Файловые системы

Введение
Типы файлов.
Файловая система жесткого диска
FAT
HPFS
VFAT
FAT 32
NTFS
UFS (Unix File System)
NetWare
Заключение
Список используемой литературы

Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле – главной файловой таблице MFT (Master File Table). NTFS резервирует первые 16 записей таблицы размером около 1 Мб для специальной информации. Первая запись таблицы описывает непосредственно саму главную файловую таблицу. За ней следует зеркальная запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись, чтобы отыскать зеркальный файл MFT, первая запись которого идентична первой записи MFT. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе.
NTFS была разработана как восстанавливаемая файловая система, использующая модель обработки транзакций. Каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл на томе NTFS, рассматривается системой как транзакция и может выполняться как неделимый блок. При модификации файла пользователем сервис файла регистрации фиксирует всю информацию необходимую для повторения или отката транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла. Если нет, NTFS производит откат транзакции.
UFS (Unix File System)
Так же, как Unix представляет не одну систему, а ряд совместимых, так же UFS - не одна система, а целый ряд. Информации о поддержке разными Unix'ами чужих UFS у меня пока нет; информацию по поводу поддержки чужих файловых систем для каждого конкретного Unix'а скорее всего можно найти в документации к программе 'mount'.
Основным отличием UFS от других известных мне систем является выделение атрибутов файла в отдельном объекте файловой системе - inode; это позволяет иметь доступ к файлу (к набору данных, хранящихся в файле) более чем по одному имени (так называемый жесткий линк; см.ниже), а заодно повысить эффективность функционирования системы.
Классическая UFS Отводит на файл 16 байт - 14-буквенное имя файла и двухбайтный номер inode; современые UFS позволяют создавать длинные имена (до 255 символов), а имена файлов хранят не подряд, а более разумно - в двоичном дереве или hash-таблице, а номер inode может быть любым - четырехбайтным или восьмибайтным.
Сам блок inode содержит:
количество ссылок на файл - каждое имя, ссылающееся на файл, а также открытие файла увеличивают этот счетчик на единицу; файл стирается с высвобождением занятого места как только счетчик становится равным нулю (т.е. можно стереть открытый файл, а реально он сотрется когда его закроют);
размер файла;
дату и время создания, последнего изменения и последего чтения файла;
тип файла - в Unix это бывает:
обычный файл;
директория;
файл блочного устройства;
файл символьного (последовательного) устройства;
поименованный пайп (название происходит от символа "|", называемого "pipe" - см.его значение в shell);
символьный линк (алиас);
обычный файл и директория встречаются во всех файловых системах; файлы устройств являются интерфейсами к драйверам этих устройств;
UID (идентификатор хозяина файла) и GID (идентификатор группы);
атрибуты доступа:
Unix использует атрибуты 'Read', 'Write' и 'eXecute' для хозяина файла (owner), для одногрупника (group) и для остальных (other) - итого 9 бит; для директории эти атрибуты означают соответственно права на чтение списка файлов, на создание/удаление файлов и на обращение к файлам внутри директории;
важной особенностью является то, что права доступа для хозяина определяются атрибутами для него, права для одногрупника и остальных для хозяина игнорируются; аналогично для одногрупника не играют никакой роли права для остальных;
кроме них есть атрибуты SetUID и SetGID - для запускаемого файла (не интерпретируемого) эти атрибуты определяют запуск процесса под правами не запустившего их пользователя, а хозяина и/или группы файла соответственно;
и еще есть один атрибут - для директории он запрещает стирание файлов, не принадлежащих стирающему;
расширенный ACL (Access Control List, Список Управления Доступом) или ссылку на ACL, если файловая система поддерживает ACL;
несколько (в классической UFS - 13) ссылок на кластеры файловой системы (раскладка приведена для классической UFS):
первые 10 указывают на первые 10 кластеров файла;
11-й указывает на кластер, содержащий адреса следующих 128-ми кластеров файла (в классической UFS размер кластера - полкилобайта, а адрес кластера - четыре байта);
12-й указывает на кластер, содержащий адреса 128-ми кластеров, в свою очередь содержащих адреса следующих 16384-рех кластеров файла;
последний указывает на кластер, ... вобщем, здесь используется еще на один уровень больше, что позволяет адресовать еще 2097152 кластера файла;
Итого получается 2113674 кластера по полкилобайта - чуть более гигабайта в файловой системе, способной работать с томами до двух терабайт (2^32 кластеров по полкилобайта).
В современных UFS многое изменено: можно задавать произвольный размер кластера и использовать 64-битные указатели, так что ограничение классической UFS давно преодолены. Основное преимущество такой адресации в том, что маленькие файлы, к которым часто обращаются, достижимы прямо из inode, и так же быстро происходит обращение к началу большого файла; обращение в середину и конец большого файла происходят медленнее, чем в начало, но я не представляю, как можно обеспечить большую скорость, не налагая жесткого требования заведомой дефрагментированности файла или хотя бы таблицы размещения его кластеров.
 
