Файловая система NT (NTFS) была создана специально для ОС Windows NT NTFS — это новая файловая система (ФС) с разнообразными возможностями, благодаря которым она соответствует среде ОС высокого уровня Windows NT Том Миллер (Tom Miller), архитектор NTFS¹, обладает большим опытом разработки систем обработки транзакций и восстанавливаемых баз данных, и его знания в этих областях наглядно проявились в дизайне и возможностях NTFS.

NTFS писалась параллельно с Windows NT. Примерно через два года после начала работы над проектом Windows NT инженеры начали эксплуатировать новую ОС и использовать ее в качестве среды разработки. Спустя год NTFS уже была достаточно стабильной, и разработчикам стали рекомендовать конвертировать своих жесткие диски с ФС FAT на NTFS. Том Миллер описывает этот период несколько растерянно:

Работа над файловой системой — это, пожалуй, самое ужасное [при разработке операционной системы]. Если обнаружилась ошибка в ядре системы, или что-нибудь странное происходит с дисплеем, то можно просто перезагрузить машину и продолжать работу. Но если что-то случилось с жестким диском, то часто дальнейшая работа вообще невозможна. Всех страшно раздражают ошибки в файловой системе. Никому не хочется, чтобы его постоянная память стала непостоянной.

Если создаваемая ОС используется также как платформа для разработки, то каждый день есть риск наткнуться на программную ошибку. Разработчикам это приносит много неудобств и разочарований, но зато такое использование системы гарантирует быстрое обнаружение и исправление ошибок, а также позволяет обнаружить больше ошибок, чем при автономном тестировании. Однако пользователи не должны иметь дело с нестабильной системой, а особенно с нестабильной ФС. Их постоянная дисковая память должна оставаться постоянной. Потеря жесткого диска или его части — это один из наиболее болезненных для пользователя сбоев системы.

Именно заботой о надежности дисковой памяти пользователя и руководствовались разработчики NTFS. Том и группа разработки NTFS заложили основы построения ФС, которая была бы не только более надежна и безопасна, чем существующие, но также имела бы важное дополнительное свойство: была восстанавливаемой (recoverable). NTFS обладает возможностью восстановления самой себя в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том (раздел) остается доступным и целостным, а структура каталогов не нарушается.

NTFS подходит для пользователей всех категорий, но должна быть особенно привлекательной для тех, кто в прошлом работал главным образом с ОС мини-компьютеров или больших ЭВМ — т. е. с системами, разработчики которых уделяли особое внимание надежности и безопасности хранения данных. Своими возможностями восстановления NTFS создает новый стандарт надежности j\jm ФС.

¹ В числе других основных участников разработки Гири Кимура (Gary Kimura), Брайан Эндрю (Brian Andrew) и Давид Гобел (David Goebel).

Цель этой книги — описать структуру и функционирование NTFS. Тем не менее, некоторое отклонение в сторону процесса ее создания кажется уместным: и потому, что написание ФС — это долгая и трудная работа, и потому, что NTFS вводит новый формат хранилища файлов. Гл. 1 отвечает на вопрос о том, почему разработчики решили все же создавать NTFS, несмотря на все связанные с этим сложности.

В гл. 2 описаны теоретические модели, положенные в основу NTFS, а в гл. 3 — детали внутренней структуры ФС. В гл. 4 вводится понятие восстанавливаемости ФС и объясняется, каким образом NTFS восстанавливает том после сбоя. Другое новое свойство — устойчивость к отказам жестких дисков — может использоваться с любой из ФС Windows NT. Но сочетание ее с NTFS дает особые преимущества, так как использует восстанавливаемость NTFS для получения особо надежного дискового хранилища. Отказоустойчивости посвящена гл. 5. Гл. 6 описывает сжатие данных в NTFS — эта встроенная возможность появилась в Windows NT версии 3.5. В гл. 7, обсуждается генерация короткого имени файла — возможйость NTFS, позволяющая клиентам MS-DOS обращаться к файлам с длинными именами.

Глава 1

ЗАЧЕМ ПОНАДОБИЛАСЬ ЕЩЕ ОДНА ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА?

