Операционные системы Microsoft семейства Windows NT нельзя представить без файловой системы NTFS — одной из самых сложных и удачных из существующих на данный момент файловых систем. Данная статья расскажет вам, в чем особенности и недостатки этой системы, на каких принципах основана организация информации, и как поддерживать систему в стабильном состоянии, какие возможности предлагает NTFS и как их можно использовать обычному пользователю.
Часть 1. Физическая структура NTFS
Начнем с общих фактов. Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно размера. Предел, конечно, есть, но я даже не буду указывать его, так как его с запасом хватит на последующие сто лет развития вычислительной техники — при любых темпах роста. Как обстоит с этим дело на практике? Почти так же. Максимальный размер раздела NTFS в данный момент ограничен лишь размерами жестких дисков. NT4, правда, будет испытывать проблемы при попытке установки на раздел, если хоть какая-нибудь его часть отступает более чем на 8 Гб от физического начала диска, но эта проблема касается лишь загрузочного раздела.
Лирическое отступление. Метод инсталляции NT4.0 на пустой диск довольно оригинален и может навести на неправильные мысли о возможностях NTFS. Если вы укажете программе установки, что желаете отформатировать диск в NTFS, максимальный размер, который она вам предложит, будет всего 4 Гб. Почему так мало, если размер раздела NTFS на самом деле практически неограничен? Дело в том, что установочная секция просто не знает этой файловой системы :) Программа установки форматирует этот диск в обычный FAT, максимальный размер которого в NT составляет 4 Гбайт (с использованием не совсем стандартного огромного кластера 64 Кбайта), и на этот FAT устанавливает NT. А вот уже в процессе первой загрузки самой операционной системы (еще в установочной фазе) производится быстрое преобразование раздела в NTFS; так что пользователь ничего и не замечает, кроме странного \«ограничения\» на размер NTFS при установке. :)
Структура раздела — общий взгляд
Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры — блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров — от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт. Никаких аномалий кластерной структуры NTFS не имеет, поэтому на эту, в общем-то, довольно банальную тему, сказать особо нечего.
Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону — пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). 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.
Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место — незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Жизнь продолжается… Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.
MFT и его структура
Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл — даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table — общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе — они называются метафайлами, причем самый первый метафайл — сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT — единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности — они очень важны — хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска — восстановить его положение можно с помощью его самого, \«зацепившись\» за самую основу — за первый элемент MFT.
Метафайлы
Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество настолько модульного подхода заключается в поразительной гибкости — например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности — кроме первых 16 элементов MFT.
Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска — они начинаются с символа имени \"$\", хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Любопытно, что и для этих файлов указан вполне реальный размер — можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию всего вашего диска, посмотрев размер файла $MFT. В следующей таблице приведены используемые в данный момент метафайлы и их назначение.
| $MFT | сам MFT |
| $MFTmirr | копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска |
| $LogFile | файл поддержки журналирования (см. ниже) |
| $Volume | служебная информация — метка тома, версия файловой системы, т.д. |
| $AttrDef | список стандартных атрибутов файлов на томе |
| $. | корневой каталог |
| $Bitmap | карта свободного места тома |
| $Boot | загрузочный сектор (если раздел загрузочный) |
| $Quota | файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (начал работать лишь в NT5) |
| $Upcase | файл — таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode, что составляет 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально. |
Файлы и потоки
Итак, у системы есть файлы — и ничего кроме файлов. Что включает в себя это понятие на NTFS?
Прежде всего, обязательный элемент — запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.
Опциональный элемент — потоки данных файла. Может показаться странным определение \«опциональный\», но, тем не менее, ничего странного тут нет. Во-первых, файл может не иметь данных — в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во-вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда идет в ход довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего \«физического\» воплощения в основной файловой области — все данные такого файла хранятся в одном месте — в MFT.
Довольно интересно обстоит дело и с данными файла. Каждый файл на NTFS, в общем-то, имеет несколько абстрактное строение — у него нет как таковых данных, а есть потоки (streams). Один из потоков и носит привычный нам смысл — данные файла. Но большинство атрибутов файла — тоже потоки! Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна — номер в MFT, а всё остальное опционально. Данная абстракция может использоваться для создания довольно удобных вещей — например, файлу можно \«прилепить\» еще один поток, записав в него любые данные — например, информацию об авторе и содержании файла, как это сделано в Windows 2000 (самая правая закладка в свойствах файла, просматриваемых из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами: наблюдаемый размер файла — это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длинны, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места — просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология прилепила в нему дополнительный поток (альтернативные данные) гигабайтового размера. Но на самом деле в текущий момент потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны. Просто имейте в виду, что файл на NTFS — это более глубокое и глобальное понятие, чем можно себе вообразить просто просматривая каталоги диска. Ну и напоследок: имя файла может содержать любые символы, включая полый набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode — 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла — 255 символов.
Каталоги
Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево. Вот что это означает: для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как у FAT-а, операционной системе приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом — с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя — выше или ниже? Мы начинаем с такого вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Файлы, скажем, просто отсортированы по алфавиту, и ответ на вопрос осуществляется очевидным способом — сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента.
Вывод — для поиска одного файла среди 1000, например, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе дерева — всего около 12-ти (2^10 = 1024). Экономия времени поиска налицо. Не стоит, однако думать, что в традиционных системах (FAT) всё так запущено: во-первых, поддержание списка файлов в виде бинарного дерева довольно трудоемко, а во-вторых — даже FAT в исполнении современной системы (Windows2000 или Windows98) использует сходную оптимизацию поиска. Это просто еще один факт в вашу копилку знаний. Хочется также развеять распространенное заблуждение (которое я сам разделял совсем еще недавно) о том, что добавлять файл в каталог в виде дерева труднее, чем в линейный каталог: это достаточно сравнимые по времени операции — дело в том, что для того, чтобы добавить файл в каталог, нужно сначала убедится, что файла с таким именем там еще нет :) — и вот тут-то в линейной системе у нас будут трудности с поиском файла, описанные выше, которые с лихвой компенсируют саму простоту добавления файла в каталог.
Какую информацию можно получить, просто прочитав файл каталога? Ровно то, что выдает команда dir. Для выполнения простейшей навигации по диску не нужно лазить в MFT за каждым файлом, надо лишь читать самую общую информацию о файлах из файлов каталогов. Главный каталог диска — корневой — ничем не отличается об обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.
Журналирование
NTFS — отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция — действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний — квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разрушения и путаницу — он либо совершен, либо отменен.
Пример 1: осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось — физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком — система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место — начинается новая транзакция.
Пример 2: более сложный случай — идет запись данных на диск. Вдруг, бах — отключается питание и система перезагружается. На какой фазе остановилась запись, где есть данные, а где чушь? На помощь приходит другой механизм системы — журнал транзакций. Дело в том, что система, осознав свое желание писать на диск, пометила в метафайле $LogFile это свое состояние. При перезагрузке это файл изучается на предмет наличия незавершенных транзакций, которые были прерваны аварией и результат которых непредсказуем — все эти транзакции отменяются: место, в которое осуществлялась запись, помечается снова как свободное, индексы и элементы MFT приводятся в с состояние, в котором они были до сбоя, и система в целом остается стабильна. Ну а если ошибка произошла при записи в журнал? Тоже ничего страшного: транзакция либо еще и не начиналась (идет только попытка записать намерения её произвести), либо уже закончилась — то есть идет попытка записать, что транзакция на самом деле уже выполнена. В последнем случае при следующей загрузке система сама вполне разберется, что на самом деле всё и так записано корректно, и не обратит внимания на \«незаконченную\» транзакцию.
И все-таки помните, что журналирование — не абсолютная панацея, а лишь средство существенно сократить число ошибок и сбоев системы. Вряд ли рядовой пользователь NTFS хоть когда-нибудь заметит ошибку системы или вынужден будет запускать chkdsk — опыт показывает, что NTFS восстанавливается в полностью корректное состояние даже при сбоях в очень загруженные дисковой активностью моменты. Вы можете даже оптимизировать диск и в самый разгар этого процесса нажать reset — вероятность потерь данных даже в этом случае будет очень низка. Важно понимать, однако, что система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы, а не ваших данных. Если вы производили запись на диск и получили аварию — ваши данные могут и не записаться. Чудес не бывает.
Сжатие
Файлы NTFS имеют один довольно полезный атрибут — \«сжатый\». Дело в том, что NTFS имеет встроенную поддержку сжатия дисков — то, для чего раньше приходилось использовать Stacker или DoubleSpace. Любой файл или каталог в индивидуальном порядке может хранится на диске в сжатом виде — этот процесс совершенно прозрачен для приложений. Сжатие файлов имеет очень высокую скорость и только одно большое отрицательное свойство — огромная виртуальная фрагментация сжатых файлов, которая, правда, никому особо не мешает. Сжатие осуществляется блоками по 16 кластеров и использует так называемые \«виртуальные кластеры\» — опять же предельно гибкое решение, позволяющее добиться интересных эффектов — например, половина файла может быть сжата, а половина — нет. Это достигается благодаря тому, что хранение информации о компрессированности определенных фрагментов очень похоже на обычную фрагментацию файлов: например, типичная запись физической раскладки для реального, несжатого, файла:
кластеры файла с 1 по 43-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го
кластеры файла с 44 по 52-й хранятся в кластерах диска начиная с 8530-го…
Физическая раскладка типичного сжатого файла:
кластеры файла с 1 по 9-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го
кластеры файла с 10 по 16-й нигде не хранятся
кластеры файла с 17 по 18-й хранятся в кластерах диска начиная с 409-го
кластеры файла с 19 по 36-й нигде не хранятся
Видно, что сжатый файл имеет \«виртуальные\» кластеры, реальной информации в которых нет. Как только система видит такие виртуальные кластеры, она тут же понимает, что данные предыдущего блока, кратного 16-ти, должны быть разжаты, а получившиеся данные как раз заполнят виртуальные кластеры — вот, по сути, и весь алгоритм.
