1.1 Сущность и структура сетевой операционной системы

Сетевая операционная система(см. приложение А) предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ, то есть это совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем.

Широко известно высказывание, согласно которому любая наука начинается с классификации. Само собой, что вариантов классификации может быть очень много, здесь все будет зависеть от выбранного признака, по которому один объект мы будем отличать от другого. Однако, что касается операционной системы, здесь уже давно сформировалось относительно небольшое количество классификаций: по назначению, по режиму обработки задач, по способу взаимодействия с системой и, наконец, по способам построения (архитектурным особенностям системы).

Прежде всего, традиционно различают сетевые операционные системы (далее ОС) общего и специального назначения. ОС специального назначения, в свою очередь, подразделяются на ОС для носимых микрокомпьютеров и различных встроенных систем, организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т. п. Еще не так давно сетевые операционные системы для персональных компьютеров относили к ОС специального назначения. Сегодня современные мультизадачные ОС для персональных компьютеров уже многими относятся к ОС общего назначения, поскольку их можно использовать для самых разнообразных целей - так велики их возможности.

По режиму обработки задач различают ОС, обеспечивающие однопрограммный и мультипрограммный (мультизадачный) режимы. К однопрограммным ОС относится, например, всем известная, хотя нынче уже практически и не используемая MS DOS. Под мультипрограммированием понимается способ организации вычислений, когда на однопроцессорной вычислительной системе создается видимость одновременного выполнения нескольких программ. Любая задержка в решении программы (например, для осуществления операций ввода-вывода данных) используется для выполнения других (таких же либо менее важных) программ . Современные сетевые технологии. Учебное пособие: П. Н. Башлы -- Москва, Горячая Линия - Телеком, 2006 г. Иногда при этом говорят о мультизадачном режиме, причем, вообще говоря, термины «мультипрограммный режим» и «мультизадачный режим» - это не синонимы, хотя и близкие понятия. Основное принципиальное отличие этих терминов заключается в том, что мультипрограммный режим обеспечивает параллельное выполнение нескольких приложений, и при этом программисты, создающие эти программы, не должны заботиться о механизмах организации их параллельной работы (эти функции берет на себя сама ОС; именно она распределяет между выполняющимися приложениями ресурсы вычислительной системы, осуществляет необходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие) . Мультизадачный режим, наоборот, предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится как раз на прикладных программистов. Хотя в современной технической и тем более научно-популярной литературе об этом различии часто забывают и тем самым вносят некоторую путаницу. Можно, однако, заметить, что современные ОС для персональных компьютеров реализуют и мультипрограммный, и мультизадачный режимы.

Если принимать во внимание способ взаимодействия с компьютером, то можно говорить о диалоговых системах и системах пакетной обработки. Доля последних хоть и не убывает в абсолютном исчислении, но в процентном отношении она существенно сократилась по сравнению с диалоговыми системами.

При организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме можно говорить об однопользовательских (однотерминальных) и мультитерминальных ОС. В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одновременно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала. При этом у пользователей возникает иллюзия, что у каждого из них имеется собственная вычислительная система. Очевидно, что для организации мультитерминального доступа к вычислительной системе необходимо обеспечить мультипрограммный режим работы. В качестве одного из примеров мультитерминальных операционных систем для персональных компьютеров можно назвать Linux. Некая имитация мультитерминальных возможностей имеется и в системе Windows XP. В этой операционной системе каждый пользователь после регистрации (входа в систему) получает свою виртуальную машину. Если необходимо временно предоставить компьютер другому пользователю, вычислительные процессы первого можно не завершать, а просто для этого другого пользователя система создает новую виртуальную машину. В результате компьютер будет выполнять задачи и первого, и второго пользователя. Количество параллельно работающих виртуальных машин определяется имеющимися ресурсами.

Основной особенностью операционных систем реального времени (ОСРВ) является обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий в общем случае не является планомерным и не может регулироваться оператором (характер следования событий можно предсказать лишь в редких случаях), то есть задания поступают в непредсказуемые моменты времени и без всякой очередности. В то время как в ОС, не предназначенных для решения задач реального времени, имеются некоторые накладные расходы процессорного времени на этапе инициирования задач (в ходе которого ОС распознает все пожелания пользователей относительно решения своих задач, загружает в оперативную память нужную программу и выделяет другие необходимые для ее выполнения ресурсы), в ОСРВ подобные затраты могут отсутствовать, так как набор задач обычно фиксирован, и вся информация о задачах известна еще до поступления запросов. Для подлинной реализации режима реального времени необходима (хотя этого и недостаточно) организация мультипрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения задач реального времени производительность становится важнейшим фактором. Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными ОСРВ. Средства организации мультитерминального режима всегда замедляют работу системы в целом, но расширяют функциональные возможности системы. Одной из наиболее известных ОСРВ для персональных компьютеров является ОС QNX.

