6.4. Логическое форматирование разделов жесткого диска

Внутри каждого из разделов информация должна быть организована способом, который был бы понятен операционной системе, использующей данный раздел. Этот способ организации представляет собой файловую систему. Различные операционные системы используют разные файловые системы, поэтому способ их создания зависит от выбора операционной системы. В DOS и Windows процедура подготовки называется логическим форматированием, а в Linux – созданием файловой системы.

Например, при форматировании раздела под FAT32 выполняются следующие действия:

создается загрузочный сектор (Boot Record);

создается таблица размещения файлов (File Allocation Table, FAT);

помечаются части раздела, имеющие физические дефекты. Эти части в дальнейшем никогда не используются.

После выполнения операции форматирования логические диски приобретают следующую организацию:

логический диск начинается с загрузочного сектора (Boot Sector);

после загрузчика размещаются одна или несколько копий таблицы размещения файлов (FAT);

затем следует корневой каталог (Root);

далее следует область данных, разбитая на кластеры и используемая для хранения папок и файлов.

Между загрузочным сектором и первой копией FAT может находиться некоторое количество зарезервированных секторов.

Каждый логический диск должен быть отформатирован программой форматирования отдельно. Как было сказано выше, форматирование в операционных системах DOS и Windows осуществляется утилитой format.com. Для этого в командной строке необходимо набрать команду

> format X:

где X – имя диска.

Если форматируемый диск необходимо сделать загрузочным, то утилиту format.com необходимо запустить с ключом / S, например

> format X: / S

Приведенный способ логического форматирования не единственный. Как правило, он применяется до установки ОС, когда форматирование и очистка диска эквивалентны. Если ОС Windows 2000 установлена, то графический интерфейс значительно увеличивает количество способов как логического форматирования, так и прочих манипуляций с разделами.

6.5. Файловые системы

Файловая система представляет информацию на диске в виде совокупности файлов и папок. Файловую систему можно рассматривать как систему, связывающую носитель информации и интерфейс для доступа к файлам. Прикладной программе, обращающейся к файлу, известны только имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Файловая же система устанавливает где и как будет записан файл на физическом носителе.

С точки зрения пользователя, файл – это единица хранения логически связанной информации: текстовой, графической, звуковой, видео. Наряду с логическими дисками, файлы и папки можно рассматривать, как логические единицы информации. Размер этих объектов, выраженный в других единицах, например байтах, вполне может быть различен. В файловой системе файлы и папки записываются некими аналогами байтов – кластерами. С точки зрения организации хранения данных на диске, файл – это цепочка связанных между собой кластеров.

Кластер – это минимальная порция дискового пространства, которая может быть выделена для размещения файла. Каждый кластер содержит фиксированное количество секторов: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, т.е. кратное степени двойки. С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров размером от 512 байт и выше. Точное значение количества секторов в кластере зависит от размера раздела. Чем больше размер раздела, тем больше секторов содержится в одном кластере. Размер каждого сектора на любом диске строго фиксирован и обычно равен 512 байт. Таким образом, операционная система отводит место для файлов на диске участками, которые называются кластерами. Каждый файл, в зависимости от размера, получает для хранения своих данных один или несколько кластеров, которые могут располагаться подряд, один за другим, или же вразброс по всему диску. Свободные кластеры выделяются для файла по мере необходимости, т.е. тогда, когда фактически выполняется запись на диск. Это избавляет пользователя от необходимости заранее резервировать место для каждого файла и знать где именно на диске хранится тот или иной файл. Все операции выделения файлам свободных кластеров и записи в них данных выполняется автоматически, без участия пользователя.

В настоящее время наиболее распространенными на персональных компьютерах с ОС продукции Microsoft, являются три файловые системы:

FAT16 – в MS-DOS, Windows 95 / 9 8 / ME, Windows NT / 2000 / XP;

FAT32 – в Windows 95 / OSR2 / 98 / ME, Windows NT / 2000 / XP;

NTFS (New Technology File System) – в Windows NT / 2000 / XP.

Файловая система FAT16 является основной для операционных систем MS-DOS и Windows 95, используется в Windows 95 OSR2 / 98 / ME, Windows NT / 2000 / XP, а также поддерживается большинством других систем.

