Організація файлових систем

1. Класифікація файлових систем

За призначенням файлові системи можна класифікувати на наступні категорії:

· Для носіїв з довільним доступом (наприклад, твердий диск): FAT32, HPFS, ext2 і ін. Останнім часом поширилися журнальовані файлові системи, такі як ext3, Reiserfs, JFS, NTFS, XFS.

· Для оптичних носіїв — CD і DVD: ISO 9660, HFS, UDF.

· Віртуальні файлові системи: AEFS і ін.

· Мережні файлові системи: NFS, SMBFS, SSHFS, Gmailfs.

2. Приклади популярних файлових систем

FAT — файлова система розроблена Білом Гейтсом і Марком МакДональдом в 70-х роках минулого століття. Завдяки своїй простоті використовується у флеш-носіях досі. Існує три версії файлової системи FAT: FAT12, FAT16 і FAT32. Ці версії файлової системи FAT відрізняються розрядністю записів (кількістю біт, які відведені під зберігання номера кластера). Тобто, чим більше розрядності, тим більше об'єму диска, з яким може працювати файлова система FAT. Так, для FAT32 максимальний розмір диска складає 127 гігабайт.

FAT16 Підтримує максимальний розмір розділу — 2 гігабайти. Має кореневий каталог фіксованого розміру (512 записів). При розмірі розділу понад 512 мегабайт не економно використовує місце на диску через великий розмір кластера. Розпізнається і може використовуватися практично всіма операційними системами, використовуваними на ПК.

FAT32 підтримує томи (логічні диски) обсягом до 8 ТБ і використовує для зберігання файлів менші фрагменти диска, ніж файлова система FAT16. Це збільшує вільний простір на диску. Файлова система FAT32 не підтримує диски, менші за 512 МБ.

Файлова система FAT32 не підтримує функцій безпеки, які має NTFS, тому якщо на розділі або томі використовується файлова система FAT32, будь-який користувач, який має доступ до вашого комп’ютера, може відкрити будь-які файли. Файлова система FAT32 також обмежує розмір диска. Розділ із файловою системою FAT32 не може бути більшим за 32 Гб у версіях Windows менше Windows 2000, крім того, не можна зберігати на такому розділі файли, більші за 4 Гб.

NTFS — файлова система нового покоління від компанії Microsoft. Ця файлова система використовується для усіх операційних систем Microsoft Windows NT. Уперше NTFS вийшла у світ в 1993 році, разом з операційною системою Windows NT 3.1. В порівнянні з FAT, файлова система NTFS отримала велику кількість поліпшень. Так, практично зникло обмеження на максимальний розмір файлу і диска. Окрім цього з’явилася підтримка жорстких посилань, шифрування і стискування.

NTFS змінила файлову систему FAT, яка використовувалася в MS-DOS і попередніх до Windows NT версіях Microsoft Windows. NTFS підтримує систему метаданих і використовує спеціалізовані структури даних для зберігання інформації про файли для поліпшення продуктивності, надійності і ефективності використання дискового простору. NTFS має вбудовані

можливості розмежовувати доступ до даних для різних користувачів і груп користувачів, а також призначати квоти (обмеження на максимальний обсяг дискового простору, займаний тими чи іншими користувачами). NTFS використовує систему журналювання для підвищення надійності файлової системи. У Файловій системі NTFS відсутнє розділення на атрибути.

Вона має багато переваг над файловою системою FAT32, наприклад:

· Можливість автоматично виправляти деякі помилки диска, які не може виправити FAT32.

· Покращена підтримка жорстких дисків великої місткості.

· Кращий захист, оскільки можна використовувати дозволи та шифрування для обмеження доступу до вказаних файлів певним користувачам.

Ext2 або друга розширена файлова система — файлова система для ядра Linux. Вона достатньо швидка для того, щоб служити еталоном в тестах продуктивності файлових систем. Вона не є журнальованою файловою системою, і це її основний недолік. Розвитком ext2 стала журнальована файлова система ext3, повністю сумісна з ext2.

Еxt3 або третя розширена файлова система — журнальована файлова система, що використовується в операційних системах на ядрі Linux, є файловою системою за замовчуванням у багатьох дистрибутивах. Базується на ФС ext2.

Файлова система ext3 може підтримувати файли розміром до 1 ТБ.

Еxt4, або Четверта версія розширеної файлової системи, — журнальована файлова система, котра використовується в ОС з ядром Linux. Заснована на файловій системі ext3, котра є файловою системою за замовчуванням в багатьох дистрибутивах.