По основному архитектурному принципу операционные системы разделяются на микроядерные и макроядерные (монолитные). В некоторой степени это разделение тоже условно, однако можно в качестве яркого примера микроядерной ОС привести ОСРВ QNX, тогда как в качестве монолитной можно назвать Windows 95/98 или ОС Linux. Если ядро ОС Windows мы не можем изменить, нам недоступны его исходные коды и у нас нет программы для сборки (компиляции) этого ядра, то в случае с Linux мы можем сами собрать то ядро, которое нам необходимо, включив в него те программные модули и драйверы, которые мы считаем целесообразным включить именно в ядро (ведь к ним можно обращаться и из ядра).

Свойства операционной системы, прежде всего, вытекают из требований предъявляемых к ним, таких как:

Надежность. Операционная система должна быть надежной, как и аппаратура, с которой она взаимодействует. Она должна иметь возможность определения и диагностирования собственных ошибок, а также восстановления работоспособности компьютера после большинства характерных ошибок, происходящих по вине пользователя. Кроме того, ОС должна минимизировать вред, который пользователь может причинить системе своими неправильными действиями. Компьютерные сети: А. В. Кузин, В. М. Демин -- Санкт-Петербург, Форум, Инфра-М, 2005 г.

Защита программ и данных. Операционная система должна защищать выполняемые программы и данные от взаимного влияния их друг на друга.

Предсказуемость. Операционная система должна отвечать на запросы пользователя предсказуемым образом. Результаты выполнения любых команд пользователя должны быть одними и теми же, вне зависимости от последовательности, в которой эти команды посылаются на исполнение.

Удобство. Операционная система должна облегчать работу пользователю, освобождая его от задач по управлению ресурсами ЭВМ и распределению их между программами. Система должна быть спроектирована с учетом основных факторов человеческой психологии.

Эффективность. При распределении ресурсов операционная система должна использовать минимум системных ресурсов для собственных нужд, максимально предоставляя их выполняющимся задачам (программам) пользователя.

Гибкость. ОС должна позволять увеличивать или уменьшать используемые аппаратные ресурсы для того, чтобы улучшать эффективность и скорость работы программ.

Модифицируемость. ОС должна иметь возможность добавления новых функциональных модулей, появляющихся в процессе ее совершенствования.

Ясность. Пользователь может оставаться в неведении относительно механизма внутренних операций ОС, но в то же время должен иметь возможность получения полного отчета о ходе их выполнения.

Важнейшим достоинством большинства ОС является модульность. Это свойство позволяет объединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций. Если возникает необходимость в замене или расширении такой группы функций, это можно сделать путем замены или модификации лишь одного модуля, а не всей системы.

Большинство ОС состоит из следующих основных модулей: базовая система ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System); загрузчик операционной системы (Boot Record); ядро ОС; драйверы устройств; командный процессор; внешние команды (файлы).

Базовая система ввода-вывода (BIOS) - это набор микропрограмм, реализующих основные низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода. Они хранятся в ПЗУ компьютера и записываются туда при изготовлении материнской платы. Данная система, по сути, «встроена» в компьютер и является одновременно его аппаратной частью и частью операционной системы.

Первая функция BIOS - автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. При обнаружении ошибки на экран выводится соответствующее сообщение и/или выдается звуковой сигнал.

Далее BIOS осуществляет вызов блока начальной загрузки операционной системы, находящейся на диске (эта операция выполняется сразу по окончании тестирования). Загрузив в ОЗУ этот блок, BIOS передает ему управление, а он в свою очередь загружает другие модули ОС.

Еще одна важная функция BIOS - обслуживание прерываний. При возникновении определенных событий (нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок мыши, ошибка в программе и т.д.) вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.

Загрузчик операционной системы - это короткая программа, находящаяся в первом секторе любого загрузочного диска (дискеты или диска с операционной системой). Функция этой программы заключается в считывании в память основных дисковых файлов ОС и передаче им дальнейшего управления ЭВМ.

Ядро ОС реализует основные высокоуровневые услуги, загружается в ОЗУ и остается в ней постоянно. В ядре ОС выделяют несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи:

- файловая система (отвечает за размещение информации на устройствах хранения);

- система управления памятью (размещает программы в памяти);

- система управления программами (осуществляет запуск и выполнение программ);

- система связи с драйверами устройств (отвечает за взаимодействие с внешними устройствами);

- система обработки ошибок;

- служба времени (предоставляет всем программам информацию о системном времени).

Модуль расширения BIOS придает гибкость операционной системе, позволяя добавлять драйверы, обслуживающие дополнительные устройства.

Драйверы требуются в тех случаях, когда обмен информацией с устройствами должен происходить иначе, чем определено в BIOS. Драйверы устройств - это программы, управляющие работой внешних (периферийных) устройств на физическом уровне. Они дополняют систему ввода-вывода ОС и обеспечивают обслуживание новых устройств или нестандартное использование имеющихся. Они передают или принимают данные от аппаратуры и делают пользовательские программы независимыми от ее особенностей.