Файловая система FAT16 представляет собой простую файловую систему, разработанную для небольших дисков и простых структур каталогов. Ее название происходит от названия метода для организации файлов – таблица размещения файлов (File Allocation Table, FAT). В целях защиты информации на диске хранятся два экземпляра FAT на тот случай, если один из них окажется поврежденным. Один из экземпляров FAT размещается в начале диска, другой – в конце. Число 16 означает, что файловая система 16-разрядная – для адресации кластеров используется 16 разрядов.

Операционная система использует таблицу размещения файлов для поиска файла и определения кластеров, который этот файл занимает на жестком диске. Кроме этого, в таблице фиксируются сведения о свободных и испорченных кластерах. В этом смысле FAT16 подобна оглавлению книги.

Таблица размещения файлов описывает расположение папок и файлов в кластерах. Каждому кластеру в FAT соответствует свой элемент (ячейка таблицы). Элемент FAT может иметь одно из следующих значений:

0 – свободный кластер;

номер следующего элемента в цепочке кластеров (до 0xFFEF);

0xFFF0–0xFFF6 – зарезервированные значения;

0xFFF7 – дефектный кластер;

0xFFF8–0xFFFF – последний кластер в цепочке.

Чтобы прочитать файл, операционной системе надо найти по имени файла его запись в папке и прочитать номер первого кластера. Первый кластер представляет собой начало файла. Затем необходимо прочитать соответствующий первому кластеру файла элемент FAT. Если элемент содержит метку «последний в цепочке», то поиск прекращается, т.к. весь файл умещается в одном кластере. Если кластер не последний, то он содержит номер следующего кластера. Далее чтение и анализ продолжается аналогично. Когда будет найден последний кластер в цепочке, то, если файл не занимает весь кластер целиком, необходимо отсечь лишние байты кластера. Лишние байты отсекаются по длине файла, хранящейся в записи папки.

Чтобы записать файл, операционная система должна выполнить следующую последовательность действий. В свободном элементе папки создается описание файла, затем ищется свободный элемент FAT и ссылка на него размещается в записи папки. Занимается первый кластер, описываемый найденным элементом FAT. В этот элемент FAT помещается номер следующего кластера или признак последнего кластера в цепочке.

Удаление файла (без помещения в корзину) сводится к объявлению всех занимаемых файлом кластеров свободными (соответствующие элементы FAT обнуляются) и замене в записи папки первого символа имени файла кодом 0xE5. При обычном поиске в папке операционная система такие элементы игнорирует.

В файловой системе FAT16 под номер кластера отведено 16 разрядов. Максимальное количество кластеров составляет , а максимальный размер кластера – 128 секторов. Максимальный размер разделов или дисков в FAT16 составляет, т.е. около 4Гб. При логическом форматировании операционная система подбирает минимальный размер кластера, при котором получающееся количество кластеров не превышает 65517. Очевидно, что чем больше размер раздела, тем больше должен быть размер кластера. Многие ОС неправильно работают с кластером размером в 128 секторов. В результате максимальный размер раздела FAT16 уменьшается до 2 Гбайт.

Обычно чем больше размер кластера, тем больше становятся потери дискового пространства. Это связано с тем, что последний кластер, занимаемый файлом, как правило, заполнен лишь частично. Например, если файл размером 17 Кбайт записывается в раздел с размером кластера 16 Кбайт (32 сектора), то этот файл займет два кластера. Причем первый кластер будет заполнен полностью, а во втором кластере будет записан только 1 Кбайт данных, а остальные 15 Кбайт пространства второго кластера останутся незаполненными, но будут недоступны для записи других файлов. Если на дисках большого объема записывается большое количество файлов небольшого объема, то потери дискового пространства будут значительны.

Возможны два способа уменьшения потерь дискового пространства. Первый – разбиение дискового пространства на мелкие разделы с малым размером кластера. Второй – использование файловой системы FAT32, в которой для нумерации кластеров используется 28 разрядов, что позволяет значительно уменьшить размер кластера.

При логическом форматировании раздела операционная система создает корневой каталог размером 512 элементов, который располагается в специальном месте.

В FAT16, использовавшейся в DOS, изначально имелось ограничение на размер имен файлов. Они могли содержать 8 английских символов в имени и 3 символа в расширении имени. Имя и расширение разделялись точкой. С появлением поддержки длинных имен в Windows 95 OSR2 и Windows NT это ограничение было снято и стало возможным использование в именах символов кириллицы.

