Лекции / 5. ввод-вывод и файловые системы

Сейчас exFAT продолжает использоваться как файловая система по умолчанию для многих USB-накопителей и SD-карт, при этом на данный момент существует свободный драйвер exFAT в виде патча для ядра Linux, поддерживающий только операцию чтения. Дополнительно существует драйвер, работающий через специальный интерфейс FUSE, обеспечивающий взаимодействие с ядром Linux без изменения его кода, который поддерживает как чтение, так и запись. В 2013 году компания Samsung опубликовала исходный код драйвера exFAT для систем на базе Linux, который обеспечивает полную поддержку данной файловой системы, но он не был включен в состав ядра из-за патентных опасений.

24 Ноября 2019 года Линус Торвальдс объявил о выпуске ядра Linux 5.4, в котором добавлены новые возможности, ряд механизмов защиты, а также обновлённые драйверы для поддержки новых аппаратных решений.

Одним из главных нововведений стала экспериментальная поддержка файловой системы Microsoft exFAT, которая теперь реализована на уровне ядра.

52

Предварительное резервирование файлов в кластере

Как и NTFS, exFAT можно предварительно выделят место на диске для файла, просто отмечая произвольное пространство на диске как "выделено". Для каждого файла exFAT использует два отдельных 64-битовых поля в каталоге: действительная длина блока данных (VDL), которая указывает на реальный размер файла, и физическую длину данных.

53

Набор файлов каталога

exFAT и остальная часть семейства FAT файловых систем не использует индексы для имен файлов, в отличие от NTFS, которая использует B-деревья для поиска файлов. При обращении к файлу, каталог должен быть просканирован, пока не будет найдено совпадение. Для имен файлов короче 16 символов, требуется запись о названии файла , но весь файл представлен тремя 32 байтными записями в каталоге. Это называется набор файлов каталога, и подкаталог размером в 256 Мб может вместить до 2,796,202 наборов файлов. (Если файлы имеют более длинные имена, это число будет уменьшаться). Для того, чтобы помочь улучшить последовательный поиск директорий (включая корень) хэш-значения файла выводится для каждого файл и хранится в записи каталога. При поиске файла, имя файла сначала преобразуется в верхний регистр с помощью Upcase таблицы (имена файлов чувствительны к регистру), а затем хэшируются с использованием запатентованного алгоритма в хэш-значение размером в 16-бит (2 байта). Каждая запись в каталоге ищется путем сравнения хэш-значений. Когда обнаруживается совпадение, имена файлов сравниваются, чтобы удостовериться, что правильный файл был найден. Это повышает производительность, поскольку только 2 байта, должны быть сравнены для каждого файла. Это позволяет значительно сократить циклы CPU, так как большинство именем файлов имеет размер более 2-х символов (байт), и каждое сравнение фактически выполняется только на 2 байта, в то время, пока нужный файл не находится.

54

Метаданные и контрольные суммы

exFAT разрешает использование метаданные[посредством использования контрольных сумм. В настоящее время существует три контрольные суммы. Volume Boot Record (VBR) представляет собой область размером в 12 секторов, который содержит загрузочные записи, блок параметров BIOS (BPB), параметры OEM и контрольная сумма сектора. (Есть два региона типа VBR, основной VBR и резервный VBR). Сектор контрольных сумм является контрольной суммой предыдущих 11 секторов, за исключением трех байтов в загрузочном секторе. Это обеспечивает целостность VBR путем определения, если VBR был изменен. Наиболее распространенной причиной может быть вирус в загрузочном секторе, но он также может повредить и VBR. Вторая контрольная сумма используется для UPCASE таблицы. Это статическая таблица и никогда не должны измениться. Любое повреждение в таблице приведет к ошибке обнаружения файла, поскольку эта таблица используется для преобразования имен файлов в верхний регистр при поиске. Третья контрольная сумма находится в наборах файлов каталога. Несколько записей каталога используются для определения одного файла, и это называется набор файлов. Этот файл имеет набор метаданных, включая имя файла, временные метки, атрибуты, адрес первого кластера расположения данных, длины файлов, а также имя файла. Контрольная сумма берется по всему множеству файлов и ошибка в выборе нужного файла может произойти, если набор файлов каталога был случайно или намеренно изменен. Когда файловая система смонтирована, и проводится проверка целостности, эти хэши проверяются. Вмонтирование также включает в себя сравнение версии exFAT файловой системы драйвером, чтобы убедиться, что драйвер совместим с файловой системой, который он пытается смонтировать, и убедиться в том, что все из требуемых записей каталогов на месте (например, запись каталога для Upcase таблицы и распределения Bitmap требуются для того чтобы файловая система работала). Если какой-либо из этих проверок не дает положительного результата, файловая система не устанавливается, хотя в некоторых случаях она может быть смонтирована только для чтения.

Файловая система обеспечивает расширяемость с помощью шаблонов на основе определений метаданных с использованием основных макетов и общие закономерности.