Драйверы загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы; необходимость и порядок их загрузки указываются в специальных файлах конфигурации. Такая схема облегчает подключение к машине новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы ОС.

Командный процессор - это программа, функции которой заключаются в следующем:

- прием и синтаксический разбор команд, полученных с клавиатуры или из командного файла;

- исполнение внутренних команд операционной системы;

- загрузка и исполнение внешних команд (реализованных в виде самостоятельных программ) операционной системы и прикладных программ пользователя (файлы с расширением СОМ, ЕХЕ или ВАТ).

Некоторые стандартные команды (TYPE, DIR и другие) командный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними (как правило, это основные команды работы с файлами и каталогами). Для выполнения внешних команд пользователя командный процессор ищет на дисках программу с соответствующим именем и расширением СОМ, ЕХЕ (например, FORMAT.COM), и если находит ее, то загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет ее из памяти. Таким образом, внешние команды ОС - это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде отдельных файлов. Microsoft Windows XP: Э. М. Берлинер, И. Б. Глазырина, Б. Э. Глазырин

В функции командного процессора входит также исполнение командных файлов (это текстовые файлы с набором команд и расширением ВАТ). Когда в качестве команды задается имя такого файла, командный процессор начинает последовательно читать и интерпретировать содержащиеся в нем строки, каждая из которых может содержать одну команду, метку или комментарий. Если в очередной строке стоит команда, осуществляющая вызов какой-то программы, выполнение командного файла приостанавливается и начинается работа вызванной программы. После ее завершения происходит выполнение следующей команды командного файла.

1.2 Состав операционной системы, назначение компонента и организация дискового пространства

Размещение информации (в том числе файлов) на том или ином устройстве характеризует порядок ее хранения на физическом уровне. В качестве примера рассмотрим организацию дискового пространства для наиболее широко используемых носителей - магнитных дисков.

Все пространство диска разбивается на дорожки в виде концентрических окружностей, которые в свою очередь разделяются на секторы. Для их создания используется специальная процедура, которая называется форматированием и выполняется с помощью средств операционной системы (например, в MS DOS это команда FORMAT). Фактически при этом осуществляются две различные операции, называемые форматированием низкого и высокого уровней. Низкоуровневое (физическое) форматирование состоит в нанесении на диск электронных меток для обозначения дорожек и секторов. При форматировании высокого уровня (его называют также логическим) осуществляется создание служебных областей на диске.

Перед использованием магнитный диск обязательно должен быть отформатирован. Программа форматирования проверяет также работоспособность диска, отсутствие ошибок при записи и считывании информации. Дефектные секторы специальным образом помечаются и в дальнейшем не используются. Если диск уже форматировался ранее и на нем записана какая-то информация, то повторная процедура форматирования полностью уничтожает ее.

В первом физическом секторе жесткого диска располагается главная загрузочная запись (master boot record, MBR) и таблица разделов диска. MBR при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (boot sector). Каждая запись в таблице разделов (partition table) содержит начальную позицию и размер каждого раздела на жестком диске, а также информацию о том, первый сектор какого раздела содержит загрузочную запись.

Базовой единицей ФС жесткого диска является раздел, создаваемый во время разметки жесткого диска и обслуживаемый какой-либо файловой системой. Некоторые операционные системы поддерживают создание томов, охватывающих несколько разделов.

Жесткий диск может содержать до четырех основных разделов. Это ограничение связано с характером организации данных на жестких дисках IBM-совместимых компьютеров. Многие операционные системы позволяют создавать так называемый расширенный (extended) раздел, который по аналогии с основным разделом может разбиваться на несколько логических дисков.

При проведении форматирования высокого уровня дискеты или раздела диска происходит создание служебных областей в соответствии с типом файловой системы. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

FAT. Файловая система FAT(см. Приложение Б) (File Allocation Table, таблица размещения файлов) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 г. и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. В дальнейшем она была приобретена фирмой Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпушенной в августе 1981г. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками и вначале не предусматривала поддержку жестких дисков. В соответствии со спецификацией FAT16 на диске размещался сначала загрузочный сектор, затем сама таблица размещения файлов, затем ее точная копия, затем корневой каталог; далее располагалась область данных .

FAT не могла контролировать каждый сектор в отдельности, поэтому она объединяла смежные секторы в кластеры (благодаря чему уменьшалось общее количество единиц хранения, за которыми должна следить файловая система). Кластер (cluster) - это группа смежных секторов, имеющая уникальный номер. Каждый кластер считывается и записывается целиком, и поэтому представляет собой минимальное пространство, которое может занимать файл. В результате значительная часть пространства диска расходуется впустую. Например, файл длиной 2 байта будет занимать весь кластер длиной 512 байт, и остальные 510 байт будут недоступны для хранения других данных. Свое название FAT получила от одноименной таблицы размещения файлов. Каждому кластеру соответствует отдельная запись в FAT, которая показывает, свободен ли он, занят ли данными файла, или помечен как сбойный (испорченный). Номер записи соответствует номеру кластера. Если кластер занят под файл, то в соответствующей записи в таблице размещения файлов указывается номер кластера, содержащего следующую часть файла. Из-за этого FAT называют файловой системой со связанными списками.

