Сравнительная характеристика файловых систем в операционных системах Windows и Linux

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ СПО ЯО Ярославский промышленно-экономический колледж

РЕФЕРАТ

по учебной дисциплине: «Операционные системы»

на тему: «Сравнительная характеристика файловых систем в операционных системах Windows и Linux»

Студент А.Л. Шевяков

Преподаватель А.С. Колодкина

2012

Содержание

Введение

1. Описание файловых систем OS Windows (наиболее распространённых)

2. Описание файловых систем OS Linux

3. Сравнение файловых систем Windows и Linux

Введение

В своей работе я постараюсь рассказать о файловых системах операционных систем семейства Windows и Linux. Для начала надо определить, что же это такое - файловая система и что она делает?

Файловая система -- это то, на чем держится далеко неидеальный, но маломальский порядок на наших жестких дисках. Носители информации способны лишь хранить, записывать или считывать биты данных из определенных секторов, а за доступ к информации отвечает именно файловая система. Этому термину можно дать несколько определений, каждое из которых верно. Файловая система -- это система организации и хранения информации на жестком диске или других носителях, программные алгоритмы операционной системы для управления данной системой организации информации, и, наконец, на бытовом уровне это совокупность всех файлов и папок на диске.

Файловая система определяет:

- как хранятся файлы и каталоги на диске;

- какие сведения хранятся о файлах и каталогах;

- как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие - нет;

- формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Следуя этому определению, понимаем, что файловая система это способ организации структуры диска для хранения наших данных.

Теперь поговорим о самих файловых системах, которые наиболее широко распространены, а именно: OS Windows - FAT, FAT32, NTFS; OS Linux - Ext3FS, ReiserFS, XFS.

1. Описание файловых систем OS Windows (наиболее распространённых)

1. Файловая система FAT.

FAT является наиболее простой из поддерживаемых Windows NT файловых систем. Основой файловой системы FAT является таблица размещения файлов, которая помещена в самом начале тома.

Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные.

Обновление таблицы размещения файлов имеет большое значение и требует много времени. Если таблица размещения файлов не обновляется регулярно, это может привести к потере данных.

Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».

Преимущества файловой системы FAT

На компьютере под управлением Windows NT в любой из поддерживаемых файловых систем нельзя отменить удаление. Файловая система FAT лучше всего подходит для использования на дисках и разделах размером до 200 МБ, потому что она запускается с минимальными накладными расходами.

Недостатки файловой системы FAT

Не стоит использовать файловую систему FAT для дисков и разделов, чей размер больше 200 МБ. Это объясняется тем, что по мере увеличения размера тома производительность файловой системы FAT быстро падает. Для файлов, расположенных в разделах FAT, невозможно установить разрешения.

Разделы FAT имеют ограничение по размеру: 4 ГБ под Windows NT и 2 ГБ под MS-DOS. хранение файл информация windows linux

На мой взгляд, эта система больше подходит для дисков меньшей ёмкости и скорости чтения данных, хотя раньше и не было таких дисков, но она ведь и по сей день используется во многих устройствах, например: на моей флэш-карте для телефона.

2. Файловая система FAT32

FAT 32 представляет собой цепь данных, которые связывают между собой кластеры дискового пространства и файлы. В базе данных кластеров существует только один элемент. Из них, первые два элемента представляют собой информацию о системе FAT - 32, а третий и последующий элементы ставятся в соответствии с кластерами дискового пространства.

Самое большое число кластеров в данной файловой системе равно 268 435 445 кластеров. Данная система позволяет использовать жесткие диски размером до 32 Гб. Однако FAT может поддерживать дисковые пространства размером до 2 терабайт! Первоначально данная файловая система применялась в составе Windows 95 OSR 2. Именно в данной файловой системе были расширены атрибуты файлов, которые позволили хранить время и дату создания, и модификацию последнего доступа к файлу или каталогу.

