Сетевые операционные системы

     Поскольку загрузочная запись слишком мала для хранения системных файлов, они должны находиться в строго определенном месте диска, чтобы их можно было найти при загрузке. Фиксированное положение системных файлов в начале области данных накладывает жесткое ограничение на размеры корневого каталога и таблицы размещения файлов. Вследствие этого общее число файлов и подкаталогов в корневом каталоге файловой системы FAT ограничено 512.

     Каждому файлу и подкаталогу в FAT выделяется 32-байтный элемент каталога, содержащий имя файла (каталога), его атрибуты (архивный, скрытый, системный и «только для чтения»), дату и время создания файла (или внесения в него последних изменений), номер начального кластера, в котором он размещен, и размер в байтах.

     Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный кластер в таблице размещения файлов. В процессе работы одни файлы удаляются, другие изменяются в размере; появляющиеся при этом пустые кластеры оказываются разбросанными по всему диску. Если данные файлы записаны не в смежные кластеры, он называется фрагментированным.

     Фрагментация файлов значительно снижает скорость выполнения любых операций с ними, так как при поиске очередной порции данных приходится осуществлять перемещение головок чтения/записи. Поэтому в состав операционных систем, поддерживающих FAT, обычно входят специальные программы дефрагментации диска, позволяющие повысить скорость работы дисковой подсистемы компьютера.

     Еще один недостаток FAT заключается в том, что ее производительность сильно зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге.

     Если их много, выполнение операции считывания списка файлов может занять несколько минут. Это обусловлено тем, что в FAT каталог имеет линейную неупорядоченную структуру, и имена файлов в каталогах идут в порядке их создания. В результате, чем больше записей в каталоге, тем медленнее работают программы, так как при поиске файла требуется последовательно просмотреть их одну за другой.

     Следует отметить также, что FAT не предотвращает порчи файлов в случае аварийного завершения работы компьютера в момент выполнения операций записи.

     Поскольку FAT изначально проектировалась для однопользовательской операционной системы DOS, в ней не предусмотрено хранения информации о владельце файла/каталога или полномочиях доступа к ним.

     FAT была одной из первых файловых систем для ПК; несмотря на многочисленные недостатки, она получила широкое распространение и поэтому ее поддерживает большинство современных ОС. Хотя нет никаких препятствий для того, чтобы использовать при форматировании дискет любую другую файловую систему, большинство ОС для совместимости по-прежнему применяют в этом случае FAT. Отчасти это можно объяснить тем, что простая структура FAT требует меньше места для хранения служебных данных, чем остальные системы, и соответственно больше места остается под размещение данных. Преимущества других файловых систем становятся заметны только при использовании их на носителях объемом более 100 Мб.

     VFAT. Файловая система VFAT (Virtual FAT), впервые реализованная в Windows NT 3.5 и Windows 95 (DOS 7.0), – это видоизмененная система FAT, дополненная поддержкой длинных имен файлов (Long File Name, LFN) в кодировке UNICODE (каждый символ имени кодируется 2 байтами). Схема распределения дискового пространства осталась той же, что и в FAT, но ограничения, устанавливаемые соглашениями по именам файлов, изменились:

     – допускаются имена длиной до 255 символов;

     – в имени может быть несколько пробелов и точек (при этом, однако, текст после последней точки рассматривается как расширение);

     – регистр символов в именах не различается, но сохраняется.

     Основной проблемой при разработке VFAT было обеспечение корректной работы старых программ, не поддерживающих длинные имена файлов. В итоге было принято решение для каждого файла и подкаталога в VFAT использовать два имени: длинное и короткое в формате 8.3 для совместимости со старыми программами. Длинные имена (LFN) хранятся в специальных записях каталога. Для любого файла или подкаталога непосредственно перед единственной записью каталога с его именем в формате 8.3 находится группа из одной или нескольких записей, представляющих длинное имя. Каждая такая запись содержит часть длинного имени файла (не более 13 символов), из которых ОС составляет полное имя файла. Поскольку одно длинное имя может занимать до 21 записи, а корневой каталог FAT ограничен 512 записями, желательно ограничить использование длинных имен в корневом каталоге.

     Короткое имя генерируется файловой системой автоматически в формате 8.3. Для создания коротких имен (псевдонимов) файлов используется следующий алгоритм:

     – из длинного имени удаляются все символы, недопустимые в именах FAT, а также точки кроме последней;

     – строка, расположенная перед точкой, обрезается до 6 символов, и в ее конец добавляется «~1», строка, следующая за точкой, обрезается до 3 символов;

     – оставшиеся буквы преобразовываются в прописные; если сгенерированное имя совпадает с уже существующим, увеличивается число в приставке «~1».

     FAT 32 – усовершенствованная версия системы VFAT, поддерживающая жесткие диски объемом более 32 Гб. Впервые она была включена в состав ОС Windows 95 OSR 2 и поддерживается во всех последующих версиях Windows.

     В FAT32 были расширены атрибуты файлов, стало возможным хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу.

     Из-за требования совместимости с ранее созданными программами структура FAT32 практически не изменилась. Главные отличия от предыдущих версий FAT состоят в следующем:

     – блок начальной загрузки на разделах с FAT32 был увеличен до 2 секторов; он включает резервную копию загрузочного сектора, что делает систему быть более устойчивой к возможным сбоям на диске;

     – объем, занимаемый таблицей размещения файлов, увеличился, поскольку теперь каждая запись в ней занимает 32 байта, и общее число кластеров на разделе FAT32 больше, чем на разделах FAT. Соответственно, выросло и количество секторов, отводимых под размещение служебной информации;

     – корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном месте; теперь на этом месте хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге;

     – для учета свободных кластеров в зарезервированной области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файлов.

