Огляд файлових систем

Розширення імені файлу не обов’язкове. Воно описує вміст файлу. Багато програм (Norton Commander, Windows) дозволяють по розширенню файлу викликати відповідну програму і відразу завантажити в неї даний файл.

Деякі поєднання символів не можна  використовувати в якості імен файлів, оскільки операційна система DOS використовує їх для позначення пристроїв DOS. Імена  пристроїв дозволяють при заданні команд DOS здійснити введення і виведення інформації не тільки з файлами на дисках, але й з різними пристроями комп’ютера, що іноді буває досить зручно. Наприклад, PRN означає принтер, тому якщо в команді DOS замість імені файлу вказати PRN, то відповідні дані будуть виведені на принтер. Ось список імен пристроїв DOS:

 

PRN	принтер
LPT1-LPT4	пристрої, що підключаються  до паралельних портів 1-4 (переважно  це принтери);
COM1-COM4	пристрої, що підключаються  до послідовних портів 1-4;
AUX	пристрій, що підключається  до послідовного порту 1 (тобто AUX - це синонім COM1);
CON	при введенні - клавіатура, при  виведенні - екран;
NUL	“порожній” пристрій; всі операції вводу - виводу для цього пристрою ігноруються (при читанні з нього програмі повідомляється про кінець файлу, а при виводі на нього інформація насправді нікуди не виводиться, але програмі, яка робила виведення, повідомляється, що виведення відбулося успішно).

 

 Захист файлів

 
             Оскільки файлові системи є спільним сховищем файлів, що належать, узагалі говорячи, різним користувачам, системи управління файлами повинні забезпечувати авторизацію доступу до файлів. У загальному підхід полягає в тому, що стосовно кожного зареєстрованого користувача даної обчислювальної системи для кожного існуючого файлу вказуються дії, що дозволені чи заборонені даному користувачу. Існували спроби реалізувати цей підхід у повному обсязі. Але це викликало занадто великі накладні витрати як по збереженню надлишкової інформації, так і по використанню цієї інформації для контролю правомочності доступу. 

 
Тому в більшості сучасних систем управління файлами застосовується ієрархічний підхід до захисту файлів, уперше реалізований в ОС UNIX. У цій системі кожному зареєстрованому користувачу відповідає пара цілочисельних ідентифікаторів: ідентифікатор групи, до якої відноситься цей користувач, і його власний ідентифікатор у групі. Відповідно, при кожному файлі зберігається повний ідентифікатор користувача, що створив цей файл, і відзначається, які дії з файлом може робити він сам, які дії з файлом доступні для інших користувачів тієї ж групи, і що можуть робити з файлом користувачі інших груп. Ця інформація дуже компактна, при перевірці потрібно невелика кількість дій, і цей спосіб контролю доступу задовільний у більшості випадків.[2,C. 106]

 

Огляд найбільш поширених  файлових систем

Файлова система FAT

Файлова система, найрозповсюдженіша на IBM PC-сумісних комп'ютерах, була введена на початку 80-х років в MS DOS 1.0 і 2.0. Ця файлова система досить примітивна, оскільки вона була створена для зберігання даних на дискетах. Переважно ця файлова система називається FAT, оскільки найважливішою даних в ній є таблиця розміщення файлів на диску, по-англійськи - file allcation table, скорочено FAT. Ця таблиця містить інформацію про те, які ділянки (кластери) диску вільні, і про ланцюги кластерів, що утворюють файли і каталоги.

У файловій системі FAT імена файлів і каталогів повинні складатися не більше як із 8 символів, плюс три  символи в розширенні імені. Каталоги є лінійними списками елементів, кожен з яких може описувати файл або підкаталог, або відповідати  знищеному файлу. В елементі каталогу міститься номер першого кластеру файлу або підкаталогу, а номери решти кластерів можна взнати по таблиці розміщення файлів.

Недоліки FAT. Файлова система FAT підтримує імена файлів і каталогів лише з 8 символів, плюс три символи в розширенні імені.

Крім того, вона приводить до значних  втрат (до 20%) дискового простору через  великі розміри кластерів на дисках високої ємності. Причиною цього  є обмежене число кластерів на диску. А файл, як було вказано вище, може займати лише ціле число кластерів. Тому в кінці останнього кластеру залишається вільне місце, в середньому рівне половині кластеру, або і  більше. А на великих дисках розмір кластеру у файлів може досягати 32 Кбайт. Отже, на диску ємністю 2 Гбайти з 20000 файлів втрати складають 320 Мбайт, тобто біля 16%.

