Фізична організація ntfs
Файлова система NTFS була розроблена як основна файлова система для ОС Windows NT на початку 90-х років з урахуванням досвіду розробки файлових систем FAT і HPFS (основна файлова система для OS/2), а також інших існуючих у той час файлових систем. Основними відмітними властивостями NTFS є:
підтримка великих файлів і великих дисків обсягом до 264 байт;
відновлюваємість після збоїв і відмов програм і апаратури керування дисками;
висока швидкість операцій, у тому числі й для великих дисків;
низький рівень фрагментації, у тому числі й для великих дисків;
гнучка структура, що допускає розвиток за рахунок додавання нових типів записів і атрибутів файлів із збереженням сумісності з попередніми версіями ФС;
стійкість до відмов дискових накопичувачів;
підтримка довгих символьних імен;
контроль доступу до каталогів і окремих файлів.
Структура тому NTFS. На відміну від розділів FAT і s5/ufs весь простір тому NTFS є є або файлом, або частиною файлу. Основою структури тому NTFS є головна таблиця файлів (Master File Table, MFT), що містить принаймні один запис для кожного файлу тому, включаючи один запис для самої себе. Кожний запис MFT має фіксовану довжину, що залежить від обсягу диску, - 1, 2 або 4 Кбайт.
Усі файли на томі NTFS ідентифікуються номером файлу, що визначається позицією файлу в MFT. Цей спосіб ідентифікації файлу близький до способу, використовуваному у файлових системах s5 і ufs, де файл однозначно ідентифікується номером його запису в області індексних дескрипторів.
Весь том NTFS складається з послідовності кластерів, що відрізняє цю файлову систему від розглянутих раніше, де на кластери ділилася тільки область даних. Порядковий номер кластера в томі NTFS називається логічним номером кластера (Logical Cluster Number, LCN). Файл NTFS також складається з послідовності кластерів, при цьому порядковий номер кластера усередині файлу називається віртуальним номером кластера (Virtual Cluster Number, VCN).
Базова одиниця розподілу дискового простору для файлової системи NTFS – неперервна область кластерів, яку називають відрізком. Як адресу відрізка NTFS використовує логічний номер його першого кластера, а також кількість кластерів у відрізку k, тобто пари (LCN, k). Таким чином, частина файлу, поміщена у відрізок і починається з віртуального кластера VCN, характеризується адресою, що складається із трьох чисел (VCN, LCN, k).
Для зберігання номера кластера в NTFS використовуються 64-розрядні покажчики, що дає можливість підтримувати томи й файли розміром до 264 кластерів. При розмірі кластера в 4 Кбайт це дозволяє використовувати томи й файли, що складаються з 64 мільярдів кілобайт.
Структура тому NTFS показана на рис. 16. Завантажувальний блок тому NTFS розташовується на початку тому, а його копія – у середині тому. Завантажувальний блок містить стандартний блок параметрів BIOS, кількість блоків у томі, а також початковий логічний номер кластера основної копії MFT і дзеркальну копію MFT.
Рис. 16. Структура тому NTFS
Далі розташовується перший відрізок MFT, що містить 16 стандартних, створюваних при форматуванні записів про системні файли, NTFS.
В NTFS файл цілком розміщається в запису таблиці MFT, якщо це дозволяє зробити його розмір. У тому ж випадку, коли розмір файлу більше розміру запису MFT, у запису розміщують тільки деякі атрибути файлу, а інша частина файлу розміщається в окремому відрізку тому (або декількох відрізках). Частина файлу, розташовувана в запису MFT, називається резидентною частиною, а інші частини – нерезидентними. Адресна інформація про відрізки, що містять нерезидентні частини файлу, розміщається в атрибутах резидентної частини.
Деякі системні файли є повністю резидентними, а деякі мають і нерезидентні частини, які розташовуються після першого відрізка MFT.
Нульовий запис MFT містить опис самої MFT, у тому числі й такий її важливий атрибут, як адреси всіх її відрізків. Після форматування MFT складається з одного відрізка, але після створення першого ж несистемного файлу для зберігання його атрибутів потрібно ще один відрізок, тому що споконвічно безперервна послідовність кластерів MFT уже завершена системними файлами.
З наведеного опису видно, що сама таблиця MFT розглядається як файл, до якого застосуємо метод розміщення в томі у вигляді набору довільно розташованих декількох відрізків.
