Управление вводом/выводом и файловые системы

При переименовании файлов может возникнуть так называемая перебалансировка дерева. Создание файла, переименование или стирание может приводить к каскадированию блоков каталогов. Фактически, переименование может потерпеть неудачу из-за недостатка дискового пространства, даже если файл непосредственно в размерах не увеличился. Во избежание этого «бедствия» HPFS поддерживает небольшой пул свободных блоков, которые могут использоваться при «аварии». Эта операция может потребовать выделения дополнительных блоков на заполненном диске. Указатель на этот пул свободных блоков сохраняется в SpareBlock.

Важное значение для повышения скорости работы с файлами имеет уменьшение их фрагментации. В HPFS считается, что файл является фрагментированным, если он содержит больше одного экстента. Снижение фрагментации файлов сокращает время позиционирования и время ожидания за счёт уменьшения количества перемещений головок, необходимого для доступа к данным файла. Алгоритмы работы файловой системы HPFS работают таким образом, чтобы по возможности размещать файлы в последовательных смежных секторах диска, что обеспечивает максимально быстрый доступ к данным впоследствии. В системе FAT, наоборот, запись следующей порции данных в первый же свободный кластер неизбежно приводит к фрагментации файлов. HPFS тоже, если это предоставляется возможным, записывает данные в смежные секторы диска (но не в первый попавшийся). Это позволяет несколько снизить число перемещений головок чтения/записи от дорожки к дорожке. При этом, когда данные дописываются в существующий файл, HPFS сразу же резервирует как минимум 4 Кбайт непрерывного пространства на диске. Если же часть этого пространства не потребовалась, то после закрытия файла она высвобождается для дальнейшего использования. Файловая система HPFS равномерно размещает непрерывные файлы по всему диску для того, чтобы впоследствии без фрагментации обеспечить их возможное увеличение. Если же файл не может быть увеличен без нарушения его непрерывности, HPFS опять-таки резервирует 4Кбайт смежных блоков как можно ближе к основной части файла с целью сократить время позиционирования головок чтения/записи и время ожидания соответствующего сектора.

Очевидно, что степень фрагментации файлов на диске зависит как от числа файлов, расположенных на нём, их размеров и размеров самого диска, так и от характера и интенсивности самих дисковых операций. Незначительная фрагментация файлов практически не сказывается на быстродействии операций с файлами. Файлы, состоящие из двух-трех экстентов, практически не снижают производительность HPFS, так как эта файловая система следит за тем, чтобы области данных, принадлежащие одному и тому же файлу, располагались как можно ближе друг к другу. Файл из трех экстентов имеет только два нарушения непрерывности, и, следовательно, для его чтения потребуется всего лишь два небольших перемещения головки диска. Программы (утилиты) дефрагментации, имеющиеся для этой файловой системы, по умолчанию считают наличие двух-трех экстентов у файла нормой. Например, программа HPFSOPT из набора утилит Gamma-Tech по умолчанию не дефрагментирует файлы, состоящие из трех и менее экстентов, а файлы, которые имеют большее количестве экстентов, приводятся к 2 или 3 экстентам, если это возможно (файлы объёмом в несколько десятков мегабайт всегда будут фраг-ментированы, ибо максимально возможный размер экстента, как вы помните, равен 8 Мбайт). Надо сказать, что практика показывает, что в среднем на диске имеется не более 2 процентов файлов, имеющих три и более экстентов [96]. Даже общее количество фрагментированных файлов, как правило, не превышает 3 процентов. Такая ничтожная фрагментация оказывает пренебрежимо малое влияние на общую производительность системы.

Теперь кратко рассмотрим вопрос надёжности хранения данных в HPFS. Любая файловая система должна обладать средствами исправления ошибок, возникающих при записи информации на диск. Система HPFS для этого использует механизм аварийного замещения (hotfix).