Используется следующий алгоритм считывания файлов. При получении имени файла для выполнения операции считывания ОС обращается к корневому каталогу и считывает номер начального кластера этого файла. Затем ОС обращается в запись FAT с данным номером и анализирует его содержимое. Если в записи содержится номер следующего кластера, ОС запоминает его, переходит к записи с этим номером для ее обработки. Процесс продолжается до тех пор, пока в очередной записи FAT не встретится признак конца файла (EOF, End Of File). Получив таким образом цепочку кластеров, принадлежащих данному файлу, ОС производит непосредственное чтение информации из кластеров с данными номерами, находящимися в области данных. Таким образом, из содержимого отдельных кластеров формируется содержимое файла .

Процедура записи файла имеет другой алгоритм. Получив содержимое файла, ОС делит его на порции, равные размеру кластера области данных, и определяет их количество. Обратившись в FAT, ОС отыскивает первую свободную запись, запоминает ее номер, создает в каталоге новый элемент со сведениями о файле и записывает в него этот номер в качестве начального кластера размещения файла. После этого отыскивается следующая свободная запись FAT и ее номер записывается в предыдущую запись FAT. Если в записи FAT присутствует признак испорченности, она пропускается, и запись информации в соответствующий кластер области данных не производится. Так продолжается до тех пор, пока не будет найдено место под все порции файла. В запись FAT, соответствующую номеру последнего кластера, записывается признак конца файла (EOF). После того как найдено место для размещения каждой порции файла, происходит физическая запись его содержимого в область данных.

Для надежности FAT хранится в двух экземплярах, записанных подряд. Предполагается, что эти копии должны быть идентичны. При порче основной файловой таблицы информация о размещении файлов считывается из ее копии. Но при порче копии восстановить цепочки кластеров, принадлежащие конкретному файлу, практически невозможно; вся информация на диске становится недоступной.

Оригинальная версия FAT, разработанная для DOS 1.00, использовала 12-битную таблицу размещения файлов и поддерживала разделы объемом до 4 Мб. Для поддержки жестких дисков размером более 32 Мб разрядность FAT была увеличена до 16 бит. Так как каждому кластеру должен быть присвоен уникальный 16-разрядный номер, файловая система FAT16 поддерживает максимум 216, или 65536 кластеров на одном томе, а максимальная величина раздела составляет 2 Гбайт. Информационные технологии и вычислительные системы, № 3, 2006: -- Москва, Едиториал УРСС, 2006 г.

Поскольку загрузочная запись слишком мала для хранения системных файлов, они должны находиться в строго определенном месте диска, чтобы их можно было найти при загрузке. Фиксированное положение системных файлов в начале области данных накладывает жесткое ограничение на размеры корневого каталога и таблицы размещения файлов. Вследствие этого общее число файлов и подкаталогов в корневом каталоге файловой системы FAT ограничено 512.

Каждому файлу и подкаталогу в FAT выделяется 32-байтный элемент каталога, содержащий имя файла (каталога), его атрибуты (архивный, скрытый, системный и «только для чтения»), дату и время создания файла (или внесения в него последних изменений), номер начального кластера, в котором он размещен, и размер в байтах.

Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный кластер в таблице размещения файлов. В процессе работы одни файлы удаляются, другие изменяются в размере; появляющиеся при этом пустые кластеры оказываются разбросанными по всему диску. Если данные файлы записаны не в смежные кластеры, он называется фрагментированным.

Фрагментация файлов значительно снижает скорость выполнения любых операций с ними, так как при поиске очередной порции данных приходится осуществлять перемещение головок чтения/записи. Поэтому в состав операционных систем, поддерживающих FAT, обычно входят специальные программы дефрагментации диска, позволяющие повысить скорость работы дисковой подсистемы компьютера.

Еще один недостаток FAT заключается в том, что ее производительность сильно зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге.

Если их много, выполнение операции считывания списка файлов может занять несколько минут. Это обусловлено тем, что в FAT каталог имеет линейную неупорядоченную структуру, и имена файлов в каталогах идут в порядке их создания. В результате, чем больше записей в каталоге, тем медленнее работают программы, так как при поиске файла требуется последовательно просмотреть их одну за другой.

Следует отметить также, что FAT не предотвращает порчи файлов в случае аварийного завершения работы компьютера в момент выполнения операций записи.

Поскольку FAT изначально проектировалась для однопользовательской операционной системы DOS, в ней не предусмотрено хранения информации о владельце файла/каталога или полномочиях доступа к ним.

