Файловая система: идеология и структура

Таблица индексных дескрипторов: детали

В ранних версиях UNIX таблица индексных дескрипторов занимала фиксированное пространство в начале устройства; в файловых системах UFS современных систем эта таблица распределена по диску, потому что каждая часть таблицы отвечает за часть диска.

В файловых системах, которые основаны на FFS (ext2, ext3, UFS), диск разбит на группы цилиндров. Каждая группа цилиндров имеет свою копию суперблока, битовую карту свободных блоков этой группы цилиндров и таблицу индексных дескрипторов для файлов, расположенных на цилиндрах этой группы. Такая структура хороша тем, что, во-первых, ускоряется доступ к системным структурам данных, во-вторых, повышается устойчивость к сбоям диска. При повреждении одного участка поверхности диска теряется только небольшая часть служебной информации о файлах и диске (такая информация в документации часто называется метаданными - metadata).

Если метаданные расположены рядом с пользовательскими данными, уменьшается расстояние, на которое перемещаются головки жесткого диска при переходе от служебной информации к запрошенным данным. К тому же при переходе от одного цилиндра к другому времени уходит значительно больше, чем при считывании данных в пределах одного цилиндра.

Каждому файлу соответствует индексный дескриптор. Он хранит информацию о различных атрибутах файла и его размещении на диске. В индексном дескрипторе записаны:

• тип файла ;
• права доступа к файлу ;
• идентификатор владельца файла ;
• идентификатор группы файла ;
• время последней модификации файла ;
• время последнего доступа к файлу ;
• время последней модификации самого индексного дескриптора ;
• число повторных использований индексного дескриптора (т.е. случаев, когда файл был стерт и его индексный дескриптор был использован для хранения данных о другом файле );
• длину файла в байтах (для файлов устройств это поле имеет смысл сочетания major- и minor-номера устройства, см. раздел "Файлы устройств Solaris");
• идентификатор файловой системы, в которой расположен файл ;
• количество ссылок на файл ;
• число блоков файла (требуется для поддержки работы с файлами, содержащими большие области, заполненные символами с кодом "ноль", т.е. пустое пространство; такие файлы называются holey files - файлы с пустотами);
• номер теневого индексного дескриптора (если требуется);
• структура из 15 номеров блоков, описывающая размещение файла на диске; каждый номер блока занимает 4 байта.

Структура, описывающая физическое размещение файла на диске, в UFS представляет собой последовательность из номеров блоков.

Если файл занимает более двенадцати блоков (т.е. его длина больше 12*8192 =98304 байт), то предпоследние три номера обозначают не номера блоков данных, а номера косвенных блоков (indirect blocks), в которых хранятся указатели на следующие блоки данных и, возможно, на следующие косвенные блоки.

Первые двенадцать номеров блоков содержат просто номера блоков данных. Тринадцатый номер - это номер косвенного блока первого уровня. В блоке первого уровня содержится до 2048 адресов блоков данных (речь идет о 8192-байтных блоках).

Четырнадцатый номер блока содержит номер косвенного блока второго уровня. Косвенный блок второго уровня содержит 2048 номеров косвенных блоков первого уровня, таким образом, через косвенный блок второго уровня адресуется до 2048² блоков данных.

В пятнадцатый номер блока записан номер косвенного блока третьего уровня. Косвенный блок третьего уровня содержит 2048 номеров косвенных блоков второго уровня, так что через косвенный блок третьего уровня адресуется до 2048³ блоков данных.

Файл не может располагаться на разных разделах UNIX. Файл может быть фрагментирован, хотя файловая система построена так, чтобы свести фрагментацию к минимуму. Теоретически рекомендуется не заполнять файловую систему более, чем на 70%, чтобы не увеличивать фрагментацию при работе.

Максимальный размер файла может быть легко посчитан, так как мы знаем правила адресации блоков данных. Если размер блока равен 512 байт, то напрямую адресуемые из индексного дескриптора блоки в сумме дают размер 12 x 8192 байта = 98304 байта.

Адресуемые через номер косвенного блока первого уровня - 2048 x 8192 байта = 16777216 байт.

Адресуемые через номер косвенного блока второго уровня - 2048² x 8192 байта = 34359738368 байт.

Адресуемые через номер косвенного блока третьего уровня - 2048³ x 8192 байта = 70368744177664 байта.

Вместе получается примерно 64 Тбайт. Однако Solaris 9, насколько об этом можно судить по доступным фактам, не поддерживает файлы размером более 1 Тбайт на данный момент.

Все современные системы UNIX используют 128-байтный индексный дескриптор, который вмещает больше информации и номер блока в нем занимает не 3 байта (как в прошлом), а 4. Поэтому адресовать можно весьма большие разделы.

28 байт в таком дескрипторе отводится под разные расширения, включая место для 32-разрядных идентификаторов владельца и группы файла, а также под 64-разрядные поля времен модификации. Введение 64-разрядных полей времени в UNIX вместо прежних 32-разрядных нужно для того, чтобы избежать "проблемы 2031 года", т.к. именно в этом году перестанет хватать 32 байт для представления времени в системах UNIX. Разработчики обоснованно полагают, что до тех пор все существующие системы UNIX будут заблаговременно переведены на 64-разрядную архитектуру.

Обычные индексные дескрипторы

Обычные индексные дескрипторы (i-nodes) используются повсюду во всех системах UNIX. В Solaris существует специальный тип индексных дескрипторов - теневые индексные дескрипторы. Они служат для хранения информации о расширенных правах доступа к файлам и каталогам.

Теневые индексные дескрипторы

Теневые индексные дескрипторы (shadow i-nodes) содержат информацию, позволяющую получать доступ к расширенным правам доступа (ACL) файла или каталога. Этот тип файловых дескрипторов существует в реализации файловой системы UFS в Solaris, начиная с версии 2.5.1. Solaris 9 поддерживает теневые индексные дескрипторы для файловых систем UFS (Unix File System), NFS (Network File System версий 2 и 3), CacheFS (Cache File System). Расширенные права доступа могут быть назначены в отношении каталогов, обычных файлов, символических ссылок и именованных каналов (FIFO).

Если файлу назначены расширенные права доступа (например, с помощью команды setfacl ), то будет создан теневой индексный дескриптор для этого файла и в обычный индексный дескриптор этого файла будет записана ссылка на теневой индексный дескриптор. Теневой индексный дескриптор не имеет специального формата, он представляет собой точно такой же индексный дескриптор, как и обычный, но с указанием в поле типа дескриптора на то, что он - теневой.

Расширенные права доступа хранятся в специальном файле, который создается в момент назначения таких прав. Теневой дескриптор указывает на этот специальный файл. В Solaris разрешено создавать не более 1024 записей в таком файле - следовательно, расширенные права доступа могут содержать не более 1024 специфических определений прав. Этого с избытком хватает для установки каких угодно специфических прав доступа. Каждая запись ACL занимает 12 байт, поэтому обычно эти записи не требуют много места на диске. Однако при назначении специфических прав доступа большому числу объектов в файловой системе следует помнить о том, что для этого требуется дополнительный объем дисковой памяти.

Для назначения и просмотра расширенных прав доступа используются команды setfacl и getfacl, о которых более подробно рассказывается в лекции 6.