2.3. Особенности файловой системы ntfs

Файловая система NTFS (New Technologies File System – файловая система новой технологии) была выпущена вместе с ОС Windows NT 3.5 в 1993 г. До выхода Windows 2000 разработка двух линий ОС была раздельной, и потребительские ОС Windows 95/98/Me были ограничены использованием FAT16 или FAT32. В отличие от них, линейка NT, включая Windows XP, поддерживает все системы (за исключением Windows NT4, не знакомой с FAT32).

Система NTFS содержит множество улучшений по сравнению с системами FAT. Наиболее важные относятся к:

• оптимизированному использованию пространства на больших томах,

• исправлению ошибок после аварий,

• защите данных от несанкционированного доступа,

• службе индексации,

• сжатию и шифрованию данных,

• восстановлению системы после серьезных сбоев.

NTFS может управлять разделами размером в несколько сотен Тбайт. Что касается безопасности, то администраторы получили возможность использовать встроенные функций защиты: политики доступа пользователей к файлам и папкам, системы шифрования файлов EFS (Encryption File System – шифрованная файловая система).

Система NTFS, используемая в версиях Windows, вплоть до Windows 2000, не соответствовала современным требованиям, в частности:

• ограничивала число томов 26 (диски от A до Z);

• изменение раздела всегда требовало перезагрузки;

• информация о томах NTFS хранилась в реестре, что усложняло использование диска с другой системой.

Указанные проблемы были решены в Windows 2000 с помощью LDM (Logical Disk Manager – логический дисковый менеджер), который больше не требует присвоения букв дискам. Улучшения NTFS, используемой в Windows XP, были связаны с:

• улучшением пропускной способности данных,

• введением возможности устанавливать значения размера кластера, отличные от фиксированного по 512 байт;

• улучшением административных функций: индексация папок и ограничение непредвиденных расходов памяти.

Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл – даже служебная информация. Самый главный файл в NTFS называется MFT (Master File Table – общая таблица файлов). В отличие от FAT, которая хранит таблицы отдельно, в начале тома, NTFS помещает MFT в скрытых файлах.

Раздел NTFS может быть почти какого угодно размера. Его максимальный размер ограничен лишь размерами жестких дисков.

NTFS делит все полезное место носителя на кластеры – блоки данных, причем размер кластера изменяется от 512 байт до 64 Кбайт (стандартом считается кластер размером 4 Кбайт).

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под MFT-зону - пространство, в которое растет метафайл MFT. Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов (рис. 9).

Рис. 9. Физическая структура NTFS

Механизм использования MFT-зоны следующий: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях ОС ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT-зона может снова расшириться. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне останутся обычные файлы.

MFT размещается в MFT-зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска (в том числе, и себя самого). MFT управляет всеми файлами тома и, так называемыми, метаданными с помощью реляционной базы данных. Информация о файлах размещается в строчках, а в столбцах записаны атрибуты файлов (скрытый, шифрованный, сжатый, системный и т.д.).

MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому-либо файлу. Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны ОС – они называются метафайлами, причем самый первый метафайл – сам MFT. Файлы размером до 900 байт могут полностью помещаться в одну запись. Для файлов большего размера MFT содержит указатели на их расположение в дисковой памяти. То же самое относится и к папкам: если они имеют достаточно малый размер, то полностью входят в MFT.

Первые 16 элементов MFT – единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Вторая копия первых трех записей, для надежности (они очень важны) хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска – восстановить его положение можно с помощью его самого, «зацепившись» за самую основу – за первый элемент MFT.

Каждый метафайл отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество такого подхода заключается в гибкости. Например, в файловой системе FAT физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности - кроме первых 16 элементов MFT.

Метафайлы находятся в корневом каталоге NTFS диска – они начинаются с символа имени «$». В настоящее время используются следующие метафайлы:

• $MFT – сам MFT;

• $MFTmirr – копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска;

• $LogFile – файл поддержки журналирования;

• $Volume – служебная информация (метка тома, версия файловой системы и т.д.);

• $AttrDef – список стандартных атрибутов файлов на томе;

• $. - корневой каталог;

• $Bitmap – карта свободного места тома;

• $Boot – загрузочный сектор (если раздел загрузочный);

• $Quota - файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства;

• $Upcase – файл-таблица соответствия заглавных и прописных букв в именах файлов на текущем томе.