55

Преимущества

Основными преимуществами exFAT перед предыдущими версиями FAT являются:

•Уменьшение количества перезаписей одного и того же сектора, что важно для флеш-накопителей, у которых ячейки памяти необратимо изнашиваются после определённого количества операций записи (это сильно смягчается выравниванием износа (wear leveling), встроенным в современные USB-накопители и SD-карты). Это было основной причиной разработки exFAT.

•Теоретический лимит на размер файла 264 байт (16 эксабайт). •Максимальный размер кластера увеличен до 225 байт (32 мегабайта). •Улучшение распределения свободного места за счёт введения биткарты свободного места, что может уменьшать фрагментацию диска. •Введена поддержка списка прав доступа.

•Поддержка транзакций (опциональная возможность, должна поддерживаться устройством).

56

Файловые системы Mac OS

•HFS+ (Mac OS Extented)

•HFS+ была представлена 19 января 1998 г. вместе с Mac OS 8.1, но впервые её представили в качестве тестовой файловой системы для так и не вышедшей OS Copland (1994—1996 гг.). Начиная с 11 ноября 2002 г., с выпуском обновления 10.2.2, Apple Inc. сделала возможным журналирование для повышения надёжности хранения информации. Оно было легко доступно с серверной версией Mac OS X, но только через интерфейс командной строки с настольных клиентов. Начиная с Mac OS X v10.3 журналирование стало включённым по умолчанию, а том с журналом получил название HFSJ.

•HFS+ journaled(журнальный) стал основной файловой системой, которую использовала компания Apple на своих компьютерах Mac.

57

О файловой системе HFS+

•Основной тип файловой системы в Mac OS X

•Требуется для программ архивирования Time Machine или альтернативных вариантов в виде Carbon Copy

Cloner или SuperDuper.

•Для того чтобы с этим форматом работала Windows, требуется дополнительное программное обеспечение —

MacDrive (чтение/запись) или HFSExplorer (только чтение)

•Максимальная длина имени файла 255 символов

•Максимальный размер диска: примерно 8 000 петаБайт (9 223 372 034 707 292 160 Байт или 263-231)

•Максимальный размер файла: примерно 8 000 петаБайт

•Максимальное количество файлов : 2,13 млрд (231 )

Есть вариант журнальный — когда система ведет лог-файл изменений (журнал), который позволяет легче восстановить диск после сбоя и ускоряет работу Time Machine

58

APFS - файловая система Mac OS/IOS

Apple File System – это новая, современная файловая система, разработанная компанией Apple для использования в iOS, macOS, tvOS и watchOS. Эта файловая система, оптимизированная для работы с Flash/SSD накопителями, включает в себя функциональность сильного шифрования, copy-on-write, space sharing, клонирование файлов и папок, создание снимков (snapshots).

APFS стала файловой системой по умолчанию в iOS версии 10.3. Возможность выбрать APFS в качестве основной на этапе установки появилась в macOS High Sierra (версия 10.13).

Одним из самых главных преимуществ файловой системы APFS — высокая скорость переноса и копирования данных, перенос данных из раздела в раздел или же из с одного носителя на другой осуществляется практически моментально. Данная файловая система разрабатывалась с учетом реальных требований пользователей, а так же основываясь на последние разработки и технологии. Но это далеко не все преимущества.

59

Преимущества APFS

1.APFS позволяет устройствам работать быстрее;

2.Файловая система иначе подсчитывает объемы свободного и занятого пространства, поэтому после перехода на APFS окажется, что места на накопителе будет больше; 3.Быстрее перемещает и копирует файлы, а значит, на загрузку ОС и установку приложений будет уходить меньше времени. Преимущества APFS над HFS+ наглядно продемонстрировал на WWDC 2016 инженер Apple Эрик Тамура, скопировав iTunes на флеш-накопитель, отформатированный под новую систему. Когда APFS уже завершила работу, диск на HFS+ продолжал копировать еще 17 секунд.;

4.APFS позволяет осуществлять копирование во время записи метаданных, клонировать файлы и папки, делать моментальные снимки файловой системы, имеет повышенную устойчивость к сбоям, поддерживает совместное использование пространства, ускоренную каталогизацию и многие другие функции.

Файловая система APFS стала доступна с выходом MacOS High Sierra, она и доступна только при работе в данной операционной системе. Ни одна из нижестоящих версий Mac OS X, даже MacOS Sierra не поддерживает APFS.

Данный факт очень значительно снижает ее популярность и у большей части пользователей по прежнему основной файловой системой остается HFS+

60

HFS+ Extented

•обладает всеми преимуществами HFS+ журналируемого, но при этом зашифровывает абсолютно все данные на диске или же отдельном размере. Файловая система просто необходима для тех, кто ценит свою безопасность. Данная файловая система очень часто применяется для шифрования отдельных разделов жесткого диска или для файлов резервной копии Time Machine.

•недостатком можно считать снижение скорости передачи данных и записи, так как шифрование замедляет процесс. В свою очередь 10 минутное создание резервной копии может длиться в разы дольше, что может так же отражаться и на скорости остальных процессов в работе ОС. Конечно такое замедление наиболее ощутимо на HDD дисках, если вы используете SSD накопитель, то и скорость шифрования будет уже не так заметна.

•

61