Файловые системы:

Файловые системы – часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечивать пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на носителе информации, а также обеспечить возможность совместного использования файлов несколькими пользователями и процессорами.

Типы файловых систем:

1. Дисковые ФС

2. Запись-ориентированные ФС

3. Распределенные ФС

4. Шифрованные ФС

5. ФС специального назначения

Понятие ФС включает в себя:

1. Совокупность всех файлов на диске

2. Набор из структурных данных, используемый для управления файлом. К этим структурам относятся каталоги, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства.

3. Комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами (создание, уничтожение, создание записей, поиск…)

Жесткий диск:

Жесткий диск – набор одной или нескольких стеклянных или металлических пластин, покрытых с одной или с двух сторон магнитным материалом. На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические кольца. Их называют дорожками. На них хранятся данные. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края диска к внутреннему. Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин носителя называется цилиндром. Каждая дорожка разбивается на фрагменты, которые называются секторы или блоки. Разбиение производится таким образом, что все дорожки имеют равное количество секторов. На внешних дорожках выделяются дополнительные секторы, которые могут использоваться для горячей замены. Сектор имеет фиксированный, определенный для каждой системы горячий размер. Обычно этот размер 512 байт. Чтобы считывающее устройство могло найти на диске нужный сектор, ему нужно передать 3 параметра: номер цилиндра, номер поверхности, номер сектора. Флэшки симулируют описанную структуру, поэтому имеют подобную адресацию.

ОС использует единицу дискового пространства, называемого кластером. Кластер – совокупность из нескольких секторов.

Дорожки и секторы создаются в результате физического (низкоуровневого) форматирования.

Перед логическим форматированием диск необходимо разбить на разделы.

Раздел – непрерывная часть физического диска, которую ОС представляет пользователю, как логическое устройство.

Надежность файловых систем:

При работе с файловыми системами возможна потеря информации (из-за программного или аппаратного сбоя). Решение этих проблем:

1. Резервное копирование и восстановление.

2. Проверка целостности или непротиворечивости ФС

3. Использование отказоустойчивой ФС (например, NTFS)

Современные ФС:

1. Файловая система FAT(12;16;32) (FileAllocationTable- таблица размещения файлов). В этой файловой системе всё пространство диска разделяется на области фиксированной длины (кластеры).FATпредставляет собой базу данных, связывающую кластеры дискового пространства с самими файлами. Каталог в этой файловой системе так же представляет собой базы данных, которые входят в список файлов с указателями на первые кластеры этих файлов. ФСFAT(32) позволяет использовать длинные имена до 255 символов.FAT(12) – 13 символов. Корневой каталогFAT(32) расширен до 65536 элементов (FAT(16) – 255 элементов). Размер файла не может превышать 4 гигабайт, размер раздела – 32 гигабайт.

2. ФС SS(system) (другое название –Unix) – первая файловая система, разработанная с использованием языка программирования высокого уровня. Архитектура данной ФС – древовидная структура в виде ориентированного графа. Глобальное использование концепции файлов: все объекты представлены в виде файлов, в том числе внешние устройства. Файл с точки зренияUnix– специальным образом именованный набор файлов, размещенный в файловой системе.

Виды файлов:

. обычные файлы или данные

. каталоги

. специальные файлы устройств sdf(specialdevicefile) – специальные файлы, с помощью которых можно использовать соответствующие драйверы устройств.

. именованные каналы (namedpipe) – подвид обычных файлов, которые имеют фиксированную систему доступаFIFO(FirstInFirstOut– первым вошел первым вышел)

. link– специальные файлы, которые могут нарушать древовидную организацию

. сокеты (socket) – специальные файлы для взаимодействия процессов в рамках одной машины или в сети.

ФС обеспечивают возможность связывания одного и того же файла с различными именами.

Используется трехуровневая иерархия пользователей: 1) все пользователи 2) группы пользователей 3) конкретный пользователь. Регламентируется 3 действия: чтение, запись, выполнение RWX(read,write,execute)

Синхронизация при параллельном доступе к файлу:

Unixиспользует простой подход к управлению доступом: любому количеству пользователей разрешается параллельно осуществлять доступ к одному и тому же файлу в любом режиме (чтение, запись, выполнение). Контроль доступа осуществляется пользовательскими процессами. Начиная с файловой системыS4, появились средства синхронизации параллельного доступа. Синхронизация была возможна в пределах потока одного и того же процесса.