Все файлы, размещаемые на диске, упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле (за исключением собственно данных): имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.

Файлы небольшого размера (до 900 байт) хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего «физического» воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте - в MFT.

Имя файла 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 – 255 символов.

Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево (В-дерево). Это означает следующее: для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как в FAT, ОС приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом – с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя – выше или ниже? Такой поиск начинается с вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Файлы отсортированы по алфавиту, и ответ на вопрос осуществляется очевидным способом – сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента. Пример поиска по В-дереву показан на рис. 10.

Таким образом, для поиска одного файла среди, например, 1000, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе В-дерева – всего около 10-ти (2¹⁰ = 1024).

Главный каталог диска - корневой - ничем не отличается об обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

NTFS – отказоустойчивая система, которая может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях.

В табл. 4 приведены ограничения, налагаемые на файловые системы NTFS и FAT.

Таблица 4. Ограничения файловых систем

Ограничения	NTFS	FAT16/FAT32
Размеры тома	Минимальный размер тома составляет приблизительно 10 Мбайт На практике рекомендуется создавать тома, размер которых не превышает 2 Тбайт С помощью NTFS нельзя форматировать дискеты	FAT16 поддерживает различные размеры томов - от объема дискет до 2 Гбайт FAT32 поддерживает тома объемом от 2 Гбайт до 2 Тбайт. Работая под управлением Windows 2000 для FAT32 можно отформатировать тома, объем которых не превышает 32 Гбайт
Размеры файлов	Теоретически размер файла может составлять 16 Экзабайт(2^63-1)	FAT16 поддерживает файлы размером не более 2 Гбайт FAT32 поддерживает файлы размером не более 4 Гбайт

Для новой ОС Vista компания Microsoft разрабатывает новую файловую систему Windows Future Storage (WinFS – «грядущая система хранения»), призванную заменить NTFS и FAT. В основе WinFS лежит доработанная NTFS с улучшенными функциями администрирования, организации доступа к файлам, синхронизации и защиты файловых ресурсов.

Новая файловая система предназначена для хранения файлов на основе критериев их содержания, т.е. автора, содержания, имени, источника и последнего обратившегося пользователя. Структура папок, отображаемая в Проводнике, представляет собой просто виртуальную карту.

Сутью WinFS является, так называемая, модель данных – механизм, который постоянно администрирует и структурирует цифровые элементы или «предметы» (items). Предметы используют описательные элементы, выходящие за понятие файла. Эти описательные элементы не присутствуют в файле, а полностью принадлежат и управляются WinFS. При данной схеме в качестве предметов можно регистрировать не только файлы, но и, например, контакты, ссылки в Интернете, письма и т.д.

С точки зрения пользователей, предметы снимают необходимость в использовании физического места расположения файлов. Вместо этого ОС организует данные, в зависимости от их содержания, в виртуальные папки. При поиске данных пользовательские критерии типа «Все документы по курсу ИКТ за последние два года» заменяют информацию о формате файлов, авторах и расположении.

Microsoft реализовала меняющуюся модель предметов в WinFS, т.е. пользователи могут сами определять предметы с помощью метаданных XML и указывать связи между предметами. При этом существует возможность, например, вывода всех документов данного автора вместе с информацией о его адресе и связанных с ним документов.

Задание №4

1. Определите, какие файловые системы используются на жестком диске вашей рабочей станции:

• выполните команды главного меню Windows: Пуск  Настройка  Панель управления  Администрирование  Управление компьютером;

• в левой панели консоли Управление компьютером раскройте раздел Запоминающие устройства и дважды щелкните мышью по опции Управление дисками;

• в правой панели консоли Управление компьютером отобразится информация о структуре дисков и используемых файловых системах;

• запишите эту информацию в свою рабочую тетрадь;

• закройте окно консоли.

Определите характеристики логических и физических дисков вашей рабочей станции:

• выполните команды главного меню Windows: Пуск  Программы  Стандартные  Служебные  Сведения о системе;

• в левой панели консоли Сведения о системе раскройте раздел Компоненты, а в нем – подраздел Запоминающие устройства;

• двойным щелчком мыши выберите первую опцию Диски. В правой панели отобразятся характеристики логических дисков. Выпишите значения в свою рабочую тетрадь;

• двойным щелчком мыши выберите вторую опцию Диски. В правой панели отобразятся характеристики физических дисков. Выпишите основные значения в свою рабочую тетрадь;

• закройте окно консоли.