Безопасность
NTFS содержит множество средств разграничения прав объектов — есть мнение, что это самая совершенная файловая система из всех ныне существующих. В теории это, без сомнения, так, но в текущих реализациях, к сожалению, система прав достаточно далека от идеала и представляет собой хоть и жесткий, но не всегда логичный набор характеристик. Права, назначаемые любому объекту и однозначно соблюдаемые системой, эволюционируют — крупные изменения и дополнения прав осуществлялись уже несколько раз и к Windows 2000 все-таки они пришли к достаточно разумному набору.
Права файловой системы NTFS неразрывно связаны с самой системой — то есть они, вообще говоря, необязательны к соблюдению другой системой, если ей дать физический доступ к диску. Для предотвращения физического доступа в Windows2000 (NT5) всё же ввели стандартную возможность — об этом см. ниже. Система прав в своем текущем состоянии достаточно сложна, и я сомневаюсь, что смогу сказать широкому читателю что-нибудь интересное и полезное ему в обычной жизни. Если вас интересует эта тема — вы найдете множество книг по сетевой архитектуре NT, в которых это описано более чем подробно.
На этом описание строение файловой системы можно закончить, осталось описать лишь некоторое количество просто практичных или оригинальных вещей.
Hard Links
Эта штука была в NTFS с незапамятных времен, но использовалась очень редко — и тем не менее: Hard Link — это когда один и тот же файл имеет два имени (несколько указателей файла-каталога или разных каталогов указывают на одну и ту же MFT запись). Допустим, один и тот же файл имеет имена 1.txt и 2.txt: если пользователь сотрет файл 1, останется файл 2. Если сотрет 2 — останется файл 1, то есть оба имени, с момента создания, совершенно равноправны. Файл физически стирается лишь тогда, когда будет удалено его последнее имя.
Symbolic Links (NT5)
Гораздо более практичная возможность, позволяющая делать виртуальные каталоги — ровно так же, как и виртуальные диски командой subst в DOSе. Применения достаточно разнообразны: во-первых, упрощение системы каталогов. Если вам не нравится каталог Documents and settings\\Administrator\\Documents, вы можете прилинковать его в корневой каталог — система будет по прежнему общаться с каталогом с дремучим путем, а вы — с гораздо более коротким именем, полностью ему эквивалентным. Для создания таких связей можно воспользоваться программой Junction, которую написал известный специалист Mark Russinovich (http://www.sysinternals.com/). Программа работает только в NT5 (Windows 2000), как и сама возможность.
Для удаления связи можно воспользоваться стандартной командой rd.
ВНИМАНИЕ: Попытка уделения связи с помощью проводника или других файловых менеджеров, не понимающих виртуальную природу каталога (например, FAR), приведет к удалению данных, на которые ссылается ссылка! Будьте осторожны.
Шифрование (NT5)
Полезная возможность для людей, которые беспокоятся за свои секреты — каждый файл или каталог может также быть зашифрован, что не даст возможность прочесть его другой инсталляцией NT. В сочетании со стандартным и практически непрошибаемым паролем на загрузку самой системы, эта возможность обеспечивает достаточную для большинства применений безопасность избранных вами важных данных.
Часть 2. Особенности дефрагментации NTFS
Вернемся к одному достаточно интересному и важному моменту — фрагментации и дефрагментации NTFS. Дело в том, что ситуация, сложившаяся с этими двумя понятиями в настоящий момент, никак не может быть названа удовлетворительной. В самом начале утверждалось, что NTFS не подвержена фрагментации файлов. Это оказалось не совсем так, и утверждение сменили — NTFS препятствует фрагментации. Оказалось, что и это не совсем так. То есть она, конечно, препятствует, но толк от этого близок к нулю… Сейчас уже понятно, что NTFS — система, которая как никакая другая предрасположена к фрагментации, что бы ни утверждалось официально. Единственное что — логически она не очень от этого страдает. Все внутренние структуры построены таким образом, что фрагментация не мешает быстро находить фрагменты данных. Но от физического последствия фрагментации — лишних движений головок — она, конечно, не спасает. И поэтому — вперед и с песней…
К истокам проблемы...
Как известно, система сильнее всего фрагментирует файлы когда свободное место кончается, когда приходится использовать мелкие дырки, оставшиеся от других файлов. Тут возникает первое свойство NTFS, которое прямо способствует серьезной фрагментации.
Диск NTFS поделен на две зоны. В начала диска идет MFT зона — зона, куда растет MFT, Master File Table. Зона занимает минимум 12% диска, и запись данных в эту зону невозможна. Это сделано для того, чтобы не фрагментировался хотя бы MFT. Но когда весь остальной диск заполняется — зона сокращается ровно в два раза :). И так далее. Таким образом мы имеем не один заход окончания диска, а несколько. В результате если NTFS работает при диске, заполненном на около 90% — фрагментация растет как бешенная.
Попутное следствие — диск, заполненный более чем на 88%, дефрагментировать почти невозможно — даже API дефрагментации не может перемещать данные в MFT зону. Может оказаться так, что у нас не будет свободного места для маневра.
Далее. NTFS работает себе и работает, и всё таки фрагментируется — даже в том случае, если свободное место далеко от истощения. Этому способствует странный алгоритм нахождения свободного места для записи файлов — второе серьезное упущение. Алгоритм действий при любой записи такой: берется какой-то определенный объем диска и заполняется файлом до упора. Причем по очень интересному алгоритму: сначала заполняются большие дырки, потом маленькие. Т.е. типичное распределение фрагментов файла по размеру на фрагментированной NTFS выглядит так (размеры фрагментов):
16 — 16 — 16 — 16 — 16 — [скачек назад] — 15 — 15 — 15 — [назад] — 14 — 14 — 14… 1 — 1 — 1 -1 — 1…
Так процесс идет до самых мелких дырок в 1 кластер, несмотря на то, что на диске наверняка есть и гораздо более большие куски свободного места.
Вспомните сжатые файлы — при активной перезаписи больших объемов сжатой информации на NTFS образуется гигантское количество \«дырок\» из-за перераспределения на диске сжатых объемов — если какой-либо участок файла стал сжиматься лучше или хуже, его приходится либо изымать из непрерывной цепочки и размещать в другом месте, либо стягивать в объеме, оставляя за собой дырку.
Смысл в сего этого вступления в пояснении того простого факта, что никак нельзя сказать, что NTFS препятствует фрагментации файлов. Наоборот, она с радостью их фрагментирует. Фрагментация NTFS через пол года работы доведет до искреннего удивления любого человека, знакомого с работой файловой системой. Поэтому приходится запускать дефрагментатор. Но на этом все наши проблемы не заканчиваются, а, увы, только начинаются…
Средства решения?
В NT существует стандартное API дефрагментации. Обладающее интересным ограничением для перемещения блоков файлов: за один раз можно перемещать не менее 16 кластеров (!), причем начинаться эти кластеры должны с позиции, кратной 16 кластерам в файле. В общем, операция осуществляется исключительно по 16 кластеров. Следствия:
В дырку свободного места менее 16 кластеров нельзя ничего переместить (кроме сжатых файлов, но это неинтересные в данный момент тонкости).
Файл, будучи перемещенный в другое место, оставляет после себя (на новом месте) \«временно занятое место\», дополняющее его по размеру до кратности 16 кластерам.
При попытке как-то неправильно (\«не кратно 16\») переместить файл результат часто непредсказуем. Что-то округляется, что-то просто не перемещаетсяЕ Тем не менее, всё место действия щедро рассыпается \«временно занятым местом\».
\«Временно занятое место\» служит для облегчения восстановления системы в случае аппаратного сбоя и освобождается через некоторое время, обычно где-то пол минуты.
Тем не менее, логично было бы использовать это API, раз он есть. Его и используют. Поэтому процесс стандартной дефрагментации, с поправками на ограниченность API, состоит из следующих фаз (не обязательно в этом порядке):
Вынимание файлов из MFT зоны. Не специально — просто обратно туда их положить не представляется возможным :) Безобидная фаза, и даже в чем то полезная.
Дефрагментация файлов. Безусловно, полезный процесс, несколько, правда, осложняемый ограничениями кратности перемещений — файлы часто приходится перекладывать сильнее, чем это было бы логично сделать по уму.
Дефрагментация MFT, виртуалки (pagefile.sys) и каталогов. Возможна через API только в Windows2000, иначе — при перезагрузке, отдельным процессом, как в старом Diskeeper-е.
Складывание файлов ближе к началу — так называемая дефрагментация свободного места. Вот это — воистину страшный процесс…
Допустим, мы хотим положить файлы подряд в начало диска. Кладем один файл. Он оставляет хвост занятости дополнения до кратности 16. Кладем следующий — после хвоста, естественно. Через некоторое время, по освобождению хвоста, имеем дырку <16 кластеров размером. Которую потом невозможно заполнить через API дефрагментации! В результате, до оптимизации картина свободного места выглядела так: много дырок примерно одинакового размера. После оптимизации — одна дыра в конце диска, и много маленьких <16 кластеров дырок в заполненном файлами участке. Какие места в первую очередь заполняются? Правильно, находящиеся ближе к началу диска мелкие дырки <16 кластеров… Любой файл, плавно созданный на прооптимизированном диске, будет состоять из дикого числа фрагментов. Да, диск потом можно оптимизировать снова. А потом еще раз… и еще… и так — желательно каждую неделю. Бред? Реальность.
Таким образом, имеется два примерно равнозначных варианта. Первый — часто оптимизировать диск таким дефрагментатором, смиряясь при этом с дикой фрагментацией заново созданных файлов. Второй вариант — вообще ничего не трогать, и смириться с равномерной, но гораздо более слабой фрагментацией всех файлов на диске.