Если файловая система HPFS сталкивается с проблемой в процессе записи данных на диск, она выводит на экран соответствующее сообщение об ошибке. Затем HPFS сохраняет информацию, которая должна была быть записана в дефектный сектор, в одном из запасных секторов, заранее зарезервированных на этот случай. Список свободных запасных блоков хранится в резервном блоке HPFS. При обнаружении ошибки во время записи данных в нормальный блок HPFS выбирает один из свободных запасных блоков и сохраняет эти данные в нём. Затем файловая система обновляет карту аварийного замещения в резервном блоке. Эта карта представляет собой просто пары двойных слов, каждое из которых является 32-битным номером сектора. Первый номер указывает на дефектный сектор, а второй - на тот сектор среди имеющихся запасных секторов, который был выбран для его замены. После замены дефектного сектора запасным карта аварийного замещения записывается на диск, и на экране появляется всплывающее окно, информирующее пользователя о произошедшей ошибке записи на диск. Каждый раз, когда система выполняет запись или чтение сектора диска, она просматривает карту аварийного замещения и подменяет все номера дефектных секторов номерами запасных секторов с соответствующими данными. Следует заметить, что это преобразование номеров существенно не влияет на производительность системы, так как оно выполняется только при физическом обращении к диску, но не при чтении данных из дискового кэша. Очистка карты аварийного замещения автоматически выполняется программой CHKDSK при проверке диска HPFS. Для каждого замещённого блока (сектора) программа CHKDSK выделяет новый сектор в наиболее подходящем для файла (которому принадлежат данные) месте жёсткого диска. Затем программа перемещает данные из запасного блока в этот сектор и обновляет информацию о положении файла, что может потребовать новой балансировки дерева блоков размещения. После этого CHKDSK вносит повреждённый сектор в список дефектных блоков, который хранится в дополнительном блоке HPFS, и возвращает освобожденный сектор в список свободных запасных секторов резервного блока. Затем удаляет запись из карты аварийного замещения и записывает отредактированную карту на диск.

Все основные файловые объекты в HPFS, в том числе файловые узлы, блоки размещения и блоки каталогов, имеют уникальные 32-битные идентификаторы и указатели на свои родительские и дочерние блоки. Файловые узлы, кроме того, содержат сокращённое имя своего файла или каталога. Избыточность и взаимосвязь файловых структур HPFS позволяют программе CHKDSK полностью восстанавливать файловую структуру диска, последовательно анализируя все файловые узлы, блоки размещения и блоки каталогов. Руководствуясь собранной информацией, CHKDSK реконструирует файлы и каталоги, а затем заново создает битовые карты свободных секторов диска. Запуск программы CHKDSK следует осуществлять с соответствующими ключами. Так, например, один из вариантов работы этой программы позволяет найти и восстановить удаленные файлы.

HPFS относится к так называемым монтируемым файловым системам. Это означает, что она не встроена в операционную систему, а добавляется к ней при необходимости. Файловая система HPFS устанавливается оператором IFS¹ в файле CONFIG.SYS. Этот оператор всегда помещается в первой строке данного конфигурационного файла. В приводимом далее примере оператор IFS устанавливает файловую систему HPFS с кэшем в 2 Мбайт, длиной записи кэша в 8 Кбайт и автоматической процедурой проверки дисков С и D:

IFS=E:\OS2\HPFS.IFS /CACHE:2048 /CRECL:4 /AUTOCHECK:CD

Для запуска программы управления процессом кэширования следует прописать в файле CONFIG.SYS ещё одну строку:

RUN=E:\OS2\CACHE.EXE /Lazy:On /BufferIdle:2000 /DiskIdle:4000

/MaxAge:8000 /D1rtyMax:256 /ReadAhead:On

В этой строке включается режим отложенной («ленивой») записи, устанавливаются параметры работы этого режима, а также включается режим упреждающего чтения данных, что в целом позволяет существенно сократить количество обращений к диску и ощутимо повысить быстродействие файловой системы. Так, ключ Lazy с параметром On включает «ленивую запись», а с параметром Off - выключает. Ключ BufferIdle определяет время в миллисекундах, в течение которого буфер кэша должен оставаться в неактивном состоянии, чтобы стало возможным осуществить запись данных из кэша на диск. По умолчанию (то есть если не прописывать данный ключ явным образом) это время равно 500 мс. Ключ DiskIdle задает время (в миллисекундах), в течение которого диск должен оставаться в неактивном состоянии, чтобы стало возможным осуществить запись данных из кэша на диск. По умолчанию это время равно 1 с. Этот параметр позволяет избежать записи из кэша на диск во время выполнения других операций с диском.

Ключ MaxAge задаёт время (тоже в миллисекундах), по истечении которого часто сохраняемые в кэше данные наконец помечаются как «устаревшие» и при переполнении кэша могут быть замещены новыми. По умолчанию это время равно 5 с.

