Особенности файловых систем FAT32, NTFS и exFAT. Файловая система - что такое? Файловая система NTFS, FAT, RAW, UDF

Существует множество способов хранения информации и программ на жестком диске. Очень известна система, которая сохраняет различную информацию в виде файлов, группируя их в папки с присвоением уникального . Однако, мало кто задумывался как на самом деле происходит физическое сохранение информации на носителе.

Для того, чтобы на физическом носителе можно было сохранить информацию, его нужно подготовить для использования в компьютерной операционной системе. Операционная система для сохранения информации выделяет свободную область диска. Для этого необходимо поделить диск на малые контейнеры – сектора. Форматирование диска на низком уровне выделяет для каждого сектора определенный размер. Операционная система группирует эти сектора в кластеры. Форматирование на высшем уровне задает всем кластерам одинаковый размер, обычно в интервале от 2 до 16 секторов. В дальнейшем на каждый файл выделяется по одному или несколько кластеров. Размер кластера зависит от операционной системы, ёмкости диска, а также требуемой скорости работы.

Помимо области для хранения файлов на диске имеются области, необходимые для работы операционной системы. Эти области предназначены для хранения загрузочной информации и информации для сопоставления адресов файлов с физическим положением на диске. Загрузочная область используется для запуска операционной системы. После загрузки BIOS происходит считывание и выполнение загрузочной области диска для запуска операционной системы.

Файловая система FAT

Файловая система FAT появилась вместе с операционной системой Microsoft DOS, после чего была несколько раз усовершенствована. У нее есть версии FAT12, FAT16 и FAT32. Само название FAT происходит от использования файловой системой своеобразной базы данных в виде «таблицы размещения файлов» (File Allocation Table), которая содержит запись для каждого кластера на диске. Номера версий ссылаются на количество бит, используемых в номерах элементов в таблице. Таким образом файловая система имеет ограничение на поддерживаемый размер диска. В 1987 году она не поддерживала диске размером свыше 32 Мб. С появлением Windows 95 вышла новая версия файловой системы FAT32 с теоретической поддержкой дисков емкостью до 2 ТБ. Постоянные проблемы с поддержкой дисков больших размеров появляются из-за фиксированного количества элементов, ограниченного количеством бит, используемых в определении положения кластера. Например, версия FAT16 не поддерживает более 2 16 или 65536 кластеров. Количество секторов в кластере тоже ограничено.

Еще одна проблема с большими дисками заключалась в невозможности использования огромного пространства, выделенного для мелких файлов. Из-за того, что количество кластеров ограничено, увеличивался их размер, чтобы можно было охватить всю емкость диска. Это приводит к неэффективному использованию пространства при хранении большинства файлов, размер которых не кратен размеру кластера. Например, FAT32 выделяет кластеры размером 16 Кб для разделов диска в интервале от 16 до 32 ГБ. Для хранения файла размером 20 Кб потребуется два кластера размером 16 Кб, которые займут на диске 32 Кб. Файлы размером 1 Кб занимают 16 Кб на диске. Таким образом в среднем 30-40% размера емкости диска пропадает для хранения мелких файлов. Разбиение диска на мелкие разделы позволяет уменьшить размер кластера, но для дисков емкостью более 200 Гб на практике не применяется.

Фрагментация файлов тоже не малая проблема файловой системы. Поскольку для размещения файла может потребоваться несколько кластеров, которые могут и не быть физически расположены последовательно друг за другом, время, которое требуется на считывание замедляет работу программ. Поэтому постоянно возникает необходимость в .

Файловая система NTFS

В начале 90-х Microsoft начала разработку совершенно нового ПО, предназначенного для окружения с большим потреблением ресурсов, чем обычные домашние пользователи. Для потребностей бизнеса и индустрии ресурсов, предоставляемых операционными системами Windows основанных на DOS, стало недостаточно. Корпорация Microsoft совместно с IBM работали над операционной системой OS/2 с файловой системой HPFS (High Performance File System – файловая система высокой эффективности). Корпоративная разработка не принесла успеха и в скором времени каждая компания вновь пошла своим путем. Microsoft разработала различные версии операционной системы Windows NT, на основе которых построены Windows 2000 и Windows XP. В каждой из них используется собственная версия файловой системы NTFS, которая продолжает развитие.

NTFS (New Technology File System – «файловая система новой технологии») является стандартной файловой системой для операционных систем на основе Windows NT. Она была разработана для замены FAT. NTFS наиболее гибкая по сравнению с FAT. В ее системных областях хранятся в основном файлы, а не фиксированные структуры как в FAT, что позволяет их изменять, расширять или перемещать в процессе использования. Простым примером является Master File Table (MFT) – «главная таблица файлов». MFT - это своеобразная база данных с различной информацией о файлах на диске. Файлы малого размера (1 Кб и менее) могут хранится непосредственно в MFT. Для больших файлов NTFS выделяет кластеры, но в отличие от FAT размер кластера обычно не превышает 4 Кб, а встроенный метод сжатия избавляет от проблем с неиспользованным местом, выделенным под файлы. А ещё в NTFS можно использовать .

Файловая система NTFS разработана для многопользовательского окружения и имеет встроенные механизмы защиты и разграничения прав доступа. Например, операционные системы Windows 2000 и Windows XP (кроме «Домашней редакции») позволяют устанавливать разрешения доступа к отдельным файлам и шифровать их. Однако высокий уровень безопасности усложняет работу обычных пользователей с компьютером. Необходимо быть предельно осторожным при установке паролей и разрешений на файлы, чтобы не потерять важные данные.

FAT (англ. File Allocation Table - «таблица размещения файлов»)- классическая архитектура файловой системы, которая из-за своей простоты всё ещё широко используется для флеш-накопителей. Используется в дискетах, и некоторых других носителях информации. Ранее использовалась и на жестких дисках.

Файловая система была разработана Биллом Гейтсом и Марком Мак Дональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. В дальнейшем 86-DOS была приобретена Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мб, и вначале не предусматривала поддержки жестких дисков.