Пока есть всего один дефрагментатор, который игнорирует API дефрагментации и работает как-то более напрямую — Norton Speeddisk 5.0 для NT. Когда его пытаются сравнить со всеми остальными — Diskeeper, O&O defrag, т.д. — не упоминают этого главного, самого принципиального, отличия. Просто потому, что эта проблема тщательно скрывается, по крайней мере уж точно не афишируется на каждом шагу. Speeddisk — единственная на сегодняшний день программа, которая может оптимизировать диск полностью, не создавая маленьких незаполненных фрагментов свободного места.
К сожалению, в Windows 2000 поместили дефрагментатор, который работает через API, и, соответственно плодит дырки <16 кластеров. Так что как только появится (если еще не появился) — так сразу надо качать Speeddisk для W2k.
Как некоторый вывод из всего этого: все остальные дефрагментаторы при одноразовом применении просто вредны. Если вы запускали его хоть раз — нужно запускать его потом хотя бы раз в месяц, чтобы избавится от фрагментации новоприбывающих файлов. В этом основная суть сложности дефрагментации NTFS теми средствами, которые сложились исторически.
Часть 3. Что выбрать?
Любая из представленных ныне файловых систем уходит своими корнями в глубокое прошлое — еще к 80-м годам. Да, NTFS, как это не странно — очень старая система! Дело в том, что долгое время персональные компьютеры пользовались лишь операционной системой DOS, которой и обязана своим появлением FAT. Но параллельно разрабатывались и тихо существовали системы, нацеленные на будущее. Две таких системы, получившие всё же широкое признание — NTFS, созданная для операционной системы Windows NT 3.1 еще в незапамятные времена, и HPFS — верная спутница OS/2.
Внедрение новых систем шло трудно — еще в 95м году, с выходом Windows95, ни у кого не было и мыслей о том, что что-то нужно менять — FAT получил второе дыхание посредством налепленной сверху заплатки \«длинные имена\», реализация которых там хоть и близка к идеально возможной без изменения системы, но всё же довольно бестолкова. Но в последующие годы необходимость перемен назрела окончательно, поскольку естественные ограничения FAT стали давать о себе знать. FAT32, появившаяся в Windows 95 OSR2, просто сдвинула рамки — не изменив сути системы, которая просто не дает возможности организовать эффективную работу с большим количеством данных.
HPFS (High Performance File System), активно применяемая до сих пор пользователями OS/2, показала себя достаточно удачной системой, но и она имела существенные недостатки — полное отсутствие средств автоматической восстанавливаемости, излишнюю сложность организации данных и невысокую гибкость.
NTFS же долго не могла завоевать персональные компьютеры из-за того, что для организации эффективной работы с её структурами данных требовались значительные объемы памяти. Системы с 4 или 8 Мбайт (стандарт 95-96 годов) были просто неспособны получить хоть какой-либо плюс от NTFS, поэтому за ней закрепилась не очень правильная репутация медленной и громоздкой системы. На самом деле это не соответствует действительности — современные компьютерные системы с памятью более 64 Мб получают просто огромный прирост производительности от использования NTFS.
В данной таблице сведены воедино все существенные плюсы и минусы распространенных в наше время систем, таких как FAT32, FAT и NTFS. Вряд ли разумно обсуждать другие системы, так как в настоящее время 97% пользователей делают выбор между Windows98, Windows NT4.0 и Windows 2000 (NT5.0), а других вариантов там просто нет.
| FAT | FAT32 | NTFS | |
| Системы, её поддерживающие | DOS, Windows9Х, NT всех версий | Windows98, NT5 | NT4, NT5 |
| Максимальный размер тома | 2 Гбайт | практически неограничен | практически неограничен |
| Макс. число файлов на томе | примерно 65 тысяч | практически не ограничено | практически не ограничено |
| Имя файла | с поддержкой длинных имен — 255 символов, системный набор символов | с поддержкой длинных имен — 255 символов, системный набор символов | 255 символов, любые символы любых алфавитов (65 тысяч разных начертаний) |
| Возможные атрибуты файла | Базовый набор | Базовый набор | всё, что придет в голову производителям программного обеспечения |
| Безопасность | нет | нет | да (начиная с NT5.0 встроена возможность физически шифровать данные) |
| Сжатие | нет | нет | да |
| Устойчивость к сбоям | средняя (система слишком проста и поэтому ломаться особо нечему :)) | плохая (средства оптимизации по скорости привели к появлению слабых по надежности мест) | полная — автоматическое восстановление системы при любых сбоях (не считая физические ошибки записи, когда пишется одно, а на самом деле записывается другое) |
| Экономичность | минимальная (огромные размеры кластеров на больших дисках) | улучшена за счет уменьшения размеров кластеров | максимальна. Очень эффективная и разнообразная система хранения данных |
| Быстродействие | высокое для малого числа файлов, но быстро уменьшается с появлением большого количества файлов в каталогах. результат — для слабо заполненных дисков — максимальное, для заполненных — плохое | полностью аналогично FAT, но на дисках большого размера (десятки гигабайт) начинаются серьезные проблемы с общей организацией данных | система не очень эффективна для малых и простых разделов (до 1 Гбайт), но работа с огромными массивами данных и внушительными каталогами организована как нельзя более эффективно и очень сильно превосходит по скорости другие системы |
Хотелось бы сказать, что если ваша операционная система — NT (Windows 2000), то использовать какую-либо файловую систему, отличную от NTFS — значит существенно ограничивать свое удобство и гибкость работы самой операционной системы. NT, а особенно Windows 2000, составляет с NTFS как бы две части единого целого — множество полезных возможностей NT напрямую завязано на физическую и логическую структуру файловой системы, и использовать там FAT или FAT32 имеет смысл лишь для совместимости — если у вас стоит задача читать эти диски из каких-либо других систем.
www.ronl.ru
Операционные системы Microsoft семейства Windows NT нельзя представить без файловой системы NTFS — одной из самых сложных и удачных из существующих на данный момент файловых систем. Данная статья расскажет вам, в чем особенности и недостатки этой системы, на каких принципах основана организация информации, и как поддерживать систему в стабильном состоянии, какие возможности предлагает NTFS и как их можно использовать обычному пользователю.
Часть 1. Физическая структура NTFS
Начнем с общих фактов. Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно размера. Предел, конечно, есть, но я даже не буду указывать его, так как его с запасом хватит на последующие сто лет развития вычислительной техники — при любых темпах роста. Как обстоит с этим дело на практике? Почти так же. Максимальный размер раздела NTFS в данный момент ограничен лишь размерами жестких дисков. NT4, правда, будет испытывать проблемы при попытке установки на раздел, если хоть какая-нибудь его часть отступает более чем на 8 Гб от физического начала диска, но эта проблема касается лишь загрузочного раздела.
Лирическое отступление. Метод инсталляции NT4.0 на пустой диск довольно оригинален и может навести на неправильные мысли о возможностях NTFS. Если вы укажете программе установки, что желаете отформатировать диск в NTFS, максимальный размер, который она вам предложит, будет всего 4 Гб. Почему так мало, если размер раздела NTFS на самом деле практически неограничен? Дело в том, что установочная секция просто не знает этой файловой системы :) Программа установки форматирует этот диск в обычный FAT, максимальный размер которого в NT составляет 4 Гбайт (с использованием не совсем стандартного огромного кластера 64 Кбайта), и на этот FAT устанавливает NT. А вот уже в процессе первой загрузки самой операционной системы (еще в установочной фазе) производится быстрое преобразование раздела в NTFS; так что пользователь ничего и не замечает, кроме странного \«ограничения\» на размер NTFS при установке. :)
Структура раздела — общий взгляд
Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры — блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров — от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт. Никаких аномалий кластерной структуры NTFS не имеет, поэтому на эту, в общем-то, довольно банальную тему, сказать особо нечего.
Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону — пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). 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.
Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место — незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Жизнь продолжается… Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.
MFT и его структура
Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл — даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table — общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе — они называются метафайлами, причем самый первый метафайл — сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT — единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности — они очень важны — хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска — восстановить его положение можно с помощью его самого, \«зацепившись\» за самую основу — за первый элемент MFT.
Метафайлы
Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество настолько модульного подхода заключается в поразительной гибкости — например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности — кроме первых 16 элементов MFT.
Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска — они начинаются с символа имени \"$\", хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Любопытно, что и для этих файлов указан вполне реальный размер — можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию всего вашего диска, посмотрев размер файла $MFT. В следующей таблице приведены используемые в данный момент метафайлы и их назначение.
| $MFT | сам MFT |
| $MFTmirr | копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска |
| $LogFile | файл поддержки журналирования (см. ниже) |
| $Volume | служебная информация — метка тома, версия файловой системы, т.д. |
| $AttrDef | список стандартных атрибутов файлов на томе |
| $. | корневой каталог |
| $Bitmap | карта свободного места тома |
| $Boot | загрузочный сектор (если раздел загрузочный) |
| $Quota | файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (начал работать лишь в NT5) |
| $Upcase | файл — таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode, что составляет 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально. |
Файлы и потоки
Итак, у системы есть файлы — и ничего кроме файлов. Что включает в себя это понятие на NTFS?
Прежде всего, обязательный элемент — запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.
Опциональный элемент — потоки данных файла. Может показаться странным определение \«опциональный\», но, тем не менее, ничего странного тут нет. Во-первых, файл может не иметь данных — в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во-вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда идет в ход довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего \«физического\» воплощения в основной файловой области — все данные такого файла хранятся в одном месте — в MFT.
Довольно интересно обстоит дело и с данными файла. Каждый файл на NTFS, в общем-то, имеет несколько абстрактное строение — у него нет как таковых данных, а есть потоки (streams). Один из потоков и носит привычный нам смысл — данные файла. Но большинство атрибутов файла — тоже потоки! Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна — номер в MFT, а всё остальное опционально. Данная абстракция может использоваться для создания довольно удобных вещей — например, файлу можно \«прилепить\» еще один поток, записав в него любые данные — например, информацию об авторе и содержании файла, как это сделано в Windows 2000 (самая правая закладка в свойствах файла, просматриваемых из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами: наблюдаемый размер файла — это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длинны, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места — просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология прилепила в нему дополнительный поток (альтернативные данные) гигабайтового размера. Но на самом деле в текущий момент потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны. Просто имейте в виду, что файл на NTFS — это более глубокое и глобальное понятие, чем можно себе вообразить просто просматривая каталоги диска. Ну и напоследок: имя файла может содержать любые символы, включая полый набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode — 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла — 255 символов.
