Файловая система. что это?

Организация работы с двумя и более файловыми системами

Разработчики операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В этом понимании файловая система состоит из многих составляющих, в число которых входят и файловые системы в традиционном понимании.

На верхнем уровне располагается так называемый переключатель файловых систем. Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем — уровнем файловых систем.

Каждый компонент уровня файловых систем выполнен в виде драйвера соответствующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Каждый драйвер файловой системы в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к файловой системе.

Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой. Подсистема ввода-вывода — это составная часть файловой системы, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам файловой системы, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах), драйверы, поддерживаемые поставщиками (такие драйверы перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные), драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость — драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса — от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова.

В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова.

Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше — в измененном или в неизмененном виде — на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

Что такое FAT32

Файловая система FAT32 является самой старой и опытной в истории компьютерных технологий. Ее путь начался с оригинальной 8-битной системы FAT в 1977 году, которая функционировала внутри автономного диска Microsoft Standalone Disk Basic-80. Он был запущен специально для Intel 8080 NCR 7200 в 1977/1978 году, работая терминалом ввода данных с 8-дюймовыми гибкими дисками.

После обсуждений о введении системы с учредителем Microsoft Биллом Гейтсом, код был написан первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом.

Основной задачей файловой системы FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS, написанной Марком Макдональдом.

В дальнейшем FAT претерпела некоторые изменения, постепенно переходя от своего первоначального вида к FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, название которой теперь тесно ассоциируется с внешними накопителями.

Основным отличием FAT32 от ее предшественников является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. 32-разрядная система была выпущена в августе 1995 года вместе с релизом Windows 95 и в своем обновленном варианте позволила увеличить верхние пределы размера файлов и хранилища данных до 4 Гб и 16 Тб.

Таким образом, FAT32 не предназначена для хранения больших объемов данных и установки тяжелых приложений. Именно по этой причине на жестких дисках используется файловая система NTFS, которая позволяет пользователям перестать думать о загружаемых объемах информации.

Резюмируя, система FAT32 идеально подойдет для хранения данных, объем которых не превышает 4 Гб, на любых съемных носителях. Ее популярность не ограничивается только компьютерной сферой. Она используется в игровых консолях, телевизорах с высокой четкостью изображения, DVD-проигрывателях, Blu-Ray плеерах и любых других устройствах с USB-портом. FAT32 поддерживают все версии Windows, Linux и MacOS.

Основные функции файловой системы

Основными функциями файловой системы являются:

• размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
• определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
• создание, чтение и удаление файлов;
• назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
• определение структуры файла;
• поиск файлов;
• организация каталогов для логической организации файлов;
• защита файлов при системном сбое;
• защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Примечания

1. . Microsoft (7 сентября 2006 года).
2. Mark Russinovich. . Microsoft Developer Network. Дата обращения 18 апреля 2008.
3. ↑ Microsoft Corporation. . Дата обращения 27 января 2008.
4. ↑ Richard Russon and Yuval Fledel.  (недоступная ссылка). Дата обращения 1 июля 2007.
5. ↑ то есть в кодировке UTF-16 для Юникода версии 1, а для последующих — только в порядке совместимости
6. . www.pcguide.com. Дата обращения 15 октября 2016.
7. . www.dsteiner.com. Дата обращения 31 мая 2017.
8. ↑  (англ.). Дата обращения 18 сентября 2007 года.
9.  (англ.). Дата обращения 28 августа 2008 года.

10. Включение поддержки чтения и записи NTFS стандартными средствами:

11. . Microsoft. Дата обращения 13 сентября 2015.
12. Microsoft Corporation. . Дата обращения 1 июля 2009.

Примечания

1. (27 февраля 2008). Дата обращения 2 октября 2009.
2. Robert Shullich.  (англ.). The SANS Institute.
3. Brandon LeBlanc.  (англ.). Microsoft (28 August 2007). Дата обращения 15 октября 2007.
4.  (недоступная ссылка). Дата обращения 5 августа 2011.
5. Elizabeth Montalbano.  (англ.). Computerworld (11 January 2006). Дата обращения 2 ноября 2008.
6. Ryan Paul.  (англ.). Ars Technica. Condé Nast Publications (25 February 2009). Дата обращения 9 марта 2009.
7. После 26 января 2009 года она утратила смысл с вводом в обновлении KB955704 официальной поддержки данной файловой системы
8. ricktendo64. . WinCert.net (28 августа 2007). Дата обращения 1 июля 2008.
9. . Ferra.ru. Ferra.ru (11 декабря 2009). Дата обращения 13 декабря 2009.
10. . 3DNews (29 августа 2019). Дата обращения 3 сентября 2019.
11. Dr. Roy Schestowitz.  (англ.). Techrights (12 марта 2019). Дата обращения 6 июня 2020.