Сейчас существует четыре версии FAT - FAT8, FAT12 , FAT16 и FAT32 . Они отличаются разрядностью записей в дисковой структуре, то есть количеством бит, отведённых для хранения номера кластера . FAT12 применяется в основном для дискет, FAT16 - для дисков малого объёма, FAT32- для жестких дисков. На основе FAT была разработана новая файловая система exFAT (extended FAT), используемая преимущественно для флеш-накопителей.

Файловая система FAT заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет первый свободный кластер в таблице размещения файлов. Если одни файлы были удалены, а другие изменились в размере, то появляющиеся в результате пустые кластеры будут рассеяны по диску. Если кластеры, содержащие данные файла, расположены не подряд, то файл оказывается фрагментированным . Сильно фрагментированные файлы значительно снижают эффективность работы, так как головки чтения/записи при поиске очередной записи файла должны будут перемещаться от одной области диска к другой. Желательно, чтобы кластеры, выделенные для хранения файла, шли подрят, так, как это позволяет сократить время его поиска. Однако, это можно сделать только с помощью специальной программы, подобная процедура получила название дефрагментации файла.

Недостатком FAT так же является то, что ее производительность зависит от количества файлов, находящихся в одном каталоге. При большом количестве файлов (около тысячи), выполнение операции считывания списка файлов в каталоге может занять несколько минут. FAT не предусматривает хранения такой информации, как сведения о владельце или полномочия доступа к файлу.

FAT - простая файловая система, не предотвращающая порчи файлов из-за ненормального завершения работы компьютера, она является одной из самых распространенных файловых систем, и ее поддерживают большинство ОС.

Организация файловой системы fat

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним.. Для того, чтобы данные могли быть записаны на диск, его поверхность необходимо структурировать -т.е. разделить на сектора и дорожки .

A- дорожка

C- кластер

Рисунок 1- Структура диска

Дорожки - это концентрические окружности, покрывающие поверхность диска. Ближайшей к краю диска дорожке присвоен номер 0, следующей за ней - 1 и т.д. Если дискета двусторонняя, то пронумерованы обе ее стороны. Номер первой стороны - 0, номер второй - 1.

Каждая дорожка разбивается на участки, называемые секторами . Секторам также присваиваются номера. Первому сектору на дорожке присваивается номер 1, второму - 2 и т.д.

Жесткий диск состоит из одной или нескольких круглых пластин. Для хранения информации используются обе поверхности пластины. Каждая поверхность разбивается на дорожки, дорожки, в свою очередь, - на сектора. Дорожки одинакового радиуса составляют цилиндр . Таким образом, все нулевые дорожки составляют цилиндр с номером ноль, дорожки с номером 1 - цилиндр с номером 1 и т.д.

Поэтому поверхность жесткого диска можно рассматривать как трехмерную матрицу, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения.

До возникновения операционной системы Microsoft Windows NT у пользователей персональных компьютеров редко возникала проблема выбора файловой системы. Все владельцы операционных систем (ОС) MS-DOS и Microsoft Windows применяли одну из разновидностей файловой системы с названием FAT (FAT-12, FAT-16 или FAT-32).

Теперь же ситуация изменилась. Устанавливая ОС Microsoft Windows NT/2000/XP, при форматировании диска Вам необходимо сделать выбор между тремя файловыми системами - FAT-16, FAT-32 или NTFS.

В этой статье мы расскажем о внутреннем устройстве перечисленных файловых систем, рассмотрим присущие им недостатки и достоинства. Вооружившись этими знаниями, Вы сможете сделать осознанный выбор в пользу той или иной файловой системы для ОС Microsoft Windows.

Кратко о файловой системе FAT

Файловая система FAT появилась на заре развития персональных компьютеров и первоначально предназначалась для хранения файлов на дискетах.

Информация хранится на дисках и дискетах порциями, в секторах размером 512 байт. Все пространство дискеты разделялось на области фиксированной длины, называемые кластерами. Кластер может содержать один или больше секторов.

Каждый файл занимает один или несколько кластеров, возможно несмежных. Названия файлов и другая информация о файлах, такая как размер и дата создания, располагается в начальной области дискеты, выделенной для корневого каталога.

Помимо корневого каталога, в файловой системе FAT могут создаваться и другие каталоги. Вместе с корневым каталогом они образуют дерево каталогов, содержащих информацию о файлах и каталогах. Что же касается расположения кластеров файла на диске, то эта информация хранится в начальной области дискеты, называемой таблицей размещения файлов (File Allocation Table, FAT) .

Для каждого кластера в таблице FAT есть своя индивидуальная ячейка, в которой хранится информация о том, как этот кластер используется. Таким образом, таблица размещения файлов - это массив, содержащий информацию о кластерах. Размер этого массива определяется общим количеством кластеров на диске.

В каталоге хранится номер первого кластера, распределенного файлу или вложенному каталогу. Номера остальных кластеров можно найти при помощи таблицы размещения файлов FAT.

При разработке формата таблицы FAT стояла задача экономии места, т.к. дискета имеет весьма небольшой объем (от 180 Кбайт до 2,44 Мбайт). Поэтому для хранения номеров кластера было отведено всего 12 двоичных разрядов. В результате таблицу FAT удалось упаковать так плотно, что она занимала всего один сектор дискеты.

Таблица FAT содержит критически важную информацию о расположении каталогов и файлов. Если в результате сбоя аппаратуры, программного обеспечения или вредоносного воздействия вирусов таблица FAT окажется поврежденной, доступ к файлам и каталогам будет потерян. Поэтому с целью подстраховки на диске обычно создаются две копии таблицы FAT.

Различные версии FAT

После появления жестких дисков большого объема (в те времена большими считались диски размером 10-20 Мбайт) количество кластеров увеличилось, и 12 разрядов стало недостаточно для хранения их номеров. Был разработан новый 16-разрядный формат таблицы размещения файлов, где для хранения номера одного кластера выделялось два байта. Старая файловая система, разработанная для дискет, стала называться FAT-12, а новая - FAT-16.