Каталоги
Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево. Вот что это означает: для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как у FAT-а, операционной системе приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом — с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя — выше или ниже? Мы начинаем с такого вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Файлы, скажем, просто отсортированы по алфавиту, и ответ на вопрос осуществляется очевидным способом — сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента.
Вывод — для поиска одного файла среди 1000, например, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе дерева — всего около 12-ти (2^10 = 1024). Экономия времени поиска налицо. Не стоит, однако думать, что в традиционных системах (FAT) всё так запущено: во-первых, поддержание списка файлов в виде бинарного дерева довольно трудоемко, а во-вторых — даже FAT в исполнении современной системы (Windows2000 или Windows98) использует сходную оптимизацию поиска. Это просто еще один факт в вашу копилку знаний. Хочется также развеять распространенное заблуждение (которое я сам разделял совсем еще недавно) о том, что добавлять файл в каталог в виде дерева труднее, чем в линейный каталог: это достаточно сравнимые по времени операции — дело в том, что для того, чтобы добавить файл в каталог, нужно сначала убедится, что файла с таким именем там еще нет :) — и вот тут-то в линейной системе у нас будут трудности с поиском файла, описанные выше, которые с лихвой компенсируют саму простоту добавления файла в каталог.
Какую информацию можно получить, просто прочитав файл каталога? Ровно то, что выдает команда dir. Для выполнения простейшей навигации по диску не нужно лазить в MFT за каждым файлом, надо лишь читать самую общую информацию о файлах из файлов каталогов. Главный каталог диска — корневой — ничем не отличается об обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.
Журналирование
NTFS — отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция — действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний — квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разрушения и путаницу — он либо совершен, либо отменен.
Пример 1: осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось — физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком — система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место — начинается новая транзакция.
Пример 2: более сложный случай — идет запись данных на диск. Вдруг, бах — отключается питание и система перезагружается. На какой фазе остановилась запись, где есть данные, а где чушь? На помощь приходит другой механизм системы — журнал транзакций. Дело в том, что система, осознав свое желание писать на диск, пометила в метафайле $LogFile это свое состояние. При перезагрузке это файл изучается на предмет наличия незавершенных транзакций, которые были прерваны аварией и результат которых непредсказуем — все эти транзакции отменяются: место, в которое осуществлялась запись, помечается снова как свободное, индексы и элементы MFT приводятся в с состояние, в котором они были до сбоя, и система в целом остается стабильна. Ну а если ошибка произошла при записи в журнал? Тоже ничего страшного: транзакция либо еще и не начиналась (идет только попытка записать намерения её произвести), либо уже закончилась — то есть идет попытка записать, что транзакция на самом деле уже выполнена. В последнем случае при следующей загрузке система сама вполне разберется, что на самом деле всё и так записано корректно, и не обратит внимания на \«незаконченную\» транзакцию.
И все-таки помните, что журналирование — не абсолютная панацея, а лишь средство существенно сократить число ошибок и сбоев системы. Вряд ли рядовой пользователь NTFS хоть когда-нибудь заметит ошибку системы или вынужден будет запускать chkdsk — опыт показывает, что NTFS восстанавливается в полностью корректное состояние даже при сбоях в очень загруженные дисковой активностью моменты. Вы можете даже оптимизировать диск и в самый разгар этого процесса нажать reset — вероятность потерь данных даже в этом случае будет очень низка. Важно понимать, однако, что система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы, а не ваших данных. Если вы производили запись на диск и получили аварию — ваши данные могут и не записаться. Чудес не бывает.
Сжатие
Файлы NTFS имеют один довольно полезный атрибут — \«сжатый\». Дело в том, что NTFS имеет встроенную поддержку сжатия дисков — то, для чего раньше приходилось использовать Stacker или DoubleSpace. Любой файл или каталог в индивидуальном порядке может хранится на диске в сжатом виде — этот процесс совершенно прозрачен для приложений. Сжатие файлов имеет очень высокую скорость и только одно большое отрицательное свойство — огромная виртуальная фрагментация сжатых файлов, которая, правда, никому особо не мешает. Сжатие осуществляется блоками по 16 кластеров и использует так называемые \«виртуальные кластеры\» — опять же предельно гибкое решение, позволяющее добиться интересных эффектов — например, половина файла может быть сжата, а половина — нет. Это достигается благодаря тому, что хранение информации о компрессированности определенных фрагментов очень похоже на обычную фрагментацию файлов: например, типичная запись физической раскладки для реального, несжатого, файла:
кластеры файла с 1 по 43-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го
кластеры файла с 44 по 52-й хранятся в кластерах диска начиная с 8530-го…
Физическая раскладка типичного сжатого файла:
кластеры файла с 1 по 9-й хранятся в кластерах диска начиная с 400-го
кластеры файла с 10 по 16-й нигде не хранятся
кластеры файла с 17 по 18-й хранятся в кластерах диска начиная с 409-го
кластеры файла с 19 по 36-й нигде не хранятся
Видно, что сжатый файл имеет \«виртуальные\» кластеры, реальной информации в которых нет. Как только система видит такие виртуальные кластеры, она тут же понимает, что данные предыдущего блока, кратного 16-ти, должны быть разжаты, а получившиеся данные как раз заполнят виртуальные кластеры — вот, по сути, и весь алгоритм.
Безопасность
NTFS содержит множество средств разграничения прав объектов — есть мнение, что это самая совершенная файловая система из всех ныне существующих. В теории это, без сомнения, так, но в текущих реализациях, к сожалению, система прав достаточно далека от идеала и представляет собой хоть и жесткий, но не всегда логичный набор характеристик. Права, назначаемые любому объекту и однозначно соблюдаемые системой, эволюционируют — крупные изменения и дополнения прав осуществлялись уже несколько раз и к Windows 2000 все-таки они пришли к достаточно разумному набору.
Права файловой системы NTFS неразрывно связаны с самой системой — то есть они, вообще говоря, необязательны к соблюдению другой системой, если ей дать физический доступ к диску. Для предотвращения физического доступа в Windows2000 (NT5) всё же ввели стандартную возможность — об этом см. ниже. Система прав в своем текущем состоянии достаточно сложна, и я сомневаюсь, что смогу сказать широкому читателю что-нибудь интересное и полезное ему в обычной жизни. Если вас интересует эта тема — вы найдете множество книг по сетевой архитектуре NT, в которых это описано более чем подробно.
На этом описание строение файловой системы можно закончить, осталось описать лишь некоторое количество просто практичных или оригинальных вещей.
Hard Links
Эта штука была в NTFS с незапамятных времен, но использовалась очень редко — и тем не менее: Hard Link — это когда один и тот же файл имеет два имени (несколько указателей файла-каталога или разных каталогов указывают на одну и ту же MFT запись). Допустим, один и тот же файл имеет имена 1.txt и 2.txt: если пользователь сотрет файл 1, останется файл 2. Если сотрет 2 — останется файл 1, то есть оба имени, с момента создания, совершенно равноправны. Файл физически стирается лишь тогда, когда будет удалено его последнее имя.
Symbolic Links (NT5)
Гораздо более практичная возможность, позволяющая делать виртуальные каталоги — ровно так же, как и виртуальные диски командой subst в DOSе. Применения достаточно разнообразны: во-первых, упрощение системы каталогов. Если вам не нравится каталог Documents and settings\\Administrator\\Documents, вы можете прилинковать его в корневой каталог — система будет по прежнему общаться с каталогом с дремучим путем, а вы — с гораздо более коротким именем, полностью ему эквивалентным. Для создания таких связей можно воспользоваться программой Junction, которую написал известный специалист Mark Russinovich (http://www.sysinternals.com/). Программа работает только в NT5 (Windows 2000), как и сама возможность.
Для удаления связи можно воспользоваться стандартной командой rd.
ВНИМАНИЕ: Попытка уделения связи с помощью проводника или других файловых менеджеров, не понимающих виртуальную природу каталога (например, FAR), приведет к удалению данных, на которые ссылается ссылка! Будьте осторожны.
Шифрование (NT5)
Полезная возможность для людей, которые беспокоятся за свои секреты — каждый файл или каталог может также быть зашифрован, что не даст возможность прочесть его другой инсталляцией NT. В сочетании со стандартным и практически непрошибаемым паролем на загрузку самой системы, эта возможность обеспечивает достаточную для большинства применений безопасность избранных вами важных данных.
Часть 2. Особенности дефрагментации NTFS
Вернемся к одному достаточно интересному и важному моменту — фрагментации и дефрагментации NTFS. Дело в том, что ситуация, сложившаяся с этими двумя понятиями в настоящий момент, никак не может быть названа удовлетворительной. В самом начале утверждалось, что NTFS не подвержена фрагментации файлов. Это оказалось не совсем так, и утверждение сменили — NTFS препятствует фрагментации. Оказалось, что и это не совсем так. То есть она, конечно, препятствует, но толк от этого близок к нулю… Сейчас уже понятно, что NTFS — система, которая как никакая другая предрасположена к фрагментации, что бы ни утверждалось официально. Единственное что — логически она не очень от этого страдает. Все внутренние структуры построены таким образом, что фрагментация не мешает быстро находить фрагменты данных. Но от физического последствия фрагментации — лишних движений головок — она, конечно, не спасает. И поэтому — вперед и с песней…
К истокам проблемы...
Как известно, система сильнее всего фрагментирует файлы когда свободное место кончается, когда приходится использовать мелкие дырки, оставшиеся от других файлов. Тут возникает первое свойство NTFS, которое прямо способствует серьезной фрагментации.