Общие понятия

Назначение файловой системы — обеспечение интерфейса к данным на накопителях. Цель — организация хранения и доступа.

Состав файловой системы

• Совокупность файлов.
• Набор структур данных управления (каталоги, дескрипторы, таблицы).
• Функции управления (создание объекта ФС, уничтожение, чтение, запись).

Каждый файл характеризуется своим уникальным именем. Чтобы упростить имена используются разрешения.

Для FAT16 правило 8.3: имя файла может состоять из 12 символов (8 — основная часть, и 3 символа расширения).

При копировании в файловой системе файлов производится преобразование имен.

Путь в файловой системе — для однозначной идентификации объекта.

Типы файлов

• Текстовые.
• Двоичные.
• Специальные (связанные с аппаратными устройствами).
• Файлы, через которые описываются каталоги (директор).

Атрибуты файлов

• Системные.
• Архивные.
• Только для чтения.
• Скрытые.
• Время создания
• Временные

Типы иерархической структуры

• Дерево: узлы — объекты файловой системы, показана их вложенность; корень — точка, в которой начинается файловая система.
• Сеть: в отличие от дерева один объект может присутствовать в разных директориях.

С понятием файловые системы связаны следующие технологии:

Особенности

Технические характеристики, особенности и требования файловой системы exFAT включают в себя следующие:

• Предельный размер файла 16 EIB — 1 байт ( в противном случае ограничивается максимальным размером объема 128 ПИБ — 1 байт), повышен с 4 Гб — 1 байт в стандартном FAT32 . Таким образом, для типичного пользователя обеспечили полную совместимость между платформами Windows и OS X для файлов свыше 4 Гб.
• Масштабируемость до больших размеров диска: ок 128 PiB максимум, 512 TiB рекомендуется максимум, поднятый из 32-битного значения (2 TiB для размера сектора 512 байт) стандартных FAT32 разделов.
• Поддержка до 2,796,202 файлов в каталоге. Microsoft документы предел 65534 файлов в подкаталоге для их реализации с файловой системой FAT32, но и другие операционные системы не имеют специального ограничения на количество файлов в директории с файловой системой FAT32 , Реализации с файловой системой FAT32 в других операционных системах позволяют неограниченное количество файлов до количества доступных кластеров (то есть до 268,304,373 файлов на томах без длинных имен файлов ).
• Максимальное количество файлов на томе 232 — 11 ( по сравнению с примерно 228 — 11 в стандартной файловой системе FAT32)
• Свободное распределение пространства и удаление улучшена производительность за счет введения свободного пространства растрового изображения .
• Отметка зернистость 10 мс для создания и модифицированными раз (но не так хорошо , как 0,1 мс файловой системой NTFS).
• Отметка зернистость для времени последнего доступа к двойной секунд (FAT была только дата)
• Дополнительная поддержка UTC меток времени (начиная с Vista SP2 ).
• Дополнительная поддержка списков контроля доступа ( в настоящее время не поддерживается в ОС Windows Desktop / Server версий).
• Дополнительная поддержка TexFAT , стандарт транзакционной файловой системы (необязательно WinCE активирована функция, функция не поддерживается в версиях / Server Windows Desktop).
• Граница выравнивания смещения для таблицы FAT
• Граница выравнивания смещения для области данных
• Проводка для OEM Определяемые параметры для настройки файловой системы для конкретных характеристик устройства.
• На диске хранения длины файла правильные данные (VDL) за счет использования двух различных длин полей, которые могут быть использованы для предварительно выделить файл.
• Кластер размером до 32 Мбайт.
• Целостности метаданных с контрольными суммами
• Шаблон на основе структуры метаданных
• Удаление физического «.» и «..» элементы каталога, которые появляются в подкаталогах
• EXFAT не поддерживает короткие (формат 8.3) имена файлов
• Windows XP требует обновления KB955704 для установки и Windows Vista требуется установить его SP2.
• Windows Vista не может использовать EXFAT приводы для ReadyBoost . Windows 7 снимает это ограничение, позволяя ReadyBoost кэширует больше 4 Гб.
• Стандартная реализация EXFAT не Журнализированная и использует только одну таблицу размещения файлов и свободного пространства карты. FAT файловой системы используется вместо чередуя таблицы, как это допускается восстановление файловой системы, если носитель был извлечен во время записи (который часто встречается на практике со сменными носителями). Необязательный TexFAT компонент добавляет поддержку для дополнительных таблиц резервного копирования и карты, но может не поддерживаться.

