6.3 Файловая система ntfs
Основными целями при проектировании NTFS (New Technology File System – Файловая система новой технологии) были надежность, безопасность и поддержка носителей информации большой емкости. Основные особенности файловой системы NTFS следующие [5].
Способность восстановления данных. Файловая система восстанавливается при отказе системы и сбоев дисков. Это достигнуто по средствам использования механической транзакции, при котором осуществляется журналирование файловой операции.
Безопасность. Файловая система поддерживает объектную модель безопасности и рассматривает все тома, каталоги, файлы как самостоятельные объекты. NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов, это означает, что право доступа к файлам зависит от учетной записи пользователя, и тех групп к которым он принадлежит.
Расширенная функциональность. NTFS проектировалась с учетом возможного расширения. В ней реализованы такие возможности, как эмуляция других операционных систем, параллельная обработка потоков данных и создание файловых атрибутов определенных пользователем.
Поддержка POSIX (Portable Operating System for computing environments). Международный стандарт машинно-независимого интерфейса вычислительной среды. В нем основное внимание уделяется взаимодействию прикладных программ с операционной системой. Написанная прикладная программа позволяет создавать программы легко переносимые из одной операционной системы в другую.
Эффективная поддержка больших дисков и файлов. Максимальный размер тома NTFS составляет 264 байт = 1 Экзобайт = 16000 млр. Гб. Максимальный размер файла составляет 232 кластера = 264 байт. Размер кластера может меняться от 512 байт до 64 Кбайт. NTFS поддерживает длинные имена файлов, набор символов Unicode и имена 8.3. Количество файлов в корневом и не корневом каталоге не ограниченно.
NTFS не обладает жестко заданной структурой. Вся файловая система считается областью данных, и любой сектор может быть выделен файлу. Единственное фиксированное требование – это первые сектора тома содержат загрузочный сектор и загрузочный код.
«Сердцем» NTFS является главная файловая таблица MFT (Master File Table – Общая таблица файлов), содержащая информацию обо всех файлах и каталогах. Каждый файл или каталог представлен как минимум одной записью таблицы, причём записи сами по себе очень просты. Их размер составляет 1 Кбайт, но только первые 42 байта имеют определенное предназначение. В остальных байтах хранятся атрибуты – небольшие структуры данных, выполняющие строго специализированную функцию. Например, один атрибут используется для хранения имени файла, а другой – для хранения его содержимого. На рисунке 52 показана основная структура записи MFT с заголовком и тремя атрибутами.
Рисунок 52 – Структура записи MFT
Количество атрибутов зависит от версии NTFS и характеристик описываемого объекта. Атрибут – это объект, содержащий данные определенного типа. Существуют атрибуты для имени файла, даты, времени и даже для содержимого файлов. В этом проявляется одно из отличий NTFS от других файловых систем. Как правило, файловые системы читают и записывают содержимое файлов, а NTFS читает и записывает атрибуты, одна из разновидностей которых передаёт содержимое файлов. В таблице 4 перечислены некоторые стандартные типы атрибутов и соответствующие им идентификаторы. Не все типы атрибутов и идентификаторы существуют для каждого файла.
Таблица 4 – Некоторые стандартные типы атрибутов в записях MFT
Идентификатор типа |
Имя |
Описание |
16 |
$STANDARD_INFORMATION |
Общая информация (флаги; время создания, последнего обращения и модификации; владелец и идентификатор системы безопасности) |
32 |
$ATTRIBUTE_LIST |
Список других атрибутов файла |
48 |
$FILE_NAME |
Имя файла в Unicode; время создания, последнего обращения и модификации |
64 |
$VOLUME_VERSION |
Информация о томе. Существует только в версии 1.2 |
80 |
$SECURITY_DESCRIPTOR |
Время обращения и свойства безопасности файла |
96 |
$VOLUME_NAME |
Имя тома |
112 |
$VOLUME_INFORMATION |
Версия файловой системы и другие флаги |
128 |
$DATA |
Содержимое файла |
144 |
$INDEX_ROOT |
Корневой узел индексного дерева |
Атрибут состоит из заголовка и содержимого. Заголовок определяет тип атрибута, его размер и имя, содержит флаги, указывающие на сжатие или шифрование.
Содержимое атрибутов имеет произвольный формат и произвольный размер. Естественно неудобно сохранять такое количество данных в 1Кбайтных записях MFT. Для решения этой проблемы в NTFS предусмотрена возможность хранения содержимого атрибутов в двух местах: резидентные атрибуты хранятся в MFT записях с заголовками, нерезидентные атрибуты хранятся во внешних кластерах файловой системы. Что представлено на рисунке 53.
Рисунок 53 – Структура записи MFT с заголовками и содержимым атрибутов
Теоретически файл может содержать до 65536 атрибутов (из-за 16-разрядных идентификаторов), поэтому для хранения всех заголовков атрибутов одной записи MFT может быть недостаточно. Поэтому создается базовая MFT-запись и ссылается на другие MFT-записи. Чтобы уменьшить объем места, занимаемого файлом, NTFS может сохранять значения некоторых нерезидентных атрибутов в разреженном формате, т.е. заполненные нулями кластеры не записываются на диск. NTFS позволяет хранить атрибуты в сжатом виде, а также применяться шифрование атрибутов.
Таким образом структура раздела файловой системы NTFS имеет вид, представленный на рисунке 54. Первые 12 % диска отводятся под так называемую MFT зону – пространство, в которое растут MFT записи. 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.
Рисунок 54 – Структура раздела NTFS
Для упрощения поиска в NTFS используются индексные структуры данных, в которых атрибуты сортируются в виде B-деревьев. Деревом называется совокупность структур данных, называемых узлами; узлы связываются между собой, начиная с корневого узла. Пример приведен на рисунке 55, а.
а б
Рисунок 55 – а) дерево с пятью узлами, б) то же дерево после сортировки узлов
Родительским узлом называется узел, от которого идут связи к другим узлам. Дочерним – к кому идут. Облегчение поиска заключается в том, что если нужно найти какое-то значение производится перебор не всех значений, а по дереву. Т.е. если больше корневого узла направо, если меньше налево. В NTFS используется схожая структура индексации, в результате процедура добавления и удаления файла несколько сложна. То же касается и восстановления данных.
Файловая система NTFS достаточно сложна и полное описание функционирования системы и её возможности займёт отдельную книгу, но дополнительную информацию вы можете почерпнуть в публикациях [5, 8, 9].