Главная  / Деньги   /  Пару слов, перед описание файловой системы FAT16…. Особенности и отличия файловых систем FAT32 (16), NTFS и ExFAT

Пару слов, перед описание файловой системы FAT16…. Особенности и отличия файловых систем FAT32 (16), NTFS и ExFAT

Деньги 
16.01.2024

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.

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:


Каждый раз, когда пользуюсь либой FatFs думаю, что неплохо бы разобраться с тем, как все устроено внутри. Долго откладывал этот вопрос, наконец лед тронулся. Итак, глобальная цель это раскуривание карт памяти, если получится то детально, текущая цель разобраться с файловой системой.

Сразу скажу, у меня не было цели писать свой драйвер или детально разбираться в тонкостях, мне было просто интересно. Задача довольно простая для понимания, поэтому «кодов» здесь не будет.

Итак, первое что мы должны понять, при общении с картой памяти напрямую, мы можем либо прочитать, либо записать 512 байт, других действий не дано. Так как файлы мы постоянно что то копируем, удаляем, а размеры файлов всегда разные, то на карте будут образовываться пустые участки в перемешку с записанными. Чтобы пользователю не запариваться с размещением данных, существует прослойка которая берет на себя эти заботы, это и есть файловая система.

Как было уже выше сказано, записать и прочитать можно только кратно 512 байтам, т.е. 1 сектор. Также есть понятие — кластер это тупо несколько секторов, например если размер кластера 16кБ, то значит что в нем 16000/512 = 31.25, точнее 32 сектора, а реальный размер кластера 16384 байта. Все файлы занимают размер кратно размеру кластера. Даже если файл размером 1кБ, а кластер 16кБ, то файл будет занимать все 16кБ.

Логично было бы делать кластеры, маленького размера, то тут вступает в дело ограничение на максимальное количество файлов и на их размер. FAT16 оперирует 16 битными данными, поэтому нельзя запихать больше чем 2^16 кластеров. Поэтому чем меньше их размер, тем более эффективно используется место под мелкие файлы, но тем меньше информации можно запихать на диск. И наоборот, чем больше размер, тем больше информации можно впихать, но тем менее эффективно используется место под мелкие файлы. Максимальный размер кластера 64кБ, поэтому максимум для FAT16 64кб*2^16 = 4Гб.

Исходные данные: имеется карта памяти micro SD на 1Гб. Имеет метку MYDISK, отформатирована полностью, размер кластера 16кБ.

Понадобится Hex редактор, но любой не подойдет, нужен такой, который может просматривать диск целиком, а не только файлы на диске. Из того что мне удалось найти: WinHex самый годный, но платный; HxD простой, бесплатный, но мне так и не удалось заставить его сохранять изменения на диске; DMDE — немного не user friendly, бесплатный и позволяет сохранить изменения. В общем я остановился на HxD.

Для начала стоит рассмотреть структуру FAT16, картинка показывает в каком порядке расположены различные части файловой системы.

В загрузочном секторе хранится вся служебная информация. Внутри области FAT хранится инфорция о том, как расположены данные файлов на диске. В корневом каталоге информация о том, какие файлы есть в корне диска. Область данных содержит информацию содержащуюся внутри файлов. Все области строго следуют друг за другом подряд, т.е. после загрузочного сектора сразу начинается область FAT. Подробности рассмотрим ниже.

Задача: понять по какому принципу располагаются имена файлов и их содержимое. Поэтому начнем с поиска корневого каталога, чтобы понять какие файлы у нас есть в наличии. В этом нам помогут данные из загрузочной области.

Наиболее интересные данные указаны в таблице

Первое что нам нужно, это узнать размер загрузочной области. Смотрим адрес 0x0E и видим, что под загрузочную область выделено 4 сектора, т.е. с адреса 4*512 = 0x800 начинается область FAT.

Количество таблиц FAT можно определить по адресу 0x10 загрузочной области. В нашем примере их две, почему две, потому что каждая таблица дублируется резервной, что бы в случае сбоя можно было восстановить данные. Размер таблицы указан по адресу 0x16. Таким образом размер фата 512*2*0xEE = 0x3B800, а корневой каталог начинается с адреса: 0x800 + 0x3B800 = 0x3C000

Внутри корневого каталога все элементы разбиты по 32 байта. Первый элемент, это метка тома, а вот последующие элементы это файлы и папки. Если название файла начинается с 0xE5, то это значит что файл удален. Если название начинается с 0x00, то это значит, что предыдущий файл был последним.

Довольно интересная структура корневого каталога получилась у меня. Карта была отформатирована полностью, затем создано 2 текстовых файла, которые переименованы в MyFile.txt и BigFile.txt.