Головною особливістю стало збільшення максимального обсягу одного розділу до 1 ексабайта (2⁶⁰ байт) при розмірі блоку 4Kb. Крім того, в ext4 представлений механізм просторового (англ. extent) запису файлів (нова інформація додається в кінець попередньо виділеної по сусідству області файла), що зменшує фрагментацію і збільшує продуктивність.

Дані:

— розмір файла до 16 ТБ;

— розмір фс до 1024 ПБ;

— дозволені символи всі крім NUL та '/';

— межі дат 14 грудня 1901 — 25 квітня 2514;

— мінімальна зміна часу — наносекунда.

ReiserFS — журнальована файлова система, розроблена спеціально для Linux компанією «Namesys». Зазвичай під словом ReiserFS розуміють третю версію, а четверту називають Reiser4.

ReiserFS підтримується тільки під GNU / Linux. З’явившись в Linux версії 2.4.1, вона стала першою журнальованою ФС, включеною в ядро.

ReiserFS — стандартна ФС для дистрибутивів Elive, Xandros, Linspire, GoboLinux і Yoper.

Також ReiserFS була включена у дистрибутив операційної системи Windows 8 з можливістю конвертації наявної файлової системи у ReiserFS.

Серед особливостей:

— можливість упаковки декількох невеликих файлів в один блок щоб уникнути фрагментації і втрати дискового простору.

— журналювання тільки метаданих.

— можливість зміни розміру файлової системи «на льоту».

Red Hat Global File System (GFS) — POSIX-сумісна кластерна файлова система, що забезпечує організацію файлів в файлову систему за допомогою менеджера томів (Logical Volume Manager, LVM); працює на серверах Red Hat Enterprise Linux, підключених до мережі зберігання даних (SAN). GFS належить до вільного програмного забезпечення.

Провідна кластерна файлова система Linux, Red Hat GFS має найповніший набір функцій, найширше промислове впровадження та підтримку програмного забезпечення, найкраще співвідношення ціна/продуктивність ніж будь-яка кластерна файлова система Linux. Red Hat GFS дозволяє для серверів Red Hat Enterprise Linux одночасне читання і запис до мережевого сховища даних (NAS), досягаючи високої продуктивності і зменшуючи складність і накладні витрати на управління надлишковими копіями даних. Red Hat GFS не має єдиної точки збою (SPOF), є поступово масштабованою від одного до ста серверів Red Hat Enterprise Linux, і працює з усіма стандартними додатками Linux.

3. ISO 9660

Файлова система ISO 9660 є найпоширенішою файловою системою для оптичних накопичувачів і використовується і донині поряд з іншими файловими системами.

Згідно зі специфікацією в одному секторі CD-диску міститься 2352 байтів даних, з яких користувачу доступно 2048 байтів даних, інші байти використовуються для синхронізації і відновлення пошкоджених даних. Кожен сектор складається з 98 кадрів, у кожному з яких знаходиться по 24 байти.

ISO/IEC 13 490 являє собою наступну версію ISO 9660 (level 3), файлової системи CD-ROM. ISO 13 490 містить багато важливих доповнень. Вона підтримує довгі імена файлів, POSIX атрибути, і може містити в імені символи не тільки з ASCII. Цей стандарт описує мультисесійні диски.

4. Файлові системи ОС Windows

Windows підтримує декілька файлових систем: NTFS, FAT32 і старішу файлову систему FAT (також її називають FAT16), яка рідко використовується.

Файлова система NTFS забезпечує таке поєднання продуктивності, надійності та ефективності, яке неможливо отримати за допомогою FAT. Основними цілями розробки NTFS були забезпечення швидкісного виконання стандартних операцій над файлами, таких як читання, запис, пошук, та надання додаткових можливостей, включаючи відновлення пошкодженої файлової системи на надзвичайно великих дисках.

NTFS володіє характеристиками захищеності, підтримуючи контроль доступу до даних і привілеї власника, що грають винятково важливу роль у забезпеченні цілісності важливих даних. Папки та файли NTFS можуть мати призначені їм права доступу незалежно від того, чи є вони роздільними чи ні.

NTFS — єдина файлова система в Windows ХР, яка дозволяє призначати права доступу до різних файлів. Встановлюючи користувачам певні дозволи для файлів і каталогів, користувач може захищати конфіденційну інформацію від несанкціонованого доступу. Дозволу користувача на доступ до об'єктів файлової системи працюють за принципом доповнення. Це означає, що чинні дозволи, тобто ті дозволи, які користувач реально має щодо конкретної каталогу або файлу, утворюються з усіх прямих або непрямих дозволів, призначених користувачів для даного об'єкта за допомогою логічної функції «или». Наприклад, якщо користувач має право призначити дозвіл для каталогу на читання, а побічно через членство в групах йому дано право на запис, то в результаті користувач зможе читати інформацію у файлах каталогу і записувати в них дані.

