Марк Руссинович - 4.Внутреннее устройство Windows (гл. 12-14)

М.Руссинович, Д.Соломон

Внутреннее устройство Microsoft Windows (главы 12–14)

ГЛABA 12  Файловые системы

B начале этой главы мы даем обзор файловых систем, поддерживаемых Windows, а также описываем типы драйверов файловых систем и принципы их работы, в том числе способы взаимодействия с другими компонентами операционной системы, например с диспетчерами памяти и кэша. Затем поясняем, как пользоваться утилитой Filemon (wwwsysinternals.com) для анализа проблем, связанных с доступом к файловой системе. Мы рассмотрим «родной» для Windows формат файловой системы NTFS и особенности этой файловой системы — сжатие данных, способность к восстановлению, поддержку квот и шифрование.

Чтобы полностью усвоить материал этой главы, вы должны понимать терминологию, введенную в главе 10, в том числе термины «том» и «раздел». Кроме того, вам должны быть знакомы следующие дополнительные термины.

• Секторы — аппаратно адресуемые блоки носителя. Размер секторов на жестких дисках в х86-системах почти всегда равен 512 байтам. Таким образом, если операционная система должна модифицировать 632-й байт диска, она записывает 512-байтовый блок данных во второй сектор диска.

• Форматы файловых систем определяют принципы хранения данных на носителе и влияют на характеристики файловой системы. Например, файловая система, формат которой не допускает сопоставления прав доступа с файлами и каталогами, не поддерживает защиту. Формат файловой системы также может налагать ограничения на размеры файлов и емкости поддерживаемых устройств внешней памяти. Наконец, некоторые форматы файловых систем эффективно реализуют поддержку либо больших, либо малых файлов и дисков.

• Кластеры — адресуемые блоки, используемые многими файловыми системами. Размер кластера всегда кратен размеру сектора (рис. 12-1). Файловая система использует кластеры для более эффективного управления дисковым пространством: кластеры, размер которых превышает размер сектора, позволяют разбить диск на блоки меньшей длины — управлять такими блоками легче, чем секторами. Потенциальный недостаток кластеров большего размера — менее эффективное использование дискового пространства, или внутренняя фрагментация, которая возникает из-за того, что размеры файлов редко бывают кратны размеру кластера.

• Метаданные — это данные, хранящиеся на томе и необходимые для поддержки управления файловой системой. Как правило, они недоступны приложениям. Метаданные включают, например, информацию, определяющую местонахождение файлов и каталогов на томе.

Windows поддерживает файловые системы:

• CDFS;

• UDF;

• FAT12, FATl6 и FAT32;

• NTFS.

Как вы еще увидите, каждая из этих файловых систем оптимальна для определенной среды.

CDFS, или файловая система CD-ROM (только для чтения), обслуживается драйвером \Windows\System32\Drivers\Cdfs.sys, который поддерживает надмножества форматов ISO-9660 и Joliet. Если формат ISO-9660 сравнительно прост и имеет ряд ограничений, например имена с буквами верхнего регистра в кодировке ASCII и максимальной длиной в 32 символа, то формат Joliet более гибок и поддерживает Unicode-имена произвольной длины. Если на диске присутствуют структуры для обоих форматов (чтобы обеспечить максимальную совместимость), CDFS использует формат Joilet. CDFS присущ ряд ограничений:

• максимальная длина файлов не должна превышать 4 Гб;

• число каталогов не может превышать 65 535.

CDFS считается унаследованным форматом, поскольку индустрия уже приняла в качестве стандарта для носителей, предназначенных только для чтения, формат Universal Disk Format (UDF).

Файловая система UDF в Windows является UDF-совместимой реализацией OSTA (Optical Storage Technology Association). (UDF является подмножеством формата ISO-13346 с расширениями для поддержки CD-R, DVD-R/RW и т. д.) OSTA определила UDF в 1995 году как формат магнитооптических носителей, главным образом DVD-ROM, предназначенный для замены формата ISO-9660. UDF включен в спецификацию DVD и более гибок, чем CDFS. Драйвер UDF поддерживает UDF версий 1.02 и 1.5 в Windows 2000, а также версий 2.0 и 2.01 в Windows XP и Windows Server 2003. Файловые системы UDF обладают следующими преимуществами:

• длина имен файлов и каталогов может быть до 254 символов в ASCII-кодировке или до 127 символов в Unicode-кодировке;

• файлы могут быть разреженными (sparse);

• размеры файлов задаются 64-битными значениями.

Хотя формат UDF разрабатывался с учетом особенностей перезаписываемых носителей, драйвер UDF в Windows (\Windows\System32\Drivers\ Udfs.sys) поддерживает носители только для чтения. Кроме того, в Windows не реализована поддержка других возможностей UDF, в частности именованных потоков, списков управления доступом и расширенных атрибутов.