Остальные подробности установки параметров и возможные значения ключей имеются в HELP-файлах, устанавливаемых вместе с операционной системой OS/2 Warp.

Наконец, следует сказать и ещё об одной системе управления файлами - речь идет о реализации HPFS для работы на серверах, функционирующих под управлением OS/2. Это система управления файлами, получившая название HPFS386.IPS. Ёё принципиальное отличие от системы HPFS.IFS заключается в том, что HPFS386.IFS позволяет (посредством более полного использования технологии расширенных атрибутов) организовать ограничения на доступ к файлам и каталогами с помощью соответствующих списков доступа - ACL (access control list). Эта технология, как известно, используется в файловой системе NTFS. Кроме этого, в системе HPPS386.IFS в отличие от HPFS.IFS нет ограничений на объём памяти, выделяемой для кэширования файловых записей. Иными словами, при наличии достаточного объёма оперативной памяти объём файлового кэша может быть в несколько десятков мегабайт, в то время как для обычной HPFS.IFS этот объём не может превышать 2 Мбайт, что по сегодняшним меркам безусловно мало. Наконец, при установке режимов работы файлового кэша HPFS386.IFS есть возможность явным образом указать алгоритм кэширования. Наиболее эффективным алгоритмом можно считать так называемый «элеваторный», когда при записи данных из кэша на диск они предварительно упорядочиваются таким образом, чтобы минимизировать время, отводимое на позиционирование головок чтения/ записи. Головки чтения/записи при этом перемещаются от внешних цилиндров к внутренним и по ходу своего движения осуществляют запись и чтение данных в соответствии со специальным образом упорядочиваемым списком запросов на дисковые операции.

Приведем пример записи строк в конфигурационном файле CONFIG.SYS, которые устанавливают систему HPFS386.IFS и определяют параметры работы её подсистемы кэширования:

IFS=E: \IBM3 86F S\HPFS386.IFS /AUTOCHECK: EGH

RUN=E :\IBM386F S\CACHE386. EXE /Lazy:On /BufferIdle:4000 /MaxAge:20000

Эти записи следует понимать следующим образом. При запуске операционной системы в случае обнаружения флага, означающего, что не все файлы были закрыты в процессе предыдущей работы, система управления файлами HPFS386.IFS сначала запустит программу проверки целостности файловой системы для томов Е:, G: и Н:. Для кэширования файлов при работе этой системы управления файлами устанавливается режим отложенной записи со временем жизни буферов до 20 с. Остальные параметры, в частности алгоритм обслуживания запросов, устанавливаются в файле HPFS386.INI, который в данном случае располагается в директории E:\IBM386FS.

Опишем кратко некоторые наиболее интересные параметры, управляющие работой кэша в этой системе управления файлами. Прежде всего, отметим, что файл HPFS386.INI разбит на несколько секций. В настоящий момент рассмотрим секцию [ULTIMEDIA]:

[ULTIMEDIA]

QUEUESORT={FIFO|ELEVATOR|DEFAULT|CURRENT} QUEUEMETHOD={PRIORITY|NOPRIORITY|DEFAULT|CURRENT} QUEUEDEPTH={ 1 ...255| DEFAULT | CURRENT }

Параметр QUEUESORT задаёт способ ведения очереди запросов к диску. Он может принимать значения FIFO, ELEVATOR, DEFAULT и CURRENT. Если задано значение FIFO, то каждый новый запрос просто добавляется в конец очереди, то есть запросы выполняются в том порядке, в котором они поступают в систему. Однако можно упорядочить некоторое количество запросов по возрастанию номеров дорожек. Если задано значение ELEVATOR, то включается режим поддержки упорядоченной очереди запросов. При этом запросы начинают обрабатываться по алгоритму ELEVATOR (он же C-SCAN или «режим плавающей головки» [24, 28]). Напомним, этот алгоритм подразумевает, что головка чтения/записи сканирует диск в выбранном направлении (например, в направлений возрастания номеров дорожек), останавливаясь для выполнения запросов, находящихся на пути следования. Когда она доходит до последнего запроса, головка чтения/записи переносится на начальную дорожку и процесс обслуживания запросов продолжается.

Если для параметра QUEUESORT задано значение DEFAULT, то выбирается алгоритм по умолчанию. Сейчас это ELEVATOR. Если задано значение CURRENT, то остается в силе тот алгоритм, который был выбран DASD Manager при инициализации.