Файлові системи FAT32 і FAT було розроблено для попередніх версій операційної системи Windows, таких як Windows 95, Windows 98 і Windows Millennium Edition. Файлова система FAT32 не підтримує функцій безпеки, які має NTFS, тому якщо на розділі або томі використовується файлова система FAT32, будь-який користувач, який має доступ до вашого комп’ютера, може відкрити будь-які файли. Файлова система FAT32 також обмежує розмір диска. Розділ із файловою системою FAT32 не може бути більшим за 32 Гб у цій версії Windows, крім того, не можна зберігати на такому розділі файли, більші за 4 Гб.

Файлову систему FAT32 слід використовувати тільки тоді, якщо існує потреба іноді завантажувати на комп’ютері операційну систему Windows 95, Windows 98 або Windows Millennium Edition, але основною операційною системою є поточна версія Windows. Така конфігурація називається багатоваріантним завантаженням. У цьому випадку слід інсталювати попередню версію операційної системи на розділ із файловою системою FAT32 або FAT. Переконайтеся, що цей розділ є первинним (тобто розділом, на якому можна розташувати операційну систему). Всі додаткові розділи, які будуть потрібні під час роботи з попередніми версіями Windows, також слід відформатувати у файловій системі FAT32. Попередні версії Windows можуть звертатися до розділів або томів із файловою системою NTFS лише через мережу, при цьому локальні розділи з файловою системою NTFS будуть недоступними.

5. Файлові системи ОС Linux

ОС Linux підтримує багато файлових систем, але найбільш популярними є: ext, ext2, ext3, ext4.

Ext — перша файлова система, яка розроблялася спеціально для операційної системи на ядрі Linux. Максимально можливий обсяг розділу (і відповідно файлу) у цій новій файлової системі збільшений до 2-ух Гігабайт, а найдовше ім'я може досягати 255 символів. Еxt — початкова версія розширеної файлової системи. Пізніше її замінила система під назвою Еxt2, а також і xiafs. Хоча незабаром ext2 витіснила останню через життєздатності впродовж досить тривалого часу.

Ext2. Таку назву має файлова система ядра Linux. Завдяки притаманною їй швидкості така файлова система стала еталоном у різноманітних тестах з продуктивності багатьох файлових систем. Згідно з тестами, які проводилися компанією TechCenter, за швидкістю запису і читання файлова система Ext2 значно перевершує Ext3, але поступається Ext4 в тестах на читання. На сьогодні Ext2 — це журнальована система. Цей параметр є причиною таких високих показників продуктивності. Фахівці вдало вдосконалювали його в Ext3 (це наступна версія ф.с.). Як і раніше Еxt2 широко застосовується на різноманітних «твердих» накопичувачах (SSD), флеш-картах — відсутність процесу журналювання є беззаперечною перевагою в роботі з пристроями, в яких кількість етапів запису обмежений.

Третя версія Ext3 є третьою версією цієї файлової системи. Вона також журнальована, застосовується на операційних системах, призначених для ядра Linux, на багатьох дистрибутивах ця система використовується за умовчанням. В основу закладено принцип ext2. У цій файлової системі передбачена можливість запису деяких даних, це дає можливість відновлювати файлову систему в разі виникнення збоїв при роботі комп’ютера.

Передбачається три можливі режими журналювання:

Journal — це так зване «повне журналювання» і метаданих і даних користувача. Це самий безпечний режим, хоч і найповільніший. Він гарантує цілісність журналу в тому випадку, якщо він буде розташовуватися в окремому розділі, а ще краще — на окремому диску (жорсткому).

Writeback — в цьому режимі йде запис тільки лише метаданих, інформація про її зміни. У цьому режимі не може гарантуватися цілісність даних, а от час перевірки скорочується значно.

Ordered — цей режим не має відмінностей від writeback за винятком того, що інформація гарантовано записується у файл аж до того моменту, коли дані про нього змінилися. Це не гарантує цілісність даних і, звичайно, знижує продуктивність. Хоча ймовірність заощадження цілісності даних набагато збільшується, коли інформація дописується в кінець вже створеного файлу.

Ця файлова система має можливість підтримувати файли, розмір яких досягає 1-го терабайта.

Ця версія розширеної файлової системи має назву Еxt4. Вона застосовується в операційних системах для Linux. У роботу цієї версії файлової системи закладені основні принципи Еxt3. Головна особливість цієї файлової системи — збільшення обсягу жорстких дисків до 1-го ексбібайта. Також у Еxt4 присутній просторова запис файлів (тобто заздалегідь виділяється область пам’яті і вся нова інформація поступово додається в її кінець). На сьогодні вона підтримується в популярних MS Windows.