Увеличенная в размерах таблица FAT-16 перестала помещаться в одном секторе, однако при больших объемах диска этот недостаток не играл существенной роли. По-прежнему для страховки на диске хранилось две копии таблицы FAT.

Однако когда объем диска стал измеряться в сотнях Мбайт и даже в гигабайтах, файловая система FAT-16 опять стала неэффективной. Чтобы номера кластеров помещались в 16 разрядов, при форматировании дисков большого объема приходится увеличивать размер кластера до 16 Кбайт и даже больше. Это вызывало проблемы при необходимости хранения на диске большого количества маленьких файлов. Так как пространство для хранения файлов выделяется кластерами, даже для очень маленького файла приходится отводить слишком много дисковой памяти.

В результате была предпринята еще одна, по всей видимости, последняя попытка усовершенствования файловой системы FAT - размер ячейки таблицы размещения файлов был увеличен до 32. Это позволило форматировать диски размером в сотни Мбайт и единицы Гбайт с использованием относительно небольшого размера кластера. Новая файловая система стала называться FAT-32.

Стандарт 8.3

До появления ОС Microsoft Windows 95 пользователи персональных компьютеров были вынуждены использовать для именования файлов весьма неудобный "стандарт 8.3", в котором имя файла должно было состоять из 8 символов плюс 3 символа расширения. Это ограничение накладывалось не только программным интерфейсом операционной системы MS-DOS, но и структурой записи каталога файловой системы FAT.

После модификации структуры записей каталога ограничение на количество символов в имени файла было практически снято. Теперь длина имени файла может достигать 255 символов, что, очевидно, достаточно в большинстве случаев. Однако такая модифицированная файловая система FAT стала несовместима с операционной системой MS-DOS, а также с работающей в ее среде оболочкой Microsoft Windows версий 3.1 и 3.11.

Более подробно о форматах внутренних структур FAT Вы можете прочитать в нашей статье "Восстановление данных в разделах FAT", опубликованных на этом сайте.

Ограничения файловой системы FAT

Принимая решение об использовании файловой системы FAT для форматирования диска, следует учитывать присущие ей ограничения. Эти ограничения касаются, прежде всего, максимального размера диска FAT, а также максимального размера файла, расположенного на этом диске.

Максимальный размер логического диска FAT-16 составляет 4 Гбайт, что очень мало по современным понятиям. Компания Microsoft, однако, не рекомендует создавать диски FAT-16 размером более 200 Мбайт, т.к. при этом дисковое пространство будет использоваться очень неэффективно.

Теоретически максимальный размер диска FAT-32 может составлять 8 Тбайт, что должно хватить для развертывания любых современных приложений. Это значение получается путем перемножения максимального количества кластеров (268 435 445) на максимальный размер кластера, допустимый в FAT-32 (32 Кбайт).

Однако на практике ситуация выглядит немного по-другому.

Из-за внутренних ограничений утилита ScanDisk в ОС Microsoft 95/98 не способна работать с дисками, превышающими по своему объему значение 127.53 Гбайт. Еще год назад такое ограничение не вызвало бы проблем, однако сегодня на рынке уже появились недорогие диски объемом 160 Гбайт, и скоро их объем будет еще больше.

Что же касается новых операционных систем Microsoft Windows 2000/XP, то они не способны создавать разделы FAT-32 с объемом, превышающим 32 Гбайт. Если Вам нужны разделы такого или большего объема, компания Microsoft предложит Вам использовать файловую систему NTFS.

Другое существенное ограничение FAT-32 накладывается на размер файлов - он не может превышать 4 Гбайт. Это ограничение будет сказываться, например, при записи на диск видеофрагментов или при создании объемных файлов баз данных.

В каталоге FAT-32 может хранить не более 65534 файлов.

Недостатки FAT

Помимо рассмотренных выше ограничений, файловой системе FAT присущи и другие недостатки. Наиболее существенными, по-видимому, является полное отсутствие средств разграничения доступа, а также возможность потери информации о размещении всех файлов после разрушения довольно компактной таблицы FAT и ее копии.

Загрузив компьютер с системной дискеты, злоумышленник легко получит доступ к любым файлам, хранящимся на дисках с файловой системой FAT. Ему не составит никакого труда скопировать затем эти файлы на устройство ZIP или какой-либо другой внешний носитель данных.

При использовании FAT на дисках сервера невозможно обеспечить надежное и гибкое разграничение доступа пользователей к каталогам. Именно поэтому, а также в силу своей низкой устойчивостью к сбоям, FAT обычно не используется на серверах.

Наличие компактных таблиц размещения файлов FAT делает эту файловую систему уязвимой мишенью для компьютерных вирусов - достаточно уничтожить начальный фрагмент диска FAT, и почти все данные будут потеряны.

Файловая система NTFS

Современная файловая система NTFS, разработанная компанией Microsoft для своей операционной системы Microsoft Windows NT, лишена ограничений и недостатков FAT. С момента своего возникновения развивающаяся файловая система NTFS претерпела несколько усовершенствований, последние из которых (на момент создания этой статьи) были сделаны в ОС Microsoft Windows XP.

В файловой системе NTFS все атрибуты файлов (имя, размер, расположение экстентов файла на диске и т.д.) хранятся в скрытом системном файле $MFT. На хранение информации о каждом файле (и каталоге) в $MFT отводится от одного до нескольких Кбайт. При большом количестве файлов, хранящихся на диске, объем файла $MFT может достигать десятков или даже сотен Мбайт.

Файлы небольшого размера (порядка сотен байт) хранятся непосредственно в $MFT, что существенно ускоряет доступ к ним.

Заметим, однако, что накладные расходы NTFS на хранение системной информации, хотя и превышают накладные расходы FAT, все же не очень велики по сравнению с объемом современных дисков. Из-за того, что файл $MFT обычно располагается ближе к середине диска, разрушение первых дорожек диска NTFS не приводит к таким фатальным последствиям, как разрушение начальных областей диска FAT.