Как можно увидеть, что помимо моих двух файлов, создалось еще куча левых, о происхождении которых можно только догадываться.

Самое важное, что можно здесь подчерпнуть, это адрес первого кластера, с которого начинаются данные нашего файла. Адрес всегда находится по смещению 0x1A. Например, имя нашего файла MyFile.txt расположено по адресу 0x3C100, к нему прибавляем 0x1A, там видим номер первого кластера. = 0x0002 т.е. второй кластер. Для файла BigFile.txt, данные начинаются с третьего кластера.

Также в корневом каталоге можно узнать еще дату и время, последнего редактирования файла, мне этот вопрос был не очень интересен, поэтому обойду его стороной. Последнее полезное, что может сказать корневой каталог, это свой размер, дабы мы могли найти то, откуда начинаются данные.

Размер указан в загрузочном секторе по адресу 0x11(2байта) = 0x0200*32 = 0x4000 или 16384 байт.

Прибавим к адресу корня его размер: 3С000 + 4000 = 40000 это адрес первого кластера данных, но нам нужен второй, чтобы найти MyFile.txt. Количество секторов в кластере 32, размер кластера = 32*512 = 16384 или 0x4000, поэтому прибавим к адресу первого кластера, его размер т.е. с 0x44000 по идее должен начаться второй кластер.

Идем по адресу 0x44000 и видим, что данные принадлежат BigFile.txt (в нем просто мусор)

Оказывается есть небольшая тонкость, нумерация кластеров начинается со второго, не понятно зачем так сделано но факт, т.е. на самом деле мы перешли на третий кластер. Вернемся на один кластер назад на адрес 0x40000 и видим ожидаемые данные.

Теперь спрашивается. Зачем же нам нужна таблица FAT? Дело в том, что данные могут быть фрагментированы, т.е. начало файла может находиться в одном кластере, а конец в совсем другом. Причем это могут быть совершенно разные кластеры. Их может быть несколько, разбросанных в разных областях данных. Таблица FAT это своего рода карта, которая нам указывает, как нам перемещаться между кластерами.

Приведем пример, в файле BigFile.txt запихано куча рандомного мусора, чтобы занимал не один кластер, а несколько. Идем туда, где начинается таблица FAT и смотрим ее содержание.

Первые восемь байт 0xF8FFFFFF это идентификатор начала таблицы фат. Дальше идет 2 байта, которые относятся к MyFile.txt, то что в них записано 0xFFFF означает, что файл занимает всего один кластер. А вот следующий файл BigFile.txt начинается в третьем кластере, это мы помним из корневой директории, продолжается в четвертом, далее идет в 5,6,7… и заканчивается в 12, т.е. занимает 10 кластеров.

Проверим, действительно ли это так. Файл весить 163кБ, т.е. занимает 163000/(32*512) = 9.9 кластеров, что вполне походит на ожидаемое. Повторимся еще раз, что один элемент в таблице FAT занимает 2 байта, т.е. 16 бит, отсюда и пошло название FAT16. Соответственно максимальный адрес равен 0xFFFF, т.е. максимальный объем для FAT16 0xFFFF*размер кластера.

Перейдем к FAT32. Загрузочная часть немного изменена.

Есть некоторые принципиальные изменения. Имя файловой системы перекочевало по адресу 0x52, размер корневого теперь игнорируется. Область данных находится сразу за таблицами FAT, корневой каталог находится внутри области данных. Кроме того корневой каталог не имеет фиксированного размера.

Адрес области данных вычисляется:
размер загрузочного сектора + таблицы FAT, в моем случае получилось:
746496 + (3821056 * 2) = 0x800000

Адрес корневого каталога вычисляется:
(номер первого кластера корневого каталога — 2) * размер кластера + адрес начала области данных,
т.е. в данном примере он будет совпадать с началом области данных.

Как и прежде данные в корневом занимают 32байта, как и прежде «удаленные» магические файлы, предполагаю это временные файлы блокнота.

А вот начало первого кластера в MYFILE.txt определяется теперь двумя байтами, старший по смещению 0x14, младший как и прежде 1A. Поэтому номер первого кластера данных для файла будет:
8000A0 + 0x14 = 0x8000B4 — старший байт
8000A0 + 0x1A = 0x8000BA — младший байт
В моем случае карта была всего с одним файлом, поэтому это третий кластер.

Таблица FAT ищется как и в предыдущем случае, только теперь элементы занимают 4 байта, отсюда и название FAT32. Идеология расположения элементов в точности как в предыдущем случае.

