22. Файловая система. Определение. Основные функции. Fat, ntfs.

Файловая система — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании.

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

• именование файлов;

• программный интерфейс работы с файлами для приложений;

• отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

• организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

• содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

В многопользовательских системах появляется ещё одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

FAT (File Allocation Table — «таблица размещения файлов») — классическая архитектура файловой системы, которая из-за своей простоты всё ещё широко используется для флеш-дисков и карт памяти. В недавнем прошлом использовалась в дискетах, на жёстких дисках и других носителях информации.

Разработана Биллом Гейтсом и Марком Макдональдом в 1976—1977 годах. Использовалась в качестве основной файловой системы в операционных системах семейств DOS и Windows (до версии Windows 2000).

Версии системы FAT

Существует три версии FAT — FAT12, FAT16 и FAT32. Они отличаются разрядностью записей в дисковой структуре, т.е. количеством бит, отведённых для хранения номера кластера. FAT12 применяется в основном для дискет, FAT16 — для дисков малого объёма. На основе FAT была разработана новая файловая система exFAT (extended FAT), используемая преимущественно для флеш-накопителей.

Структура системы FAT

В файловой системе FAT смежные секторы диска объединяются в единицы, называемые кластерами. Количество секторов в кластере равно степени двойки. Для хранения данных файла отводится целое число кластеров (минимум один), так что, например, если размер файла составляет 40 байт, а размер кластера 4 кбайт, реально занят информацией файла будет лишь 1% отведенного для него места. Во избежание подобных ситуаций целесообразно уменьшать размер кластеров, а для сокращения объема адресной информации и повышения скорости файловых операций – наоборот. На практике выбирают некоторый компромисс. Так как емкость диска вполне может и не выражаться целым числом кластеров, обычно в конце тома присутствуют т.н. «остаток» размером менее кластера, который не может отводиться ОС для хранения информации.

Пространство тома FAT32 логически разделено на три смежные области:

• Зарезервированная область. Содержит служебные структуры, которые принадлежат загрузочной записи раздела и используются при инициализации тома;

• Область таблицы FAT, содержащая массив индексных указателей ("ячеек"), соответствующих кластерам области данных. Обычно на диске представлено две копии таблицы FAT в целях надежности;

• Область данных, где записано собственно содержимое файлов – т.е. текст текстовых файлов, кодированное изображение для файлов рисунков, оцифрованный звук для аудиофайлов и т.д. – а также т.н. метаданные – информация относительно имен файлов и папок, их атрибутов, времени создания и изменения, размеров и размещения на диске.

В FAT12 и FAT16 также специально выделяется область корневого каталога. Она имеет фиксированное положение (непосредственно после последнего элемента таблицы FAT) и фиксированный размер в секторах.

Если кластер принадлежит файлу, то соответствующая ему ячейка содержит номер следующего кластера этого же файла. Если ячейка соответствует последнему кластеру файла, то она содержит специальное значение (FFFF₁₆ для FAT16). Таким образом выстраивается цепочка кластеров файла. Неиспользуемым кластерам в таблице соответствуют нули. «Плохим» кластерам (которые исключаются из обработки, например, по причине не читаемости соответствующей области устройства) также соответствует специальный код.

При удалении файла первый знак имени заменяется специальным кодом E5₁₆ и цепочка кластеров файла в таблице размещения обнуляется. Поскольку информация о размере файла (которая располагается в каталоге рядом с именем файла) при этом остаётся нетронутой, в случае, если кластеры файла располагались на диске последовательно и они не были перезаписаны новой информацией, возможно восстановление удалённого файла.

NTFS (New Technology File System — «файловая система новой технологии») — стандартная файловая система для семейства операционных систем Microsoft Windows NT.

NTFS заменила использовавшуюся в MS-DOS и Microsoft Windows файловую систему FAT. NTFS поддерживает систему метаданных и использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства. NTFS хранит информацию о файлах в главной файловой таблице — Master File Table (MFT). NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей, а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования USN для повышения надёжности файловой системы.

NTFS разработана на основе файловой системы HPFS (High Performance File System — высокопроизводительная файловая система), создававшейся Microsoft совместно с IBM для операционной системы OS/2. Различают несколько версий NTFS: v1.2 используется в Windows NT 3.51 и Windows NT 4.0, v3.0 поставляется с Windows 2000, v3.1 — с Windows XP, Windows Server 2003, Windows Server 2003 R2, Windows Vista, Windows 7 и Windows Server 2008,Windows Server 2008 R2.

Спецификации файловой системы являются закрытыми. Это создаёт определённые трудности при реализации её поддержки в сторонних продуктах, не принадлежащих Microsoft, — в частности, разработчикам драйверов для свободных операционных систем приходится заниматься обратной разработкой системы.