Сравнение с FAT32

При тестировании на Windows 7 показала такую же производительность, как и FAT32, однако NTFS все таки немного быстрее. Заменит ли exFAT FAT32? Вероятно, это произойдёт только после массового переходу на Windows 7 или более новые версии Windows. Для потребителей же основное преимущество exFAT будет заключаться в преодолении файловых ограничений FAT32 (увеличение размера файла в exFat).
Нужно не забывать так же, что файловая система exFAT требует более новой версии ОС (может потребоваться апгрейд железа), а также тот факт, что на старых устройствах (фотоаппараты, mp3-плееры) exFAT может просто не поддерживаться.

Сравнение с NTFS

ExFAT можно считать конкурентом NTFS на системах с ограниченной вычислительной мощности и памяти. Кроме того файловую систему NTFS на флэш-картах использовать очень неудобно и неэффективно (падает скорость работы и уменьшается срок службы флеш памяти), и именно ExFAT будет идеальной файловой системой для таких устройств.

Что представляют собой файловые системы «FAT», «FAT32», «exFAT» и «NTFS»

Операционная система «Windows», как самый массовый представитель систем управления компьютерными устройствами в мире, настроена на взаимодействие с различными файловыми системами («NTFS» и «FAT»), но «NTFS» поддерживает большие размеры файлов и томов и обеспечивает более эффективную организацию данных, по сравнению с другими вариантами файловых систем.

И несмотря на общие цели, файловые системы «NTFS» и «FAT» различаются методами организации и хранения данных на диске, а также указанием типов атрибутов, прикрепленных к файлам. И далее мы представим непосредственное описание конкретных файловых систем.

Файловая система «FAT»

Сокращенная аббревиатура «FAT» расшифровывается как «таблица размещения файлов». Это простая классическая архитектура файловой системы, изначально предназначенная для небольших дисков и простых структур папок. Иными словами, файловая система «FAT» представляет собой групповой метод организации, в котором таблица размещения файлов выделена в отдельную логическую область и находится в начале тома. Для исключения непреднамеренных или случайных ошибок, способных повлиять на корректное отображение таблицы, система, в целях безопасности, хранит копию массива индексных указателей.

Файловая система «FAT32»

«FAT32» является фактическим стандартом, пришедшим на смену более ранним версиям файловой системы «FAT», «FAT12» и «FAT16», и изначально устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Пространство «FAT32» логически разделено на три сопредельные области: зарезервированную область для служебных структур, табличную форму указателей и непосредственную зону записи содержимого файлов. Файловая система позволяет использовать накопители на ее основе не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом «USB».

Тем не менее, стандарт «FAT32» имеет определенные системные ограничения. Размер отдельных файлов на диске с файловой системой «FAT32» не может превышать четыре гигабайта. Кроме того, весь раздел «FAT32» должен быть менее восьми терабайт. По совокупности ограничений, формат «FAT32» считается подходящим для «USB-накопителей» или внешних носителей информации. Для внутреннего накопителя, особенно при желании установить новейшую версию операционной системы «Windows 10», отсутствие отдельных привилегий прикладного уровня в «FAT32» будет серьезным препятствием, и потребует наличия более продвинутой версии файловой системы.

Файловая система «exFAT»

«exFAT» – это сокращенное обозначение от полного английского названия «Extended File Allocation Table» («расширенная таблица размещения файлов»). Стандарт является обновленной версией файловой системы «FAT32», созданный корпорацией «Microsoft». Основными параметрами система «exFAT» чрезвычайно похожа на «FAT32». Но главным отличием является устранение ограничений, присутствующих в файловой системе «FAT32», что позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта.

Также в файловой системе «exFAT» значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации, что особенно важно для флэш-накопителей, ввиду необратимого изнашивания ячеек после определённого количества операций записи, и улучшен механизм распределения свободного места

Файловая система «NTFS»

«NTFS» («файловая система новой технологии») была в основном создана с целью устранения ограничений и недостатков файловых систем «FAT», улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства, а также создания надежного механизма защиты и хранения информации. Файловая система «NTFS» хранит информацию о файлах в главной файловой таблице «Master File Table» («MFT»), осуществляет разграничение доступа к данным для различных пользователей, предотвращает несанкционированный доступ к содержимому файла, применяя систему шифрования под названием «Encryption File System», которая использует защитный метод «прозрачного шифрования» данных.

Помимо вышесказанного, в файловой системе «NTFS» добавлена способность, отсутствующая в характеристиках файловой системы «FAT», открывать файлы, в названиях которых не используются английские буквы, позволяя использовать любые символы стандарта кодирования юникода «UTF». Таким образом, ограничения использования в названиях символов любых сложных языков, например, хинди или корейский, отсутствует.