Полезняшки для таблицы
F8 FF FF F0 — первый кластер
FF FF FF 0F — последний кластер
FF FF FF F7 — поврежденный кластер

Где же находятся данные?
начало области данных + размер кластера * (номер кластера корневого — 1)
= 0x800000 + (2*4096) = 0x801000

Надеюсь в общих чертах стало понятно, вроде как ничего сверхестественного нет. Кто прочитал и повторил может скушать печеньку 🙂

Файловые системы FAT

FAT16

Файловая система FAT16 начала свое существование еще во времена, предшествовавшие MS-DOS, и поддерживается всеми операционными системами Microsoft для обеспечения совместимости. Ее название File Allocation Table (таблица расположения файлов) отлично отражает физическую организацию файловой системы, к основным характеристикам которой можно отнести то, что максимальный размер поддерживаемого тома (жесткого диска или раздела на жестком диске) не превышает 4095 Мбайт. Во времена MS-DOS 4-гигабайтные жесткие диски казались несбыточной мечтой (роскошью были диски объемом 20-40 Мбайт), поэтому такой запас был вполне оправданным.

Том, отформатированный для использования FAT16, разделяется на кластеры. Размер кластера по умолчанию зависит от размера тома и может колебаться от 512 байт до 64 Кбайт. В табл. 2 показано, как размер кластера зависит от размера тома. Отметим, что размер кластера может отличаться от значения по умолчанию, но должен иметь одно из значений, указанных в табл. 2 .

Не рекомендуется задействовать файловую систему FAT16 на томах больше 511 Мбайт, так как для относительно небольших по объему файлов дисковое пространство будет использоваться крайне неэффективно (файл размером в 1 байт будет занимать 64 Кбайт). Независимо от размера кластера файловая система FAT16 не поддерживается для томов больше 4 Гбайт.

FAT32

Начиная с Microsoft Windows 95 OEM Service Release 2 (OSR2) в Windows появилась поддержка 32-битной FAT. Для систем на базе Windows NT эта файловая система впервые стала поддерживаться в Microsoft Windows 2000. Если FAT16 может поддерживать тома объемом до 4 Гбайт, то FAT32 способна обслуживать тома объемом до 2 Тбайт. Размер кластера в FAT32 может изменяться от 1 (512 байт) до 64 секторов (32 Кбайт). Для хранения значений кластеров FAT32 требуется 4 байт (32 бит, а не 16, как в FAT16). Это означает, в частности, что некоторые файловые утилиты, рассчитанные на FAT16, не могут работать с FAT32.

Основным отличием FAT32 от FAT16 является то, что изменился размер логического раздела диска. FAT32 поддерживает тома объемом до 127 Гбайт. При этом, если при использовании FAT16 с 2-гигабайтными дисками требовался кластер размером в 32 Кбайт, то в FAT32 кластер размером в 4 Кбайт подходит для дисков объемом от 512 Мбайт до 8 Гбайт (табл. 4).

Это соответственно означает более эффективное использование дискового пространства - чем меньше кластер, тем меньше места требуется для хранения файла и, как следствие, диск реже становится фрагментированным.

При применении FAT32 максимальный размер файла может достигать 4 Гбайт минус 2 байта. Если при использовании FAT16 максимальное число вхождений в корневой каталог ограничивалось 512, то FAT32 позволяет увеличить это число до 65 535.

FAT32 накладывает ограничения на минимальный размер тома - он должен быть не менее 65 527 кластеров. При этом размер кластера не может быть таким, чтобы FAT занимала более 16 Мбайт–64 Кбайт / 4 или 4 млн. кластеров.

При использовании длинных имен файлов данные, необходимые для доступа из FAT16 и FAT32, не перекрываются. При создании файла с длинным именем Windows создает соответствующее имя в формате 8.3 и одно или более вхождений в каталог для хранения длинного имени (по 13 символов из длинного имени файла на каждое вхождение). Каждое последующее вхождение хранит соответствующую часть имени файла в формате Unicode. Такие вхождения имеют атрибуты «идентификатор тома», «только чтение», «системный» и «скрытый» - набор, который игнорируется MS-DOS; в этой операционной системе доступ к файлу осуществляется по его «псевдониму» в формате 8.3.

Файловая система NTFS

В состав Microsoft Windows 2000 входит поддержка новой версии файловой системы NTFS, которая, в частности, обеспечивает работу с сервисами каталогов Active Directory, точки пересчета (reparse points), средства защиты информации, контроль за доступом и ряд других возможностей.

Как и при использовании FAT, основной информационной единицей в NTFS является кластер. В табл. 5 показаны размеры кластеров по умолчанию для томов различной емкости.