FAT была одной из первых файловых систем для ПК; несмотря на многочисленные недостатки, она получила широкое распространение и поэтому ее поддерживает большинство современных ОС. Хотя нет никаких препятствий для того, чтобы использовать при форматировании дискет любую другую файловую систему, большинство ОС для совместимости по-прежнему применяют в этом случае FAT. Отчасти это можно объяснить тем, что простая структура FAT требует меньше места для хранения служебных данных, чем остальные системы, и соответственно больше места остается под размещение данных. Преимущества других файловых систем становятся заметны только при использовании их на носителях объемом более 100 Мб.

VFAT. Файловая система VFAT (Virtual FAT), впервые реализованная в Windows NT 3.5 и Windows 95 (DOS 7.0), - это видоизмененная система FAT, дополненная поддержкой длинных имен файлов (Long File Name, LFN) в кодировке UNICODE (каждый символ имени кодируется 2 байтами). Схема распределения дискового пространства осталась той же, что и в FAT, но ограничения, устанавливаемые соглашениями по именам файлов, изменились:

- допускаются имена длиной до 255 символов;

- в имени может быть несколько пробелов и точек (при этом, однако, текст после последней точки рассматривается как расширение);

- регистр символов в именах не различается, но сохраняется.

Основной проблемой при разработке VFAT было обеспечение корректной работы старых программ, не поддерживающих длинные имена файлов. В итоге было принято решение для каждого файла и подкаталога в VFAT использовать два имени: длинное и короткое в формате 8.3 для совместимости со старыми программами. Длинные имена (LFN) хранятся в специальных записях каталога. Для любого файла или подкаталога непосредственно перед единственной записью каталога с его именем в формате 8.3 находится группа из одной или нескольких записей, представляющих длинное имя. Каждая такая запись содержит часть длинного имени файла (не более 13 символов), из которых ОС составляет полное имя файла. Поскольку одно длинное имя может занимать до 21 записи, а корневой каталог FAT ограничен 512 записями, желательно ограничить использование длинных имен в корневом каталоге.

Короткое имя генерируется файловой системой автоматически в формате 8.3. Для создания коротких имен (псевдонимов) файлов используется следующий алгоритм:

- из длинного имени удаляются все символы, недопустимые в именах FAT, а также точки кроме последней;

- строка, расположенная перед точкой, обрезается до 6 символов, и в ее конец добавляется «~1», строка, следующая за точкой, обрезается до 3 символов;

- оставшиеся буквы преобразовываются в прописные; если сгенерированное имя совпадает с уже существующим, увеличивается число в приставке «~1».

FAT 32 - усовершенствованная версия системы VFAT, поддерживающая жесткие диски объемом более 32 Гб. Впервые она была включена в состав ОС Windows 95 OSR 2 и поддерживается во всех последующих версиях Windows.

В FAT32 были расширены атрибуты файлов, стало возможным хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу. Самоучитель создания локальной сети: Ю. В. Васильев -- Санкт-Петербург, Триумф, 2008 г.

Из-за требования совместимости с ранее созданными программами структура FAT32 практически не изменилась. Главные отличия от предыдущих версий FAT состоят в следующем:

- блок начальной загрузки на разделах с FAT32 был увеличен до 2 секторов; он включает резервную копию загрузочного сектора, что делает систему быть более устойчивой к возможным сбоям на диске;

- объем, занимаемый таблицей размещения файлов, увеличился, поскольку теперь каждая запись в ней занимает 32 байта, и общее число кластеров на разделе FAT32 больше, чем на разделах FAT. Соответственно, выросло и количество секторов, отводимых под размещение служебной информации;

- корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном месте; теперь на этом месте хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге;

- для учета свободных кластеров в зарезервированной области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файлов.

HPFS. Эта система (High Performance File System, высокопроизводительная файловая система) была представлена фирмой IBM в 1989 г. вместе с операционной системой OS/2 версии 1.20. По производительности она существенно превосходит FAT и позволяет использовать жесткие диски объемом до 2 Терабайт. Кроме того, она поддерживает разделы диска размером до 512 Гб и позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов (на каждый символ при этом отводится 2 байта). В HPFS по сравнению с FAT заметно уменьшено время доступа к файлам в больших каталогах.

HPFS распределяет пространство на диске не кластерами (как FAT), а физическими секторами по 512 байт, что не позволяет ее использовать на жестких дисках, имеющих другой размер сектора. Эти секторы принято называть блоками. Чтобы уменьшить фрагментацию диска, при распределении пространства под файлы HPFS стремится по возможности размещать их в смежных секторах.

Для нумерации единиц распределения дискового пространства HPFS использует 32 разряда, что дает 232, или (учитывая знак числа) более 2 млрд блоков. Помимо стандартных, HPFS поддерживает расширенные атрибуты файла (Extended Attributes, EA), которые могут содержать до 64 Кб различных дополнительных сведений о нем.