Из всего вышесказанного следует, что основными недостатками файловой системы FAT16 являются:

невозможность поддержки разделов диска размером больше 2 Гб;

невозможность работы с файлами размером более 2 Гб;

невозможность работы с жесткими дисками емкостью более 8 Гб;

ограниченный размер корневой папки – она может содержать не более 512 элементов;

поддержка имен файлов, состоящих не более чем из 8 символов имени, точки и 3 символов расширения имени (в Windows 95 OSR2 и Windows NT это ограничение снято).

Файловая система FAT32 представляет собой усовершенствованную версию FAT16, предназначенную для использования на разделах емкостью до 2 Терабайт. Она появилась в Windows 95 OSR2, является основной файловой системой в Windows 98 / ME и поддерживается Windows 2000 / XP. Ее разработка была обусловлена необходимостью поддержки больших (более 8 Гб) жестких дисков и невозможностью встраивания какой-либо более сложной файловой системы в MS-DOS, которая лежит в основе Windows 95 / 98 / ME. Для обеспечения совместимости с существующими прикладными программами, сетями и драйверами устройств, FAT32 была реализована с минимумом возможных изменений в архитектуре и внутренних структурах данных.

Главными отличиями FAT32 от FAT16 являются 28-разрядные номера кластеров, меньший по сравнению с FAT16 размер кластера и более гибкая организация корневого каталога, который не ограничен в размере. Однако при небольших размерах кластера, но больших размерах раздела увеличивается размер таблицы расположения файлов, что может замедлить загрузку операционной системы и ее работу с файлами. Максимально возможный размер файла для раздела FAT32 – 4 Гб.

Штатными средствами Windows 2000 / XP невозможно создать разделы FAT32 размером более 32Гб. Однако работатьс такими разделами возможно, если они были предварительно созданы в других операционных системах. Причина этого заключается в том, что по мнению Microsoft при увеличении размера тома FAT32 свыше 32 Гб резко падает производительность и более подходящее решение – использование NTFS.

Файловая система NTFS является основной файловой системой Windows NT / 2000 / XP. Это – 64-разрядная файловая система, использующая Unicode для хранения имен файлов. NTFS является журналируемой (журналирование – ведение журнала, хранящего список изменений, в той или иной степени помогающего сохранить целостность файловой системы), т.е. защищенной от сбоев, а также поддерживает сжатие и шифрование.

Основным элементом NTFS является главная таблица файлов (Master File Table, MFT). Раздел NTFS условно делится на две части. Первые 12 % диска отводятся под так называемую 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. Чтобы уменьшить вероятность повреждений и потерь данных сохраняется копия критической части MFT. Все остальные элементы структуры данных NTFS являются специальными файлами.

Файловая система NTFS обеспечивает поддержку больших дисков, контроль доступа к данным и привилегии владельца, играющие важную роль в обеспечении целостности важных конфиденциальных данных. Файлы и папки NTFS могут иметь назначенные им права доступа вне зависимости от того являются ли они разделяемыми, т.е. доступными для других пользователей сети, или нет.

NTFS, как и FAT16 и FAT32, использует кластеры для записи файлов на диск. Размер кластера в NTFS по умолчанию зависит от размера диска. Так на дисках объемом 1-2 Гб кластер содержит 4 сектора или 2 Кб. Для сравнения, кластер FAT32 на таких дисках имеет размер 4 Кб, а FAT16 – 32 Кб. Таким образом, файловая система NTFS использует дисковое пространство наиболее эффективно по сравнению с FAT16 и FAT32.

В процессе форматирования диска можно указать размер кластера в NTFS, отличный от умолчания. В общем же случае рекомендуется использовать размер кластера, предлагаемый по умолчанию. Если размер кластера в NTFS не превышает 4 Кб, то становится возможным динамическое сжатие данных на диске. Процедура сжатия данных всегда связана с их перекодированием, производимым с целью уменьшения их объема. Такая процедура применяется для более рационального использования устройств хранения и передачи данных: уменьшения занимаемого пространства носителя, времени передачи и т.п. Сжатие возможно, когда в исходных данных имеется избыточность информации.

При использовании файловых систем семейства FAT для хранения файлов и папок на внешнем носителе в сжатом виде необходимо использовать специальные приложения типа WinZIP или WinRAR. При этом сжатая информация хранится в специальном файле и не является мгновенно доступной. Для того чтобы воспользоваться информацией, сжатой одной из этих программ (существует еще множество других), следует сначала произвести разархивацию сжатого файла. Считается, что такое сжатие «не прозрачно» для пользователя – пользователь не может оперировать с сжатыми файлами и папками как с обычными.