Файловая система NTFS обладает многочисленными возможностями, отсутствующими в FAT. Они позволяют добиться намного большей гибкости, надежности и защищенности по сравнению с FAT.

Перечислим некоторые, наиболее интересные возможности NTFS современных версий.

Средства разграничения доступа

Средства разграничения доступа NTFS достаточно гибкие и позволяют управлять доступом на уровне отдельных файлов и каталогов, предоставляя (или блокируя) доступ к ним отдельным пользователям или группам пользователей.

Хотя на первый взгляд может показаться, что средства разграничения доступа нужны только для файловых серверов, они потребуются и в том случае, если к компьютеру имеют доступ несколько пользователей.

Шифрование файлов

Упомянутые выше средства разграничения доступа окажутся бесполезными, если физический диск NTFS попадет в руки злоумышленнику. С использованием современных утилит содержимое такого диска может быть без особого труда прочитано в среде любой операционной системе - DOS, Microsoft Windows или Linux.

С целью обезопасить фалы пользователей от несанкционированного доступа, в операционных системах Microsoft Windows 2000/XP предусмотрено дополнительное шифрование файлов, хранящихся в разделах NTFS. И хотя стойкость такого шифрования, возможно, не слишком высока, она вполне достаточна в большинстве случаев.

Программный дисковый массив RAID

Средствами NTFS можно создать так называемый программный массив RAID 1 (Mirrored set). Этот массив, составляемый из двух физических или логических дисков одинакового объема, позволяет дублировать (или, как еще говорят, "зеркалировать") файлы.

Такой массив может уберечь Ваши файлы в случае физической поломки одного из дисков, составляющих массив, поэтому часто применяется для увеличения надежности дисковой системы.

Наборы Volume Set

Файловая система NTFS позволяет объединить в один логический том несколько разделов, расположенных на одном или нескольких физических дисках. Это может потребоваться, например, для хранения файлов баз данных большого размера, не помещающихся на одном физическом диске, или для создания каталога с суммарным объемом файлов, превышающим размеры физического диска.

Наборы, созданные из нескольких разделов или физических дисков, называются Volume Set (в терминологии ОС Microsoft Windows NT) или Spanned Volume (в терминологии ОС Windows 2000/XP).

Упаковка файлов

Для экономии дискового пространства можно использовать способность NTFS упаковывать (сжимать) файлы. Помимо этого NTFS позволяет создавать так называемые разреженные (sparse) файлы, которые содержат области нулевых данных. Такие файлы могут иметь большой объем, но при этом занимать мало места на диске, так как фактически хранятся только значащие байты файла.

Заметим, что упаковка файлов приведет к некоторому замедлению работы. Это обстоятельство, однако, будет иметь значение далеко не всегда. Например, офисные документы можно упаковывать без заметного снижения скорости работы, а про файлы баз данных, к которым одновременно обращается большое количество пользователей, этого сказать нельзя. С учетом появления на рынке относительно недорогих дисков огромного объема средства упаковки нужно использовать только тогда, когда они действительно необходимы. Это, однако, относится и к другим возможностям NTFS.

Многопоточные файлы

При необходимости в одном файле, записанном на диске NTFS, можно хранить несколько потоков информации. Это позволяет, в частности, снабжать файлы документов дополнительной информацией, хранить в одном файле несколько версий документов (например, на разных языках), хранить в отдельных потоках одного файла программный код и данные и т.п.

Жесткие связи

Жесткие связи (hard links) позволяют назначать для одного физического файла несколько разных имен, располагая эти имена (т.е. ссылки на файл) в разных каталогах. При удалении связи не происходит удаления самого файла. Только когда все связи файла будут уничтожены, тогда будет удален и сам файл.

Заметим, что подобные возможности характерны для файловых систем, применяемых в Unix-подобных ОС, например, в Linux, FreeBSD и т.д.

Точки переопределения

Такие системные объекты NTFS, как точки переопределения (reparse points) позволяют переопределить любой файл или каталог. При этом, например, редко используемые переопределенные файлы или каталоги фактически могут храниться на магнитной ленте, загружаясь на диск только при необходимости.

Переходы

Пользуясь переходами NTFS, можно смонтировать в каталог диска другой жесткий диск или компакт-диск. Эта возможность первоначально существовала в файловых системах Unix-подобных ОС.

Квотирование дискового пространства

Файловая система NTFS, использованная в ОС Microsoft Windows 2000/XP, позволяет квотировать, или ограничивать дисковое пространство, предоставляемое в распоряжение пользователей. Такая возможность особенно полезна при создании файловых серверов.

Ведение журнала изменений

В процессе своей работы операционная система выполняет различные действия над файлами (создание, изменение, удаление). Все такие изменения сохраняются в специальном журнале, созданном на томе NTFS, и могут использоваться программами резервного копирования, системами индексации и т.п. Протоколирование изменений повышает надежность файловой системы, позволяя в ряде случаев продолжить работу после некритичных отказов операционной системы и оборудования. Хотя, конечно, большинство серьезных сбоев приводит к необходимости восстанавливать данные из резервной копии или с применением специальных утилит восстановления данных.

Ограничения NTFS

Несмотря на обилие возможностей, файловой системе NTFS также присущи некоторые ограничения. Впрочем, в большинстве случаев они не играют существенной роли.

Максимальный размер логического диска NTFS составляет примерно 18 446 744 Тбайт, что, очевидно, достаточно для всех современных приложений, а также приложений, которые появятся в ближайшем будущем. Максимальный размер файла еще больше, так что это ограничение также несущественно.

Количество файлов, хранящихся в одном каталоге NTFS, ничем не ограничено, так что здесь тоже есть преимущество перед FAT.

Сравнение NTFS и FAT по скорости доступа к файлам

С точки зрения перспективности, функциональных возможностей, безопасности и надежности NTFS намного опережает FAT. Однако сравнение производительности этих файловых систем не дает однозначного результата, так как производительность зависит от множества различных факторов.