     HPFS. Эта система (High Performance File System, высокопроизводительная файловая система) была представлена фирмой IBM в 1989 г. вместе с операционной системой OS/2 версии 1.20. По производительности она существенно превосходит FAT и позволяет использовать жесткие диски объемом до 2 Терабайт. Кроме того, она поддерживает разделы диска размером до 512 Гб и позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов (на каждый символ при этом отводится 2 байта). В HPFS по сравнению с FAT заметно уменьшено время доступа к файлам в больших каталогах.

     HPFS распределяет пространство на диске не кластерами (как FAT), а физическими секторами по 512 байт, что не позволяет ее использовать на жестких дисках, имеющих другой размер сектора. Эти секторы принято называть блоками. Чтобы уменьшить фрагментацию диска, при распределении пространства под файлы HPFS стремится по возможности размещать их в смежных секторах.

     Для нумерации единиц распределения дискового пространства HPFS использует 32 разряда, что дает 2³², или (учитывая знак числа) более 2 млрд блоков. Помимо стандартных, HPFS поддерживает расширенные атрибуты файла (Extended Attributes, EA), которые могут содержать до 64 Кб различных дополнительных сведений о нем.

     Загрузочный блок в HPFS аналогичен загрузочному блоку в FAT. Системные файлы, также как и в FAT, располагаются в корневом каталоге, но при этом физически могут находиться в любом месте диска.

     Для обнаружения свободных секторов используется блок битовых карт (bitmap block list). Он похож на таблицу размещения файлов FAT. Каждому сектору группы соответствует один бит в ее битовой карте, показывающий, занят ли он. Резервный блок (directory emergency free block list) обеспечивает высокую отказоустойчивость HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске. Расположение группы каталогов в центре диска значительно сокращает время позиционирования головок чтения/записи.

     В отличие от линейной структуры FAT, структура каталога в HPFS представляет собой сбалансированное дерево (так называемое В-дерево) с записями, расположенными в алфавитном порядке. При поиске файловая система HPFS просматривает только необходимые ветви дерева, что заметно ускоряет процесс.

     Файловая система NTFS (New Technology File System) была специально разработана для ОС Windows NT. В ней значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализованы отказоустойчивость и средства динамического сжатия файлов. NTFS допускает имена файлов длиной до 255 символов, при этом она использует тот же алгоритм для генерации короткого имени, что и VFAT. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

     Каждый файл на разделе NTFS представлен записью в специальном файле MFT (Master File Table, главная файловая таблица). NTFS резервирует около 1 Мб для размещения первых 16 записей служебной информации. 17-я и последующие записи MFT используются собственно файлами и каталогами. Первая запись содержит саму главную файловую таблицу. За ней следует зеркальная запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись, чтобы отыскать зеркальный файл MFT. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов.

     NTFS была разработана как восстанавливаемая файловая система, использующая модель обработки транзакций. Каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл на томе NTFS, рассматривается системой как транзакция. При модификации любого файла пользователем, в файле регистрации фиксируется вся информация, необходимая для повторения или «отката» транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла; в противном случае NTFS оставляет его неизменным. В журнале транзакций (log file) регистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файлов и любые команды, изменяющие структуру каталогов.

     Схема распределения пространства на томе хранится в файле битовой карты (bitmap file). Атрибут данных этого файла содержит карту, каждый бит которой представляет один кластер тома и указывает, свободен ли данный кластер или занят некоторым файлом.

     В загрузочном файле (boot file) хранится код начального загрузчика операционной системы.

     NTFS также поддерживает файл плохих кластеров (bad cluster file) для регистрации поврежденных участков на томе и файл тома (volume file), содержащий имя тома, версию NTFS и бит, который устанавливается при повреждении тома. Наконец, имеется файл, содержащий таблицу определения атрибутов (attribute definition table), которая задает типы атрибутов, поддерживаемые на томе, и указывает, можно ли их индексировать, восстанавливать операцией восстановления системы и т.д.

     NTFS распределяет пространство кластерами и использует для их нумерации 64 разряда, что дает возможность иметь на каждом томе 2^й4 кластеров, каждый размером до 64 Кбайт. Как и в FAT, размер кластера может меняться, но он не обязательно возрастает пропорционально раз размеру диска.

     NTFS позволяет сохранять файлы размером до 16 эксабайт (2^м байт) и располагает встроенными средствами уплотнения файлов в реальном времени. Сжатие является одним из атрибутов файла или каталога, и подобно любому атрибуту может быть снято или установлено в любой момент (сжатие возможно на разделах с размером кластера не более 4 Кб). При этом (в отличие от схем уплотнения, используемых в FAT) применяется пофайловое уплотнение; таким образом, порча небольшого участка диска не приводит к потере информации в других файлах. Для уменьшения фрагментации NTFS всегда пытается сохранять файлы в непрерывных блоках.

     Каталог в NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги; тем самым обеспечивается иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога NTFS представляет собой бинарное дерево. Если в линейном каталоге (например, во всех версиях FAT) для поиска файла с данным именем операционной системе приходится просматривать все его элементы, то в бинарном дереве имена файлов располагаются таким образом, чтобы поиск осуществлялся максимально быстро. Например, для поиска одного файла среди 1000 в FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден где-то в середине списка), а системе NTFS – всего около 10.