Вятский государственный гуманитарный университет
Опубликован: 27.05.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 2688 / 585 | Длительность: 09:18:00
Лекция 11:

Файловая система NTFS

Файлы NTFS

Как уже обсуждалось, основная информация о файле содержится в файловой записи (File Record) размером 1 КБ таблицы MFT, а небольшие файлы целиком хранятся в файловой записи.

Файловая запись состоит из заголовка (Header) и набора атрибутов (Attribute). В заголовке содержится служебная информация о файловой записи, например, её тип и размер. Все данные, относящиеся непосредственно к файлу, хранятся в виде атрибутов. Названия атрибутов, так же как и системных файлов, начинаются с "$". Например, отдельными атрибутами являются имя файла ($FILE_NAME), информация о его свойствах ($STANDARD_INFORMATION), данные файла ($DATA). Типичная файловая запись представлена на рис.17.3.

Файловая запись

Рис. 17.3. Файловая запись

На диске файловая запись всегда расположена в начале сектора, первые байты файловой записи кодируют слово "FILE" (ASCII-коды: 46 49 4C 45). Конец записи определяется 4 байтовой последовательностью FF FF FF FF.

Физически атрибут файла хранится в виде потока байтов (stream) – простой последовательности байтов. Такое представление позволяет одинаковым образом работать с разнотипными атрибутами, а также добавлять нестандартные пользовательские атрибуты.

Каждый атрибут состоит из заголовка (attribute header), определяющего тип атрибута и его свойства, и тела (attribute body), содержащего основную информацию атрибута.

Более подробная структура файловой записи представлена на рис.17.4.

Структура файловой записи

Рис. 17.4. Структура файловой записи

По расположению относительно MFT атрибуты бывают резидентные и нерезидентные. Резидентные атрибуты (resident attributes) полностью помещаются в файловую запись MFT, нерезидентные атрибуты (nonresident attributes) хранятся вне MFT. Область, в которой расположен нерезидентный атрибут, называется группой (run). Поскольку нерезидентных атрибутов в файле может быть несколько, то и групп бывает тоже несколько. Множество групп файла называется списком групп (RunList). Файловая запись при наличии нерезидентных атрибутов содержит ссылку на расположение группы на диске (см. пример на рис.17.2 "Главная таблица файлов MFT").

Некоторые поля заголовка файловой записи, а также резидентных и нерезидентных атрибутов представлены на рис.17.5. На том же рисунке справа показан пример файловой записи с конкретными значениями рассматриваемых полей. Числа слева от полей записи обозначают шестнадцатеричное смещение поля от начала записи.

Поля заголовка и атрибутов файловой записи

Рис. 17.5. Поля заголовка и атрибутов файловой записи

В начале файловой записи находится признак её начала – слово "FILE" (46 49 4C 45). По смещению 0x14 расположено двухбайтовое поле, в котором записано смещение первого атрибута относительно начала файловой записи. В примере в этом поле записано 38, т. е. первый атрибут расположен по смещению 38.

В следующем поле хранится тип файловой записи: значение 01 обозначает файл, 02 – каталог (directory). В примере файловая запись соответствует файлу (значение 01 по смещению 16).

Ещё одно поле в заголовке содержит размер всей записи. В примере на рис.17.5 в этом поле записано 1A0, т. е. размер записи составляет 416 байт.

Каждый атрибут имеет поля, указывающие тип, длину и резидентность атрибута. Все типы атрибутов имеют свои численные значения, например, атрибуту $FILE_NAME соответствует значение 0x30, атрибуту $STANDARD_INFORMATION – 0x10, атрибуту $DATA – 0x80.

Если атрибут резидентный, в поле резидентности записывается 0x00, иначе – 0x01. В случае нерезидентного атрибута предусмотрены поля для хранения номеров кластеров, в которых располагается группа или несколько групп, выделенных для размещения файла.

В примере на рис.17.5 показаны два атрибута. Первый атрибут имеет тип $STANDARD_INFORMATION (значение 10), длина атрибута 96 байт (6016 = 9610), атрибут является резидентным (00). У второго атрибута тип $DATA (80), длина – 72 байта (4816 = 7210), атрибут является нерезидентным (01).

Для обозначения кластеров используются два типа номеров: LCN и VCN. При помощи первого типа, LCN (Logical Cluster Number – логический номер кластера), нумеруются все кластеры на диске, от первого до последнего. LCN применяются, чтобы найти начальный кластер группы. Номера VCN (Virtual Cluster Number – виртуальный номер кластера) обозначают порядковый номер кластера внутри группы. Схема нумерации кластеров LCN VCN проиллюстрирована на рис.17.6.

Схема нумерации кластеров с использованием LCN VCN

Рис. 17.6. Схема нумерации кластеров с использованием LCN VCN

В случае нерезидентных атрибутов в заголовке атрибута содержатся следующие поля: номер VCN первого кластера группы (обычно равен 0х00), номер VCN последнего кластера группы и список групп (RunList), описывающий расположение групп на диске.

Рассмотрим пример описания расположения групп, приведенный на рис.17.5 (справа). В этом примере значения полей следующие:

  • первый VCN = 0x00;
  • последний VCN = 0x3F;
  • список групп (RunList) = 0x21 40 55 20 00.

Расположение кластеров для данного примера приведено на рис.17.7.