В файловой системе NTFS динамическое сжатие файлов и папок реализуется посредством атрибута compress (сжатый). Для получения доступа к атрибутам объекта в Windows 2000 / XP необходимо, щелкнув на объекте правой кнопкой мыши в проводнике, выбрать пункт Свойства (Properties). Пример окна свойств представлен на рис. 6.6. Окно свойств файла (или папки) имеет кнопку Дополнительно… (или Другие…). Нажатие этой кнопки делает возможным доступ к дополнительным атрибутам файла (или папки) (рис. 6.7).

Режим сжатия изменяется (включается / выключается) в строке «Сжимать содержимое для экономии места на диске».

Изменение атрибута динамического сжатия для папки требует уточнения области применения этого атрибута (рис. 6.8).

Такое сжатие является «прозрачным» для пользователя: можно работать с файлами как с несжатыми – для пользователя процесс упаковки и распаковки файла перед его обработкой не выделяется в отдельную операцию. Следует учитывать, что работа со сжатыми файлами (папками) требует дополнительного времени на операции компрессии-декомпрессии, поэтому операции с такими объектами происходят с некоторой задержкой.

Объект, имеющий атрибут «Сжатие» будет занимать меньше места на диске. Это будет отражаться в строчках «Размер:» и «На диске:» свойств такого объекта.

На рис. 6.9 приведен пример свойств объекта project – папки, имеющей атрибут «Сжатие».

Рис. 6.6. Окно свойств файла «На рыбалку.bmp»

Рис. 6.7. Окно установки дополнительных атрибутов

Рис. 6.8. Окно подтверждения изменения атрибутов папки

Рис. 6.9. Окно свойств объекта projeсt, имеющего атрибут «Сжатие»

Подведем некоторые итоги. Файловая система NTFS в отличие от предшествующей FAT32 имеет ряд преимуществ: поддержка системы метаданных, использование специализированных структур, надежность и эффективности использования дискового пространства, журналирование, возможность разграничения доступа, назначения квот и аудита.

Будучи разработанной на основе файловой системы HPFS (High Performance File System — высокопроизводительная файловая система), NTFS, однако, в значительной степени утратила присущую HPFS весьма высокую производительность файловых операций.

В данное время существует несколько версий NTFS:

v1.2 используется в Windows NT 3.51 и Windows NT 4.0;

v3.0 поставляется с Windows 2000;

v3.1 поставляется с Windows XP и Windows Server 2003.

Иногда используется другая маркировка:

NTFS 4.0 – для Windows NT;

NTFS 5а – для Windows 2000 / XP.

В некоторых случаях происходит конвертация версии NTFS. Например, при подключении диска c NTFS 4.0 к Windows 2000 /XP он автоматически конвертируется системой в NTFS 6.0.

Выбор файловой системы для использования в Windows 2000 / XP осуществляется пользователем в процессе установки и зависит от целей, для которых предполагается использование компьютера, аппаратной платформы, количества и объема жестких дисков, требований к безопасности, используемых приложений.

Из всего семейства продуктов, поставляемых с ОС Windows, файловая система NTFS для использования на дисках большого объема подходит более всего. Если же к системе предъявляются повышенные требования, которые можно реализовать только в NTFS, например, по обеспечению безопасности данных, рассмотренных в разделе 7, то данную файловую систему следует использовать и на небольших дисках.

При переходе от одной файловой системы к другой в Windows используется конвертация, т.е. преобразование структуры данных из формата одной файловой системы в другую. Такое преобразование конечно же не всегда может быть однозначным. Например, NTFS имеет атрибуты, которых нет в FAT.

Для преобразования разделов FAT в NTFS в Windows 2000 имеется утилита convert.exe. Запускается эта утилита в командной строке и имеет в синтаксисе два обязательных параметра – имя диска и тип конечной файловой системы:

> convert X: /fs:ntfs

После этой команды раздел жесткого диска X: будет преобразован в NTFS. Немедленное преобразование возможно, если диск не занят никаким процессом. Обычно система выдает сообщение о том, что преобразование будет выполнено при перезагрузке. Обратное преобразование средствами Windows 2000 / XP невозможно. По мнению Microsoft от NTFS к FAT можно перейти только отформатировав раздел жесткого диска. Однако, при помощи сторонних программ, например Partition Magic, можно преобразовать любую файловую систему в другую, в частности, FAT в NTFS и NTFS в FAT.