Файловая система NTFS

Основные понятия

Файловая система (file system) – способ организации данных в виде файлов на устройствах внешней памяти (жестких и оптических дисках, устройствах флеш-памяти и т. п.).

Файловая система должна обеспечивать:

1. безопасное и надежное хранение данных (т. е. защищенное от несанкционированного использования и различного рода сбоев и ошибок);
2. программный интерфейс доступа к файлам;
3. организацию файлов в виде иерархии каталогов.

Windows поддерживает несколько файловых систем для различных внешних устройств:

• NTFS – основная файловая система семейства Windows NT;
• FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов) – простая файловая система используемая Windows для устройств флеш памяти, а также для совместимости с другими операционными системами при установке на диски с множественной загрузкой. Основным элементом этой файловой системы является таблица размещения файлов FAT (по имени которой названа вся файловая система), необходимая для определения расположения файла на диске. Существует три варианта FAT, отличающихся разрядностью идентификаторов, указывающих размещение файлов: FAT12, FAT16 и FAT32;
• exFAT (Extended FAT – расширенная FAT) – развитие файловой системы FAT, использующее 64 разрядные идентификаторы. Применяется в основном для устройств флеш-памяти;
• CDFS (CD ROM File System) – файловая система для CD дисков, объединяющая форматы ISO 9660^{1ISO 9660 – стандарт ISO (International Organization for Standardization – Международная организация по стандартизации) для файловых систем CD дисков} и Joliet^{2Joliet – расширение стандарта ISO 9660, разработанное Microsoft. Снимает жесткие ограничения на именование файлов};
• UDF (Universal Disk Format – универсальный формат дисков) – файловая система для CD и DVD дисков, разработанная для замены ISO 9660.

Для дальнейшего изложения необходимо знать следующие важные понятия: диск, раздел, простые и составные тома, сектор, кластер.

Диск (disk) – устройство внешней памяти, например, жесткий диск или оптический диск (CD, DVD, Blu ray).

Раздел (partition) – непрерывная часть жесткого диска. Диск может содержать несколько разделов.

Том (volume) или логический диск (logical disk) – область внешней памяти, с которой операционная система работает как с единым целым. Тома бывают простые и составные.

Простой том (simple volume) – том, состоящий из одного раздела.

Составной том (multipartition volume) – том, состоящий из нескольких разделов (необязательно на одном диске).

Понятия раздела и простого тома отличаются: во первых, разделы формируются, в основном, только на жестких дисках, а тома создаются и на других устройствах внешней памяти (например на оптических дисках и устройствах флеш памяти), во вторых, понятие "раздел" связано с физическим устройством, а понятие "том" – с логическим представлением внешней памяти.

Сектор (sector) – блок данных фиксированного размера на диске; наименьшая единица информации для диска. Типичный размер сектора для жестких дисков равен 512 байтам, для оптических дисков – 2048 байт. Деление диска на секторы происходит один раз при создании диска в процессе низкоуровневого форматирования и обычно не может быть изменено.

Кластер (cluster) – логический блок данных на диске, включающий один или несколько секторов. Количество секторов, составляющих кластер, обычно кратно степеням двойки. Размер кластера задается операционной системой в процессе высокоуровневого форматирования, которое может осуществляться многократно.

При записи на диск файл всегда будет занимать целое число кластеров. Например, файл размером 100 байт в файловой системе с размером кластера 4 КБ будет занимать ровно 4 КБ.

Выбор размера кластера связан со следующими соображениями. Малые кластеры позволяют сократить размер фактически неиспользуемого дискового пространства, возникающего за счет размещения файла в целом числе кластеров. Но при этом общее количество кластеров на диске увеличивается и размер служебных структур файловой системы, в которых хранится информация о файлах, возрастает.

Возможности NTFS

Файловая система NTFS (New Technology File System) разрабатывалась Microsoft в начале 1990 х гг. как основная файловая система для серверных версий операционных систем Windows. NTFS была представлена в 1993 году в операционной системе Windows NT 3.1.

В настоящее время NTFS рассматривается в качестве предпочтительной файловой системы как для серверных, так и для клиентских версий Windows.

В NTFS используются 64 разрядные идентификаторы кластеров, поэтому теоретически том NTFS может содержать 264 кластеров (16 ЭБ^{3210 байт = 1 килобайт (КБ), 220 байт = 1 мегабайт (МБ), 230 байт = 1 гигабайт (ГБ), 240 байт = 1 терабайт (ТБ), 250 байт = 1 петабайт (ПБ), 260 байт = 1 экзабайт (ЭБ), 270 байт = 1 зеттабайт (ЗБ).} ). Однако текущие реализации в Windows поддерживают только 32 разрядную адресацию кластеров, что при размере кластера максимум 64 КБ (216 байт) позволяет NTFS тому достигать размера до 256 ТБ:

2³² * 2¹⁶ байт = 2⁴⁸ байт = 2⁸ * 2⁴⁰ байт = 256 ТБ.

Для томов, больших 4 ГБ, при форматировании Windows предлагает размер кластера по умолчанию 4 КБ.