Диск NTFS поделен на две зоны. В начала диска идет MFT зона — зона, куда растет MFT, Master File Table. Зона занимает минимум 12% диска, и запись данных в эту зону невозможна. Это сделано для того, чтобы не фрагментировался хотя бы MFT. Но когда весь остальной диск заполняется — зона сокращается ровно в два раза :). И так далее. Таким образом мы имеем не один заход окончания диска, а несколько. В результате если NTFS работает при диске, заполненном на около 90% — фрагментация растет как бешенная.
Попутное следствие — диск, заполненный более чем на 88%, дефрагментировать почти невозможно — даже API дефрагментации не может перемещать данные в MFT зону. Может оказаться так, что у нас не будет свободного места для маневра.
Далее. NTFS работает себе и работает, и всё таки фрагментируется — даже в том случае, если свободное место далеко от истощения. Этому способствует странный алгоритм нахождения свободного места для записи файлов — второе серьезное упущение. Алгоритм действий при любой записи такой: берется какой-то определенный объем диска и заполняется файлом до упора. Причем по очень интересному алгоритму: сначала заполняются большие дырки, потом маленькие. Т.е. типичное распределение фрагментов файла по размеру на фрагментированной NTFS выглядит так (размеры фрагментов):
16 — 16 — 16 — 16 — 16 — [скачек назад] — 15 — 15 — 15 — [назад] — 14 — 14 — 14… 1 — 1 — 1 -1 — 1…
Так процесс идет до самых мелких дырок в 1 кластер, несмотря на то, что на диске наверняка есть и гораздо более большие куски свободного места.
Вспомните сжатые файлы — при активной перезаписи больших объемов сжатой информации на NTFS образуется гигантское количество \«дырок\» из-за перераспределения на диске сжатых объемов — если какой-либо участок файла стал сжиматься лучше или хуже, его приходится либо изымать из непрерывной цепочки и размещать в другом месте, либо стягивать в объеме, оставляя за собой дырку.
Смысл в сего этого вступления в пояснении того простого факта, что никак нельзя сказать, что NTFS препятствует фрагментации файлов. Наоборот, она с радостью их фрагментирует. Фрагментация NTFS через пол года работы доведет до искреннего удивления любого человека, знакомого с работой файловой системой. Поэтому приходится запускать дефрагментатор. Но на этом все наши проблемы не заканчиваются, а, увы, только начинаются…
Средства решения?
В NT существует стандартное API дефрагментации. Обладающее интересным ограничением для перемещения блоков файлов: за один раз можно перемещать не менее 16 кластеров (!), причем начинаться эти кластеры должны с позиции, кратной 16 кластерам в файле. В общем, операция осуществляется исключительно по 16 кластеров. Следствия:
В дырку свободного места менее 16 кластеров нельзя ничего переместить (кроме сжатых файлов, но это неинтересные в данный момент тонкости).
Файл, будучи перемещенный в другое место, оставляет после себя (на новом месте) \«временно занятое место\», дополняющее его по размеру до кратности 16 кластерам.
При попытке как-то неправильно (\«не кратно 16\») переместить файл результат часто непредсказуем. Что-то округляется, что-то просто не перемещаетсяЕ Тем не менее, всё место действия щедро рассыпается \«временно занятым местом\».
\«Временно занятое место\» служит для облегчения восстановления системы в случае аппаратного сбоя и освобождается через некоторое время, обычно где-то пол минуты.
Тем не менее, логично было бы использовать это API, раз он есть. Его и используют. Поэтому процесс стандартной дефрагментации, с поправками на ограниченность API, состоит из следующих фаз (не обязательно в этом порядке):
Вынимание файлов из MFT зоны. Не специально — просто обратно туда их положить не представляется возможным :) Безобидная фаза, и даже в чем то полезная.
Дефрагментация файлов. Безусловно, полезный процесс, несколько, правда, осложняемый ограничениями кратности перемещений — файлы часто приходится перекладывать сильнее, чем это было бы логично сделать по уму.
Дефрагментация MFT, виртуалки (pagefile.sys) и каталогов. Возможна через API только в Windows2000, иначе — при перезагрузке, отдельным процессом, как в старом Diskeeper-е.
Складывание файлов ближе к началу — так называемая дефрагментация свободного места. Вот это — воистину страшный процесс…
Допустим, мы хотим положить файлы подряд в начало диска. Кладем один файл. Он оставляет хвост занятости дополнения до кратности 16. Кладем следующий — после хвоста, естественно. Через некоторое время, по освобождению хвоста, имеем дырку <16 кластеров размером. Которую потом невозможно заполнить через API дефрагментации! В результате, до оптимизации картина свободного места выглядела так: много дырок примерно одинакового размера. После оптимизации — одна дыра в конце диска, и много маленьких <16 кластеров дырок в заполненном файлами участке. Какие места в первую очередь заполняются? Правильно, находящиеся ближе к началу диска мелкие дырки <16 кластеров… Любой файл, плавно созданный на прооптимизированном диске, будет состоять из дикого числа фрагментов. Да, диск потом можно оптимизировать снова. А потом еще раз… и еще… и так — желательно каждую неделю. Бред? Реальность.
Таким образом, имеется два примерно равнозначных варианта. Первый — часто оптимизировать диск таким дефрагментатором, смиряясь при этом с дикой фрагментацией заново созданных файлов. Второй вариант — вообще ничего не трогать, и смириться с равномерной, но гораздо более слабой фрагментацией всех файлов на диске.
Пока есть всего один дефрагментатор, который игнорирует API дефрагментации и работает как-то более напрямую — Norton Speeddisk 5.0 для NT. Когда его пытаются сравнить со всеми остальными — Diskeeper, O&O defrag, т.д. — не упоминают этого главного, самого принципиального, отличия. Просто потому, что эта проблема тщательно скрывается, по крайней мере уж точно не афишируется на каждом шагу. Speeddisk — единственная на сегодняшний день программа, которая может оптимизировать диск полностью, не создавая маленьких незаполненных фрагментов свободного места.
К сожалению, в Windows 2000 поместили дефрагментатор, который работает через API, и, соответственно плодит дырки <16 кластеров. Так что как только появится (если еще не появился) — так сразу надо качать Speeddisk для W2k.
Как некоторый вывод из всего этого: все остальные дефрагментаторы при одноразовом применении просто вредны. Если вы запускали его хоть раз — нужно запускать его потом хотя бы раз в месяц, чтобы избавится от фрагментации новоприбывающих файлов. В этом основная суть сложности дефрагментации NTFS теми средствами, которые сложились исторически.
Часть 3. Что выбрать?
Любая из представленных ныне файловых систем уходит своими корнями в глубокое прошлое — еще к 80-м годам. Да, NTFS, как это не странно — очень старая система! Дело в том, что долгое время персональные компьютеры пользовались лишь операционной системой DOS, которой и обязана своим появлением FAT. Но параллельно разрабатывались и тихо существовали системы, нацеленные на будущее. Две таких системы, получившие всё же широкое признание — NTFS, созданная для операционной системы Windows NT 3.1 еще в незапамятные времена, и HPFS — верная спутница OS/2.
Внедрение новых систем шло трудно — еще в 95м году, с выходом Windows95, ни у кого не было и мыслей о том, что что-то нужно менять — FAT получил второе дыхание посредством налепленной сверху заплатки \«длинные имена\», реализация которых там хоть и близка к идеально возможной без изменения системы, но всё же довольно бестолкова. Но в последующие годы необходимость перемен назрела окончательно, поскольку естественные ограничения FAT стали давать о себе знать. FAT32, появившаяся в Windows 95 OSR2, просто сдвинула рамки — не изменив сути системы, которая просто не дает возможности организовать эффективную работу с большим количеством данных.
HPFS (High Performance File System), активно применяемая до сих пор пользователями OS/2, показала себя достаточно удачной системой, но и она имела существенные недостатки — полное отсутствие средств автоматической восстанавливаемости, излишнюю сложность организации данных и невысокую гибкость.
NTFS же долго не могла завоевать персональные компьютеры из-за того, что для организации эффективной работы с её структурами данных требовались значительные объемы памяти. Системы с 4 или 8 Мбайт (стандарт 95-96 годов) были просто неспособны получить хоть какой-либо плюс от NTFS, поэтому за ней закрепилась не очень правильная репутация медленной и громоздкой системы. На самом деле это не соответствует действительности — современные компьютерные системы с памятью более 64 Мб получают просто огромный прирост производительности от использования NTFS.
В данной таблице сведены воедино все существенные плюсы и минусы распространенных в наше время систем, таких как FAT32, FAT и NTFS. Вряд ли разумно обсуждать другие системы, так как в настоящее время 97% пользователей делают выбор между Windows98, Windows NT4.0 и Windows 2000 (NT5.0), а других вариантов там просто нет.
| FAT | FAT32 | NTFS | |
| Системы, её поддерживающие | DOS, Windows9Х, NT всех версий | Windows98, NT5 | NT4, NT5 |
| Максимальный размер тома | 2 Гбайт | практически неограничен | практически неограничен |
| Макс. число файлов на томе | примерно 65 тысяч | практически не ограничено | практически не ограничено |
| Имя файла | с поддержкой длинных имен — 255 символов, системный набор символов | с поддержкой длинных имен — 255 символов, системный набор символов | 255 символов, любые символы любых алфавитов (65 тысяч разных начертаний) |
| Возможные атрибуты файла | Базовый набор | Базовый набор | всё, что придет в голову производителям программного обеспечения |
| Безопасность | нет | нет | да (начиная с NT5.0 встроена возможность физически шифровать данные) |
| Сжатие | нет | нет | да |
| Устойчивость к сбоям | средняя (система слишком проста и поэтому ломаться особо нечему :)) | плохая (средства оптимизации по скорости привели к появлению слабых по надежности мест) | полная — автоматическое восстановление системы при любых сбоях (не считая физические ошибки записи, когда пишется одно, а на самом деле записывается другое) |
| Экономичность | минимальная (огромные размеры кластеров на больших дисках) | улучшена за счет уменьшения размеров кластеров | максимальна. Очень эффективная и разнообразная система хранения данных |
| Быстродействие | высокое для малого числа файлов, но быстро уменьшается с появлением большого количества файлов в каталогах. результат — для слабо заполненных дисков — максимальное, для заполненных — плохое | полностью аналогично FAT, но на дисках большого размера (десятки гигабайт) начинаются серьезные проблемы с общей организацией данных | система не очень эффективна для малых и простых разделов (до 1 Гбайт), но работа с огромными массивами данных и внушительными каталогами организована как нельзя более эффективно и очень сильно превосходит по скорости другие системы |
Хотелось бы сказать, что если ваша операционная система — NT (Windows 2000), то использовать какую-либо файловую систему, отличную от NTFS — значит существенно ограничивать свое удобство и гибкость работы самой операционной системы. NT, а особенно Windows 2000, составляет с NTFS как бы две части единого целого — множество полезных возможностей NT напрямую завязано на физическую и логическую структуру файловой системы, и использовать там FAT или FAT32 имеет смысл лишь для совместимости — если у вас стоит задача читать эти диски из каких-либо других систем.