Нарешті, файлова система FAT малопродуктивна, особливо для великих дисків, не пристосована до багатозадачної роботи (всі операції потребують звертань до таблиці розміщення файлів, а тому до завершення однієї операції не можна розпочинати іншу) і т.д.

Файлова система FAT 32

В 1996 році було модернізовано Windows 95 – вийшла редакція Windows 95 OSR2, в  якій було здійснено значні зміни, виправлена велика кількість помилок та добавлено  нові можливості. В цій системі  вперше з'явилася підтримка файлової системи FAT 32. Основні новинки даної  системи:

• Значно збільшено число допустимих кластерів на диску, завдяки чому розмір кластера зменшився до 4 Кб, відповідно зменшилися і втрати дискового простору.
• Доступ до диску і файлів здійснюється за допомогою 32-розрядних драйверів, що значно збільшило швидкість дискових операцій.
• Ім'я файлу може складатися з 256 символів

З виходом в світ ОС Windows 98 файлова система FAT 32 стає основною файловою системою для персональних комп'ютерів.

Основними недоліком системи FAT 32 залишилася низька захищеність.

Файлова система HPFS

Файлова система HPFS вперше була використана для операційної  системи OS / 2 1.2, щоб забезпечити доступ до з'являлися в той час на ринку  дискам великого розміру. Крім того, назріла  необхідність розширення існуючої системи  імен, покращення організації та безпеки  для задоволення зростаючих потреб ринку мережевих серверів. У файловій системі HPFS підтримується структура  каталогів FAT і додана сортування файлів по іменах. Файл може містити до 254 багатобайтових символів. Файл складається з «даних» та спеціальних атрибутів, що створює додаткові можливості для підтримки інших типів імен файлів і підвищенню рівня безпеки. Крім того, найменший блок для зберігання даних тепер дорівнює розміру фізичного сектора (512 байт), що дозволяє знизити втрати дискового простору.  
Записи в каталозі файлової системи HPFS містять більше відомостей, ніж в FAT. Поряд з атрибутами файлу тут зберігаються відомості про створення та внесення змін, а також дата і час доступу. Записи в каталозі файлової системи HPFS вказують не на перший кластер файлу, а на FNODE. FNODE може містити дані файлу, покажчики на дані файлу або інші структури, що вказують на дані файлу. 

HPFS намагається по можливості  розташовувати дані файлу в  суміжних секторах. Це призводить  до підвищення швидкості послідовної  обробки файлу. 

HPFS ділить диск на блоки  по 8 МБ кожен і завжди намагається  записати файл в межах одного  блоку. Для кожного блоку 2 КБ  зарезервовано під таблицю розподілу, в якій міститься інформація про записані і вільних секторах в межах блоку. Розбиття на блоки призводить до підвищення продуктивності, оскільки головка диска для визначення місця для збереження файлу повинна повертатися не до логічного початку диска (як правило, це нульовий циліндр), а до таблиці розподілу найближчого блоку. 

Файлова система NTFS

З точки зору користувача файлова система NTFS організує файли по каталогах і сортує їх так само, як і HPFS. Однак на відміну від FAT і HPFS на диску немає спеціальних об'єктів і відсутня залежність від особливостей встановленого обладнання (наприклад, сектор розміром 512 байт). Крім того, на диску відсутні спеціальні сховища даних (таблиці FAT і суперблоки HPFS). У спрощеному виді вона працює так:     

•Драйвер уведення/виводу NTFS ініціює процес запису, одночасно повідомляючи сервісу Log File Service вести лог (скорочене від login - пароль) усього що відбувається.     

•Дані пишуться в кеш, під керуванням сервісу Cache Manager.     

•Cache Manager посилає дані Virtual Memory Manager-у (менеджеру віртуальної пам'яті), для запису на диск у фоновому режимі.

    •Virtual Memory Manager посилає дані драйверу диска, пропустивши їх через Fault Tolerant Driver (якщо у вас масив дисків RAID).     

•Драйвер диска шле їхньому контролеру, що вже пише їхній або в кеш, або прямо на диск.      

•Якщо ця операція проходить без помилок, запис лога віддаляється.

     •Якщо відбувається збій, запис лога залишається в таблиці трансакцій, і при наступному доступі до диска Log File Service виявляє цей запис, і просто відновлює усе як було до цієї операції.

Така система гарантує абсолютну  схоронність даних у випадку  копіювання, переміщення і видалення  файлів чи директорій. При внесенні змін у файл, ви втрачаєте ті зміни, що знаходилися в момент збою в  пам'яті в чи кеші контролера, і не встигли записатися на диск.