Параметр QUEUEMETHOD определяет, должны ли учитываться приоритеты запросов при построении очереди. Он может принимать значения PRIORITY, NO-PRIORITY, DEFAULT и CURRENT. Если задано значение NOPRIORITY, то все

запросы включаются в общую очередь, а их приоритеты игнорируются. Если задано значение PRIORITY, то модуль DASD Manager будет поддерживать несколько очередей запросов, по одной на каждый приоритет. Когда DASD Manager передаёт запросы на исполнение драйверу диска, он сначала выбирает запросы из самой приоритетной очереди, потом из менее приоритетной и т. д. Приоритеты назначает HPFS386, а распределены они следующим образом. High:

Shutdown или экстренная запись из-за сбоя питания.

Страничный обмен.

Обычные запросы от foreground сессий.

Обычные запросы от background сессии. (Приоритеты 3 и 4 равны, если в файле CONFIG.SYS задан параметр RIORITY_DISK_IO=NO.)

Read-ahead и низкоприоритетные запросы страничного обмена (страничная предвыборка).

Lazy-Write и прочие запросы, не требующие немедленной реакции. Low:

Предвыборка.

Если для параметра QUEUEMETHOD задано значение DEFAULT, то выбирается метод по умолчанию. Сейчас это PRIORITY. Если задано значение CURRENT, то остается в силе тот метод, который был выбран DASD Manager при инициализации.

Параметр QUEUEDEPTH задает глубину просмотра очереди при выборке запросов. Он может принимать значения из диапазона (1...255), а также DEFAULT и CURRENT. Если в качестве значения параметра QUEUEDEPTH задано число, то оно определяет количество запросов, которые должны находиться в очереди дискового адаптера одновременно. Например, для SCSI-адаптеров имеет смысл поддерживать такую длину очереди, при которой они смогут загрузить все запросы в свои аппаратные структуры (tagged queue или mailbox). Если очередь запросов к адаптеру будет слишком короткой, то аппаратура будет работать с неполной загрузкой, а если она будет слишком длинной - драйвер SCSI-адаптера будет перегружен «лишними» запросами. Поэтому разумным значением для QUEUEDEPTH будет число, немного превышающее длину аппаратной очереди команд адаптера. Если для параметра QUEUEDEPTH задано значение DEFAULT, то глубина просмотра очереди определяется автоматически на основании значения, которое рекомендовано драйвером дискового адаптера. Если задано значение CURRENT, то глубина просмотра очереди не изменяется. В текущей реализации CURRENT эквивалентно DEFAULT.

Итак, текущие умолчания для HPFS386 имеют вид:

QUEUESORT=FIFO

QUEUEMETHOD=DEFAULT

QUEUEDEPTH=2

А текущие умолчания для DASD Manager таковы:

QUEUESORT=ELEVATOR QUEUEMETHOD=PRIORITY

QUEUEDEPTH=<3aвисит от адаптера диска>

Умолчания DASD Manager можно менять с помощью параметра

/QF: BASEDEV=OS2DASD.DMD /QF:{1|2|3)

где 1 - QUEUESORT = FIFO; 2 - QUEUEMETHOD = NOPRIORITY; 3 -

QUEUESORT = FIFO и QUEUEMETHOD = NOPRIORITY.

Наконец, добавим ещё несколько слов об устанавливаемых файловых системах (installable file systems - IFS), представляющих собой специальные «драйверы» для доступа к разделам, отформатированным под другую файловую систему. Это очень удобный и мощный механизм добавления в ОС новых файловых систем и замены одной системы управления файлами на другую. Сегодня, например, для OS/2 уже реально существуют IFS-модули для файловой системы VFAT (FAT с поддержкой длинных имен), FAT32, Ext2FS (файловая система Linux), NTFS (правда, пока только для чтения). Для работы с данными на CD-ROM имеется CDFS.IFS. Есть и FTP.IFS, позволяющая монтировать ftp-архивы как локальные диски. Механизм устанавливаемых файловых систем был перенесён и в систему Windows NT.

Файловая система NTFS (New Technology File System)

В название файловой системы NTFS входят слова «New Technology», то есть «новая технология». Действительно, NTFS содержит ряд значительных усовершенствований и изменений, существенно отличающих её от других файловых систем. С точки зрения пользователей, файлы по-прежнему хранятся в каталогах (часто называемых «папками» или фолдерами в среде Windows). Однако в NTFS в отличие от FAT работа на дисках большого объёма происходит намного эффективнее; имеются средства для ограничения в доступе к файлам и каталогам, введены механизмы, существенно повышающие надёжность файловой системы, сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секторов и/или кластеров.