При формировании файловой системы NTFS программа форматирования создает файл Master File Table (MTF) и другие области для хранения метаданных. Метаданные используются NTFS для реализации файловой структуры. Первые 16 записей в MFT зарезервированы самой NTFS. Местоположение файлов метаданных $Mft и $MftMirr записано в загрузочном секторе диска. Если первая запись в MFT повреждена, NTFS считывает вторую запись для нахождения копии первой. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. В табл. 6 перечислены основные метаданные, хранимые в MFT.

Остальные записи MFT содержат записи для каждого файла и каталога, расположенных на данном томе.

Обычно один файл использует одну запись в MFT, но если у файла большой набор атрибутов или он становится слишком фрагментированным, то для хранения информации о нем могут потребоваться дополнительные записи. В этом случае первая запись о файле, называемая базовой записью, хранит местоположение других записей. Данные о файлах и каталогах небольшого размера (до 1500 байт) полностью содержатся в первой записи.

Атрибуты файлов в NTFS

Каждый занятый сектор на NTFS-томе принадлежит тому или иному файлу. Даже метаданные файловой системы являются частью файла. NTFS рассматривает каждый файл (или каталог) как набор файловых атрибутов. Такие элементы, как имя файла, информация о его защите и даже данные в нем, являются атрибутами файла. Каждый атрибут идентифицируется кодом определенного типа и, опционально, именем атрибута.

Если атрибуты файла вмещаются в файловую запись, они называются резидентными атрибутами. Такими атрибутами всегда являются имя файла и дата его создания. В тех случаях, когда информация о файле слишком велика, чтобы вместиться в одну MFT-запись, некоторые атрибуты файла становятся нерезидентными. Резидентные атрибуты хранятся в одном или более кластерах и представляют собой поток альтернативных данных для текущего тома (об этом - чуть ниже). Для описания местонахождения резидентных и нерезидентных атрибутов NTFS создает атрибут Attribute List.

В табл. 7 показаны основные атрибуты файлов, определенные в NTFS. В будущем этот список может быть расширен.

Файловая система CDFS

В Windows 2000 обеспечивается поддержка файловой системы CDFS, отвечающей стандарту ISO’9660, описывающему расположение информации на CD-ROM. Поддерживаются длинные имена файлов в соответствии с ISO’9660 Level 2.

При создании CD-ROM для использования под управлением Windows 2000 следует иметь в виду следующее:

  • все имена каталогов и файлов должны содержать менее 32 символов;
  • все имена каталогов и файлов должны состоять только из символов верхнего регистра;
  • глубина каталогов не должна превышать 8 уровней от корня;
  • использование расширений имен файлов не обязательно.

Сравнение файловых систем

Под управлением Microsoft Windows 2000 возможно использование файловых систем FAT16, FAT32, NTFS или их комбинаций. Выбор операционной системы зависит от следующих критериев:

  • того, как используется компьютер;
  • аппаратной платформы;
  • размера и числа жестких дисков;
  • безопасности информации

Файловые системы FAT

Как вы уже могли заметить, цифры в названии файловых систем - FAT16 и FAT32 - указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, в FAT16 применяется 16-битная адресация и, соответственно, возможно использование до 2 16 адресов. В Windows 2000 первые четыре бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 2 28 .

В табл. 8 показаны размеры кластеров для файловых систем FAT16 и FAT32.

Помимо существенных отличий в размере кластера FAT32 также позволяет корневому каталогу расширяться (в FAT16 число вхождений ограничено 512 и может быть даже ниже при использовании длинных имен файлов).

Преимущества FAT16

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

  • файловая система поддерживается операционными системами MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми операционными системами UNIX;
  • существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;
  • при возникновении проблем с загрузкой с жесткого диска система может быть загружена с флоппи-диска;
  • данная файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мбайт.
Недостатки FAT16

К основным недостаткам FAT16 относятся:

  • корневой каталог не может содержать более 512 элементов. Использование длинных имен файлов существенно сокращает число этих элементов;
  • FAT16 поддерживает не более 65 536 кластеров, а так как некоторые кластеры зарезервированы операционной системой, число доступных кластеров - 65 524. Каждый кластер имеет фиксированный размер для данного логического устройства. При достижении максимального числа кластеров при их максимальном размере (32 Кбайт) максимальный объем поддерживаемого тома ограничивается 4 Гбайт (под управлением Windows 2000). Для поддержания совместимости с MS-DOS, Windows 95 и Windows 98 объем тома под FAT16 не должен превышать 2 Гбайт;
  • в FAT16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие;
  • на дисках большого объема теряется много места за счет того, что используется максимальный размер кластера. Место под файл выделяется исходя из размера не файла, а кластера.
Преимущества FAT32