Розширена файлова система Ext4 значно перевершує своїх попередників Ext2 і Ext3:

— За ступенем поширення,

— Безперервне простір на диску, яке створюється завдяки попередньому розподілу файлів на диску,

— Швидша (порівняно з попередніми версіями) запис даних,

— HTree-індекси — це спеціальне дерево структури даних, яке використовується для каталогів індексації,

— З використанням цієї файлової системи у зовнішніх накопичувачах зменшується фрагментація диска, зменшується завантаження процесора і т.д.

6. Порівняння файлових систем Windows XP та Linux

Файлові системи Linux і Windows мають з обох «сторін» деякі відмінності.

Типи файлових систем

Linux та Windows використовують різні файлові системи для зберігання та організації доступу до інформації на дисках.

На сьогоднішній день для Windows найбільш поширеними системами є FAT 32 і NTFS. NTFS — більш «продвинута» система, однією з особливостей якої є забезпечення більш високої швидкості роботи на дисках відносно великих розмірів. Однак NTFS несумісна з Windows 98 і більш ранніми версіями Windows.

У Linux використовуються інші файлові системи. В основному, це Ext2 і Ext3, Ext4.

Ext3 — це таж Ext2, однак має ряд модернізацій, однією з яких є підтримка журналювання.

Журнальована файлова система спочатку записує зміни, які вона буде проводити в окрему частину файлової системи (журнал) і тільки потім вносить необхідні зміни в іншу частину файлової системи. Після вдалого виконання планованих змін, записи видаляються з журналу. Все це забезпечує краще збереження цілісності системи і зменшує ймовірність втрати даних, особливо у випадку непередбаченого виключення комп’ютера.

Слід зазначити, що Linux підтримує і безліч інших файлових систем. Таким чином, в Linux можна організувати доступ до Windows-розділами, а от у Windows, без сторонніх коштів допомоги, «побачити» розділи Linux неможливо.

Файлова структура.

В обох системах вона є ієрархічною (зазвичай порівнюють з деревом). Однак є і суттєві відмінності.

В операційній системі Windows, відкриваючи каталог «Мій комп’ютер», користувач звик спостерігати приблизно наступну картину. Зазвичай один або більше жорстких дисків (найчастіше логічних) іменуються починаючи з латинської літери C. Кожен з дисків є кореневим каталогом. Так наприклад, якщо в системі є три диски, то буде три кореневих каталогу (швидше за все, C, D і E), кожен з яких містить вкладені папки та файли. Іншими словами, у системі будуть існувати три дерева. Оскільки іноді доведеться користуватися компакт-дисками і USB-пристроями, то періодично буде «виростати» ще парочка дерев.

У дистрибутивах Linux файлова система єдина і має лише один кореневий каталог, який позначається косою рисою — слеш (/). (Тут слід звернути увагу на відміну від Windows. В останній при формуванні повної адреси використовується зворотна коса риска (). У Linux при формуванні повного імені завжди використовується слеш.)

В файловій структурі Linux не диск містить каталоги, а каталоги можуть містити диски. Іншими словами, всередині каталогу можуть «лежати» цілі диски або їх розділи.

У Linux існують процедури монтування файлових пристроїв, які дозволяють до єдиного ієрархічному дереву приєднувати і від'єднувати різні пристрої (будь то розділи жорсткого диска або будь-які знімні пристрої). Точками монтування (тобто місцями, куди підключаються пристрої) служать каталоги. Дані, що містяться на підключається пристрої, стають доступними всередині цього каталогу.

В Windows поширеними є такі типи як «текстовий документ» (розширення TXT), «документ MS Word» (DOC), «точковий малюнок» (BMP) і багато інших. Сенс наявності розширень в тому, що вони дозволяють по імені визначити тип даних файлу.

У дистрибутивах Linux розширення також використовуються, однак не є обов’язковими. У Linux, кажучи про типи файлів, мають на увазі зовсім інше. Тут весь вміст файлової системи розглядається як файли і введення поняття «тип» є необхідність визначити, що є файл з даними, а що каталог, фізичний пристрій або ін.

Перший тип — це звичайні файли з даними, які інтерпретуються за допомогою тієї чи іншої прикладної програми. Тобто це звичайні для користувача файли, знайомі користувачам Windows.

В операційній системі Windows каталоги (директорії) називають папками і, принцип ієрархічного устрою системи — файли лежать в папках, як якщо б у реальній папці лежали б реальні документи.