Основные возможности файловой системы NTFS

При проектировании системы NTFS особое внимание было уделено следующим характеристикам:

¦ надёжность. Высокопроизводительные компьютеры и системы совместного пользования (серверы) должны обладать повышенной надёжностью, которая является ключевым элементом структуры и поведения NTFS. Одним из способов увеличения надёжности является введение механизма транзакций, при котором осуществляется журналирование¹ файловых операций;

расширенная функциональность. NTFS проектировалась с учётом возможного расширения. В ней были воплощены многие дополнительные возможности усовершенствованная отказоустойчивость, эмуляция других файловых систем, мощная модель безопасности, параллельная обработка потоков данных и создание файловых атрибутов, определяемых пользователем;

поддержка POSIX. Поскольку правительство США требовало, чтобы все закупаемые им системы хотя бы в минимальной степени соответствовали стандарту POSIX, такая возможность была предусмотрена и в NTFS. К числу базовых средств файловой системы POSIX относится необязательное использование имён файлов с учётом регистра, хранение времени последнего обращения к файлу и механизм так называемых «жёстких ссылок» - альтернативных имен, позволяющих ссылаться на один и тот же файл по двум и более именам;

гибкость. Модель распределения дискового пространства в NTFS отличается чрезвычайной гибкостью. Размер кластера может изменяться от 512 байт до 64 Кбайт; он представляет собой число, кратное внутреннему кванту распределения дискового пространства. NTFS также поддерживает длинные имена файлов, набор символов Unicode и альтернативные имена формата 8.3 для совместимости с FAT.

NTFS превосходно справляется с обработкой больших массивов данных и достаточно хорошо проявляет себя при работе с томами объёмом от 300-400 Мбайт и выше. Максимально возможные размеры тома (и размеры файла) составляют 16 Экзобайт. Количество файлов в корневом и некорневом каталогах не ограничено. Поскольку в основу структуры каталогов NTFS заложена эффективная структура данных, называемая «бинарным деревом», время поиска файлов в NTFS (в отличие от систем на базе FAT) не связано линейной зависимостью с их количеством.

Система NTFS также обладает определенными средствами самовосстановления. NTFS поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, включая ведение журналов транзакций, позволяющих воспроизвести файловые операции записи по специальному системному журналу.

Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности NT и рассматривает все тома, каталоги и файлы как самостоятельные объекты. NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов; это означает, что права доступа к томам, каталогам и файлам могут зависеть от учётной записи пользователя и тех групп, к которым он принадлежит. Каждый раз, когда пользователь обращается к объекту файловой системы, его права доступа проверяются по списку разрешений данного объекта. Если пользователь обладает достаточным уровнем прав, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется. Эта модель безопасности применяется как при локальной регистрации пользователей на компьютерах с NT, так и при удалённых сетевых запросах.

Наконец, помимо огромных размеров томов и файлов, система NTFS также обладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к отдельным файлам, целым каталогам и даже томам (и впоследствии отменять или назначать их по своему усмотрению).

Структура тома с файловой системой NTFS

Рассмотрим теперь структуру файловой системы NTFS. Одним из основных понятий, используемых при работе с NTFS, является понятие тома (volume). Возможно также создание отказоустойчивого тома, занимающего несколько разделов, то есть использование RAID-технологии. Как и многие другие системы, NTFS делит всё полезное дисковое пространство тома на кластеры - блоки данных, адресуемые как единицы данных. NTFS поддерживает размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; стандартом же считается кластер размером 2 или 4 Кбайт.

Всё дисковое пространство в NTFS делится на две неравные части (рис.4.1 2). Первые 12 % диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, которое может занимать, увеличиваясь в размере, главный служебный метафайл MFT . Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) по возможности не фрагментировался при своем росте. Остальные 88 % тома представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

делен на записи фиксированного размера в 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 строго фиксированное положение. Копия этих же 1 6 записей хранится в середине тома для надёжности, поскольку они очень важны. Остальные части MFT-файла могут 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.

Таблица 4.7. Метафайлы NTFS

Упомянутые первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер; каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Метафайлы находятся в корневом каталоге NTFS-тома. Все они начинаются с символа имени «$», хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно.