Во многих UFS если после создания файла в кластер ничего не писалось (например, после открытия файла переместили указатель далеко-далеко и что-то туда записали), то под этот кластер не отводится место, а ссылке, которая должна на него указывать, присваивается 0 (это особенно актуально в свете использования hash-таблиц, которые обычно имеют внутри себя пустое пространство). То же самое делается если кластер оказывается заполнен нулями (незаполненное место считается залитым нулями, хотя полагаться на это программисту я бы не советовал). По-моему, неплохой способ экономии места.
Часть систем UFS реализованы как отказоустойчивые с журналированием, а часть по традиции обходится без этого - считается, что если на машине хранятся действительно важные данные, то эту машину можно обеспечить бесперебойным питанием и не подпускать к ней ламеров.
NetWare
Сведений об устройстве файловой системы NetWare у мня нет - знаю лишь, что она какая-то своя, естественно, более эффективная, чем FAT, и имеет более сложные ACL, чем классический Unix с его 'rwx' для owner, group и other.
Заключение
Развитие файловых систем персональных компьютеров определялось двумя факторами - появлением новых стандартов на носители информации и ростом требований к характеристикам файловой системы со стороны прикладных программ (разграничение уровней доступа, поддержка длинных имен файлов в формате UNICODE). Первоначально, для файловых систем первостепенное значение имело увеличение скорости доступа к данным и минимизация объема хранимой служебной информации. Впоследствии с появлением более быстрых жестких дисков и увеличением их объемов, на первый план вышло требование надежности хранения информации, которое привело к необходимости избыточного хранения данных.
Эволюция файловой системы была напрямую связана с развитием технологий реляционных баз данных. Файловая система использовала последние достижения, разработанные для применения в СУБД: механизмы транзакций, защиты данных, систему самовосстановления в результате сбоя.
Развитие файловых систем привело к изменению самого понятия "файл" от первоначального толкования как упорядоченная последовательность логических записей, до понятия файла, как объекта, имеющего набор характеризующих его атрибутов (включая имя файла, его псевдоним, время создания и собственно данные), реализованного в Структура NTFS.
За свою почти 30 летнюю историю файловая система прошла путь от простой системы, взявшей на себя функции управления файлами, до системы, представляющей собой полноценную СУБД, обладающую встроенным механизмом протоколирования и восстановления данных.
В отличие от попыток ввести стандарт на протокол, описывающий правила доступа к удаленным файловым системам (CIFS, NFS), не стоит ожидать появления подобного стандарта, описывающего файловые системы для жестких дисков. Это можно объяснить тем, что файловая система жестких дисков все еще продолжает оставаться одной из главных частей операционной системы, влияющей на ее производительность. Поэтому каждый производитель операционных систем будет стремиться использовать файловую систему, "родную" для его ОС.
Дальнейшая эволюция файловых систем пойдет по пути совершенствования механизмов хранения данных, оптимизации хранения мультимедийных данных, использования новых технологий, применяемых в базах данных (возможность полнотекстового поиска, сортировка файлов по различным атрибутам), как это будет в Windows Longhorn.
Список используемой литературы
Козлов С. КомпьюТерра «Летописец файловых систем» 2001 г. №6
Лапшанский С. Компьютера «Введение в файловые системы UNIX» 2002г №9
С. Земсков The Chip Special«Файловые системы» 2005 г.
Зогин В., редакция Елисеев C. Ремонт PC «Общее описание файловых систем» 2005 г. №9
25