Загрузочный блок в HPFS аналогичен загрузочному блоку в FAT. Системные файлы, также как и в FAT, располагаются в корневом каталоге, но при этом физически могут находиться в любом месте диска.

Для обнаружения свободных секторов используется блок битовых карт (bitmap block list). Он похож на таблицу размещения файлов FAT. Каждому сектору группы соответствует один бит в ее битовой карте, показывающий, занят ли он. Резервный блок (directory emergency free block list) обеспечивает высокую отказоустойчивость HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске. Расположение группы каталогов в центре диска значительно сокращает время позиционирования головок чтения/записи.

В отличие от линейной структуры FAT, структура каталога в HPFS представляет собой сбалансированное дерево (так называемое В-дерево) с записями, расположенными в алфавитном порядке. При поиске файловая система HPFS просматривает только необходимые ветви дерева, что заметно ускоряет процесс.

Файловая система NTFS. В Windows Server 2003 используется система NTFS, которая впервые появилась в Windows 2000 (иногда ее называют NTFS 5). Эта файловая система содержит встроенную поддержку множества средств, которые помогают управлять доменами, пользовательскими учетными записями и средствами безопасности. Данная система NTFS отличается от NTFS, используемой в Windows NT 4. Средства, которые поддерживает NTFS 5, являются частью структуры Windows Server 2003 (и Windows 2000), включая (но не ограничиваясь) следующим.

Active Directory. Содержит все объекты операционной системы, разрешая или запрещая доступ с помощью полномочий. Дисковые квоты. Ограничивают использование дискового пространства на уровне пользователя или группы. Шифрование. Обеспечивает автоматическое шифрование и дешифрование данных файла при записи или чтении файла. DFS (Distributed File System - Распределенная файловая система).Позволяет вам использовать одно дерево папок, охватывающее несколько серверов и разделяемых ресурсов.

Кроме мощных средств и возможностей, упрощающих для администраторов управление предприятием, NTFS имеет важную и удобную для пользователей возможность - внесение изменений в значок документа при изменении его местоположения. Эта функция, о которой даже не знают некоторые администраторы, очень удобна для пользователей, которые поддерживают значки для часто используемых документов. Например, я держу в моей панели Quick Launch (Быстрый запуск) значки документов, над которыми работаю длительное время (например, главы книг). Эти значки создаются и удаляются по мере необходимости. Кроме того, я держу значок для любого документа, которому требуется постоянное обновление, например, документ, где я держу пароли для доступа к веб-сайтам. В диалоговом окне Properties (Свойства) для значка документа представлен путь к этому документу. Если переместить документ в другую папку и затем щелкнуть на его значке, то откроется именно этот документ. При следующем входе в диалоговое окно Properties вы увидите, что путь к этому документу изменен соответствующим образом.

Главная таблица файлов (Master File Table) NTFS

Вместо таблицы FAT (File Allocation Table) NTFS использует специальный файл, который называется Master File Table (MFT), позволяющий отслеживать все файлы и папки на томе. MFT имеет переменный размер, и она автоматически расширяется по мере необходимости. Фактически MFT является массивом записей, который вы можете рассматривать как базу данных по всем файлам системы. Каждая запись MFT обычно имеет фиксированный размер 1 Kб, и первые 16 записей содержат информацию о данном томе. Эти относящиеся к тому записи называются файлами метаданных (эта терминология используется для структур служебной информации в файловой системе). Обычно одна запись в MFT соответствует одному файлу или папке в этой файловой системе. Запись содержит атрибуты файла, включая такие элементы, как readonly (доступ только по чтению) и флаги архивации, даты создания и последнего доступа, имя файла и дескриптор безопасности.

Более существенным отличием от FAT является то, что сами данные файла являются просто еще одним атрибутом NTFS. Имеется ограничение на количество данных, которые можно поместить в запись MFT, и все, что превышает этот предел, заменяется в записи указателями на местоположение данных этого файла на диске. Запись MFT может содержать примерно 750 байтов данных файла (точное количество зависит от количества атрибутов, хранящихся в записи MFT). Небольшие файлы данных (меньше 750 байтов) могут умещаться целиком в своих записях MFT, чтобы дает невероятно высокую производительность без какого-либо риска фрагментации этих файлов. Хотя бы одна запись таблицы MFT имеется для каждого файла на томе NTFS, включая файл самой MFT и другие файлы метаданных, такие как файл журнала, карта сбойных кластеров и корневая папка. Конечно, большинство файлов не могут уместиться непосредственно в своих записях MFT, поэтому MFT сохраняет их данные на диске. Единицей размещения файлов в NTFS являются кластеры, которые указываются двумя способами:

VCN (Virtual Cluster Numbers - Виртуальные номера кластеров) от 0 до n-1, где n - количество кластеров в файле;

LCN (Logical Cluster Numbers - Логические номера кластеров), соответствующие номерам кластеров на томе.