Среди преимуществ FAT32 можно отметить следующие:

  • выделение дискового пространства выполняется более эффективно, особенно для дисков большого объема;
  • корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска. Благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число элементов в корневом каталоге;
  • за счет использования кластеров меньшего размера (4 Кбайт на дисках объемом до 8 Гбайт) занятое дисковое пространство обычно на 10-15% меньше, чем под FAT16;
  • FAT32 является более надежной файловой системой. В частности, она поддерживает возможность перемещения корневого каталога и использования резервной копии FAT. Помимо этого загрузочная запись содержит ряд критичных для файловой системы данных.
Недостатки FAT32

Основные недостатки FAT32:

  • размер тома при использовании FAT32 под Windows 2000 ограничен 32 Гбайт;
  • тома FAT32 недоступны из других операционных систем - только из Windows 95 OSR2 и Windows 98;
  • не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;
  • в FAT32 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие.

Файловая система NTFS

При работе в Windows 2000 Microsoft рекомендуется отформатировать все разделы жесткого диска под NTFS, за исключением тех конфигураций, когда используется несколько операционных систем (кроме Windows 2000 и Windows NT). Применение NTFS вместо FAT позволяет использовать функции, доступные в NTFS. К ним, в частности, относятся:

  • возможность восстановления. Эта возможность «встроена» в файловую систему. NTFS гарантирует сохранность данных за счет того, что использует протокол и некоторые алгоритмы восстановления информации. В случае системного сбоя NTFS использует протокол и дополнительную информацию для автоматического восстановления целостности файловой системы;
  • сжатие информации. Для томов NTFS Windows 2000 поддерживает сжатие отдельных файлов. Такие сжатые файлы могут использоваться Windows-приложениями без предварительной распаковки, которая происходит автоматически при чтении из файла. При закрытии и сохранении файл снова упаковывается;
  • помимо этого можно выделить следующие преимущества NTFS:

Некоторые функции операционной системы требуют наличия NTFS;

Скорость доступа намного выше - NTFS минимизирует число обращений к диску, требуемых для нахождения файла;

Защита файлов и каталогов. Только на томах NTFS возможно задание атрибутов доступа к файлам и папкам;

При использовании NTFS Windows 2000 поддерживает тома объемом до 2 Тбайт;

Файловая система поддерживает резервную копию загрузочного сектора - она располагается в конце тома;

NTFS поддерживает систему шифрования Encrypted File System (EFS), обеспечивающую защиту от неавторизованного доступа к содержимому файлов;

При использовании квот можно ограничить объем дискового пространства, занимаемого пользователями.

Недостатки NTFS

Говоря о недостатках файловой системы NTFS, следует отметить, что:

  • NTFS-тома недоступны в MS-DOS, Windows 95 и Windows 98. Помимо этого ряд функций, реализованных в NTFS под Windows 2000, недоступен в Windows 4.0 и более ранних версиях;
  • для томов небольшого объема, содержащих много файлов небольшого размера, возможно снижение производительности по сравнению с FAT.

Файловая система и скорость

Как мы уже выяснили, для томов небольшого объема FAT16 или FAT32 обеспечивает более быстрый доступ к файлам по сравнению с NTFS, так как:

  • FAT обладает более простой структурой;
  • размер каталогов меньше;
  • FAT не поддерживает защиту файлов от несанкционированного доступа - системе не нужно проверять права доступа к файлам.

NTFS минимизирует число обращений к диску и время, необходимое для нахождения файла. Кроме того, если размер каталога достаточно мал, чтобы поместиться в одной записи MFT, вся запись считывается за один раз.

Одно вхождение в FAT содержит номер кластера для первого кластера каталога. Для просмотра файла FAT требуется поиск по всей файловой структуре.

Сравнивая скорость операций, выполняемых для каталогов, содержащих короткие и длинные имена файлов, следует учитывать, что скорость операций для FAT зависит от самой операции и размера каталога. Если FAT ищет несуществующий файл, поиск выполняется по всему каталогу - эта операция занимает больше времени, чем поиск по структуре, основанной на B-деревьях, используемой в NTFS. Среднее время, необходимое для поиска файла, в FAT выражается как функция от N/2, в NTFS - как log N, где N - это число файлов.

