Ресурс – это абстрактная структура, имеющая множество атрибутов, характеризующих способы доступа к ресурсу и его физическое представление в системе 6 страница

Таблица 6.1. Наиболее употребительные атрибуты файлов

Атрибут	Значение
Защита	Кто и каким образом может получить доступ к файлу
Пароль	Пароль для получения доступа к файлу
Создатель	Идентификатор создателя файла
Владелец	Текущий владелец файла
Флаг "только для чтения"	0 – для чтения-записи, 1 – только для чтения
Флаг "скрытый"	0 – обычный, 1 – не отображать в перечне файлов
Флаг "Системный"	0 – обычный, 1 – системный
Флаг "архивный"	0 – прошедший резервное копирование, 1 – нуждающийся в резервном копировании
Флаг ASCII-двоичный	0 – использован код ASCII, 1 – двоичный файл
Флаг произвольного доступа	0 – только последовательный доступ, 1 – произвольный доступ
Флаг "временный"	0 – обычный, 1 – удалять по окончании процесса
Флаги блокировки	0 – не заблокирован, иначе – заблокирован
Длина записи	Количество байтов в записи
Позиция ключа	Смещение ключа внутри каждой записи
Длина ключа	Количество байтов в поле ключа
Время создания	Дата и время создания файла
Время последнего доступа	Дата и время последнего доступа к файлу
Время внесения последних изменений	Дата и время внесения последних изменений
Текущий размер	Количество байтов в памяти
Максимальный размер (устарел)	Предельное количество байтов, до которого файл может увеличиваться
Примечание: Атрибуты, имеющие отношение к ключу используются для поиска данных

Как известно, информация, которой пользуется человек, должна быть структурирована. С этой целью на дисках и других устройствах долговременного хранения информации организуются каталоги – специальные системные файлы, содержащие списки ссылок на файлы.

6.2. Понятие и функции файловой системы
и системы управления файлами.

Файловая система – это понятие, имеющее два смысла в зависимости от контекста использования:

· принципы доступа к данным, организованным в файлы;

· организация (способ размещения) файлов на том или ином носителе.

Система управления файлами – это комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной операционной системе по принятым спецификациям (описаниям объектов) файловой системы.

Файловая система позволяет перевести на логический уровень общение пользователя с файлами. Появляются логические диски, обозначенные латинскими буквами, например "а:", "с:" и т.д. К файлам обращаются по именам, а не по их физическим адресам на дисках. Файловая система определяет и способ организации данных и программ на дисках и иных носителях. Наиболее известны файловые системы FAT (ныне FAT-12), FAT-16, FAT-32, NTFS, CDFS и др.

Система управления файлами предоставляет пользователю интерфейс для работы с файлами и обеспечивает выполнение следующих функций:

· создание, удаление, переименование и другие операции с файлами как и программ пользователя, так и командами операционной системы или специальных программных средств для работы с файлами;

· работа с недисковыми периферийными устройствами как с файлами;

· обмен данными между устройствами, устройствами и файлами и меду файлами;

· работа с файлами посредством обращения к программным модулям системы управления файлами;

· защита файлов от несанкционированного доступа.

Система управления файлами обращается к программным модулям операционной системы, используя функции пользовательского интерфейса API. Эта система разрабатывается для каждой конкретной операционной системы, и будет работать только в ней, несмотря на то, что другая операционная система будет использовать ту же файловую систему. Это объясняется тем, что программные модули системы управления файлами и операционной системы в целом различны. Но, в принципе, файлы созданные в одной операционной системе могут быть доступны в другой операционной системе, поддерживающей ту же файловую систему.

Операционная система может поддерживать несколько систем управления файлами и работать с ними одновременно или одной из нескольких. Дополнительные системы управления файлов можно доустанавливать в операционную систему. Такие системы управления файлами называются монтируемыми. При монтировании одна файловая система выбирается корневой и в её каталоге создаётся подкаталог, который является корневым для монтируемой системы.

Различают три структуры файловых систем: одноуровневые, иерархические, сетевые (рис. 6.1). Прямоугольниками на рис. 6.1 показаны каталоги, окружностями – файлы. Во всех структурах на каждом носителе предусматривается корневой каталог. Одноуровневая система каталогов предусматривает существование только корневого каталога, а все файлы числятся в этом каталоге.