Так как принципы работы и внутренние структуры FAT намного проще, чем NTFS, при работе с небольшими каталогами FAT будет, скорее всего, быстрее. Однако если содержимое каталога настолько мало, что он полностью помещается в одну или несколько записей файла $MFT, или напротив, если каталог очень большой, "победит" NTFS.

Пальма первенства, скорее всего, достанется NTFS при поиске несуществующих файлов или каталогов (т.к. при этом не потребуется полностью просматривать содержимое каталога), при обращении к файлам небольшого размера (объемом порядка сотен байт), а также в случае сильной фрагментации диска.

Для увеличения производительности NTFS можно увеличить размер кластера, однако это может привести к неэкономному использованию дискового пространства при хранении большого количества файлов, размер которых превышает 1-2 Кбайт и составляет десятки Кбайт. При увеличении размера кластера до 64 Кбайт можно получить максимальное повышение производительности, однако придется отказаться от упаковки файлов и применения утилит дефрагментации.

При упаковке файлов, расположенных на дисках небольшого размера (порядка 4 Гбайт), производительность может возрасти, а при сжатии дисков большого размера - уменьшиться. В любом случае упаковка приведет к появлению дополнительной нагрузки на центральный процессор.

Так что же выбрать - FAT или NTFS?

Как видите, NTFS имеет многочисленные преимущества перед FAT, а ее ограничения в большинстве случаев несущественны. Если Вы стоите перед выбором файловой системы, рассмотрите в первую очередь возможность использования NTFS, и только потом - FAT.

Какие могут быть препятствия, затрудняющие замену FAT на NTFS?

Наиболее серьезное препятствие - необходимость использования ОС Microsoft Windows NT/2000/XP. Для нормальной работы этой ОС требуется как минимум 64 Мбайт оперативной памяти и процессор с тактовой частотой не ниже 200-300 Мгц. Впрочем, этим требованиям не удовлетворяют лишь очень старые компьютеры, не способные работать под управлением ОС Microsoft Windows современных версий.

Если же Ваш компьютер может работать в среде Microsoft Windows 2000/XP, и у Вас нет ни одного прикладного приложения, рассчитанного исключительно на ОС Microsoft Windows 95/98/ME, мы рекомендуем Вам при первой же возможности перейти к новой операционной системе, заменив при этом FAT на NTFS.

При этом Вы также получите заметное увеличение надежности работы, т.к. после установки всех необходимых пакетов исправлений (Service Pack), а также корректных версий драйверов периферийных устройств, ОС Microsoft Windows 2000/XP будет работать очень стабильно.

В некоторых случаях приходится совмещать в рамках одного физического диска несколько файловых систем. Например, если на Вашем компьютере установлено три операционные системы Microsoft Windows ME, Microsoft Windows XP и Linux, можно создать три файловые системы - FAT, NTFS и Ext2FS. Первая из них будет "видна" при работе в Microsoft Windows ME и Linux, вторая - только в Microsoft Windows XP, и третья - только в Linux (заметим, что в ОС LINUX существует также возможность доступа к разделам NTFS).

Но если Вы создаете сервер (файловый, базы данных или Web) на базе ОС Microsoft Window NT/2000/XP, то единственным разумным выбором будет NTFS. Только в этом случае удастся добиться необходимой стабильности, надежности и защищенности сервера.

Существует также общепринятое (и на наш взгляд, ошибочное) мнение, что домашним пользователям компьютеров не нужна ни ОС Microsoft Window NT/2000/XP, ни файловая система NTFS.

Конечно, если компьютер применяется исключительно для игр, из соображений совместимости лучше всего установить Microsoft Windows 98/ME и отформатировать диски в FAT. Однако если Вы работаете не только в офисе, но и дома, лучше использовать современные, профессиональные и надежные решения. Это позволит, в частности, организовать защиту от вторжения на Ваш компьютер через Интернет, ограничить доступ к каталогам и файлам с критичными данными, а также повысит шансы на успешное восстановление информации при возникновении различного рода сбоев.

Помимо всех остальных задач, выполняет свое основное предназначение - организует работу с данными по определенной структуре. Для этих целей используется файловая система. Что такое ФС и какой она может быть, а также прочая информация о ней будет представлена далее.

Общее описание

Файловая система представляет собой часть операционной системы, которая несет ответственность за размещение, хранение, удаление информации на носителях, предоставление пользователям и приложениям этой информации, а также обеспечение ее безопасного использования. Кроме того, именно она помогает в восстановлении данных в случае аппаратного или программного сбоя. Поэтому так важна файловая система. Что такое ФС и какой она может быть? Имеется несколько видов:

Для жестких дисков, то есть устройств с произвольным доступом;

Для магнитных лент, то есть устройств с последовательным доступом;

Для оптических носителей;

Виртуальные системы;

Сетевые системы.5

В качестве логической единицы хранения данных в файловой системе служит файл, то есть упорядоченная совокупность данных, имеющая определенное имя. Все данные, используемые операционной системой, представлены в виде файлов: программы, изображения, тексты, музыка, видео, а также драйвера, библиотеки и прочее. У каждого такого элемента имеется имя, тип, расширение, атрибуты и размер. Итак, теперь вы знаете, Файловая система представляет собой совокупность таких элементов, а также способы работы с ними. В зависимости от того, в каком виде она используется и какие принципы для нее применимы, можно различать несколько основных видов ФС.

Программный подход

Итак, если рассматривается файловая система (что такое и как с ней работать), то требуется отметить, что это многоуровневая структура, на ее верхнем уровне находится переключатель файловых систем, обеспечивающий интерфейс между системой и конкретным приложением. Он преобразует запросы к файлам в такой формат, который воспринимается следующим уровнем - драйверами. Они, в свою очередь, обращаются к драйверам конкретных устройств, которые хранят необходимую информацию.