Ряд следующих факторов влияет на скорость чтения и записи файлов под управлением Windows 2000:

  • фрагментация файла. Если файл сильно фрагментирован, NTFS обычно требуется меньше обращений к диску, чем FAT для нахождения всех фрагментов;
  • размер кластера. Для обеих файловых систем размер кластера по умолчанию зависит от объема тома и всегда выражается степенью числа 2. Адреса в FAT16 - 16-битные, в FAT32 - 32-битные, в NTFS - 64-битные;
  • размер кластера по умолчанию в FAT базируется на том факте, что таблица расположения файлов может иметь не более 65 535 вхождений - размер кластера представляет собой функцию от объема тома, деленного на 65 535. Таким образом, размер кластера по умолчанию для тома FAT всегда больше, чем размер кластера для тома NTFS того же объема. Отметим, что больший размер кластера для томов FAT означает, что тома FAT могут быть менее фрагментированными;
  • расположение файлов небольшого размера. При использовании NTFS файлы небольшого размера содержатся в MFT-записи. Размер файла, помещающегося в одну запись MFT, зависит от числа атрибутов этого файла.

Максимальный размер томов NTFS

Теоретически NTFS поддерживает тома с числом кластеров до 2 32 . Но тем не менее помимо отсутствия жестких дисков такого объема существуют и другие ограничения на максимальный размер тома.

Одним из таких ограничений является таблица разделов. Индустриальные стандарты ограничивают размер таблицы разделов 2 32 секторами. Другим ограничением является размер сектора, который обычно равен 512 байт. Поскольку размер сектора может измениться в будущем, текущий размер дает ограничение на размер одного тома - 2 Тбайт (2 32 x 512 байт = 2 41). Таким образом, 2 Тбайт является практическим пределом для физических и логических томов NTFS.

В табл. 11 показаны основные ограничения NTFS.

Управление доступом к файлам и каталогам

При использовании томов NTFS можно устанавливать права доступа к файлам и каталогам. Эти права доступа указывают, какие пользователи и группы имеют доступ к ним и какой уровень доступа допустим. Такие права доступа распространяются как на пользователей, работающих за компьютером, на котором располагаются файлы, так и на пользователей, обращающихся к файлам через сеть, когда файл располагается в каталоге, открытом для удаленного доступа.

Под NTFS можно также устанавливать разрешения на удаленный доступ, объединяемые с разрешениями на доступ к файлам и каталогам. Помимо этого файловые атрибуты (только чтение, скрытый, системный) также ограничивают доступ к файлу.

Под управлением FAT16 и FAT32 тоже возможно устанавливать атрибуты файлов, но они не обеспечивают права доступа к файлам.

В версии NTFS, используемой в Windows 2000, появился новый тип разрешения на доступ - наследуемые разрешения. Вкладка Security содержит опцию Allow inheritable permissions from parent to propagate to this file object , которая по умолчанию находится в активном состоянии. Данная опция существенно сокращает время, требуемое на изменение прав доступа к файлам и подкаталогам. Например, для изменения прав доступа к дереву, содержащему сотни подкаталогов и файлов, достаточно включить эту опцию - в Windows NT 4 необходимо изменить атрибуты каждого отдельного файла и подкаталога.

На рис. 5 показаны диалоговая панель Properties и вкладка Security (раздел Advanced) - перечислены расширенные права доступа к файлу.

Напомним, что для томов FAT можно управлять доступом только на уровне томов и такой контроль возможен только при удаленном доступе.

Сжатие файлов и каталогов

В Windows 2000 поддерживается сжатие файлов и каталогов, расположенных на NTFS-томах. Сжатые файлы доступны для чтения и записи любыми Windows-приложениями. Для этого нет необходимости в их предварительной распаковке. Используемый алгоритм сжатия схож с тем, который используется в DoubleSpace (MS-DOS 6.0) и DriveSpace (MS-DOS 6.22), но имеет одно существенное отличие - под управлением MS-DOS выполняется сжатие целого первичного раздела или логического устройства, тогда как под NTFS можно упаковывать отдельные файлы и каталоги.

Алгоритм сжатия в NTFS разработан с учетом поддержки кластеров размером до 4 Кбайт. Если величина кластера больше 4 Кбайт, функции сжатия NTFS становятся недоступными.

Самовосстановление NTFS

Файловая система NTFS обладает способностью самовосстановления и может поддерживать свою целостность за счет использования протокола выполняемых действий и ряда других механизмов.

NTFS рассматривает каждую операцию, модифицирующую системные файлы на NTFS-томах, как транзакцию и сохраняет информацию о такой транзакции в протоколе. Начатая транзакция может быть либо полностью завершена (commit), либо откатывается (rollback). В последнем случае NTFS-том возвращается в состояние, предшествующее началу транзакции. Для того чтобы управлять транзакциями, NTFS записывает все операции, входящие в транзакцию, в файл протокола, перед тем как осуществить запись на диск. После того как транзакция завершена, все операции выполняются. Таким образом, под управлением NTFS не может быть незавершенных операций. В случае дисковых сбоев незавершенные операции просто отменяются.