В иерархической и сетевой структурах предусматривается вхождение в любой каталог множества каталогов. Каталог, содержащий вложенные каталоги называется родительским или надкаталогом. Вложенные каталоги называются подкаталогами.

а)	б)	в)
Рис. 6.1. Структуры файловых систем: одноуровневая (а), иерархическая (б), сетевая (в)

В иерархической структуре файл может входить (числиться) только в одном каталоге и иметь только одно полное имя файла. Иерархическая структура файловой системы имеет и другое название – древовидная. В сетевой структуре файл может входить в два и более каталогов и иметь несколько полных символьных имён, но только одно уникальное цифровое имя.

6.3. Обзор файловых систем

6.3.1. Файловая система FAT16, FAT32 и VFAT

Файловые системы FAT16, VFAT и FAT32 получила своё название по основному элементу этих файловых систем – таблице размещения файлов (File Allocation Table). Все три файловых системы предполагают разбивку диска на секторы и объединение нескольких секторов, идущих друг за другом, в кластеры. FAT16 является 16-разрядной файловой системой, позволяющей обращаться к 2¹⁶ кластерам.

Файловая система FAT16 использовала формат имени файла 8.3: 8 символов отводилось для имения и 3 символа для расширения имени файла. Это достаточно жёсткое ограничение усугублялось ограниченным набором символов, допускавшихся для образования имени файла и его расширения.

Поэтому в операционных системах Windows 95 и NT, а затем и в исходных версиях Windows 2000 и XP появились файловые системы VFAT (виртуальная FAT) и FAT32. Файловая система VFAT поддерживает длинные имена файлов и совместима со стандартной системой FAT16. Совместимость обеспечивается наличием специальных утилит. Недостатком VFAT являются большие потери на кластеризацию и ограничения на размер логического диска. FAT32 является самостоятельной 32-разрядной файловой системой, наиболее совершенной из описываемых трёх систем.

Во всех трёх файловых системах пространство логического диска делится на системную область и на область данных. Обязательным элементом всех трёх систем является загрузочная запись, расположенная в начале диска
(табл. 6.2). Она состоит из блока параметров диска (BDP) и системного загрузчика (SB). Во всех трёх файловых системах присутствуют каталоги и файлы, которые описываются как файловый объект. Структуры файловых объектов в системах FAT16, VFAT и FAT32 показаны на рис. 6.2.

Таблица 6.2. Структура загрузочной записи

FAT32

Содержимое

Безусловный переход на системный загрузчик

Системный идентификатор

Размер сектора, байт

Число секторов в кластере

Число зарезервированных секторов

Число копий FAT-таблицы

0000h

0000h

Дескриптор носителя

0000h

Число секторов на дорожке

Число рабочих поверхностей

Обозна­чение поля

Jmp 3Eh

SectSize

ClstSize

ResSecs

FATcnt

RootSize

TotSecs

Media

FATSize

TrcSecs

HeadCnt

Длина поля, байт

FAT16

Содержимое

Безусловный переход на системный загрузчик

Системный идентификатор

Размер сектора, байт

Число секторов в кластере

Число зарезервированных секторов

Число копий FAT-таблицы

Максимальное число элементов корневого каталога

Число секторов на логическом диске объёмом до 32 Мбайт, иначе 0000h

Дескриптор носителя

Размер FAT в секторах

Число секторов на дорожке

Число рабочих поверхностей

Обозна­чение поля

Jmp 3Eh

CectSize

ClastSize

ResCecs

FATcnt

RootSize

TotSecs

Media

FATsize

TrcSecs

HeadCnt

Длина поля, байт

Смеще­­­ние, байт

00h

03h

0Bh

0Dh

0Eh

10h

11h

13h

15h

16h

18h

1Ah

Таблица 6.2. (продолжение)

FAT32

Содержимое

Число скрытых секторов

Число секторов на логическом диске

Число секторов в таблице FAT

–

–

–

Расширенные флаги

Версия файловой системы

–

Номер первого кластера корневого каталога

Номер сектора с резервной копией загрузочного сектора

Зарезервировано

Системный загрузчик

–

* Том –логическое дисковое пространство, состоящее из одного или нескольких разделов, которое может быть воспринято файловой системой как один логический диск