Операционная система FAT - 32 также позволяет работать с любой из копий FAT 32.

Преимущества файловой системы FAT 32:

1. Высокая скорость работы;

2. Низкое требование к объему оперативной памяти;

3. Эффективная работа с файлами средних и малых размеров;

4. Более низкий износ дисков, вследствие меньшего количества передвижений головок чтения/записи.

Недостатки файловой системы FAT32:

1. Низкая защита от сбоев системы;

2. Не эффективная работа с файлами больших размеров;

3. Ограничение по максимальному объему раздела и файла;

4. Снижение быстродействия при фрагментации;

5. Снижение быстродействия при работе с каталогами, содержащими большое количество файлов.

4. Файловая система NTFS.

Файловая система Windows NT (NTFS) обеспечивает производительность, надежность и совместимость. NTFS разрабатывалась с целью обеспечения скоростного выполнения стандартных операций над файлами (включая чтение, запись, поиск) и предоставления продвинутых возможностей.

Кроме того, NTFS обладает характеристиками защищенности, которые необходимы на мощных файловых серверах и высокопроизводительных компьютерах в корпоративных средах. Файловая система NTFS поддерживает контроль доступа к данным и привилегии владельца. NTFS - единственная файловая система в Windows NT, которая позволяет назначать права доступа к отдельным файлам.

Файловая система NTFS является простой, и одновременно чрезвычайно мощной. Практически все, что имеется на томе, представляет собой файл, а все, что имеется в файле представляет собой атрибут, включая атрибуты данных, атрибуты системы безопасности, атрибуты имени файла. Каждый занятый сектор на томе NTFS принадлежит какому-нибудь файлу.

Преимущества файловой системы NTFS

1. Быстрая скорость доступа к файлам малого размера;

2. Размер дискового пространства на сегодняшний день практически не ограничен;

3. Фрагментация файлов не влияет на саму файловую систему;

4. Высокая надежность сохранения данных и собственно самой файловой структуры;

5. Высокая производительность при работе с файлами большого размера;

Недостатки файловой системы NTFS

1. Высокие требования к объему оперативной памяти

2. Работа с каталогами средних размеров затруднена из-за их фрагментации;

3. Более низкая скорость работы по сравнению с FAT 32;

Некоторые из возможностей, обеспечиваемых на сегодняшний день только файловой системой NTFS, перечислены ниже:

1). NTFS обеспечивает широкий диапазон разрешений, в отличие от FAT, что дает возможность индивидуальной установки разрешений для конкретных файлов и каталогов. Это позволяет указать, какие пользователи и группы имеют доступ к файлу или папке и указать тип доступа.

2). Встроенные средства восстановления данных; поэтому ситуации, когда пользователь должен запускать на томе NTFS программу восстановления диска, достаточно редки. Даже в случае краха системы NTFS имеет возможность автоматически восстановить непротиворечивость файловой системы, используя журнал транзакций и информацию контрольных точек.

3). Реализованная в виде бинарного-дерева структура папок файловой системы NTFS позволяет существенно ускорить доступ к файлам в папках большого объема по сравнению со скоростью доступа к папкам такого же объема на томах FAT.

4). NTFS позволяет осуществлять сжатие отдельных папок и файлов, можно читать сжатые файлы и писать в них без необходимости вызова программы, производящей декомпрессию.

2. Описание файловых систем OS Linux

1) Файловая система Ext2fs

До недавнего времени список истинно родных (native) файловых систем для Linux ограничивался единственной - ext2fs (правда, Linux способен загрузиться и работать с FAT-раздела, но об этом мне даже не хочется говорить). Название это расшифровывается как "вторая расширенная файловая система"; "расширенная" она - по сравнению с файловой системой ОС minix, послужившей прототипом Linux, "вторая" - потому что ранние версии Linux базировались на Extfs с более ограниченными возможностями.