VCN аналогичен смещению в файле, которое запрашивается приложением. Приложение использует в файле определенный формат данных, и оно рассчитывает с помощью этого формата смещение в байтах относительно логического формата этого файла. Когда приложению требуется чтение или запись по определенному адресу в файле, NTFS делит это число на размер кластера, чтобы определить VCN для чтения или записи. LCN - это индекс (указатель) кластеров на томе, и когда требуется чтение или запись, NTFS использует LCN для расчета адреса на диске. При этом расчете LCN умножается на количество секторов в кластере, после чего происходит чтение или запись секторов, начиная с этого адреса на диске. Связывая номера VCN с их LCN, система NTFS связывает логическую адресацию файла с физическим местоположением на диске. Если какой-либо атрибут не умещается в записи MFT, то NTFS сохраняет его в новом, отдельном наборе кластеров на диске, который называется непрерывной областью, или экстентом. Обычно атрибут, представляющий данные файла, слишком велик, чтобы уместиться в записи MFT. Однако и другие атрибуты могут оказаться достаточно большими, чтобы образовать новые экстенты. Например, длинные имена файлов могут содержать до 255 символов, каждый из которых занимает 2 байта (поскольку имена файлов хранятся в кодировке Unicode). Атрибут, который хранится в самой записи MFT, называется резидентным атрибутом. Если атрибут вытесняется в экстент, то он называется нерезидентным атрибутом. Это означает, что если пользователи не создают все время очень короткие файлы с короткими именами, то большинство файлов на томе имеют данные, которые соответствуют нерезидентному атрибуту. Если экстент требуется увеличить (обычно потому, что пользователь добавляет данные к файлу, который уже имеет большие размеры), то NTFS пытается выделить физически смежные кластеры для того же экстента. Если не удается выделить непрерывное пространство достаточного размера, то NTFS создает новый экстент где-либо на диске, разделяя файл на два фрагмента. Если новый экстент тоже не может обеспечить достаточный размер непрерывного пространства, то добавляется еще один экстент. Заголовок атрибутов данных (который хранится в записи MFT) содержит эту информацию в форме номеров LCN и длин экстентов, а NTFS использует эту информацию для поиска экстентов. В некоторых случаях (обычно при крайне большом количестве атрибутов) система NTFS вынуждена выделить дополнительную запись MFT для данного файла. В этом случае NTFS создает атрибут, который называется списком атрибутов и действует как индекс (указатель) для всех атрибутов данного файла. Хотя это необычная ситуация, присутствие дополнительных записей MFT может существенно снизить производительность работы с соответствующими файлами. Папки (директории) обрабатываются в NTFS почти так же, как файлы. Если папка достаточно мала, то индекс для файлов, на которые указывает эта папка, может уместиться в записи MFT. Эта информация является атрибутом, который называется Index Root (Корень индекса). Если в папке (индексе) имеется больше элементов, чем может уместиться в записи MFT, то NTFS создает новый экстент с нерезидентным атрибутом, который называется буфером индекса. Для таких папок буферы индексов содержат то, что называется деревом b+, которое является структурой данных, предназначенной для минимизации количества сравнений, необходимых для поиска определенного файла. В дереве b+ хранится информация (или указатели на информацию) в отсортированном порядке. Запрос отсортированного списка элементов папки выполняется быстро, поскольку это порядок хранения в буфере индекса. Поиск определенного элемента тоже выполняется быстро, поскольку эти деревья больше разрастаются "вширь", чем "вглубь", что сводит к минимуму количество попыток доступа, необходимых для достижения определенной точки дерева.

Фрагментация NTFS

Все разговоры о том, что NTFS препятствует фрагментации, неверны Установка, обновление, настройка и восстановление Windows: Ю. С. Ковтанюк -- Санкт-Петербург, МК-Пресс, 2006 г.. Сами системы Windows Server 2003, Windows 2000 и Windows NT намного лучше в выделении дискового пространства для файлов, чем более ранние версии Windows (и DOS), и, в результате, эти системы менее подвержены фрагментации файлов. Однако NTFS не защищена от источников, вызывающих фрагментацию отдельных файлов, и со временем файлы на томе NTFS становятся фрагментированными. Кроме того, побочным эффектом того, что операционная система пытается воспрепятствовать фрагментации файлов, становится фрагментация свободного пространства на диске. Форматируя том с помощью NTFS, вы можете выбрать размер кластеров. В Windows NT предлагается размер кластеров по умолчанию, основанный на размере данного тома, но если вы знаете, каким образом будет использоваться данный том, то можете выбрать наиболее подходящий для этого использования размер кластеров. Но вы должны быть очень осторожны, выбирая размер, отличный от размера по умолчанию. При выборе меньшего размера кластеров будут меньше потери пространства на диске, но это вызовет, скорее всего, фрагментацию файлов. При большем размере кластеров вероятность фрагментации будет меньше, но будут больше потери пространства на диске.