Г) 1988 году Microsoft уже поддерживала две файловые системы (ФС): для MS-DOS и Microsoft Windows это была ФС FAT, а для OS/2 — HPFS (high performance file system — высокопроизводительная ФС). Вполне естественно, что Том Миллер (Tom Miller) и другие разработчики, отвечавшие за ФС для Windows NT, много размышляли над тем, нужна ли вообще для нее новая ФС. К сожалению, и FAT, и HPFS страдали от ограничений, которые делали их либо менее надежными, чем следовало быть ФС для Windows NT, либо неспособными поддерживать большие системы, для работы с которыми она предназначалась. После тщательного анализа разработчики решили создать новую ФС — но, тем не менее, на NTFS очень сильно сказалось влияние FAT и HPFS, а также некоторых особенностей, необходимых для поддержки стандарта POSIX¹.

В первом разделе этой главы описаны требования, предъявляемые к ФС Windows NT клиент-серверными и бизнес-приложениями высокой степени сложности. Во втором разделе рассмотрены дополнительные возможности, реализованные в NTFS для этих приложений.

Требования к файловой системе высокого уровня

MS-DOS использует ФС FAT, которая была изначально создана для работы с гибкими дисками относительно небольшого размера, в основном, 1 Мбайт или менее. Когда жесткие диски стали стандартным запоминающим устройством для персональных компьютеров и постепенно увеличились в объеме, стали мешать ограничения FAT. Для устранения некоторых из них в операционной системе OS/2 была введена HPFS. Последняя, например, значительно уменьшила время доступа к файлам в больших каталогах и могла использоваться с жесткими дисками объемом до 4 Гбайт² (гигабайт = миллиард байт).

¹ Набор международных стандартов для интерфейсов ОС типа UNIX, ISO/IEC 9945-1 (IEEE Stan dard 1003.1-1990).

² Позднее размер дисков, которые могла поддерживать HPFS, был увеличен до 2 терабайт (тера байт = триллион байт).

Файловая система FAT отлично работала с маленькими дисками, a HPFS добавила некоторые новые возможности, более эффективный доступ к файлам и поддержку носителей большого размера. Однако ни одна из этих ФС не была абсолютно подходящей для Windows NT — операционной системы (ОС), предназначенной для таких сложных, ответственных приложений, каю

• клиент-серверные приложения (файл-серверы, серверы вычислений и серверы баз данных);

• сложные технические и научные приложения;

• сетевые приложения для больших корпоративных систем.

Для таких приложений высокая надежность ФС и защита от несанкционированного доступа — это необходимое условие. Так, повреждение важных данных в системе управления/воздушным движением или в банковском сервере базы данных может принести значительный ущерб и вызвать страшный хаос.

Требования к корпоративным ФС включают: способность восстановления данных; защиту от несанкционированного доступа к данным; отказоустойчивость и поддержку носителей данных, объем которых превышает даже поддерживаемый HPFS.

1.1.1 Восстанавливаемость

Что касается дискового ввода-вывода, пользователи персональных компьютеров склонны в первую очередь заботиться о скорости — они просто хотят, чтобы их работа шла быстрее. Однако, по мере того как благодаря Windows NT персональный компьютер начинает использоваться в самых различных видах деятельности и в постоянно растущем числе корпораций, становится все более важным обеспечить надежность хранящихся в системе данных, вместо того, чтобы увеличить скорость доступа к данным на диске. Другими словами, если после сбоя системы данные на диске будут повреждены или станут недоступными, то скорость выполнения предшествующих операций ввода-вывода окажется совершенно несущественной.

Чтобы NTFS удовлетворяла требованиям к надежности как хранилище данных и обеспечивала защиту доступа к данным, она была разработана как восстанавливаемая ФС, использующая модель обработки транзакций. В случае отключения питания или другого системного сбоя NTFS восстанавливает дисковые тома и возвращает их в целостное состояние. Операция восстановления NTFS выполняется автоматически при первом после сбоя обращении к диску и занимает всего лишь несколько секунд, независимо от размера диска. Кроме того, для своих жизненно важных секторов NTFS применяет избыточное хранение, так что если диск поврежден в одном месте, критические данные ФС на томе остаются по-прежнему доступными. Эта избыточность данных NTFS принципиально отличает ее от структур данных на диске ФС FAT MS-DOS и HPFS OS/2, где имеется лишь одна копия секторов с критическими данными ФС. Если при чтении одного из таких секторов происходит ошибка, то теряется информация всего тома³.

³ Реализации FAT и HPFS в Windows NT улучшены по сравнению с оригинальными, так как в них для повышения надежности использован отказоустойчивый драйвер Windows NT. Дальнейшую информацию о FtDisk, отказоустойчивом драйвере Windows NT, см. в гл. 5, 'Управление томами и отказоустойчивость".