Физическая организация файловой системы Unixделит всё дисковое пространство на 3 категории:

1. Суперобласть ( в которой хранится информация о настройках файловой системы и её состоянии)

2. Область индексных дескрипторов (inodes) – средство построения индексного графа.

3. Область рабочих блоков ФС. В ней расположены как сами блоки данных содержимого файла, так и различные системные структуры данных.

Эти 3 категории могут повторяться. Чтобы исключить дублирование выделяют дополнительную область – bootсектор (загрузочный сектор/бутсектор). В ней описывается группа повторяющихся блоков.

Физическая организация ФС SS:

Индексный дескриптор – специальная структура в ФС, которая ставится в однозначное соответствие каждому файлу файловой системы.

Состоит индексный дескриптор из полей:

1. Определяет тип файла

2. Поле кода защиты

3. Количество ссылок на данный дескриптор из всех возможных каталогов файловой системы. Если значение 0, то считается, что дескриптор свободен

4. Длина файла в байтах

5. Статистика, дата создания, изменения

6. Поле адресации блоков файла

7. Массив номера блока

8. Идентификатор пользователей

Особенности:

1. Специально создана для ОС windows

2. Поддерживает транзакции

3. Все данные хранятся в файлах

4. Поддержка 64 битных указателей

5. Поддержка имени до 255 символов

6. Поддержка сжатия

7. Поддержка шифрования

8. Устойчивость отказа

9. Поддержка нескольких потоков данных для одного файла

Система, как и большинство других, работает с кластерами (размером от 512 байт до 64 килобайт. Стандартный размер 4 килобайта). При этом весь жесткий диск делится на 2 части: 12% отводится под MFT. Запись каких-либо данных пользователей в эту зону невозможна. В этой зоне постепенно расширяется метафайлMFT. Пространство, необходимое для максимального размера файла, всегда остается пустым (для того, чтобы главные метафайл не фрагментировался). Максимальный размерMFT не ограничивается.

Структура NTFS:

Механизм использования MFT зоны:

Когда файлы пользователя (88%) нельзя записать в свободное пространство, а в MFTзоне свободное пространство имеется, то это свободное пространствоMFTсокращается. В это свободное пространство записываются данные. При этом не исключена ситуация, когда освобождается свободное пространство в обычные области. В этом случаеMFT зона снова может расширяться.

Каждый элемент представляет собой файл. Самый главный элемент NTFS(MTF) так же является файлом. Он представляет собой общую таблицу, то есть централизованный каталог всех файлов в ФС, в том числе и самого себя. Эта таблица поделена на записи фиксированного размера(обычно 1 килобайт). Первые 16 записей относятся к служебным файлам, они не доступны операционной системе. Эти файлы называются метафайлами. Эти 16 файлов – единственная часть диска, имеющая фиксированной положение. Все остальные записи могут располагаться произвольно. Тогда восстановить любую запись можно с использование 16 метазаписей. Метафайлы находятся в корневом каталоге диска, их имена начинаются с символа $. Получить доступ к ним можно только с использованием специальных утилит.

Файлы NTFS:

1. Запись MFT. В этой записи хранится имя файла, размер на диске и положение на диске нескольких первых фрагментов файла. Если размер файла такой, что одной записиMFTнедостаточно для того, чтобы обрисовать все его фрагменты, то могут быть использованы дополнительныеMFTзаписи, причем, необязательно расположенные подряд.

2. Второй необязательный элемент – потоки данных. Файл может не иметь данных вообще. В этом случае на него не расходуется пространство диска. Если объем данных небольшой, тогда все его данные будут храниться прямо в MFT. Файлы вNTFSимеют абстрактное строение, то есть у них нет как таковых данных, а естьstreams(поток). Потоками файла являются, например, его атрибуты. Использование подобной абстракции позволяет, например, прикрепить к файлу дополнительные потоки, например, атрибуты: автор, содержание. Поэтому при удалении файла нулевого размера может освободиться пространство в несколько гигабайт.