www.ronl.ru
Введение
Что такое файловая система ……………………………….....2
Определение файловой системы .……………...……....……3
Распространенные файловые системы ………………..……3
Файловая система FAT …………………………..….......…..4
Обзор файловой системы FAT…………………......………..4
Имена файлов в FAT………………………...……….............5
Преимущества FAT……………………….......………………5
Недостатки файловой системы FAT ………………...………6
Файловая система FAT 32 …………………………….......….6
Файловая система HPFS ……………………...………......…….8
Обзор файловой системы HPFS ………………...…………...…8
Суперблок.………………………….…..…...…............…...…...10
Запасной блок …………………….……….........…….………...10
Преимущества HPFS ……………………....……………..….....11
Недостатки HPFS …………………………….........……………11
Файловая система NTFS .…………………………..………..…11
Обзор файловой системы NTFS .…………………...………….11
Надежность .……………………………………………....…….12
Дополнительные функции ………………......……..………… 12
Устранение ограничений …………………..…….………….. 13
Преимущества FAT.…………………………………………... 13
Недостатки …………………………………..…………...……. 14
Соглашение именований в NTFS ………..…….………….…. 14
Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время на одном диске в среднем записывается несколько десятков тысяч файлов. Как разобраться во всем этом многообразии с тем, чтобы точно адресоваться к файлу? Назначение файловой системы – эффективное решение, указанной задачи.
Файловая система с точки зрения пользователя — это «пространство», в котором размещаются файлы. А как научный термин - это способ хранения и организации доступа к данным на информационном носителе или его разделе. Наличие файловой системы позволяет определить, как называется файл, где он находится. Поскольку на IBM PC – совместимых компьютерах информация храниться в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках). Мы рассмотрим четыре файловые системы – FAT, FAT 32, HPFS, NTFS.
При написании работы я пользовалась книгами В.Э. Фигурнова «IBM PC для пользователя», М. Гук «Аппаратные средства IBM PC », в которых дается определение, описание, использование и подробная характеристика
Информация на файловых систем.
Что такое файловая система
дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому кто-то (операционная система или другая программа) должен при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести это в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках. Набор этих правил и называется файловой системой.
infourok.ru
1. Файловая система семейства Windows. Файловая система (file system) – функциональная часть операционной системы, которая отвечает за обмен данными с внешними запоминающими устройствами. Операционными системами Windows используется, разработанная еще для DOS файловая система FAT, в которой для каждого раздели и тома DOS имеется загрузочный сектор, а каждый раздел DOS содержит две копии таблицы размещения файлов (file allocation table – FAT). FAT представляет собой матрицу, которая устанавливает соотношение между файлами и папками раздела и их физическим местоположением на жестком диске. Перед каждым разделом жесткого диска последовательно расположены две копии FAT. Подобно загрузочным секторам, FAT располагается за пределами области диска, видимой для файловой системы. При записи на диск файлы не обязательно занимают пространство, эквивалентное их размеру. Обычно файлы разбиваются на кластеры определенного размера, которые могут быть разбросаны по всему разделу. В результате таблица FAT представляет собой не список файлов и их местоположения, а список кластеров раздела и их содержимого, а в конце каждого описания содержится ссылка на следующий занимаемый файлом кластер. Элементы таблицы FAT представляют собой 12-, 16- и 32-битовые шестнадцатьричные числа, размер которых определяется программой FDISK, а значение непосредственно создается программой FORMAT. Все гибкие диски, а также жесткие диски размером до 16 Мбайт используют в FAT 12-битовые элементы. Жесткие и съемные диски, имеющие размер от 16 Мбайт и более, обычно используют 16-битовые элементы. В Windows98 для дисков объемом более 512 Мбайт может использоваться файловая система FAT32 с 32-битовым элементами таблицы FAT. Очевидно, чем меньше размер кластеров раздела, тем больше их будет содержаться в этом разделе и тем больше размер таблицы размещения файлов FAT, а, значит, дольше а ней выполняется поиск информации, необходимой для доступа к файлу. Зачем же тогда необходимо уменьшать размер кластера? Дело в том, что размер файла может быть произвольным, однако, при записи на диск, Windows разбивает файл на несколько кластеров. В итоге последний кластер почти никогда не бывает заполнен до конца. Оставшееся пустое пространство, называемое люфтом, существует до тех пор, пока файл находится на диске. Таким образом, размер потерянного пространства зависит от размера кластера. Помимо поддержки больших разделов и меньших кластеров FAT32 иначе использует саму таблицу размещения файлов. В FAT использовались две идентичные таблицы, одна из которых служила основной, вторая при выполнении обычных процедур постоянно обновлялась, заполняясь при этом возможными ошибками первой копии. FAT32, при невозможном считывании данных из основной таблицы, обращается ко второй копии, которая и становится основной. Основным недостатком FAT32 является несовместимость с более ранними файловыми системами, а также системой NTFS, применяемой в Windows NT. Когда Windows NT впервые вышла в свет, в ней была предусмотрена поддержка трех файловых систем. Это таблица размещения файлов (FAT), обеспечивавшая совместимость с MS-DOS, файловая система повышенной производительности (HPFS), обеспечивавшая совместимость с LAN Manager, и новая файловая система, носившая название Файловой системы новых технологий (NTFS). NTFS обладала рядом преимуществ в сравнении с использовавшимися на тот момент для большинства файловых серверов файловыми системами. Для обеспечения целостности данных в NTFS имеется журнал транзакций. Подобный подход не исключает вероятности утраты информации, однако, значительно увеличивает вероятность того, что доступ к файловой системе будет возможен даже в том случае, если будет нарушена целостность системы сервера. Это становится возможным при использовании журнала транзакций для отслеживания незавершенных попыток записи на диск при последующей загрузке Windows NT. Журнал транзакций также используется для проверки диска на наличие ошибок вместо проверки каждого файла, в случае использования таблицы размещения файлов. Одним из основных преимуществ NTFS является безопасность. NTFS предоставляет возможность вносить записи контроля доступа (Access Control Entries, ACE) в список контроля доступа (Access Control List, ACL). ACE содержит идентификационное имя группы или пользователя и маркер доступа, который может быть использован для ограничения доступа к определенному каталогу или файлу. Этот доступ может предполагать возможность чтения, записи, удаления, выполнения и даже владения файлами. С другой стороны, ACL представляет собой контейнер, содержащий одну или более записей ACE. Это позволяет ограничить доступ отдельных пользователей или групп пользователей к определенным каталогам или файлам в сети. Кроме того NTFS поддерживает работу с длинными именами, имеющими длину до 255 символов и содержащими заглавные и строчные буквы в любой последовательности. Одной из главных характеристик NTFS является автоматическое создание эквивалентных имен, совместимых с MS-DOS. Также NTFS имеет функцию сжатия, впервые появившуюся в NT версии 3.51. Она обеспечивает возможность сжатия любого файла, каталога или диска NTFS. В отличии от программ сжатия MS-DOS, создающих виртуальный диск, имеющий вид скрытого файла и подвергающий сжатию все данные на этом диске, Windows NT использует дополнительный уровень файловой подсистемы для сжатия и разуплотнения требуемых файлов без создания виртуального диска. Это оказывается полезным при сжатии либо определенной части диска (например, пользовательского каталога), либо файлов, имеющих определенный тип (например, графических файлов). Единственным недостатком сжатия NTFS является невысокий, в сравнении со схемами сжатия MS-DOS, уровень компрессии. Зато NTFS отличается более высокой надежностью и производительностью.
www.ronl.ru
ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ КУЛЬТРЫ
Кафедра информационных технологий
Типовые файловые системы и их особенности
Реферат по дисциплине
Информационные технологии
Выполнила
студентка I курса
факультета ДИД
Харьков 2007
Введение
1. Что такое файловая система ……………………………………….3
2. Определение файловой системы …………………………………. 3
3. Распространенные файловые системы ……………………………3
4. Файловая система FAT ……………………………………………..4
4.1. Обзор файловой системы FAT………………………………..4
4.2. Имена файлов в FAT…………………………………………..4
4.3. Преимущества FAT……………………………………………5
4.4. Недостатки файловой системы FAT …………………………5
5. Файловая система FAT 32 ………………………………………….5
6. Файловая система HPFS ……………………………………………7
6.1. Обзор файловой системы HPFS ………………………………7
6.2. Суперблок.……………………………………………………...7
6.3. Запасной блок ………………………………………………….8
6.4. Преимущества HPFS …………………………………………..8
6.5. Недостатки HPFS ………………………………………………8
7. Файловая система NTFS .……………………………………………9
7.1. Обзор файловой системы NTFS ……………………………….9
7.2. Надежность .…………………………………………………….9
7.3. Дополнительные функции …………………………………… 10
7.4. Устранение ограничений ……………………………………. 10
7.5. Преимущества FAT.…………………………………………… 10
7.6. Недостатки ……………………………………………………. 11
7.7. Соглашение именований в NTFS ……………………………. 11
8. Сравнение файловых систем ……………………………………… 12
8.1. Таблица 1. Основная информация …………………………… 12
8.2. Таблица 2. Ограничения файловых систем ………………… 12
8.3. Таблица 3. Особенности файловых систем ………………… 13
Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время на одном диске в среднем записывается несколько десятков тысяч файлов. Как разобраться во всем этом многообразии с тем, чтобы точно адресоваться к файлу? Назначение файловой системы – эффективное решение, указанной задачи.