Под управлением NTFS также выполняются операции, позволяющие «на лету» определять дефектные кластеры и отводить новые кластеры для файловых операций. Этот механизм называется cluster remapping.

В данном обзоре мы рассмотрели различные файловые системы, поддерживаемые в Microsoft Windows 2000, обсудили устройство каждой из них, отметили их достоинства и недостатки. Наиболее перспективной является файловая система NTFS, которая обладает большим набором функций, недоступных в других файловых системах. Новая версия NTFS, поддерживаемая Microsoft Windows 2000, обладает еще большей функциональностью и поэтому рекомендуется для использования при установке операционной системы Win 2000.

КомпьютерПресс 7"2000

Эту файловую систему используют такие операционные системы, как Windows NT/2000/XP. При установке NTFS, диск разделяется на две неравные части: первая отводиться под MFT (Master File Table - общая таблица файлов), называется MFT - зоной и занимает порядка 12% от общего размера диска, вторую часть занимают собственно Ваши данные. Есть еще и третья зона, но о ней позже. Что за зверь этот MFT? Это основа NTFS. Он лежит, как было сказано ранее, в MFT - зоне т. е. в начале диска. Каждая запись в MFT соответствует какому-либо файлу и занимает около 1 Kb. По своей сути это каталог всех файлов находящихся на диске. Надо заметить, что любой элемент данных в NTFS рассматривается как файл, даже MFT. Первые 16 файлов (метафайлы) в MFT - зоне являются особой кастой. В них содержится служебная информация, они имеют фиксированное положение и они недоступны даже операционной системе. Кстати, первым из этих 16 является сам MFT - файл. Существует копия первых трех записей. Помните, я говорил о третьей зоне, так вот там она и лежит и своим положением, если можно так выразиться, делит диск пополам. Зачем это сделано? Да для надежности, в случае утери информации в MFT - файле, всегда можно восстановить информацию, а там уже дело техники, как говориться. Все остальные файлы в MFT - зоне могут располагаться произвольно. Надо заметить, что в MFT - зоне теоретически кроме служебных файлов ничего не находиться. Но бывают случаи, когда места на той части диска, что отведена для пользователя не остается:-(и тогда MFT - зона уменьшается. Соответственно появляется место во второй половине диска для записи данных. Когда же в этой зоне освобождается достаточное количество свободного места, MFT - зона опять расширяется. И вот тут то появляется проблема. В MFT - зону попадают обычные файлы и она начинает фрагментироваться. Это не смертельно конечно, но и приятного тут мало. Но вернемся к нашим баранам, то бишь метафайлам. Каждый из них отвечает за какую-либо область работы. Начинаются они с символа имени $ (тем, кто занимается программированием значок известен). Приведу пример некоторых из них:

  • MFT - не что иное как сам MFT
  • MFTmirr - та самая копия, что по серединке диска
  • LogFile - это файл журналирования
  • Boot - как видно из названия, его величество загрузочный сектор
  • Bitmap - карта свободного места раздела

Ну и так далее. Информация о метафайлах находиться в MFT - файле. Сложно? Есть такое дело. Но вся эта фигня придумана для увеличения надежности NTFS и себя оправдывает. Едем дальше. NTFS практически не имеет ограничения на размеры диска (во всяком случае при нынешних технологиях производства жестких дисков). Размер кластера может варьироваться от 512 b до 64 Kb, хотя обычный его размер равен 4 Kb.

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

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

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

В NTFS используется шифрование данных. Таким образом, если Вы снесли систему и установили ее по новой, зашифрованные файлы без соответствующей санкции прочитать не сможете.

Теперь о журналировании. Но сначала определимся с понятием транзакция. Транзакция - это действие, которое должно быть выполнено целиком и полностью (читай - корректно), в противном случае оно вообще не будет выполнено. Так вот, на основе этой фигни, при сбое во время записи данных на диск, пометок о новом файле в метафайлах сделано не будет. А место, куда была начата запись будет считать чистым. Это необходимо для предохранения:-) от различного рода геморроев. Короче, выполнил действие до конца - сделал запись, не удалось - и записывать об этом незачем. Но следует заметить, что функция журналирования сохраняет работоспособность файловой системы, а не ваших данных.

И наконец в NTFS есть еще две такие функции, как Symbolic Links - возможность создания виртуальных каталогов, и Hard Links - поддержка нескольких имен для одного и того же файла.Вот пожалуй что и все.