Расположение кластеров группы для примера на рис. 17.5

Рис. 17.7. Расположение кластеров группы для примера на рис. 17.5

В этом примере значение для списка групп

0x21 40 55 20 00

обозначает следующее:

  • 0x21 – первый байт кодирует размер двух полей, которые за ним следуют:
    • младший полубайт обозначает размер поля (в байтах), в котором хранится длина группы в кластерах; в данном случае значение 1 указывает, что на длину группы отводится один байт;
    • старший полубайт обозначает размер поля (в байтах), в котором расположен номер LCN первого кластера группы; в данном случае значение 2 указывает на двухбайтовое поле;
  • 0x40 – длина группы. Поскольку в первом байте размер поля длины группы определен в один байт, в качестве длины группы рассматриваем однобайтовое поле; в данном примере оно равно 0x40 (64 кластера);
  • 0x2055 – LCN номер первого кластера. В первом байте размер поля номер первого кластера определен в два байта, поэтому в качестве LCN номера первого кластера рассматривается двухбайтовое поле, которое в примере равно 0x2055 (обратите внимание, байты на диске записываются в обратном порядке: сначала младшие – 55, затем старшие – 20);
  • 0x00 – признак окончания описания списка групп.

Указанные обозначения проиллюстрированы на рис.17.8.

Список группы

Рис. 17.8. Список группы

Отметим, что в рассмотренном примере нерезидентный атрибут содержится всего в одной группе; в общем случае групп может быть несколько.

Структуры данных для управления файлами

Рассмотрим структуры данных, задействованные при работе с файловой системой NTFS (рис.17.9).

Структуры данных, связанные с NTFS

Рис. 17.9. Структуры данных, связанные с NTFS

В структуре данных EPROCESS, описывающей процесс в Windows (см. лекцию 7 "Процессы и потоки"), имеется поле ObjectTable (файл base\ntos\inc\ps.h, строка 293), в котором содержится указатель на таблицу дескрипторов процесса типа HANDLE_TABLE (файл base\ntos\inc\ex.h, строка 5179). В строках этой таблицы содержатся ссылки на ресурсы, открытые процессом, и в том числе, ссылки на объекты типа FILE_OBJECT, которые упоминались в лекции 15 "Управление устройствами".

Структура FILE_OBJECT (файл base\ntos\inc\io.h, строка 1763) содержит следующие основные поля:

  • FileName – строковое имя файла;
  • Vpb – указатель на структуру VPB, которая представляет том на устройстве внешней памяти;
  • FsContext – указатель на блок управления потоком данных NTFS;
  • DeviceObject – указатель на объект типа DEVICE_OBJECT, связанный с физическим диском, на котором находится файл.

В структуре VPB (Volume Parameter Block) содержатся следующие поля (файл base\ntos\inc\io.h, строка 1288):

  • VolumeLabelLength – размер тома в байтах;
  • DeviceObject – указатель на объект типа DEVICE_OBJECT, ассоциированный с данным томом (логическим диском);
  • RealDevice – указатель на объект типа DEVICE_OBJECT, ассоциированный с физическим устройством внешней памяти (физическим диском);
  • SerialNumber – серийный номер тома;
  • ReferenceCount – счетчик количества ссылок на структуру; если это поле не равно нулю, значит, структура кем-то используется;
  • VolumeLabel – метка (строковое имя) тома. Максимальная длина метки определяется константой MAXIMUM_VOLUME_LABEL_LENGTH, равной 32 двухбайтовым символам (см. файл base\ntos\inc\io.h, строка 1286).

На рис.17.9 изображен физический диск, разбитый на три тома (логических диска) – два тома NTFS и один том FAT32. Поле DeviceObject структуры VPB указывает на объект DEVICE_OBJECT, который ссылается на первый из томов NTFS. Поле RealDevice структуры VPB указывает на объект DEVICE_OBJECT, связанный с физическим диском.

С каждым файлом NTFS, с которым операционная система в данный момент работает, связана структура данных, называемая блок управления файлом (File Control Block, FCB). В этой структуре хранится указатель на запись в таблице MFT для данного файла (см. рис.17.9).

Поскольку в файле существует в общем случае несколько потоков, для каждого потока создается своя структура данных – блок управления потоком (Stream Control Block, SCB), в котором содержится ссылка на FCB. Поле FsContext структуры FILE_OBJECT указывает на SCB для открытого потока, таким образом, структура FILE_OBJECT на самом деле связана с потоком, а не с файлом. Чтобы открыть другой поток в том же файле требуется создавать новый объект FILE_OBJECT. На рис.17.9 показана ситуация, когда процесс открыл два разных потока одного и того же файла. В WRK можно найти описание блока управления потоком SCB – структуру FSRTL_ADVANCED_FCB_HEADER (файл base\ntos\inc\fsrtl.h, строка 120) вместе с её основным полем, представляющим структуру FSRTL_COMMON_FCB_HEADER (тот же файл, строка 65).

Резюме

В этой лекции приведен обзор файловых систем, поддерживаемых Windows, и подробно рассматривается основная файловая система WindowsNTFS. Дается определение базовым понятиям – диск, раздел, том, сектор, кластер. Перечисляются возможности NTFS. Описывается структура NTFS тома, особое внимание уделяется главной таблице файлов MFT. Рассматриваются виды и структура файловых записей MFT. В заключение приводятся структуры данных Windows Research Kernel, связанные с файловой системой NTFS.

Контрольные вопросы

  1. Какие файловые системы поддерживаются Windows?
  2. Дайте определения понятиям "диск", "раздел", "том", "сектор", "кластер".
  3. Какие ограничения по размеру существуют для тома NTFS? Для файлов на томе NTFS?
  4. Приведите структуру NTFS-тома.
  5. Приведите структуру главной таблицы файлов MFT.
  6. Приведите структуру файловой записи MFT.
  7. Что такое "атрибут файловой записи"? Какие виды атрибутов вы знаете?
  8. Опишите структуры данных Windows Research Kernel, используемые для взаимодействия с файловой системой.
Александра Долосова
Александра Долосова
Россия, Смоленск, МБОУ СОШ №6, 2014