность своих метаданных. Для защиты конфиденциальных данных от несанкционированного доступа файловая система должна быть построена на интегрированной модели защиты. Наконец, файловая система должна поддерживать защиту пользовательских данных за счет программной избыточности данных.

 

2.1 Физическая организация NTFS

 

Файловая система NTFS была разработана в качестве основной файловой системы для ОС Windows NTв начале 90-х годов с учетом опыта разработки файловых систем FATи HPFS(основная файловая система для OS/2), а также других существовавших в то время файловых систем. Основными отличительными свойствами NTFS являются:

• поддержка больших файлов и больших дисков объемом до 2⁶⁴ байт;
• восстанавливаемость после сбоев и отказов программ и аппаратуры управления дисками;
• высокая скорость операций, в том числе и для больших дисков;
• низкий уровень фрагментации, в том числе и для больших дисков;
• гибкая структура, допускающая развитие за счет добавления новых типов записей и атрибутов файлов с сохранением совместимости с предыдущими версиями ФС;
• устойчивость к отказам дисковых накопителей;
• поддержка длинных символьных имен;
• контроль доступа к каталогам и отдельным файлам.

2.2 Структура тома NTFS

 

В отличие от разделов FAT и s5/ufs все пространство тома NTFS представляет собой либо файл, либо часть файла. Основой структуры тома NTFS является главная таблица файлов (MasterFileTable, MFT),которая содержит по крайней мере одну запись для каждого файла тома, включая одну запись для самой себя. Каждая запись MFTимеет фиксированную длину, зависящую от объема диска, — 1,2 или 4 Кбайт. Для большинства дисков, используемых сегодня, размер записи MFTравен 2 Кбайт, который мы далее будет считать размером записи по умолчанию.

Все файлы на томе NTFS идентифицируются номером файла, который определяется позицией файла в MFT. Этот способ идентификации файла близок к способу, используемому в файловых системах s5 и ufe, где файл однозначно идентифицируется номером его записи в области индексных дескрипторов.

Весь том NTFS состоит из последовательности кластеров, что отличает эту файловую систему от рассмотренных ранее, где на кластеры делилась только область данных. Порядковый номер кластера в томе NTFS называется логическим номером кластера (LogicalClusterNumber, LCN). Файл NTFS также состоит из последовательности кластеров, при этом порядковый номер кластера внутри файла называется виртуальным номером кластера( VirtualClusterNumber, VCN).

В Windows NT логический раздел принято называть томом.

Базовая единица распределения  дискового пространства для файловой системы NTFS— непрерывная область кластеров, называемая отрезком. В качестве адреса отрезка NTFS использует логический номер его первого кластера, а также количество кластеров в отрезке к, то есть пара (LCN, к). Таким образом, часть файла, помещенная в отрезок и начинающаяся с виртуального кластера VCN, характеризуется адресом, состоящим из трех чисел: (VCN, LCN, к).

Для хранения номера кластера в NTFS используются 64-разрядные указатели, что дает возможность поддерживать тома и файлы размером до 2⁶⁴ кластеров. При размере кластера в 4 Кбайт это позволяет использовать тома и файлы, состоящие из 64 миллиардов килобайт.

Структура тома NTFS показана на рисунке 2. Загрузочный блок тома NTFS располагается в начале тома, а его копия — в середине тома. Загрузочный блок содержит стандартный блок параметров BIOS, количество блоков в томе, а также начальный логический номер кластера основной копии MFT и зеркальную копию MFT.

 

Рисунок 2 - Структура тома NTFS

 

Далее располагается первый отрезок MFT, содержащий 16 стандартных, создаваемых при форматировании записей о системных файлах NTFS. Назначение этих файлов описано в показанной ниже таблице MFT.

2.3 Главная таблица  файлов

В NTFS все данные, хранящиеся на томе, содержатся в файлах. Хранение всех видов данных в файлах позволяет  файловой системе легко находить и поддерживать данные, а каждый файл может быть защищен дескриптором защиты. Кроме того, при появлении  плохих секторов на диске, NTFS может  переместить файлы метаданных.

Метаданные – это данные, хранящиеся на томе и необходимые  для поддержки управления файловой системой. Как правило, они не доступны приложениям. К метаданным NTFS относятся  структуры данных, используемые для  поиска и выборки файлов, начальный  загрузочный код и битовая  карта, в которой регистрируется состояние пространства всего тома.

Главная таблица файлов (MFT) занимает центральное место в  структуре NTFS-тома. MFT реализована как  массив записей о файлах. Размер каждой записи фиксирован и равен 1 Кб. Логически MFT содержит по одной строке на каждый файл тома, включая строку для самой MFT. Кроме MFT на каждом томе NTFS имеется набор файлов метаданных с информацией, необходимой для  реализации структуры файловой системы.

Имена всех файлов метаданных NTFS начинаются со знака $, хотя эти знаки  скрыты. Так имя файла MFT - $Mft. Остальные  файлы NTFS-тома являются обычными файлами  и каталогами.

Обычно каждая запись MFT соответствует  отдельному файлу, но если у файла  много атрибутов или он сильно фрагментирован, для него может понадобиться более одной записи. Тогда первая запись MFT, хранящая адреса других записей, называется базовой.

При первом обращении к  тому NTFS должна считать с диска  метаданные и сформировать внутренние структуры данных, необходимые для  обработки обращений к файловой системе. Для этого NTFS ищет в загрузочном  секторе физический адрес MFT на диске. Запись о самой MFT является первым элементом  в этой таблице, вторая запись указывает  на файл в середине диска ($MftMirr), который  называется зеркальной копией MFT и содержит копию первых нескольких строк MFT. Если по каким-либо причинам считать часть MFT не удастся, для поиска файлов метаданных будет использована именно эта копия MFT.

Найдя запись для MFT, NTFS получает из ее атрибута данных информацию о  сопоставлении VCN и LCN и сохраняет  ее в памяти. В каждой группе хранится сопоставление VCN-LCN и длина этой группы – вот и вся информация, необходимая для того, чтобы найти LCN по VCN. Эта информация сообщает NTFS, где на диске искать группы, образующие MFT. Затем NTFS обрабатывает записи MFT еще  для нескольких файлов метаданных и  открывает эти файлы. Наконец, NTFS выполняет операцию восстановления файловой системы и открывает  остальные файлы метаданных. С  этого момента пользователь может  обращаться к данному дисковому  тому.