Выбор нужной файловой системы

Кроме контроллеров домена, которые должны работать с NTFS, вы можете выбирать файловую систему вместо автоматической установки NTFS. Это обычно требуется, если вам нужна двойственная загрузка. В этом разделе даются некоторые рекомендации по принятию таких решений. Несколько лет назад в моих публикациях по Windows NT я обычно рекомендовал читателям форматировать системный раздел с помощью FAT. Если система не загружалась, и причиной этого был поврежденный или отсутствующий системный файл, вы могли бы легко заменить этот файл, загрузившись в DOS и скопировав этот файл. Но теперь я считаю, что все компьютеры Windows Server 2003, а также компьютеры с Windows XP и Windows 2000 должны быть обязательно отформатированы с помощью NTFS. Я изменил свое мнение по двум следующим причинам. Размер устанавливаемой ОС столь велик, что тома FAT/FAT32 с их неэкономным использованием пространства стали просто неэффективны. Консоль восстановления (Recovery Console) - совместимое с NTFS приложение, запускаемое из командной строки, которое появилось в Windows Server 2000, обеспечивает доступ к поврежденному системному разделу. Существуют ситуации, когда вам может потребоваться выбор файловой системы FAT или FAT32, и в большинстве случаев (если не во всех) это решение относится к рабочим станциям, на которых вы устанавливаете Windows XP Professional (или Windows 2000 Professional): Если выбрать FAT, то доступ к этому компьютеру и его файлам можно выполнять из любой операционной системы: MS-DOS, любая версия Windows, Windows NT, Windows 2000 и OS/2. Если выбрать FAT32, то доступ к этому компьютеру и его файлам можно выполнять через Windows 95 OSR2, Windows 98 и Windows 2000.

Двойственная загрузка обычно используется в тех случаях, когда компьютеру требуется поддержка приложений, которые не могут выполняться в обеих операционных системах, установленных на данной машине. Чтобы запустить такое приложение, вы можете перезагрузить компьютер и выбрать подходящую для этого операционную систему. На рабочих станциях я встречался с двойственной загрузкой, которая использовалась, чтобы несколько пользователей могли получать доступ к операционной системе и приложениям, которые были нужны каждому конкретному пользователю. Но прежде чем принять решение об использовании двойственной загрузки, вы должны ознакомиться с вопросами совместимости между NTFS и другими файловыми системами.

Во-первых, запомните, что в отличие от Windows NT система Windows Server 2003 (и Windows 2000) должна быть установлена в ее собственном разделе; у вас уже нет варианта выбора, позволявшего выбрать для установки новую папку в разделе, который уже содержит другую операционную систему. Это означает, что если на вашем диске нет двух томов, то вы должны сначала разбить его на разделы и отформатировать его, а после этого устанавливать операционные системы.

Если вы используете двойственную загрузку между Windows NT 4 и Windows Server 2003 (или Windows 2000) и хотите использовать файловую систему NTFS, то Microsoft рекомендует модернизировать Windows NT 4 к SP4 (или последующей версии). Однако я встречался с ситуациями, когда это не решало потенциальные проблемы доступа к файлам. Оказывалось, что лучше было использовать двойственную загрузку между этими операционными системами с разделами FAT Конечно, это не совсем так, так как на самом деле я прекратил использование двойственной загрузки между Windows NT и последующими версиями Windows, когда перешел к Windows 2000 и перевел свой домен в систему Windows 2000.

Форматирование тома для NTFS

Вы можете отформатировать том FAT/FAT32 (см. Приложение В)для NTFS, если это не системный и не загрузочный том. Это означает, что вы можете отформатировать такой том на компьютерах, которые имеют несколько томов (в противном случае вы должны использовать утилиту convert.exe или переустановить операционную систему). Чтобы сделать это, вы можете использовать оснастку Disk Management (Управление дисками) или утилиту командной строки format.com.

Форматирование тома с помощью оснастки Disk Management

Чтобы открыть оснастку Disk Management, щелкните правой кнопкой на My Computer и выберите в контекстном меню пункт Manage, после чего откроется консоль MMC Computer Management (Local). Раскройте объект Storage в левой панели (если он еще не открыт) и выберите Disk Management, чтобы увидеть информацию о томах на данном компьютере. Щелкните правой кнопкой на томе FAT/FAT32, который не является загрузочным или системным томом, и выберите в контекстном меню пункт Format, после чего появится диалоговое окно Format. Отформатируйте данный диск, используя следующие указания.

· Введите метку тома (Volume Label), если вы хотите задать метку тома (обычно я использую букву диска).

· Выберите файловую систему NTFS.

· Выберите вариант Default (По умолчанию) для поля Allocation Unit Size (Размер единичного блока).

Это диалоговое окно содержит также опцию для выполнения быстрого форматирования (quick format), а это означает, что диск не проверяется на ошибки. Поскольку вы стираете диск, глупо отказываться от проверки ошибок, которая выполняется на физическом диске при полном форматировании.

2. Сетевые операционные системы различных производителей программного обеспечения