О файловой системе Ext2fs написано немало. Поэтому замечу только, что по способу организации хранения данных она - типичная представительница файловых систем Unix. Отличительная ее особенность - наличие нескольких копий суперблока, что повышает надежность хранения данных. Кроме того, характерен очень эффективный механизм кэширования дисковых операций, что обеспечивает замечательное иx быстродействие - едва ли не рекордное среди известных мне файловых систем. Оборотная сторона чего, однако, - относительно слабая устойчивость при аварийном завершении работы (вследствие мертвого зависания или отказа питания), поскольку отлаженность записи изменений файлов делает весьма высокой вероятность нарушения связи между их inodes и блоками данных.

2) Файловая система ReiserFS

Файловая система ReiserFS оказалась для Linux исторически первой из журналируемых - она поддерживается каноническим ядром c http://www.kernel.org, начиная с первых версий ветви 2.4.x (в настоящее время существуют патчи, позволяющие использовать ее и с версиями ветви 2.2.xx). И была единственной, разработанной "с нуля" специально для этой ОС Хансом Райзером и его фирмой Namesys. Как и в большинстве рассмотренных, в ReiserFS осуществляется журналирование только операций над метаданными файлов. Что, при определенном снижении надежности, обеспечивает высокую производительность: по моим наблюдениям, на большинстве типичных пользовательских задач она лишь незначительно уступает Ext2fs. А на такой, достаточно обычной, операции, как копировании большого количества мелких файлов, существенно ее опережает.

Кроме этого, ReiserFS обладает уникальной (и по умолчанию задействованной) возможностью оптимизации дискового пространства, занимаемого мелкими, менее одного блока, файлами (а следует помнить, что в любой Unix-системе такие файлы присутствуют в изобилии): они целиком хранятся в своих inode, без выделения блоков в области данных - вместе с экономией места это способствует и росту производительности, так как и данные, и метаданные (в терминах ReiserFS - stat-data) файла хранятся в непосредственной близости и могут быть считаны одной операцией ввода/вывода.

Вторая особенность ReiserFS - то, что т.н. хвосты файлов, то есть их конечные части, меньшие по размеру, чем один блок, могут быть подвергнуты упаковке. Этот режим (tailing) также включается по умолчанию при создании ReiserFS, обеспечивая около 5% экономии дискового пространства. Что, правда, несколько снижает быстродействие, и потому режим тайлинга можно отменить при монтировании файловой системы. Однако упаковка хвостов автоматически восстанавливается после перекомпиляции ядра - что, как будет сказано чуть ниже, требует внимательного отношения.

ReiserFS не совместима с Ext2fs на уровне утилит обслуживания файловой системы. Однако соответствующий инструментарий, объединенный в пакет reiserfsprogs, уже давно включается в штатный комплект современных дистрибутивов.

3) Файловая система Ext3fs

В отличие от ReiserFS, Ext3fs - не более чем журналируемая надстройка над классической Ext2fs, разработанная Стивеном Твиди в компании Red Hat и поддерживаемая ядром Linux, начиная с версии 2.4.16. Как следствие такого происхождения, она сохраняет со своей прародительницей полную совместимость, в том числе и на уровне утилит обслуживания (начиная с версии 1.21 объединяющего их пакета e2fsprogs). И переход от ext2fs к ext3fs может быть осуществлен простым добавлением файла журнала к первой, не только без переформатирования раздела, но даже и без рестарта машины.

Из этого вытекает первое преимущество ext3fs, особенно весомое в случае большого парка компьютеров. Второе же - чуть ли не максимальная надежность: ext3fs является единственной системой из рассматриваемых, в которой возможно журналирование операций не только с метаданными, но и с данными файлов.

В Ext3fs предусмотрено три режима работы - полное журналирование (full data journaling) журналирование с обратной записью (writeback), а также задействуемое по умолчанию последовательное (ordered).