Обозна­чение поля

HidnSecs

–

Длина поля, байт

–

–

–

–

–

FAT16

Содержимое

Число скрытых секторов

Число сектров на логическом диске до 32 Мбайт

Тип диска (00h – FDD, 80h – HDD)

Зарезервирован

Маркер с кодом 29h

Серийный номер тома

–

–

Метка тома*

–

–

Имя файловой системы

Системный загрузчик

Сигнатура (слово AA44h)

Обозна­чение поля

HidnSecs

Длина поля, байт

–

–

–

Смеще­­­ние, байт

1Ch

20h

24h

25h

26h

27h

28h

2Ah

2Bh

2Ch

34h

36h

3Eh

1Feh

	Структура каталога для короткого имени FAT16	Размер файла в байтах	Структура каталога для короткого имени FAT132	Размер файла в байтах	Структура каталога для длинного имени VFAT и FAT32	6 – 11 символы имения файла в кодировке Unicode				Рис. 6.2. Структура файлового объекта
	Номер начального кластера	Младшее слово номера начального кластера	0000h
	Дата последней записи	Дата последней записи	6 – 11 символы имения файла в кодировке Unicode
	Время последней записи	Время последней записи
	Зарезервировано	Старшее слово номера начального кластера
	Дата последнего доступа
	Дата создания файла
	Время создания файла
		Контрольная сумма
	Зарезервировано	Зарезервировано
	Атрибуты	Атрибуты	Атрибуты
	Имя файла в формате 8.3 (имя – 8 символов, расширение – 3 символа)	Имя файла в формате 8.3 (имя – 8 символов, расширение – 3 символа)	1 – 5 символы имени файла в кодировке Unicode

На рис. 6.3 показана структура логического диска в системе FAT16. В этой файловой системе системная область создаётся при форматировании диска и включает в себя:

загрузочную запись BR (Boot Record), структура которой приведена в табл. 6.2;

зарезервированных секторов Rsec (Reserved Sectors);

двух копий (основной и резервной) таблицы размещения файлов FAT1 и FAT2;

корневого каталога диск Rdir (Root Directory).

Рис. 6.3. Структура логического диска в FAT16

Таблицы размещения файлов содержат в себе:

перечень непосредственно адресуемых участков логического диска, отведённых для размещения на них файлов или их фрагментов;

перечень адресов свободных областей дискового пространства;

перечень адресов дефектных областей диска.

Область данных содержит обычные файлы и файлы-каталоги. В отличие от системной области область данных доступна через элементы пользовательского интерфейса операционной системы. Она разбита на кластеры, включающие в себя от 4 до 64 секторов и имеющие размеры в пределах 2 – 4 Кб. Размеры кластеров зависят от ёмкости раздела физического диска, отведённого под логический диск. Разбивка области на кластеры выполняется в следующих целях:

уменьшение таблицы FAT;

уменьшение возможной фрагментации файлов;

ускорение доступа к файлу.

Однако выделение для файла целых кластеров приводит к потерям дискового пространства в среднем по половине кластера на файл.

Описание файловых объектов приведено на рис. 6.2. Размещение файлов на диске показано на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Описание файла и кластеры области данных, отведённых под файл

Кластеры с номерами 00 – 1В показаны прямоугольниками. Номера кластеров стоят над их обозначениями. Символы "00" указывают, что кластеры свободны. Символы "F7" внутри обозначения 18-о кластера указывает, что этот кластер дефектный.

Номер начального кластера файла указан в описании. Файл расположен в двух цепочках кластеров 08, 09, 0А, 0В и 15, 16, 17, 18, 19, 1А, 1В. Числа внутри обозначений этих кластеров размещаются после данных, записанных в кластер, и указывают номера последующих кластеров в цепочке. В конце последнего кластера в цепочке стоит код FF – указывающий на завершение файла.

Для обращения к кластеру используется 16-разрядное слово. Отсюда и появилось число 16 в обозначении файловой системы. Вариант файловой системы super-FAT применяется в операционной системе OS/2.