В табл. 4.7 приведены основные известные метафайлы и их назначение. Таким образом, можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию тома, посмотрев размер файла $MFT.

Итак, все файлы тома упоминаются в MFT. В этой структуре хранится вся информация о файлах, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов и т. д. - всё это хранится в соответствующей записи. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используется несколько записей, причем не обязательно идущих подряд. Файлы могут иметь не очень большой размер. Тогда применяется 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.

Файл в томе с NTFS идентифицируется так называемой файловой ссылкой (File Reference), которая представляется как 64-разрядное число. Файловая ссылка состоит из номера файла, который соответствует позиции его файловой записи в MFT, и номера последовательности. Последний увеличивается всякий раз, когда данная позиция в MFT используется повторно, что позволяет файловой системе NTFS выполнять внутренние проверки целостности.

Каждый файл в NTFS представлен с помощью потоков (streams), то есть у него нет как таковых «просто данных», а есть «потоки». Для правильного понимания потока достаточно указать, что один из потоков и носит привычный нам смысл -данные файла. Но большинство атрибутов файла - это тоже потоки. Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а всё остальное, включая и его потоки, - опционально. Данный подход может эффективно использоваться - например, файлу можно «прилепить» ещё один поток, записав в него любые данные. В Windows 2000 таким образом записана информация об авторе и содержании файла (одна из закладок в свойствах файла, просматриваемых, например, из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами работы с файлами: наблюдаемый размер файла - это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длины, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места - просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология «прилепила» к нему дополнительный поток (альтернативные данные) такого большого размера. Но на самом деле в настоящее время потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны¹. Просто необходимо иметь в виду, что файл в NTFS - это более глубокое понятие, чем можно себе представить, просматривая каталоги диска.

Стандартные же атрибуты для файлов и каталогов в томе NTFS имеют фиксированные имена и коды типа, они перечислены в табл. 4.8.

Таблица 4.8. Атрибуты файлов в системе NTFS

Атрибуты файла в записях MFT расположены в порядке возрастания числовых значений кодов типа, причем некоторые типы атрибутов могут встречаться в записи более одного раза: например, если у файла есть несколько атрибутов данных или несколько имен. Обязательными для каждого файла в томе NTFS являются атрибут стандартной информации, атрибут имени файла, атрибут дескриптора защиты и атрибут данных. Остальные атрибуты могут встречаться при необходимости.

Имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS, может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данное представлены в Unicode - 1 6-битном представлении, которое дает 65 535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS - 255 символов.

Большой вклад в эффективность файловой системы вносит организация каталога. Каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделён на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Главный каталог диска - корневой - ничем не отличается от обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево, подобно тому, как это организовано в HPFS. Кстати, при создании файловой системы NTFS разработчики решили использовать максимально возможное количество эффективных решений из HPFS. К сожалению, не было взято на вооружение разбиение всего дискового пространства на зоны, в каждой из которых хранилась бы информация об имеющихся свободных кластерах. В результате отказа от этого подхода и введения механизма транзакций скорость работы файловой системы NTFS существенно ниже скорости работы системы HPFS.

Итак, как нам теперь известно, бинарное дерево каталога располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Бинарное дерево способно дать ответ на вопрос: 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. Если представить, что файлы отсортированы по алфавиту, то 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.

Заметим, что добавлять файл в каталог в виде дерева не намного труднее, чем в линейный каталог системы FAT. Это сопоставимые по времени операции. Для того чтобы добавить новый файл в каталог, нужно сначала убедиться, что файла с таким именем там ещё нет. Поэтому в системе FAT с линейной организацией записей каталога у нас появляются трудности не только с поиском файла. И это с лихвой компенсирует саму простоту добавления файла в каталог.

Возможности файловой системы NTFS по ограничению доступа к файлам и каталогам

Рассмотрим основные возможности, связанные как с организацией различных прав доступа к файлам и каталогам при использовании сетевого доступа, так и локальные ограничения на файлы и каталоги. NTFS рассматривает каталоги (папки) и файлы как разнотипные объекты и ведёт отдельные (хотя и перекрывающиеся) списки прав доступа для каждого типа [36]. Ниже перечислены права NTFS, назначаемые папкам (соответствующие права для файлов приведены ниже):

нет доступа (no access) (None) (нет);

полный доступ (full control) (All)(All) (все)(все);

право чтения (read) (RX)(RX) (чтение)(чтение);

право добавления (add) (WX)(not specified) (запись/выполнение не указано);

право добавления и чтения (add&read) (RWX)(RX) (чтение/запись/выполнение) (чтение/выполнение);

право просмотра (list) (RX)(not specified) (чтение/выполнение)(не указано);

право изменения (change) (RWXD)(RWXD) (чтение/запись/ выполнение/ удаление) (чтение/запись/выполнение/удаление).