Режим полного журналирования, как легко догадаться из названия, распространяется и на метаданные, и на данные файлов. Все их изменения сначала пишутся в файл журнала и только после этого фиксируются на диске. В случае аварийного отказа журнал можно повторно перечитать, приведя данные и метаданные в непротиворечивое состояние. Этот механизм практически гарантирует от потерь данных, однако является наиболее медленным. В режиме отложенной записи, напротив, в файл журнала записываются только изменения метаданных файлов. То есть никакой гарантии сохранности данных он не предоставляет, однако обеспечивает наибольшее (в рамках Ext3fs) быстродействие.

4) Файловая система XFS

Файловая система XFS, в отличие от молодых ReiserFS и ext3fs, развивается для фирмы SGI на протяжении почти десяти лет - впервые она появилась в версии Irix 5.3, вышедшей в 1994 г. Но в Linux она была портирована лишь недавно (текущая ее версия - 1.1, свободно доступна с сайта SGI's XFS page - http://oss.sgi.com/projects/xfs) и по сию пору не поддерживается официальным ядром.

XFS - единственная 64-разрядная файловая система из рассмотренных. Однако уникальность ее - не только в этом. Особенностями XFS являются:

- механизм allocation group, то есть деление единого дискового раздела на несколько равных областей, имеющих собственные списки inodes и свободных блоков, для распараллеливания дисковых операций;

- логическое журналирование только изменений метаданных, но - с частым сбросом их на диск для минимизации возможных потерь при сбоях;

- механизм delayed allocation - ассигнование дискового пространства при записи файлов не во время журналирования, а при фактическом сбросе их на диск, что, вместе с повышением производительности, предотвращает фрагментацию дискового раздела;

- списки контроля доступа (ACL, Access Control List) и расширенные атрибуты файлов (extended attributes), рассмотрение которых далеко выходит за рамки нынешней темы.

В результате XFS предстает как очень сбалансированная файловая система: она почти столь же надежна, как Ext3fs, и не очень уступает ReiserFS в быстродействии на большинстве файловых операций. А при манипуляциях с (очень) большими файлами XFS - просто вне конкуренции: как легко догадаться по имени фирмы-разработчика, она ориентирована на работу с мультимедийными приложениями с их огромными потоками данных. Не отмечалось для нее и проблем с совместимостью.

Все сказанное позволяет сделать вывод, что XFS - оптимальная файловая система для Linux. Однако следует учесть: в отличие от ReiserFS и ext2fs, поддержка которых является штатными опциями ядра Linux, XFS по сию пору (текущая версия - 2.4.19) не поддерживается каноническим ядром Линуса Торвальдса (тем, которое можно получить с http://www.kernel.org). Хотя недавнее включение такой поддержки в разрабатываемую ветвь ядра (версии 2.5.X) позволяют надеяться, что скоро эта функция станет штатной.

Что бы ещё можно добавить… Лучше бы создали такую файловую систему, которая была бы универсальной системой для всех операционных систем и имела самый высокий и надёжный уровень безопасности хранения данных, а так же стабильную скорость передачи и записи данных. Лично я предпочитаю использовать систему NTFS, поскольку она поддерживает хранение данных большого объёма и высокую скорость передачи данных, а так же защищает данные при повреждении диска и исправляет системные ошибки. Это самое главное, но кроме системных ошибок возможны и физические повреждения самой дисковой пластины и при попадании считывающей головки на повреждённый участок произойдёт так называемое «мёртвое зависание», т.е. диск остановится и прекратит работу, пока головка не переместиться в другу область или не перезагрузится система. Если такое повреждение произошло, то лучше, конечно, купить новый диск, но можно протестировать его на наличие «битых секторов», в ходе теста идёт поиск этих секторов и в конце теста они получают метку «не подлежащие использованию», т.е. система больше не будет использовать эту область диска, но это сократит размер диска.

После того как мы поговорили о файловых системах Windows и Linux, займёмся их сравнением по определённым признакам, но сравнивать все системы мы не будем, т.к. об этом можно говорить много и долго, сравнение можно скомпоновать и из описания систем. Мы же будем рассматривать NTFS и XFS.