У клиент-серверных приложений требования к производительности ФС довольно высоки. Современные системы призваны обеспечивать эффективный доступ, поддержку носителей больших объемов, защиту данных от несанкционированного доступа, сохранение целостности информации.

Файловая система FAT

Этот тип разрабатывался еще в 1977 году Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом. Первоначально ее использовали в ОС 86-DOS. Если говорить о том, что такое файловая система FAT, то стоит отметить, что первоначально она не была способна поддерживать жесткие диски, а работала только с гибкими носителями объемом до 1 мегабайта. Сейчас это ограничение уже неактуально, а данная ФС использовалась компанией "Майкрософт" для ОС MS-DOS 1.0 и последующих версий. В FAT используются определенные соглашения в плане наименования файлов:

В начале имени должна быть буква или цифра, а в нем самом может присутствовать любой символ ASCII, помимо пробела и специальных элементов;

Длина имени должна быть не более 8 символов, после него ставится точка, а далее указывается расширение, которое состоит из трех букв;

В именах файлов может использоваться любой регистр, он не различается и не сохраняется.

Так как изначально FAT проектировалась для однопользовательской ОС DOS, она не предусматривала хранения данных о владельце либо полномочиях доступа. На данный момент эта файловая система распространена наиболее сильно, в той или иной степени ее поддерживает большинство Ее универсальность дает возможность использовать ее на томах, с которыми ведется работа разными ОС. Это простая ФС, которая не способна предотвратить порчу файлов из-за некорректного завершения работы компьютера. В составе операционных систем, работающих на ее основе, имеются специальные утилиты, которые проверяют структуру и корректируют несоответствия файлов.

Файловая система NTFS

Эта ФС является наиболее предпочтительной для работы с ОС Windows NT, так как она разрабатывалась специально под нее. В состав ОС включена утилита convert, которая конвертирует тома с FAT и HPFS в тома NTFS. Если говорить о том, что такое файловая система NTFS, то стоит отметить, что в ней существенно расширены возможности управления доступом к определенным каталогам и файлам, введено множество атрибутов, реализованы средства сжатия файлов динамически, отказоустойчивость, поддерживаются требования стандарта POSIX. В данной ФС можно использовать имена длиной до 255 символов, при этом короткое имя в ней генерируется так же, как и в VFAT. Разбираясь, что такое файловая система NTFS, стоит отметить, что в случае сбоя операционной системы она способна сама восстанавливаться, поэтому дисковый том останется доступным, а каталожная структура не пострадает.

Особенности NTFS

На томе NTFS каждый файл представлен записью в таблице MFT. Первые 16 записей таблицы зарезервированы самой файловой системой для хранения специальной информации. В самой первой записи описана сама файловая таблица. При разрушении первой записи считывается вторая для поиска зеркального файла MFT, где первая запись идентична основной таблице. На логическом центре диска размещается копия файла начальной загрузки. В третьей записи таблицы находится файл регистрации, который используется для восстановления данных. В семнадцатой и последующих записях файловой таблицы находится информация о файлах и каталогах, которые имеются на жестком диске.

Журнал транзакций содержит полный набор операций, изменяющих структуру тома, в числе которых представлены операции по созданию файлов, а также любые команды, влияющие на структуру каталогов. Журнал транзакций предназначен для восстановления NTFS в результате сбоя системы. В записи для корневого каталога содержится список каталогов и файлов, которые находятся в корневом каталоге.

Особенности EFS

Шифрованная файловая система (EFS) представляет собой компонент Windows, при помощи которого сведения на жестком диске могут сохраняться в зашифрованном формате. Шифрование стало самой сильной защитой, которую только может предложить данная операционная система. В данном случае шифрование для пользователя является довольно простым действием, для этого требуется только установить флажок в свойствах папки или файла. Можно указать, кто может читать такие файлы. Происходит шифрование при закрытии файлов, а когда они открываются, то автоматически становятся готовыми к использованию.

Особенности RAW

Устройства, предназначенные для хранения данных, представляют собой наиболее уязвимые комплектующие, которые чаще всего подвержены повреждениям не только в физическом плане, но и в логическом. Определенные проблемы с оборудованием могут оказаться фатальными, а другие имеют какие-то решения. Иногда у пользователей возникает вопрос: "Что такое файловая система RAW?"

Как известно, для записи на жесткой диск или флеш-накопитель какой-либо информации у накопителя должна иметься ФС. Наиболее распространенными являются FAT и NTFS. А RAW даже не является файловой системой, каковой мы обычно ее себе представляем. На самом деле это логическая ошибка уже установленной системы, то есть ее фактическое отсутствие для Windows. Чаще всего RAW связана с разрушением структуры файловой системы. После этого ОС не просто к данным, но и не отображает техническую информацию по оборудованию.

Особенности UDF

Универсальный дисковый формат (UDF) разработан для замены CDFS и добавления поддержки устройств DVD-ROM. Если говорить о том, что такое то это новая реализация старой версии для которая соответствует требованиям Она характеризуется определенными особенностями:

Длина имен файлов может быть до 255 символов;

Регистр имени может быть нижним и верхним;

Максимальная длина пути составляет 1023 символа.

Начиная с Windows XP, данная файловая система поддерживает чтение и запись.

Данная ФС используется для флеш-накопителей, которые предполагается применять при работе с разными компьютерами, работающими под управлением разных операционных систем, в частности Windows и Linux. Именно EXFAT стала тем «мостиком» между ними, так как она способна работать с данными, получаемыми от ОС, в каждой из которых работает своя файловая система. Что такое и как это работает, будет понятно уже на практике.

Выводы

Как понятно из описанного выше, в каждой операционной системе используются определенные файловые системы. Предназначены они для хранения упорядоченных структур данных на физических носителях информации. Если у вас вдруг при пользовании компьютером возникает вопрос о том, что такое конечная файловая система, то вполне возможно, что при попытке скопировать определенный файл на носитель перед вами появилось сообщение о превышении разрешенного размера. Именно поэтому необходимо знать, в какой ФС какой размер файлов считается допустимым, чтобы при переносе информации не сталкиваться с проблемами.