Обратите внимание на два выражения в скобках, указанные после имени права доступа. Первое выражение относится к самой папке, а второе - ко всем файлам, которые могут быть созданы внутри неё. Например, при полном доступе для папки разрешаются любые действия, однако пользователь с полным доступом к папке также будет обладать полным правом доступа ко всем созданным в ней файлам (если только права доступа к файлу не были изменены его владельцем или администратором). Другими словами, в NTFS файлы и папки по умолчанию наследуют права доступа, установленные для их родительской папки, однако эти права могут быть изменены любым пользователем, которому разрешено изменять права доступа для соответствующих объектов NTFS.

Файлы в NTFS могут обладать следующими правами:

полный доступ (full control) (All) (все);

нет доступа (no access) (None) (нет);

право изменения (change) (RWXD) (чтение/запись/выполнение/удаление);

право чтения (read) (RX) (чтение/выполнение).

Для прав доступа NTFS, как и для прав общих каталогов, действует принцип поглощения. Исключение составляет право «нет доступа», отменяющее действие всех остальных прав.

При сетевом подключении пользователей права NTFS могут вступить в конфликт с правами общих каталогов. В такой ситуации применяется право доступа с наиболее жесткими ограничениями. У многих возникают проблемы с пониманием получаемых при сетевом доступе ограничений. Однако здесь можно легко разобраться, если помнить, что при доступе по сети к каталогам и файлам, располагающихся на томах с NTFS, у нас получаются задействованными два последовательных механизма. Сначала мы получаем доступ к файлам, который был определён сетевыми механизмами. Это право «нет доступа» - «по access», право на «чтение» - «read», право «изменение» - «change» и «полный доступ» - «full control». После этого вступают в силу ограничения на файлы и каталоги, определённые свойствами NTFS. То есть нам нужно преодолеть последовательно два препятствия. Другими словами, итоговые права на папки и файлы будут определяться максимальными ограничениями, которые были заданы в каждом из механизмов.

Помимо перечисленных прав имеется ещё так называемый специальный доступ (Special Access). Если выбрать это право доступа, то на самом деле появляется возможность выбирать несколько прав одновременно из следующего перечня:

полный доступ (full control) (All);

чтение (read) (R);

запись (write) (W);

выполнение (execute) (X);

удаление (delete) (D);

изменение разрешений (change permissions) (P);

изменение владельца (take ownership) (O).

В принципе можно было бы выбирать любые совокупности перечисленных разрешений, однако на практике это, увы, не работает. Например, нельзя указать право Х (исполнение) без права R (чтение), хотя в других системах управления файлами такое право обеспечивается. Оно позволяет выполнять программу, файл которой помечен таким атрибутом, но не дает возможности её скопировать. Многие другие комбинации специальных разрешений тоже не работают должным образом и это надо обязательно иметь в виду. Лучше пользоваться штатными правами на файлы и каталоги, которые были перечислены выше.

Рассмотрим теперь, что происходит с правами на защищённые файлы в NTFS при их перемещении. Папки более высокого уровня в NTFS обычно обладают теми же правами, что и находящиеся в них файлы и папки. Например, если вы создаете папку внутри другой папки, для которой администраторы обладают правом полного доступа, а операторы архива - правом чтения, то новая папка унаследует эти права. То же относится и к файлам, копируемым из другой папки или перемещаемым из другого раздела NTFS.

Если папка или файл перемещается в другую папку того же раздела NTFS, то атрибуты безопасности не наследуются от нового объекта-контейнера. Например, если из папки с правами чтения для группы everyone файл перемещается в папку того же раздела с полным доступом для той же группы, то для перемещенного файла будет сохранено исходное право чтения. Дело в том, что при перемещении файлов в границах одного раздела NTFS изменяется только указатель местонахождения объекта, а все остальные атрибуты (включая атрибуты безопасности) остаются без изменений.