Файловая система с точки зрения пользователя — это «пространство», в котором размещаются файлы.А как научный термин — этоспособ хранения и организации доступа к данным на информационном носителе или его разделе. Наличие файловой системы позволяет определить, как называется файл, где он находится. Поскольку на IBMPC – совместимых компьютерах информация храниться в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках). Мы рассмотрим четыре файловые системы – FAT, FAT 32, HPFS, NTFS.
При написании работы я пользовалась книгами В.Э. Фигурнова «IBMPC для пользователя», М. Гук «Аппаратные средства IBMPC », в которых дается определение, описание, использование и подробная характеристика файловых систем.
1. Что такое файловая система
Информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому кто-то (операционная система или другая программа) должен при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести это в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках. Набор этих правил и называется файловой системой.
2. Определение файловой системы
Файловая система – это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации. Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами, а не просто с участками (секторами) дисков.
Файловая система определяет:
— как хранятся файлы и каталоги на диске;
— какие сведения хранятся о файлах и каталогах;
— как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие – нет;
— формат каталогов и другой служебной информации на диске.
Для использования дисков, записанных (размеченных) с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.
3. Распространенные файловые системы
Поскольку на IBMPC – совместимых компьютерах информация храниться в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках). Мы рассмотрим четыре файловые системы – FAT, FAT 32, HPFS, NTFS.
4. Файловая система FAT
4.1. ОБЗОР ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ FAT
FAT является наиболее простой из поддерживаемых Windows NT файловых систем. Основой файловой системы FAT является таблица размещения файлов, которая помещена в самом начале тома. На случай повреждения на диске хранятся две копии этой таблицы. Кроме того, таблица размещения файлов и корневой каталог должны храниться в определенном месте на диске (для правильного определения места расположения файлов загрузки). Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные. Такая запись в таблице размещения файлов сигнализирует о том, что это последний кластер файла, или указывает на следующий кластер. Обновление таблицы размещения файлов имеет большое значение и требует много времени. Если таблица размещения файлов не обновляется регулярно, это может привести к потере данных. Длительность операции объясняется необходимостью перемещения читающих головок к логической нулевой дорожке диска при каждом обновлении таблицы FAT. Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».
4.2. Имена файлов в FAT
В файловой системе FAT использован традиционный формат имен 8.3, имена файлов должны состоять из символов ASCII. Имя файла или каталога должно состоять не более чем из 8 символов, затем следует разделитель «.» (точка) и расширение длиной до 3 символов. Первым символом имени должна быть буква или цифра. При определении имени можно использовать все символы за исключением перечисленных ниже.
. " / \ [ ]:; | =,
Использование этих символов может привести к получению неожиданных результатов. Имя не должно содержать пробелов. Указанные ниже имена зарезервированы.
CON, AUX, COM1, COM2, COM3, COM4, LPT1, LPT2, LPT3, PRN, NUL
Все символы образуются в верхний регистр.
4.3. Преимущества файловой системы FAT
На компьютере под управлением Windows NT в любой из поддерживаемых файловых систем нельзя отменить удаление. Программа отмены удаления пытается напрямую обратиться к оборудованию, что невозможно при использовании Windows NT. Однако если файл находился в FAT-разделе, то, запустив компьютер в режиме MS-DOS, удаление файла можно отменить. Файловая система FAT лучше всего подходит для использования на дисках и разделах размером до 200 МБ, потому что она запускается с минимальными накладными расходами.
4.4. Недостатки файловой системы FAT
Как правило, не стоит использовать файловую систему FAT для дисков и разделов, чей размер больше 200 МБ. Это объясняется тем, что по мере увеличения размера тома производительность файловой системы FAT быстро падает. Для файлов, расположенных в разделах FAT, невозможно установить разрешения. Разделы FAT имеют ограничение по размеру: 4 ГБ под Windows NT и 2 ГБ под MS-DOS.
5. Файловая система FAT32
Для работы с большими дисками была разработана новая файловая система FAT32. Microsoft впервые представляет файловую систему FAT32 в операционной системе Windows 95 OSR2. В этой ФС, как следует из названия разрядность указателя на кластер увеличивается до 32 бит, что значительно увеличивает количество поддерживаемых кластеров, и, следовательно, позволяет уменьшить их размер. Вы видите, что разрядность указателя составляет 32 бита и, даже используя кластер 512 байт, эта файловая система может поддерживать диски в 127,9 Гбайт. А при использовании кластера 32 Кбайт она может поддерживать диски до 2 Тбайт.
На первый взгляд может показаться, что теперь можно использовать кластер размеров в один блок (512 байт), уменьшив тем самым потери в хвостах файлов почти до нуля, но использование таких малых кластеров все же не выгодно из соображений производительности. Вы помните, что информация о расположении файла по кластерам содержится в FAT таблице. Чем меньше размер кластера, тем больше кластеров займет файл и тем больше записей появится в таблице и соответственно тем дольше будет происходить считывание информации о расположении файла при доступе к нему.
Еще один важный момент. Во время работы файловые таблицы переносятся в оперативную память. И это логично. Ведь считать из оперативной памяти информацию о файле можно гораздо быстрее, чем с жесткого диска. При этом, чем меньше размер кластера, тем больше записей в файловой таблице и, соответственно, больше ее объем. А это, в свою очередь, влияет на требования к размеру оперативной памяти.
Быстродействие системы FAT32 можно повысить, увеличив размер кластера. Увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT тоже в два раза. В FAT32 это очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократится — уменьшится и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов. Обратная сторона – существенно возрастают потери дискового пространства.
Получается замкнутый круг: чем больше размер кластера, тем выше быстродействие, но возрастают и потери дискового пространства; чем меньше размер кластера, тем более экономно расходуется дисковое пространство, но катастрофически падает быстродействие. Поэтому минимальный кластер в FAT32 был выбран размером 4 Кбайта, как компромисс между эффективностью хранения данных и производительностью.
Поскольку эта файловая система предназначалась для работы с большими дисками, давайте рассмотрим ее с этой стороны.
Большие диски нужны для хранения больших объемов данных. С увеличением числа файлов будет расти и размер таблицы их размещения. Поскольку просмотр таблицы линейный, то в какой-то момент быстродействие дисковых операций значительно упадет. А это уже очень неприятный момент.
В Windows XP/2000 максимальный размер раздела, который можно отформатировать с помощью FAT32, равен 32 Гбайт, не смотря на теоретический предел в 4 Тбайт. Видимо, Microsoft нашла ту точку, дальше которой идти не имеет смысла. Несмотря на это, вы можете работать с разделами FAT32 более 32 Гбайт, если они были отформатированы с помощью другой ОС.
Рассмотрим еще некоторые особенности FAT32. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу.
Корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном месте, вместо этого хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге.
Кроме того, для учета свободных кластеров, в зарезервированной области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет системе при выделении следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файла.
6. Файловая система HPFS
6.1. ОБЗОР ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ HPFS
Файловая система HPFS впервые была использована для операционной системы OS/2 1.2, чтобы обеспечить доступ к появлявшимся в то время на рынке дискам большого размера. Кроме того, назрела необходимость расширения существующей системы имен, улучшения организации и безопасности для удовлетворения растущих потребностей рынка сетевых серверов. В файловой системе HPFS поддерживается структура каталогов FAT и добавлена сортировка файлов по именам. Имя файла может содержать до 254 двухбайтовых символов. Файл состоит из «данных» и специальных атрибутов, что создает дополнительные возможности для поддержки других типов имен файлов и повышению уровня безопасности. Кроме того, наименьший блок для хранения данных теперь равен размеру физического сектора (512 байт), что позволяет снизить потери дискового пространства.
Записи в каталоге файловой системы HPFS содержат больше сведений, чем в FAT. Наряду с атрибутами файла здесь хранятся сведения о создании и внесении изменений, а также дата и время доступа. Записи в каталоге файловой системы HPFS указывают не на первый кластер файла, а на FNODE. FNODE может содержать данные файла, указатели на данные файла или другие структуры, указывающие на данные файла.
HPFS старается по возможности располагать данные файла в смежных секторах. Это приводит к повышению скорости последовательной обработки файла.
HPFS делит диск на блоки по 8 МБ каждый и всегда пытается записать файл в пределах одного блока. Для каждого блока 2 КБ зарезервировано под таблицу распределения, в которой содержится информация о записанных и свободных секторах в пределах блока. Разбиение на блоки приводит к повышению производительности, так как головка диска для определения места для сохранения файла должна возвращаться не к логическому началу диска (как правило, это нулевой цилиндр), а к таблице распределения ближайшего блока. Кроме того, файловая система HPFS содержит два уникальных объекта данных.
6.2. Суперблок
Суперблок располагается в логическом секторе 16 и содержит указатель на FNODE корневого каталога. В этом кроется главная опасность использования HPFS: если сектор суперблока помечен как поврежденный, это приводит к потере всех данных раздела даже на неповрежденных участках диска. Для восстановления данных их необходимо скопировать на другой диск с неповрежденным сектором 16 и воссоздать суперблок. Это очень сложная задача.