ВЫВОДЫ

1. В основе любой ОС лежит принцип организации работы внешнего устройства хранения информации. Основным понятием при этом является файл - логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область.

Файл характеризуется следующими параметрами: полным именем файла; объемом файла в байтах; датой и временем создания (модификации) файла; специальными атрибутами файла.

2. Полное имя файла состоит из двух частей: собственно имени, которое должно быть уникально, чтобы отличить один файл от другого, и расширения, отделяемого от имени точкой. В MS DOS принята система полного имени (8,3), означающая, что имя файла может включать до 8, а расширение – до 3 буквенно-цифровых символов (причем в качестве букв допустимы только символы латинского алфавита). Начиная с ОС Windows 95 появилась возможность использовать длинные имена файлов (до 254 символов), при этом были сняты практически все ограничения на допустимые символы, используемые в именах.

3. Для доступа к файлам, хранящихся на внешних носителях, необходимо иметь некоторую их организацию. Имена файлов регистрируются на носителях в папках (каталогах, директориях). Папка (каталог) – это справочник файлов с указанием месторасположения на носителе. Во всех ОС, начиная с MS DOS, принята иерархическая структура организации папок. На каждом носителе всегда имеется единственный главный (корневой) каталог. Он находится на 0-м уровне иерархической структуры. Корневой каталог создается при форматировании (инициализации, разметке) носителя, имеет ограниченный размер и не может быть удален средствами ОС. В главный каталог могут входить другие каталоги и файлы, которые создаются командами ОС и могут быть удалены соответствующими командами.

4. Для указания пути к файлу необходимо использовать полное имя файла, имеющего структуру [ накопитель: ][ путь\ ] имя-файла.расширение.

5. Файловая система – часть ОС, управляющая размещением и доступом к файлам и папкам на физическом носителе, которая создается в процессе форматирования носителя. Файловая структура носителя данных – организация размещения на носителе главного каталога, папок, файлов, операционной системы, а также выделенные для них объемы секторов, кластеров, дорожек.

6. Для увеличения скорости обмена данными между внешними накопителями и оперативной памятью группы смежных секторов объединяются в кластеры. Кластер – это минимальный размер адресуемого пространства на носителе.

7. На выбор файловой системы оказывают влияние ряд факторов: цель, для которой предполагается использовать ПК; аппаратная платформа; количество жестких дисков и их объем; требования к безопасности; используемые в системе приложения.

8. Во многих современных ПК используется файловая система FAT (File Allocation Tabl – таблица размещения файлов). Сначала для дискет и небольших жестких дисков (менее 16 Мбайт) использовалась 12-разрядная версия FAT (так называемая FAT12). В MS-DOS v.3.0 была введена 16-разрядная версия FAT для более крупных дисков. Концепция, заложенная в основу FAT, предусматривает не только секторную организацию структуры диска, но и разбиение его на четыре функциональные области: блок начальной загрузки; таблицу размещения файлов; главный каталог; файлы и каталоги разного назначения.

9. Появление жестких дисков большой емкости (десятки и сотни Гбайт) заставило разработчиков ОС перейти к 32-разрядной файловой системе FAT32, обеспечивающей оптимальный доступ к жестким дискам, CD(DVD)-ROM и сетевым ресурсам, повышая скорость и производительность всех операций ввода/вывода. FAT32 обеспечивает следующие преимущества по сравнению с прежними реализациями FAT: поддержку дисков размером до 2 Тбайт; более эффективное расходование дискового пространства (на 10-15%); быструю работу с малыми и средними каталогами и эффективная работа на медленных дисках; повышенную надежность и более быструю загрузку программ.

10. Файловая система NTFS (New Technologies File System – файловая система новой технологии) содержит множество улучшений по сравнению с системами FAT. Наиболее важные относятся к: оптимизированному использованию пространства на больших томах, исправлению ошибок после аварий, защите данных от несанкционированного доступа, службе индексации, сжатию и шифрованию данных, восстановлению системы после серьезных сбоев.