Три следующих важных правила помогут определить состояние прав доступа при перемещении или копировании объектов NTFS:

При перемещении файлов в границах раздела NTFS сохраняются исходные права доступа.

При выполнении других операций (создании или копировании файлов, а также их перемещении между разделами NTFS) наследуются права доступа родительской папки.

При перемещении файлов из раздела NTFS в раздел FAT все права NTFS теряются.

Основные отличия FAT и NTFS

Если говорить о накладных расходах на хранение служебной информации, FAT отличается от NTFS большей компактностью и меньшей сложностью. В большинстве томов FAT на хранение таблицы размещения, содержащей информацию обо всех файлах тома, расходуется менее 1 Мбайт. Столь низкие накладные расходы позволяют форматировать в FAT жесткие диски малого объёма и флоппи-диски. В NTFS служебные данные занимают больше места, чем в FAT. Так, каждый элемент каталога занимает 2 Кбайт. Однако это имеет и свои преимущества, так как содержимое файлов объёмом 1 500 байт и менее может полностью храниться в элементе каталога.

Система NTFS не может использоваться для форматирования флоппи-дисков. Не стоит пользоваться ею для форматирования разделов объёмом менее 50-1 00 Мбайт. Относительно высокие накладные расходы приводят к тому, что для малых разделов служебные данные могут занимать до 25 % объёма носителя. Корпорация Microsoft рекомендует использовать FAT для разделов объёмом 256 Мбайт и менее, а NTFS - для разделов объёмом 400 Мбайт и более¹.

Следующий критерий сравнения - размер файлов. Разделы FAT имеют объём до 2 Гбайт, VFAT - до 4 Гбайт и FAT32 - до 4 Гбайт.

Тем не менее, из-за особенностей своего внутреннего строения разделы FAT лучше всего работают для разделов объёмом 200 Мбайт и менее. Разделы NTFS могут достигать 16 Эбайт, однако в настоящее время из-за аппаратных и других системных причин размер файлов ограничивается 2 Тбайт.

Разделы FAT могут использоваться практически во всех операционных системах. За редкими исключениями, с разделами NTFS можно работать напрямую только из Windows NT, хотя и имеются для ряда ОС соответствующие реализации систем управления файлами для чтения файлов из томов NTFS. Так, например, утилита (драйвер) NTFSDOS позволяет читать данные NTFS на компьютере, загруженном в режиме MS-DOS. Однако полноценных реализаций для работы с NTFS вне системы Windows NT пока нет.

Разделы FAT не обеспечивают локальной безопасности. С другой стороны, разделы NTFS обеспечивают локальную безопасность как файлов, так и каталогов. Для разделов FAT могут устанавливаться общие права, связанные с общим доступом к каталогам в сети. Однако такая защита не помещает пользователю с локальным входом получить доступ к файлам своего компьютера. В отношении безопасности NTFS оказывается предпочтительным вариантом. Разделы NTFS могут запрещать или ограничивать доступ как удаленных, так и локальных пользователей. Следовательно, к защищенным файлам смогут обратиться лишь те пользователи, которым были предоставлены соответствующие права.

Напомним, что Windows NT содержит специальную утилиту CONVERT.EXE, которая преобразует тома FAT в эквивалентные тома NTFS, однако для обратного преобразования (из NTFS в FAT) подобных утилит не существует. Чтобы выполнить такое обратное преобразование, вам придется создать раздел FAT, скопировать в него файлы из раздела NTFS и затем удалить оригиналы. Важно при этом не забывать и о том, что при копировании файлов из NTFS в FAT теряются все атрибуты безопасности NTFS (напомним, что в FAT не предусмотрены средства для определения и последующего хранения этих атрибутов).

В последнее время появилось ещё одно очень важное обстоятельство, связанное с тем, что объёмы дисковых механизмов намного превысили максимально допустимый размер, приемлемый для FAT, - 8,4 Гбайт. Этот предел объясняется максимально возможными значениями в адресе сектора, для которого, как мы уже знаем, отводится всего 3 байта. Поэтому в подавляющем большинстве случаев при работе в среде Windows-систем используют либо FAT32, либо NTFS. Последняя, безусловно, лучше, но она не поддерживается в широко распространённых ОС Windows 98, Windows Millennium Edition и ныне всё более часто встречающейся Windows XP.

Литература

1. А.В. Гордеев, А.Ю. Молчанов, «Системное программное обеспечение», издательства «Питер» Санкт-Петербург, 2002г.