На данный момент времени эта файловая система является самой распространенной, хотя и сдает постепенно свои позиции после выхода Windows XP. Поддерживают FAT 32 все операционные системы семейства Windows начиная с Windows 95 OSR2. Итак, FAT 32 (File Allocation Table) - это электронная таблица размещения файлов. Находиться она практически в самом начале диска. Структура диска FAT:

    1. загрузочные секторы главного и дополнительного разделов;
    2. загрузочный сектор логического диска;
    3. корневой каталог;
    4. область данных;
    5. цилиндр для выполнения диагностических операций чтения/записи;

Основное преимущество FAT 32 перед FAT 16 заключается в том, что вместо 16 разрядных записей используются 32х разрядные. Это в свою очередь увеличивает количество кластеров в разделе до 268 435 456 (в FAT - 65 536). При использовании FAT 32 размер тома равен 2 Tb, а размер одного файла может достигать 4 Gb. Заметное отличие FAT 32 от предшествующих таблиц заключается в том, что корневой каталог не занимает фиксированного места на диске и может иметь любой размер.

Размер кластера при использовании FAT 32 в разделе размером 2 Gb с 5 000 файлами равен 4 Kb (в FAT 16 - 32 Kb), в таблице будет использоваться до 524 288 записей. При этом сама таблица будет весить порядка 2 Мb.

Сравнение NTFS и FAT 32.

Ну что, займемся неблагодарным делом - сравнением двух файловых систем.

Достоинства:

    1. Быстрая скорость доступа к файлам малого размера;
    2. Размер дискового пространства на сегодняшний день практически не ограничен;
    3. Фрагментация файлов не влияет на саму файловую систему;
    4. Высокая надежность сохранения данных и собственно самой файловой структуры;
    5. Высокая производительность при работе с файлами большого размера;

Недостатки:

    1. Более высокие требования к объему оперативной памяти по сравнению с FAT 32;
    2. Работа с каталогами средних размеров затруднена из-за их фрагментации;
    3. Более низкая скорость работы по сравнению с FAT 32

Достоинства:

    1. Высокая скорость работы;
    2. Низкое требование к объему оперативной памяти;
    3. Эффективная работа с файлами средних и малых размеров;
    4. Более низкий износ дисков, вследствие меньшего количества передвижений головок чтения/записи.

Недостатки:

    1. Низкая защита от сбоев системы;
    2. Не эффективная работа с файлами больших размеров;
    3. Ограничение по максимальному объему раздела и файла;
    4. Снижение быстродействия при фрагментации;
    5. Снижение быстродействия при работе с каталогами, содержащими большое количество файлов;

Итак, некоторые соображения. Обе файловые системы хранят данные в кластерах минимальный размер которого равен 512 b. Как правило обычный размер кластера равен 4 Kb. На этом сходства пожалуй и заканчиваются. Кое-что о фрагментации: скорость работы NTFS резко снижается при заполнении диска на 80 - 90 %. Это связано с фрагментацией служебных и рабочих файлов. Чем больше Вы работаете с таким загруженным диском, тем сильнее фрагментация и тем ниже производительность. В FAT 32 фрагментация рабочей области диска происходит и на более ранних этапах. Дело тут зависит от того, насколько часто Вы записываете/стираете данные. Как и в NTFS, фрагментация сильно снижает производительность. Теперь об оперативной памяти. Объем самой электронной таблицы FAT 32 может занимать в ОЗУ порядка нескольких мегабайт. Но на помощь приходит кэширование. Что записывается в кэш:

    1. Наиболее используемые каталоги;
    2. Данные о всех используемых в данный момент времени файлах;
    3. Данные о свободном пространстве диска;

А что же NTFS? Кэшированию трудно поддаются каталоги больших размеров, а они могут достигать размеров нескольких десятков мегабайт. Плюс MFT, плюс информация о свободном месте на диске. Хотя надо заметить, что NTFS все же довольно экономно расходует ресурсы оперативной памяти. В наличии удачная система хранения данных, в MFT каждая запись примерно равна 1 Kb. Но все же требования к объему ОЗУ выше, чем для FAT 32. Короче, если Ваша память меньше или равна 64 Mb, то эффективнее с точки зрения скорости окажется FAT 32. Если больше - разница в скорости будет маленькая, а зачастую вообще никакой. Теперь о самом жестком диске. Для использования NTFS желательно наличие Bus Mastering. Что это? Это особый режим работы драйвера и контроллера. При использовании BM обмен происходит без участия процессора. Отсутствие ВМ скажется на производительности системы. Кроме этого, вследствие использования более сложной файловой системы количество движений головок чтения/записи возрастает, что так же влияет на скорость. Наличие дискового кэша одинаково положительно сказывается, как на NTFS, так и на FAT 32.