Windows поддерживает файловую систему FAT по трем причинам: для возможности обновления операционной системы с прежних версий Windows до современных, для совместимости с другими операционными системами при многовариантной загрузке и как формат гибких дисков. Драйвер файловой системы FAT в Windows реализован в \Windows\System32\Drivers\ Fastfat.sys.

B название каждого формата FAT входит число, которое указывает разрядность, применяемую для идентификации кластеров на диске. 12-разрядный идентификатор кластеров в FAT12 ограничивает размер дискового раздела 212 (4096) кластерами. B Windows используются кластеры размером от 512 байтов до 8 Кб, так что размер тома FAT12 ограничен 32 Мб. Поэтому Windows использует FAT12 как формат 5- и 3,5-дюймовых дискет, способных хранить до 1,44 Мб данных.

ПРИМЕЧАНИЕ Все файловые системы FAT резервируют на томе первые два кластера и последние 16, так что число доступных для использования кластеров на томе, например FAT12, чуть меньше 4096.

FATl6 — за счет 16-разрядных идентификаторов кластеров — может адресовать до 216 (65 536) кластеров. B Windows размер кластера FATl6 варьируется от 512 байтов до 64 Кб, поэтому размер FATl6-TOMa ограничен 4 Гб. Размер кластеров, используемых Windows, зависит от размера тома (таблица 12-1). Если вы форматируете том размером менее 16 Мб для FAT с помощью команды format или оснастки Disk Management (Увправление дисками), Windows вместо FATl6 использует FAT12.

Том FAT делится на несколько областей (рис. 12-2). Таблица размещения файлов (file allocation table, FAT), от которой и произошло название файловой системы FAT, имеет по одной записи для каждого кластера тома. Поскольку таблица размещения файлов критична для успешной интерпретации содержимого тома, FAT поддерживает две копии этой таблицы. Так что, если драйвер файловой системы или программа проверки целостности диска (вроде Chkdsk) не сумеет получить доступ к одной из копий FAT (например, из-за плохого сектора на диске), она сможет использовать вторую копию.

Записи в таблице FAT определяют цепочки размещения файлов и каталогов (рис. 12-3), где отдельные звенья представляют собой указатели на следующий кластер с данными файла. Элемент каталога для файла хранит начальный кластер файла. Последний элемент цепочки размещения файла содержит зарезервированное значение 0xFFFF для FATl6 и 0xFFF для FATl 2. Записи FAT, описывающие свободные кластеры, содержат нулевые значения. Ha рис. 12-3 показан файл FILE1, которому назначены кластеры 2, 3 и 4; FILE2 фрагментирован и использует кластеры 5, 6 и 8; a FILE3 занимает только кластер 7. Чтение файла с FAT-тома может потребовать просмотра больших блоков таблицы размещения файлов для поиска всех его цепочек размещения.

B начале тома FAT12 или FATl6 заранее выделяется место для корневого каталога, достаточное для хранения 256 записей (элементов), что ограничивает число файлов и каталогов в корневом каталоге (в FAT32 такого ограничения нет). Элемент каталога FAT, размер которого составляет 32 байта, хранит имя файла, его размер, начальный кластер и метку времени (время создания, последнего доступа и т. д.). Если имя файла состоит из Unicode-символов или не соответствует правилам именования по формуле «8.3», принятым в MS-DOS, оно считается длинным и для его хранения выделяются дополнительные элементы каталога. Вспомогательные элементы предшествуют главному элементу для файла. Ha рис. 12-4 показан пример элемента каталога для файла с именем «The quick brown fox». Система создала представление этого имени в формате «8.3», THEQUI~l.FOX (в элементе каталога вы не увидите «.», поскольку предполагается, что точка следует после восьмого символа), и использовала два дополнительных элемента для хранения длинного Unicode-имени. Каждая строка на рис. 12-4 состоит из 16 байтов.

FAT32 — более новая файловая система на основе формата FAT; она поддерживается Windows 95 OSR2, Windows 98 и Windows Millennium Edition. FAT32 использует 32-разрядные идентификаторы кластеров, но при этом резервирует старшие 4 бита, так что эффективный размер идентификатора кластера составляет 28 бит. Поскольку максимальный размер кластеров FAT32 равен 32 Кб, теоретически FAT32 может работать с 8-терабайтными томами. Windows ограничивает размер новых томов FAT32 до 32 Гб, хотя поддерживает существующие тома FAT32 большего размера (созданные в других операционных системах). Большее число кластеров, поддерживаемое FAT32, позволяет ей управлять дисками более эффективно, чем FATl6. FAT32 может использовать 512-байтовые кластеры для томов размером до 128 Мб. Размеры кластеров на томах FAT32 по умолчанию показаны в таблице 12-2.