Системы управления файлами.

Файловая система FAT . Файловые системы VFAT и FAT32 .

1. Области логического диска

2. Загрузочный сектор

3. Таблица размещения файлов

4. Корневой каталог

5.Файловая система VFAT

6.Файловая система FAT32

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области:

· системную область и

· область данных.

Системная область создается и инициализируется при форматировании, а впоследствии обновляется при манипулировании файловой структурой.

Системная область состоит из следующих компонентов:

· загрузочного сектора, содержащего загрузочную запись (boot record) ;

· зарезервированных секторов (их может и не быть);

· таблицы размещения файлов (FAT, File Allocation Table) ;

· корневого каталога (Root directory, ROOT) .

Эти компоненты расположены на диске друг за другом.

Область данных содержит файлы каталоги, подчиненные корневому.

В отличие от системной области, область данных доступна через пользовательский интерфейс DOS .

Загрузочный сектор

Формирование загрузочной записи происходит при форматировании (например, FORMAT) .Формат загрузочного сектора зависит от ОС и даже от версии.

Загрузочный сектор является самым первым на логическом диске. Он содержит загрузочную запись (boot record) .

Загрузочная запись состоит из двух частей:

· блока параметров диска (disk parameter block) - часто наз. блоком параметров BIOS (BPB) или Extended BPB (для более старших версий ОС)

· программы начальной загрузки ОС (system bootstrap).

Первые два байта загрузочной записи - команда безусловного перехода на системный загрузчик - JMP 3Eh . В третьем байте - NOP (90h ).

Затем следует блок параметров диска, а после него - загрузчик ОС.

Блок параметров диска содержит следующую информацию

· размер сектора,

· число секторов в кластере,

· число зарезервированных секторов,

· количество копий FAT ,

· максимальное количество элементов ROOT ,

· количество секторов в таблице FAT ,

· число секторов на дорожке,

· метку тома,

· имя файловой системы

· и другие параметры (байт-описатель среды по смещ 0Ah= F8H- ж.д. любой емкости; F0 -дискета 1.44, 3.5’’) .

Загрузочные записи различных операционных систем отличаются обычно структурой блока параметров. В некоторых есть и дополнительные поля.

Подробно мы познакомимся с загрузочной записью на лабораторных работах.

Между загрузочным сектором и FAT могут находиться зарезервированные секторы, которые являются служебными для файловой системы или не используются. Количество зарезервированных секторов определено в BPB . (В форматном просмотре - Reserved sectors at beginning - если =1, то это MBR)

Для просмотра и редактирования, а также сохранения и восстановления загрузочной записи можно использовать утилиту Disk Editor .

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов (File Allocation Table - FAT) по сути является картой области данных.

Область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер - это один или несколько смежных секторов области данных. С другой стороны, кластер - это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу. Т.е. файл или каталог занимает целое число кластеров. Для создания и записи на диск нового файла операционная системаотводит для него несколько свободных кластеров диска. Эти кластеры не обязательно должны следовать друг за другом. Для каждого файла хранится список всех номеров кластеров, которые предоставлены данному файлу.

На дискетах кластер занимает один или два сектора, а на жестких дисках - в зависимости от объема раздела:

для разделов емкостью 16-127 Мбайт- 4 сектора в кластере (размер кластера - 2 Кбайта);

для разделов емкостью 128-255 Мбайт- 8 секторов в кластере (4 Кб);

для разделов емкостью 256-511 Мбайт- 16 секторов в кластере (8 Кб);

для разделов емкостью 512-1023 Мбайт- 32 сектора в кластере (16 Кб);

для разделов емкостью 1024-2047 Мбайт- 64 сектора в кластере (32 Кб).

Разбиение области данных на кластеры вместо использования секторов позволяет:

· уменьшить размер таблицы FAT ;

· уменьшить фрагментацию файлов;

· сокращается длина цепочек файла Þ ускоряется доступ к файлу.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов (ведь на каждый файл теряется в среднем полкластера).

В современных файловых системах (FAT32, HPFS, NTFS) эта проблема решается за счет ограничения размера кластера (максимум 4 Кбайта)

Каждый элемент таблицы FAT (12, 16 или 32 бит) соответствует одному кластеру диска и характеризует его состояние: свободен, занят или является сбойным кластером (bad cluster).

· Если кластер распределен какому-либо файлу (т.е., занят), то соответствующий элемент FAT содержит номер следующего кластера файла;

· последний кластер файла отмечается числом в диапазоне FF8h - FFFh (FFF8h - FFFFh);

· если кластер является свободным, он содержит нулевое значение 000h (0000h);

· кластер, непригодный для использования (сбойный), отмечается числом FF7h (FFF7h).

Таким образом, в таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу связываются в цепочки.

Первый элемент FAT описывает среду загрузочного сектора. Его первый байт совпадает с байтом-описателем среды носителя данных (смещение 0Ah - см. табл.4) и равен 0F0h для гибкого магнитного 3,5 дм. диска или 0F8h для жесткого диска. Следующие 5 байт (7 байт) для 12-разрядного (16-разрядного) формата содержат значение 0FFh .

Таблица размещения файлов хранится сразу после загрузочной записи логического диска, ее точное расположение описано в специальном поле в загрузочном секторе.

Она хранится в двух идентичных экземплярах, которые следуют друг за другом. При разрушении первой копии таблицы используется вторая.

В связи с тем, что FAT используется очень интенсивно при доступе к диску, она обычно загружается в ОП (в буфера ввода/ вывода или кэш)и остается там настолько долго, насколько это возможно.

Основной недостаток FAT - медленная работа с файлами. При создании файла работает правило - выделяется первый свободный кластер. Это ведет к фрагментации диска и сложным цепочкам файлов. Отсюда следует замедление работы с файлами.

Для просмотра и редактирования таблицы FAT можно использовать утилиту Disk Editor .