Файлова система  Unix

Файлова система  має ієрархічну структуру, у якій рівні створюються за рахунок  каталогів, що містять інформацію про  файли більш низького рівня. Каталог  самого верхнього рівня називається  кореневим і має ім'я root. Ієрархічна структура зручна для багатокористувацької роботи: кожен користувач локалізується у своєму каталозі чи піддереві каталогів, і разом з тим усі файли в системі логічно зв'язані. Корнєвої каталог файлової системи завжди розташовується на системному пристрої (диск, що має таку ознаку). Інші файли можуть міститися на цьому чи іншому пристрої. Для зв'язку ієрархій файлів, розташованих на різних носіях, застосовується монтування файлової системи, виконуване системним викликом mount. Нехай є дві файлові системи, розташовані на різних дисках (рис. 5). Операція монтування полягає в наступному: у кореневій файловій системі вибирається деякий існуючий каталог, що містить один порожній файл, у даному прикладі каталог man, що містить файл dummy. Після виконання монтування обраний каталог man стає кореневим каталогом другої файлової системи. Через цей каталог змонтована файлова система приєднується як піддерево до загального дерева. При цьому немає логічної різниці між основною і монтованими файловими системами.

Імена файлів

У UNIX для файлу  існує три типи імені - коротке, повне  і відносне. Коротке ім'я ідентифікує  файл у межах одного каталогу. Воно може складатися не більш ніж з 14 символів і містити так називаний  суфікс, відокремлюваний крапкою. Повне  ім'я однозначне визначає файл. Воно складається з ланцюжка імен каталогів, через які проходить маршрут  від кореневого каталогу до даного файлу. Імена каталогів розділяються символами "/", при цьому ім'я  кореневого каталогу не вказується, наприклад, /mnt/rk2/test.c, де mnt і rk2 - імена каталогів, а test.c - ім'я файлу. Кожному повному імені в ОС відповідає лише один файл, однак файл може мати кілька різних імен, тому що посилання на той самий файл можуть міститися в різних каталогах (тверді зв'язки).

Визначені також  три види доступу до файлу - читання, запис і виконання. Привілею доступу  до кожного файлу визначені для  кожної з трьох категорій користувачів і для кожної з трьох операцій доступу. Початкові значення прав доступу  до файлу встановлюються при його створенні операційною системою і можуть змінюватися його власником  чи суперкористувачем.

Фізична організація файлу

У загальному випадку файл може розташовуватися  в несуміжних блоках дискової пам'яті. Логічна послідовність блоків у  файлі задається набором з 13 елементів. Перші 10 елементів призначаються  для безпосередньої вказівки номерів  перших 10 блоків файлу. Якщо розмір файлу  перевищує 10 блоків, то в 11 елементі вказується номер блоку, у якому міститься  список наступних 128 блоків файлу. Якщо файл має розмір більш, ніж 10+128 блоків, то використовується 12-й елемент, що містить номер блоку, у якому  вказуються номери 128 блоків, кожний з  який може містити ще по 128 номерів  блоків файлу. Таким чином, 12-й елемент  використовується для дворівневої  непрямої адресації. У випадку, якщо файл більше, ніж 10+128+1282 блоків, то використовується 13 елемент для трирівневої непрямої адресації. При такому способі адресації граничний розмір файлу складає 2 113 674 блоки. Файлова система s5 підтримує розміри блоків 512, 1024 чи 2048 байт.

 

Висновки

Cьогодні в Windows застосовуються файлові системи: FAT, FAT32, HPFS і NTFS. 

Переваги FAT - низькі накладні витрати на зберігання даних і  тотальна сумісність з величезною кількістю  операційних систем і апаратних  платформ. Цією файловою системою, як і  раніше користуються для форматування дискет, де великий обсяг розділу, підтримуваний іншими файловими  системами, не грає ролі, а низькі накладні витрати дозволяють економно використовувати  малий обсяг дискети (NTFS вимагає  для зберігання даних більше місця, що абсолютно не прийнятно для  дискет ).  
Область застосування FAT32 насправді набагато вужчі - цю файлову систему варто застосовувати, якщо Ви збираєтеся отримувати доступ до розділів і за допомогою Windows 9x і за допомогою Windows 2000/XP. Але так як актуальність Windows 9x сьогодні практично зійшла нанівець, то й використання цієї файлової системи не представляє особливого інтересу.  
Деякі з можливостей, що забезпечуються на сьогоднішній день тільки файлової системи NTFS, перераховані нижче: 

1). NTFS забезпечує широкий  діапазон дозволів, на відміну  від FAT, що дає можливість індивідуальної  установки дозволів для конкретних  файлів і каталогів. Це дозволяє  вказати, які користувачі і  групи мають доступ до файлу  або папці і вказати тип  доступу.