Структура файлів NTFS. Кожний файл і каталог у томі NTFS складається з набору атрибутів. Ім’я файлу і його дані також розглядаються як атрибути файлу, тобто в трактуванні NTFS, крім атрибутів у файлу немає ніяких інших компонентів.
Кожний атрибут файлу NTFS складається з полів: тип атрибута, довжина атрибута, значення атрибута і, можливо, ім’я атрибута. Тип атрибута, довжина та ім’я утворять заголовок атрибута.
Є системний набір атрибутів, обумовлених структурою тому NTFS. Системні атрибути мають фіксовані імена і коди їхнього типу, а також певний формат. Можуть застосовуватися також атрибути, обумовлені користувачами. Їхні імена, типи й формати задаються винятково користувачем. Атрибути файлів упорядковані за зменшенням коду атрибута, причому атрибут того самого типу може повторюватися кілька разів. Існують два способи зберігання атрибутів файлу – резидентне зберігання в записах таблиці MFT і нерезидентне зберігання поза нею, у зовнішніх відрізках. Таким чином, резидентна частина файлу складається з резидентних атрибутів, а нерезидентна – з нерезидентних атрибутів. Сортування може здійснюватися тільки за резидентними атрибутами.
Перелічимо деякі атрибути із системного набору:
Attribute List (список атрибутів) – список атрибутів, з яких складається файл; містить посилання на номер запису MFT, де розташований кожний атрибут; цей рідко використовуваний атрибут потрібний тільки в тому випадку, якщо атрибути файлу не вміщаються в основному запису і займають додаткові записи MFT;
File Name (ім’я файлу) – цей атрибут містить довге ім’я файлу у форматі Unicode, а також номер входу в таблиці MFT для батьківського каталогу; якщо цей файл утримується в декількох каталогах, то в нього буде кілька атрибутів типу File Name; цей атрибут завжди повинен бути резидентним;
DOS Name (ім’я MS-DOS) – цей атрибут містить ім’я файлу у форматі 8.3;
Security Descriptor (дескриптор безпеки) – цей атрибут містить інформацію про захист файлу: список прав доступу і поле аудиту, що визначає, якого роду операції над цим файлом потрібно реєструвати;
Data (дані) – містить звичайні дані файлу;
MFT bitmap (бітова карта MFT) – цей атрибут містить карту використання блоків у томі;
Standard Information (стандартна інформація) – цей атрибут зберігає всю іншу стандартну інформацію про файл, що важко зв’язати з яким-небудь із інших атрибутів файлу, наприклад, час створення файлу, час відновлення та ін.
Файли NTFS залежно від способу розміщення діляться на невеликі, великі, дуже великі і надвеликі.
Невеликі файли (small) – якщо файл має невеликий розмір, то він може цілком розташовуватися усередині одного запису MFT, що має, наприклад, розмір 2 Кбайт. Невеликі файли NTFS складаються принаймні з наступних атрибутів (рис. 17):
стандартна інформація (SI - standard information);
ім’я файлу (FN - file name);
дані (Data);
дескриптор безпеки (SD- Security descriptor).
Рис. 17. Невеликий файл NTFS
Великі файли (large) – якщо дані файлу не вміщуються в один запис MFT, то цей факт відбивається в заголовку атрибута Data, що містить ознаку того, що цей атрибут є нерезидентним, тобто перебуває у відрізках поза таблицею MFT. У цьому випадку атрибут Data містить адресну інформацію (LCN, VCN, k) кожного відрізка даних (рис. 18).
Рис. 18. Великий файл
Надвеликі файли (extremely huge) – для надвеликих файлів в атрибуті Attribute List можна вказати кілька атрибутів, розташованих у додаткових записах MFT (рис. 19). Крім того, можна використовувати подвійну непряму адресацію, коли нерезидентний атрибут буде посилатися на інші нерезидентні атрибути, тому в NTFS не може бути атрибутів занадто великої для системи довжини.
Рис. 19. Надвеликий файл
Дуже великі файли (huge). Якщо файл настільки великий, що його атрибут даних, що зберігає адреси нерезидентних відрізків даних, не вміщуються в одному запису, то цей атрибут розміщують в інший запис MFT, а посилання на такий атрибут розміщують в основний запис файлу (рис. 20). Це посилання міститься в атрибуті Attribute List. Сам атрибут даних як і раніше містить адреси нерезидентних відрізків даних.
Рис. 20. Дуже великий файл