Физическая организация ntfs

Файловая система NTFS (NT File System) была разработана в качестве основной файловой системы для ОС Windows NT в начале 90-х годов с учетом опыта разработки файловых систем FAT и HPFS (основная файловая система для OS/2), а также других существовавших в то время файловых систем. Сейчас NTFS поддерживается всеми ОС семейства Windows NT, которое включает операционные системы Windows NT 3.1, Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003 и Windows Vista, а также многими другими опе­рационными системами.

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 для больших дисков;

• низкий уровень фрагментации, в том числе 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.

Структура тома ntfs

В отличие от разделов FAT и s5/ufs, все пространство тома¹ NTFS представляет собой либо файл, либо часть файла.

Основой структуры тома NTFS является главная таблица файлов (Master File Table, MFT), которая содержит, по крайней мере, одну запись для каждого файла тома, включая одну запись для самой себя. Каждая запись MFT имеет фиксированную длину, зависящую от объема диска — 1, 2 или 4 Кбайт. Для большинства дисков размер записи MFT равен 2 Кбайт, его мы далее будет считать размером записи, устанавливаемым по умолчанию.

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 ufs, 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 (Logical Cluster Number, LCN). Файл NTFS также состоит из последовательности кластеров, при этом порядковый номер кластера внутри файла называется виртуальным номером кластера (Virtual Cluster Number, VCN).

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 k, то есть вара (LCN, k). Таким образом, часть файла, помещенная в отрезок и начинающаяся с виртуального кластера VCN, характеризуется адресом, состоящим из трех чисел: (VCN, LCN, k).

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 рис. 7.21.

Рис. 7.21. Структура тома NTFS

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.

Далее располагается первый отрезок MFT, содержащий 16 стандартных создаваемых при форматировании записей о системных файлах NTFS. Назначение этих записей иллюстрирует табл. 7.1

Таблица 7.1. Назначение 16 стандартных записей о системных файлах NTFS

Номер записи	Системный файл	Имя файла	Назначение файла
0	Главная таблица файлов	$Mft	Полный список файлов тома NTFS
1	Копия главной таблицы файлов	$MftMirr	Зеркальная копия первых трех записей MFT
2	Файл журнала	SLogFile	Список транзакций, который используется для восстановления файловой системы после сбоев
3	Том	$ Volume	Имя тома, версия NTFS и другая информация о томе
4	Таблица определения атрибутов ,	SAttrDef	Таблица имен, номеров и описаний атрибутов
5	Индекс корневого каталога	$	Корневой каталог
6	Битовая карта кластеров	SBitmap	Разметка использованных кластеров тома
7	Загрузочный сектор раздела	$Boot	Адрес загрузочного сектора раздела
8	Файл плохих кластеров	SBadClus	Файл со списком всех обнаруженных на томе плохих кластеров
9	Таблица квот	$Quota	Квоты пространства на диске для каждого пользователя
10	Таблица преобразования регистра символов	$U pease	Используется для преобразования регистра символов в кодировке Unicode
11-15	Зарезервированы для будущего использования

В NTFS файл целиком размещается в одной записи таблицы MFT, если это позволяет сделать его размер. В том же случае, когда размер файла больше размера записи MFT, то в запись помещаются только некоторые атрибуты файла, а остальная часть файла размещается в отдельном отрезке тома (или нескольких отрезках). Часть файла, размещаемая в записи MFT, называется резидентной, остальные части — нерезидентными. Адресная информация об отрезках, содержащих нерезидентные части файла, находится в атрибутах резидентной части.

Некоторые системные файлы являются полностью резидентными, а некоторые имеют и нерезидентные части, которые располагаются после первого отрезка MFT.

Нулевая запись MFT содержит описание самой таблицы MFT, в том числе и такой ее важный атрибут, как адреса всех ее отрезков. После форматирования MFT состоит из одного отрезка, но после создания первого же несистемного файла для хранения его атрибутов требуется еще один отрезок, так как непрерывная последовательность кластеров MFT изначально завершается системными файлами.

Из приведенного описания видно, что сама таблица MFT рассматривается как файл, к которому применим метод размещения в томе в виде набора произвольно расположенных нескольких отрезков.