6.3. Запасной блок
Запасной блок располагается в логическом секторе 17 и содержит таблицу экстренных исправлений, а также блок резервного каталога. В файловой системе HPFS запись таблицы экстренных исправлений используется при обнаружении дефектного сектора, чтобы логически указать вместо него имеющийся неповрежденный сектор. Эта технология обработки ошибок записи известна как экстренное исправление. Если используется технология экстренного исправления, то при обнаружении поврежденного сектора данные переносятся в другой сектор, а исходный помечается как дефектный. Эти действия выполняются открыто для любого приложения, которое выполняет дисковые операции ввода/вывода (то есть на работе приложения проблемы с жестким диском не сказываются). Сообщения об ошибке, которые появляются при обнаружении поврежденного сектора (например, «FAT «Abort, Retry, or Fail?»»), в файловой системе, поддерживающей экстренные исправления, отсутствуют. Примечание. Версия файловой системы HPFS, которая входит в состав Windows NT, не поддерживает технологию экстренного исправления.
6.4. Преимущества файловой системы HPFS
HPFS – оптимальный вариант файловой системы для использования с дисками размером 200–400 МБ.
6.5. Недостатки файловой системы HPFS
Дополнительные накладные расходы, связанные с использованием HPFS, снижают эффективность ее применения на дисках размером меньше 200 МБ. Кроме того, производительность также снижается при использовании дисков размером больше 400 МБ. При использовании HPFS под Windows NT нельзя установить параметры безопасности.
Файловая система HPFS поддерживается только операционной системой Windows NT версий 3.1, 3.5 и 3.51. Нельзя получить доступ к разделу HPFS с помощью Windows NT 4.0.
7. Файловая система NTFS
7.1. ОБЗОР ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ NTFS
С точки зрения пользователя файловая система NTFS организует файлы по каталогам и сортирует их так же, как и HPFS. Однако в отличие от FAT и HPFS на диске нет специальных объектов и отсутствует зависимость отособенностей установленного оборудования (например, сектор размером 512 байт). Кроме того, на диске отсутствуют специальные хранилища данных (таблицы FAT и суперблоки HPFS).
7.2. Надежность
Для обеспечения надежности файловой системы NTFS особое внимание было уделено трем основным вопросам: способности к восстановлению, устранению неустранимых ошибок одного сектора и экстренному исправлению. Для обеспечения способности к восстановлению NTFS отслеживает все транзакции в отношении файловой системы. Выполнение команды CHKDSK в файловой системе FAT или HPFS служит для проверки последовательности указателей в пределах каталога, размещения и таблицы файлов. Файловая система NTFS хранит журнал операций с этими компонентами. Таким образом, для восстановления связности системы необходимо с помощью команды CHKDSK выполнить «откат» транзакций до последней точки фиксации. При использовании FAT или HPFS сбой сектора, в котором хранится один из специальных объектов файловой системы, приводит к возникновению неустранимой ошибки одного сектора. В NTFS эта проблема решается двумя способами. Во-первых, специальные объекты не используются, а все имеющиеся на диске объекты отслеживаются и защищаются. Во-вторых, существует несколько копий (число зависит от размера тома) основной таблицы файлов. Подобно версиям HPFS для OS/2, NTFS поддерживает экстренное исправление.
7.3. Дополнительные функции
Основное предназначение конфигурации операционной системы Windows NT на любом уровне является обеспечение платформы, которую можно использовать в качестве модуля при построении других систем, и NTFS не является исключением. Эта файловая система представляет собой гибкую платформу с широкими функциональными возможностями, которую могут использовать другие файловые системы. Кроме того, в NTFS полностью реализована модель безопасности Windows NT и поддержка нескольких потоков данных. Файл данных перестал быть отдельным потоком данных. Кроме того, пользователи могут добавлять собственные атрибуты файлов.
7.4. Устранение ограничений
Во-первых, в NTFS значительно – до 2^64 байт (16 экзабайт или 18 446 744 073 709 551 616 байт) – увеличен допустимый раздел файлов и томов. В NTFS для решения проблемы фиксированного размера сектора снова применена концепция кластеров, ранее использованная в файловой системе FAT. Это было сделано для улучшения аппаратной независимости операционной системы Windows NT при ее использовании с жесткими дисками, изготовленными по другой технологии. Таким образом, была принята точка зрения, что деление диска на секторы размером 512 не всегда является оптимальным. Размер кластера определяется кратным числом единичных блоков жесткого диска. Кроме того, для задания имен файлов используется кодировка Юникод и наряду с длинными именами обеспечена поддержка формата 8.3.
7.5. Преимущества файловой системы FAT
NTFS лучше всего подходит для использования с томами размером более 400 МБ. С увеличением размера тома производительность файловой системы NTFS не падает, как у FAT. Благодаря способности к восстановлению в NTFS отсутствует необходимость использования каких-либо программ восстановления диска.
7.6. Недостатки файловой системы NTFS
Из-за дополнительного расхода дискового пространства файловую систему NTFS не рекомендуется использовать с томами размером менее 400 МБ. Такой расход объясняется необходимостью хранения системных файлов NTFS (в разделе размером 100 МБ для этого требуется около 4 МБ).
В настоящее время NTFS не имеет встроенного шифрования файлов.
Следовательно, можно загрузить MS-DOS (или другую операционную
систему) и воспользоваться низкоуровневой программой редактирования диска для просмотра хранящихся в томе NTFS данных.
С помощью файловой системы NTFS нельзя форматировать дискеты. Windows NT форматирует дискеты с помощью FAT, так как объем служебной информации, необходимой для функционирования NTFS, не помещается на дискете.
7.7. Соглашения именования в NTFS
Имена файлов могут состоять не более чем из 255 символов, включая любое расширение. В именах сохраняется регистр введенных символов, но сами имена не зависят от регистра. NTFS не различает имена в зависимости от регистра. В именах могут быть использованы любые символы за исключением указанных ниже.
? " / \ < > * |:
В настоящее время из командной строки можно задать имя файла длиной не более 253 символов. Примечание. Особенности установленного оборудования могут наложить дополнительные требования на размер раздела в любой файловой системе. В частности, размер загрузочного раздела не может быть больше 7,8 ГБ, а таблица раздела ограничена 2 терабайтами.
8. Сравнение файловых систем
8.1. Основная информация
| Файловая система | Создатель | Дата представления | Оригинальная операционная система |
| FAT | Microsoft | 1977 | Microsoft Disk BASIC |
| FAT 32 | Microsoft | 1996 | Windows 95b |
| HPFS | IBM and Microsoft | 1988 | OS/2 |
| NTFS | Microsoft, Gary Kimura, Tom Miller | 1993 | Windows NT |
8.2. Ограничения файловых систем
Файловая система | Макс. длина имен файлов | Допустимые символы в названии | Макс. длина пути файла | Макс. размер файла | Макс. размер тома |
| FAT | 255 байт | Любые символы Юникода, кроме NUL | Нет установлен-ных ограничений | 32 MiB | 1 MiB to 32 MiB |
| FAT 32 | 255 байт | Любые символы Юникода, кроме NUL | Нет установлен-ных ограничений | 4 GiB | 512 MiB to 2 TiB |
| HPFS | 255 байт | Любые символы, кроме NUL | Нет установлен-ных ограничений | 4 GiB | 2 TiB |
| NTFS | 255 символов | Любые символы Юникода, кроме NUL | 32767 символов Юникода; каждая компонента пути (каталог или имя файла) – до 255 символов | 16 EiB | 16 EiB |
12
8 .3. Особенности файловых систем
Файловая система | Жесткие ссылки | Мягкие ссылки | Журнали-рование блоков | Журнали-рование только метаданных | Чувстви-тельно к регистру | Case-preser-ving | Логизм файлов | Добавляющие снимки | XIP |
| FAT | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет |
| FAT 32 | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Частично | Нет | Нет | Нет |
| HPFS | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Да | Нет | ? | Нет |
| NTFS | Да | Да | Нет | Да | Да | Да | Да | Да | ? |
Заключение
Cегодня в Windows применяются файловые системы: FAT, FAT32, HPFS и NTFS. Преимущества FAT – низкие накладные расходы на хранение данных и тотальная совместимость с огромным количеством операционных систем и аппаратных платформ. Этой файловой системой по-прежнему пользуются для форматирования дискет, где большой объем раздела, поддерживаемый другими файловыми системами, не играет роли, а низкие накладные расходы позволяют экономно использовать малый объем дискеты (NTFS требует для хранения данных больше места, что совершенно не приемлемо для дискет).
Область применения FAT32 на самом деле гораздо уже – эту файловую систему стоит применять, если Вы собираетесь получать доступ к разделам и с помощью Windows 9x и с помощью Windows 2000/XP. Но так как актуальность Windows 9x сегодня практически сошла на нет, то и использование этой файловой системы не представляет особого интереса.
Некоторые из возможностей, обеспечиваемых на сегодняшний день только файловой системой NTFS, перечислены ниже:
1). NTFS обеспечивает широкий диапазон разрешений, в отличие от FAT, что дает возможность индивидуальной установки разрешений для конкретных файлов и каталогов. Это позволяет указать, какие пользователи и группы имеют доступ к файлу или папке и указать тип доступа.
2). Встроенные средства восстановления данных; поэтому ситуации, когда пользователь должен запускать на томе NTFS программу восстановления
диска, достаточно редки. Даже в случае краха системы NTFS имеет возможность автоматически восстановить непротиворечивость файловой системы, используя журнал транзакций и информацию контрольных точек.
3). Реализованная в виде бинарного-дерева структура папок файловой системы NTFS позволяет существенно ускорить доступ к файлам в папках большого объема по сравнению со скоростью доступа к папкам такого же объема на томах FAT.
4). NTFS позволяет осуществлять сжатие отдельных папок и файлов, можно читать сжатые файлы и писать в них без необходимости вызова программы, производящей декомпрессию.
Список литературы
1. Гук М. Аппаратные средства IBMPC: Бестселлер — 2-е изд.: Питер, 2005.
2. В.Э. Фигурнов «IBMPC для пользователя» — 7е изд., перераб. и доп. – М. ИНФА-М, 1998.
3. Обзор файловых систем FAT, HPFS и NTFS [Электронный ресурс] – Режим доступа: support.microsoft.com/kb/100108 — Заголовок с экрана.
www.ronl.ru