VFAT является файловой системой поддерживающей длинные имена. Её основным недостатком являются большие потери на кластеризацию. От этого недостатка в значительной мере свободна FAT32, которая является самостоятельной 32-разрядной файловой системой, и имеет следующие особенности:

применение для адресации кластеров 28 бит из 32 позволяет адресовать 2²⁸ кластеров, поэтому кластеры в этой файловой системе имеют меньший размер, и потери дискового пространства на кластеризацию меньше, чем в FAT16 и VFAT;

возможность использования резервной копии таблицы FAT вместо стандартной;

представление корневого каталога как обычной цепочки кластеров и, как следствие, возможность перемещения корневого каталога и снятие ограничения на размер корневого каталога;

расширенная загрузочная запись, позволяющая создавать резервные копии критически важных структур данных и, как следствие повышенная устойчивость дисков FAT32 к нарушениям структуры таблицы FAT;

использование для представления длинных имён файлов элементов каталогов, в т.ч. и корневого.

Поддержка длинных имен в системах VFAT и FAT32 проиллюстрирована на рис. 6.2. Имена файлов записываются в кодировке Unicode. Имя файла разделено на три части, содержащие 1 – 5, 6 – 11 и 12 – 13 символы. В описании файлового объекта с длинным именем отсутствуют даты и время создания файла, последней записи в файл, последнего доступа к файлу, а также сведения о номере начального кластера. Сведения о начальном номере кластера и отсутствущие данные о файле операционная система может взять из описания файлового элемента с коротким именем.

6.3.2. Файловая система NTFS

Файловая система NTFS оперирует с общим понятием "ТОМ", частным случаем которого является логический диск. Возможно также создание отказоустойчивого тома, занимающего несколько разделов, с использованием RAID-технологии. Применение RAID-технологии позволяет повысить или быстродействие диска, или его надёжность, или то и другое вместе. Следует иметь в виду, что при установке операционной системы для использования RAID-технологии требуются так называемые динамические диски, представляющие стандарт распределения дискового пространства фирмы Microsoft. Они несовместимы с промышленным стандартом. Поэтому если диски будут преобразованы в динамические, то на этот жёсткий диск не дастся установить ни одну операционную систему, а ранее установленные операционные системы не смогут даже запуститься. Обратное преобразование динамических дисков в стандартные диски без полной потери данных невозможно [1].

Структура тома NTFS показана на рис. 6.5. Том состоит из следующих частей:

зона главной таблицы файлов MFT (12% ёмкости тома)

обычная зона файлов и каталогов (88% ёмкости тома), которая делится на две области;

копии первых 16 записей таблицы MFT, занимающие часть обычной зоны.

$MFT

Зона MFT

Зона файлов и каталогов (область 1)

Копии первых 16 записей MFT

Зона файлов и каталогов (область 2)

Рис. 6.5. Структура тома NTFS

Всё пространство тома делится на кластеры. Поддерживаются кластеры размером от 512 байт до 64 Кбайт. Увеличение размера кластера более чем до 4К исключает сжатие файлов и каталогов [1].

Главная таблица MFT является файлом и содержит сведения о всех остальных файлах имеющихся на диске, в том числе и о самой MFT. Она содержит имена файлов, размеры, адреса на диске файлов и их фрагментов и т.д. Таблица поделена на записи размером 1К, соответствующие файлам. Файлы, имеющие размер не более 100 байтов записываются непосредственно в таблицу MFT. Первые 16 файлов, упомянутые в таблице являются служебными и недоступны через интерфейс операционной системы. Эти файлы называются метафайлами (табл. 6.3) и находятся в корневом каталоге.

Таблица 6.3. Метафайлы тома NTFS

Имя метафайла	Описание
$MFT	Главная таблица файлов
$MFTmirr	Копия первых 16 записей MFT
$LogFile	Файл журналов
$Valume	Служебная информация: метка тома и версия файловой системы
$AttrDef	Список стандартных аттрибутов на томе
$	Корневой каталог
$BitMap	Битовая карта свободного места тома
$Boot	Загрузочный сектор
$Quota	Файл прав пользователей
$Upcase	Таблица соответствия строчных и прописных букв в именах файлов

Копия информации о метафайлах помещена в зоне файлов и каталогов. Зона MFT заполняется по мере роста таблицы MFT.