3. Сравнение файловых систем Windows и Linux

Особенности XFS

- 64-битная файловая система.

- Журналирование только метаданных (если не задать иное параметрами).

- Выделение места экстентами (Extent -- указатель на начало и число последовательных блоков). В экстентах выделяется место для хранения файлов, а также экстентами хранятся свободные блоки.

- B-tree индексы активно используются для хранения различных данных файловой системы: для списка блоков с inode-ами, списка экстентов с содержимым файла, каталогов файлов, списков экстентов свободных блоков (свободные блоки проиндексированы и по размеру блока, и по расположению). Однако использование b-tree индексов не догма -- небольшой файл или каталог может быть размещен прямо внутри inode.

- Отложенное выделение места (Delayed allocation). При записи файла для него выделяется место в памяти, а на диске выделяется место только при записи файла на диск. Таким образом, под файл оптимально выделяется место на диске, что уменьшает фрагментацию.

Изменение размера «на лету» (только увеличение).

- Размещение в нескольких линейных областях (по умолчанию -- 4 шт.) т. н. «allocation groups» (увеличивает производительность путём выравнивания активности запросов как к разным дискам на RAID-массивах типа «stripe», так и при асинхронном обращении к файловой системе на обычном диске.)

Дефрагментация «на лету».

- API ввода/вывода реального времени (для приложений жёсткого или мягкого реального времени, например, для работы с потоковым видео).

- Интерфейс (DMAPI) для поддержки иерархического управления носителями (HSM).

- Инструменты резервного копирования и восстановления (xfsdump и xfsrestore).

- «Индексные блоки» inode выделяются динамически (по мере надобности) и неиспользуемые inode могут освобождаться (высвобождая место для хранения данных).

- Малые «накладные расходы» -- размер служебных структур данных. На вновь созданной файловой системе XFS на служебные нужды тратится порядка 0,54 %. Это достигается малым количеством заголовков для групп (allocation groups), а также за счет динамического выделения inode.

Недостатки

- Невозможно уменьшить размер существующей файловой системы.

- Старые версии XFS страдали от опасности беспорядочной записи, которые могли привести к возникновению таких проблем как -- файлы приложений во время краха/ошибки/аварии ФС или приложения набирали хвост из мусора к следующему монтированию ФС. Эти ошибки исправлены в последних версиях.

- Восстановление удалённых файлов в XFS -- очень сложный процесс, поэтому на данный момент существует всего лишь несколько программных продуктов для восстановления удаленных файлов с этой файловой системы, например «Raise Data Recovery for XFS» для ОС Windows.

- Возможность потери данных во время записи при сбое питания, так как большое количество буферов данных хранится в памяти при том, что метаданные записываются в журнал (на диск) оперативно. Это характерно и для других файловых систем с журналированием метаданных.

- Относительно высокая нагрузка на центральный процессор.

- Вплоть до последних версий на 32-разрядных системах индексные блоки могли размещаться только в начальных 2 терабайтах на диске.

Рис.1

И на основе всего выше сказанного сделаем вывод:

1) Система XFS работает только в 64-битных системах.

2) Система NTFS поддерживает размер раздела диска до 250 Тб.

3) NTFS поддерживает сжатие данных (как на всём диске, так и отдельных файлов или каталогов)

4) XFS менее производительна, чем NTFS и снижает уровень работоспособности системы и скорости передачи данных.

5) NTFS имеет возможность размещать файлы с именем до 255 символов.

6) NTFS так же может работать под управлением ОС Linux, а так же MacOS.

В общем, скажу, что, на мой взгляд, файловые системы Windows самые лучшие в плане эксплуатации на машинах. Они надёжно хранят данные, быстро передают данные на другие диски и носители, дают возможность хранить файлы объёмом до 16 ЭБ и многое другое.