Каталоги — це теж файли, що містять списки посилань на файли з даними або інші каталоги, які користувач бачить як вміст даного каталогу (хоча на рівні фізичного пристрою розташування цих файлів ніяк не пов’язано «загальними узами»).

В операційній системі Windows існує поняття «ярлик», який являє собою покажчик на файл. Кожний файл у Windows може мати тільки один значок (і одне ім'я) і необмежену кількість ярликів. Це дуже зручно, якщо доступ до якого-небудь файлу необхідно організувати з різних каталогів. Подібне є і в Linux і називається символічне (м'яке) посилання. Це також окремий тип файлу, який містить інформацію, де насправді знаходиться запитуваний об'єкт.

7. Поняття жорсткого посилання

файловий журналювання linux накопичувач Новим для користувача Windows може бути поняття жорсткого посилання. В Windows існує лише одне ім'я у кожного файлу, в Linux їх може бути більше.

Абсолютно будь-який файл у файловій системі Linux має так званий індексний дескриптор, який і зберігає всю необхідну інформацію про файл. Для кожного файлу номер індексного дескриптора унікальний, а от ім'я файлу є всього лише посиланням на даний дескриптор. Тому імен у файлу може бути безліч.

Файл не буде видалено з системи поки існуватиме хоч одне жорстке посилання на нього.

Поняття жорсткого і м’якого посилання різні за суттю. Жорстке посилання вказує безпосередньо на індексний дескриптор, а м’яке вказує на жорстку посилання. Якщо видалити всі жорсткі посилання файлу, то жодне м’яке посилання на цей файл не спрацює. Жорстке посилання — це один із принципів організації файлової системи, а м’яке посилання — певний тип файлу.

Регістр букв На відміну від Windows на Linux розрізняються великі та малі букви в іменах файлів і каталогів (і не тільки в них).

Якщо в одному і тому ж каталозі в Windows спробувати створити два файли: readme. txt і Readme. txt, то нічого не вийде. Для даної операційної системи обидва цих імені ідентичні і, оскільки файлів з однаковими повними іменами (однаковими адресами та іменами) бути не може, то система відмовиться створити в одному каталозі файли readme. txt і Readme.txt. У Linux же таке можливо, тому що для даної системи це різні імена.

8. Нова файлова система в Windows 8

Згідно з останніми даними, файлова система в операційній системі нового покоління Windows 8 зазнала значних змін, після довгих років домінування NTFS. В ранніх версіях Windows 8 був виявлений новий драйвер під кодовим ім'ям Protogon, який Працює в режимі ядра (kernel mode. За попередніми даними система Protogon створена на основі концепції баз даних (транзакції, курсори, ряди і таблиці). Також до її складу входять рядки, на підставі чого можна зробити висновок, що Protogon може замінити собою, або емулювати систему NTFS.

Microsoft раніше вже намагалася запропонувати нову файлову систему під назвою WinFS (Windows Future Storage). Вона була включена в ранні бета — версії Windows Vista і вперше демонструвалася на конференції розробників в 2003 році. Компанія описувала її як вдосконалену підсистему зберігання даних, побудованої також за концепцією баз даних. База даних WinFS допускала зберігання як вільних, так і чітко визначених типів даних. Метою системи було збільшити швидкість пошуку інформації та її обміну між додатками. У підсумку у фінальну версію Windows Vista WinFS внесена не була.

Висновок

Отже, файлова система одна з основних та дуже важливих компонентів операційної системи.

Дослідивши особливості файлових систем стало зрозуміло, що в сучасних умовах користувачі стикаються з вибором файлової системи, тому розуміння способу організації даних необхідно для осмисленого встановлення того чи іншого типу розміщення їх на логічному розділі.

Знання переваг, недоліків файлових систем, особливостей їх роботи допоможе зробити оптимальний вибір при інсталяції операційної системи, враховуючи використання комп’ютера, конфігурацію апаратного та програмного забезпечення. Такі спеціанльні знання допоможуть оптимізувати швидкодію машини з точки зору файлових систем, підкажуть певні рішення, що приведуть до підвищення продуктивності роботи усього комп’ютера.

Література

1. Лебланк, Д-А., «Linux для» чайників". М: Видавничий дім" Вільямс", 2005. — 336 с.: Іл.

2. Немет Е., Снайдер Р., Хейн, Т. «Керівництво адміністратора Linux». М: Видавничий дім «Вільямс», 2005. — 880 с.: Іл.

3. Костромін В. А. Основи роботи в ОС Linux.

4. Курячий Г. В., Маслінскій К.А. Операційна система Linux.