Файловая система NTFS имеет следующие особенности:

файл идентифицируется 64-разрядной числом, которое называется файловой ссылкой и состоит из номера файла в таблице MFT и номера последовательности, который увеличивается всякий раз, когда позиция файла MFT используется повторно;

файлы представлены потоками данных, которыми являются данные, хранящиеся в файле, их неосновные атрибуты, сведения об авторе и содержании файла и т.д.;

наличие средств самовосстановления:

механизмы проверки целостности системы (журналы транзакций, журналы изменений и т.д.);

механизм отката при наличии незавершённых операций

процедуры внутренней проверки целостности файловой системы;

поддержка дисков с большими объёмами;

повышенная отказоустойчивость;

эмуляция других файловых систем;

параллельная обработка потоков данных;

сжатие отдельных файлов и каталогов;

шифрование файлов (не рекомендуется);

ограничение доступа к файлам и каталогам посредством создания специальных расширенных атрибутов файлов и каталогов;

мощная модель безопасности.

В числе особенностей файловой системы NTFS упоминается наличие средств самовосстановления, в частности поддержка журналов транзакций и изменений. Журналы транзакций являются специальными файлами, которые позволяют воспроизвести операции записи на диск. Журналы изменений также являются системными файлами, в которых ведётся протокол изменения файловой структуры. Каждой такой операции соответствует одна запись в журнале изменений, которая помечается как незавершённая. Если операция успешно выполнена, то пометка снимается. В случае сбоя или прерывания операции любым способом пометка сохраняется. При последующей перезагрузке процедура внутренней проверки целостности файловой системы обнаруживает пометки незавершённых операций и восстанавливает первоначальное состояние системы, т.е. задействует механизм отката.

Поддержка диска с большими объёмами дискового пространства позволяет получить логические диски с объёмами во много раз превышающими существующие технические возможности: 16 Эбайт (Эбайт – обозначение единицы объёма диска экзобайт, составляющего 2⁶⁴ байт или приблизительно 16 млрд. гигабайт). Кроме того, встроенные средства сжатия файлов и каталогов обеспечивает существенную экономию дискового пространства. Сжатие можно назначать отдельно взятым томам, логическим дискам, каталогам и файлам. При желании можно сжатие отменить.

NTFS поддерживает объектную модель безопасности, разработанную для Windows NT. В соответствии ней файловая система рассматривает файлы и каталоги как объекты. Для пользователей введены учётные записи. Пользователи могут объединяться в группы, для которых задаются права доступа к различным каталогам и файлам. Права доступа файлам и каталогам хранятся в списках управления доступом (ACL) каждого каталога и файла.

6.3.3. Файловые системы компакт-дисков

Первые накопители на компакт-дисках имели множество несовместимых файловых систем. Это было обусловлено отсутствием в первой спецификации хранения данных на CD описания файловой системы и универсальных файловых форматов. Первой попыткой ввести стандарт на файловые системы компакт-дисков является спецификация High Sierra, которая сделала компакт-диски универсальными компьютерными носителями. В настоящее время наиболее известными файловыми системами для компакт-дисков являются системы:
ISO 9660, CDFS, Joliet и UDF.

Стандарт ISO 9660 имеет три уровня:

первый уровень накладывает на файлы и каталоги жёсткие ограничения:

файлы не могут быть фрагментированы;

имена файлов могут быть записаны только в формате 8.3, поддерживающимся MS DOS, и содержать только символы A – Z, 1 – 9 и подчеркивание;

имя каталога не может содержать более 8 символов и не должно иметь расширение;

максимальный уровень вложенности каталогов не более восьми;

второй уровень разрешает имена файлов и каталогов длиной до 30 символов (включая расширение для файлов);

третий уровень разрешает длину имён файлов и каталогов до 30 символов и фрагментацию файлов.

Диск в стандарте ISO 9660 (рис. 6.6) имеет следующие элементы:

область идентификации и синхронизации;

системная область;

оглавление тома;

область данных.

Данные в таком томе начинаются с 16 сектора первой дорожки. На много сессионном томе создаётся несколько аналогичных структур.

Область идентификации и синхронизации

Системная область

Оглавление тома

Область данных

Рис. 6.6. Структура односессионного тома на компакт-диске в стандарте ISO 9660

Стандарт CDFS разработан для операционных систем Windows NT и соответствует второму уровню стандарта ISO 9660.