Перечислим некоторые возможности NTFS [5, стр. 761]:

• восстанавливаемость (recoverability) – способность файловой системы возвращаться к работоспособному состоянию после возникновения сбоя. Реализуется такая возможность, во первых, за счет поддержки атомарных транзакций, во вторых, за счет избыточности хранения информации. Атомарная транзакция (atomic transaction) – операция с файловой системой, приводящая к её изменению, которая либо полностью успешно выполняется, либо не выполняется вообще (т. е. в случае сбоя во время атомарной транзакции все изменения откатываются). Избыточность используется при хранении важнейших данных файловой системы, критически необходимых для её корректной работы;
• безопасность (security) – защищенность файлов от несанкционированного доступа. Реализуется при помощи модели безопасности Windows, рассмотренной в лекции 9 "Безопасность в Windows";
• шифрование (encryption) – преобразование файла в зашифрованный код, который невозможно прочесть без ключа. Обычные механизмы безопасности, такие как назначение прав доступа пользователей к файлам, не обеспечивают полной защиты информации, например, в случае перемещения диска на другой компьютер. Администратор операционной системы всегда может получить доступ к файлам других пользователей, даже на томе NTFS. Поэтому в NTFS включена поддержка шифрующей файловой системы EFS (Encrypting File System), которая позволяет легко зашифровывать и расшифровывать файлы;
• поддержка RAID (Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks – массив недорогих (независимых) дисков с избыточностью) – возможность использования для хранения информации нескольких дисков; данные с одного диска автоматически копируются на другие, обеспечивая тем самым повышенную надежность;
• дисковые квоты для пользователей (Per-User Volume Quotas) – возможность выделения для каждого пользователя определенного пространства на диске (квоты); NTFS не позволяет пользователю записывать данные на диск сверх выделенной квоты.

Структура NTFS

Структура тома NTFS представлена на рис.17.1.

Рис. 17.1. Структура NTFS тома

В начале тома находится загрузочная запись тома (Volume Boot Record), в которой содержится код загрузки Windows, информация о томе (в частности, тип файловой системы), адреса системных файлов ($Mft и $MftMirr – см. далее). Загрузочная запись занимает обычно 8 КБ (16 первых секторов).

В определенной области тома (адрес начала этой области указывается в загрузочной записи) расположена основная системная структура NTFS – главная таблица файлов (Master File Table, MFT). В записях этой таблицы содержится вся информация о расположении файлов на томе, а небольшие файлы хранятся прямо в записях MFT.

Важной особенностью NTFS является то, что вся информация, как пользовательская, так и системная, хранится в виде файлов. Имена системных файлов начинаются со знака "$". Например, загрузочная запись тома содержится в файле $Boot, а главная таблица файлов – в файле $Mft. Такая организация информации позволяет единообразно работать как с пользовательскими, так и с системными данными на томе.

Поскольку MFT является важнейшей системной структурой, к которой при операциях с томом наиболее часто происходят обращения, выгодно хранить файл $Mft в непрерывной области логического диска, чтобы избежать его фрагментации (размещения в разных областях диска), и, следовательно, повысить скорость работы с ним. С этой целью при форматировании тома выделяется непрерывная область, называемая зоной MFT (MFT Zone). По мере увеличения главной таблицы файлов, файл $Mft расширяется, занимая зарезервированное место в зоне.

Остальное место на томе NTFS отводится под файлы – системные и пользовательские.

Рассмотрим более подробно структуру MFT (рис.17.2).

увеличить изображение
Рис. 17.2. Главная таблица файлов MFT

Главная таблица файлов MFT состоит из множества записей о файлах (файловых записей), расположенных на томе. Размер одной записи – 1 КБ (2 сектора). Самая первая запись в MFT – это запись о самом файле $Mft. Во второй записи содержится информация о файле $MftMirr – зеркальной копии MFT. В этом файле дублируются первые 4 записи таблицы MFT, в том числе запись о $Mft. В случае возникновения сбоя, если MFT окажется недоступной, информация о системных файлах будет считываться из $MftMirr (в загрузочной записи имеется адрес $MftMirr).

Перечислим следующие несколько записей в таблице MFT и кратко опишем назначение соответствующих системных файлов:

• $LogFile – файл журнала, в котором записывается информация о всех операциях, изменяющих структуру тома NTFS, например, создание файлов и каталогов. Файл журнала используется при восстановлении тома NTFS после сбоев;
• $Volume – файл информации о томе, в котором содержатся имя тома (Volume label), версия NTFS и набор флагов состояния тома, например, флаг (т. н. грязный бит, dirty bit), установка которого означает, что том был поврежден и требует восстановления при помощи системной утилиты Chkdsk;
• $AttrDef – таблица определения атрибутов (Attribute Definition Table), содержащая возможные на данном томе типы атрибутов файлов (см. далее);
• Root Directory (обозначается также обратным слешем "\") – файл с информацией о корневом каталоге тома. В нем хранятся ссылки на файлы и каталоги, содержащиеся в корневом каталоге;
• $BitMap – файл битовой карты (bitmap), каждый бит в этой карте соответствует кластеру на томе: если бит равен 1, кластер занят, иначе – свободен;
• $Boot – файл загрузочной записи тома;
• $BadClus – файл плохих кластеров (bad clusters), содержащий информацию обо всех кластерах, имеющих сбойные секторы (bad sectors).

Кроме перечисленных, имеются и другие системные файлы NTFS, а в новых версиях появляются новые системные файлы.

Далее рассмотрим, что представляет собой файл в системе NTFS.