Корневой каталог ROOT

Подробнаяинформация о самом файле хранится в другой структуре, которая называется корневым каталогом. Каждый логический диск имеет свой корневой каталог (ROOT, англ. - корень).

Корневой каталог описываетфайлы и другие каталоги. Элементом каталога является дескриптор (описатель) файла.

Дескриптор каждого файла и каталога включает его

· имя (8 байт)

· расширение (3)

· дату создания или последней модификации (2)

· время создания или последней модификации (2)

· атрибуты (1) (архивный, атрибут каталога, атрибут тома, системный, скрытый, только для чтения)

· длину файла (для каталога - 0) (4)

· зарезервированное поле, которое не используется (10)

· номер первого кластера в цепочке кластеров, отведенных файлу или каталогу; получив этот номер, операционная система, обращаясь к таблице FAT, узнает и все остальные номера кластеров файла (2 байта).

Итак, пользователь запускает файл на выполнение. Операционная система ищет файл с нужным именем, просматривая описания файлов в текущем каталоге. Когда найден требуемый элемент в текущем каталоге, операционная система считывает номер первого кластера данного файла, а затем по таблице FAT определяет остальные номера кластеров. Данные из этих кластеров считываются в оперативную память, объединяясь в один непрерывный участок. Операционная система передает управление файлу, и программа начинает работать.

Для просмотра и редактирования корневого каталога ROOT можно также использовать утилиту Disk Editor .

Замечание. В последнее время объемы дисковых механизмов намного превысили максимально до­пустимый размер, приемлемый для FAT, - 8,4 Гбайт. Этот предел объясняется максимально возможными значениями в адресе сектора, для которого отводится всего 3 байта. Поэтому в подавляющем большинстве слу­чаев при работе в среде Windows-систем FAT не используется (используют либо FAT32, либо NTFS ).

Файловая система VFAT

Файловая система VFAT (виртуальная FAT ) впервые появилась в Windows for Workgroups 3.11 и была предназначена для файлового ввода/ вывода в защищенном режиме.

Используется эта файловая система в Windows 95. Поддерживается она также и в Windows NT 4.

VFAT - это «родная» 32-разрядная файловая система Windows95 . Ее контролирует драйвер VFAT.VXD .

Управляет различными файловыми системами и приложениями диспетчер устанавливаемых файловых систем - Installable File Systems Manager .

VFAT использует 32-разрядный код для всех файловых операций, может использовать 32-разрядные драйверы защищенного режима.

НО, элементы таблицы размещения файлов остаются 12- или 16-разрядными, поэтому на диске используется та же структура данных (FAT ). Т.е. формат таблицы VFAT такой же , как и формат FAT .

VFAT наряду с именами «8.3» поддерживает длинные имена файлов . (Часто говорят, что VFAT - это FAT с поддержкой длинных имен).

Существует специальный механизм преобразования длинных имен в короткие и наоборот.

Вы помните, что длина имени для DOS подчиняется правилу “8.3”, то есть, длина имени не должна превышать 8 символов, а расширения - 3. Главной особенностью файловой системы Windows 95 для пользователя является то, что максимальная длина имени файла в Windows 95 может достигать 256 символов, включая пробелы. Ограничением длины имени файла служит путь к файлу: суммарная длина пути и имени файла не может превышать 260 символов.

При создании файла в Windows95 ему присваивается сразу два имени - длинное и короткое (8.3). Короткое имя образуется из длинного путем удаления из него пробелов и символов / : * ? “ “< > I . Для восьмибуквенного имени файла используются первые шесть оставшихся символов длинного имени, символ “~“ (тильда) и порядковый номер. Для трехбуквенного расширения используются первые три символа после последней точки в длинном имени файла.

Например, короткие имена для файлов (в следующем порядке)

Article about Windows 95.DOS

Next article about Windows 95.DOS

Article about Windows NT.DOS

Microsoft office.HTML

Microsoft Windows. HTML

будут выглядеть так

При этом в структуре ROOT, наряду с обычным дескриптором (называемым алиасным) для файла или каталога создаются дескрипторы специального вида, в которых и хранится длинное имя. Для специальных дескрипторов установлены атрибуты Read Only (только для чтения), System (системный), Hidden (скрытый), Volume Label (Метка Тома). Количество специальных дескрипторов зависит от длины имени.

Специальный дескриптор ссылается на кластер с номером О. Настоящий номер первого кластера, распределенного файлу или каталогу, находится в стандартном (алиасном) дескрипторе, расположенном непосредственно за специальными.

Для томов VFAT нельзя пользоваться никакими утилитами, кроме утилит «понимающих» VFAT

Основной недостаток VFAT - большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска.

Файловая система FAT32

Это новая реализация идеи использования таблицы FAT .

FAT 32 - это полностью самостоятельная 32-разрядная файловая система.

Впервые использовалась в Windows OSR2 (OEM Service Release 2).

В настоящее время FAT32 используется в Windows 98 и Windows ME .

Она содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT .

1. Намного эффективнее расходует дисковое пространство за счет того, что использует кластеры меньшего размера (4 Кб) - подсчитано, что экономится до 15%.

2. Имеет расширенную загрузочную запись, которая позволяет создавать копии критических структур данных Þ повышает устойчивость диска к нарушениям структур диска

3. Может использовать резервную копию FAT вместо стандартной.

4. Может перемещать корневой каталог, другими словами, корневой каталог может находиться в произвольном месте Þ снимает ограничение на размер корневого каталога (512 элементов, т.к. ROOT должен был занимать один кластер).

5. Усовершенствована структура корневого каталога

Появились дополнительные поля:

· время создания (2)

· дата создания (2)

· дата последнего доступа (2)

· старшее слово номера начального кластера

· младшее слово номера начального кластера

· контрольная сумма

По-прежнему для длинного имени файла используется несколько дескрипторов.

Для томов FAT32 нельзя пользоваться никакими утилитами, кроме утилит «понимающих» FAT32