Что включает в себя br windows

Обновлено: 04.07.2024

узнайте о методах развертывания Windows на разных дисках, включая жесткие диски, твердотельные накопители (ssd) или виртуальные жесткие диски (vhd), а также с различными структурами разделов, включая разделы данных и служебные программы.

Новые возможности в Windows 10

Используйте Compact OS и один источник для экономии места на жестком диске: Compact OS, единый источник и оптимизация изображений.

используйте формат образа ффу для ускорения применения изображений к устройствам: развертывание Windows с помощью полного обновления Flash (ффу)

в Windows 10 для настольных выпусков (главная, Pro, Enterprise и образование) мы изменили макет раздела. хотя мы по-прежнему используем отдельный образ средств восстановления, Windows больше не требуется отдельный образ полного восстановления системы для использования функций сброса кнопки. Это может сэкономить несколько ГБ дискового пространства.

теперь рекомендуется поместить раздел Windows средства восстановления сразу после раздела Windows. это позволяет Windows изменить и повторно создать секцию позже, если для последующих обновлений требуется более крупный образ восстановления.

если вы используете скрипты для развертывания Windows, ознакомьтесь с примерами сценариев, которые мы создали для различных типов встроенного по устройства (более новая версия bios на основе UEFI или устаревшая версия bios). Дополнительные сведения см. в разделах Жесткие диски на основе UEFI/GPT и разделы жесткого диска на основе BIOS/MBR.

больше не требуется запускать тесты оценки системы Windows (WinSAT) на дисках SSD. Windows обнаруживает накопители SSD и соответствующим образом выполняет их настройку.

На дисках на основе UEFI и GPTмы уменьшили рекомендуемый размер раздела MSR с 128 МБ до 16 МБ.

Типы дисков

Windows можно установить на жесткий диск, например жесткий диск или твердотельный накопитель. Для обеспечения дополнительной безопасности можно использовать жесткие диски, предварительно зашифрованные с помощью фабрики. Один компьютер может содержать несколько дисков.

Твердотельные накопители

Твердотельный накопитель (SSD) — это жесткий диск, использующий твердотельную память для хранения постоянных данных. Для установки Windows SSD-диск должен иметь не менее 16 гигабайт (ГБ) пространства. Дополнительные сведения о дисковом пространстве и ОЗУ см. в статье Оптимизация использования дисковых операционных систем, одного источника данных и изображения.

Примечание . больше не требуется запускать тесты оценки системы Windows (WinSAT) на дисках SSD. Windows теперь обнаруживает накопители SSD и соответствующим образом выполняет настройку.

Диски расширенного формата

Для дополнительного дискового пространства можно использовать некоторые дополнительные диски формата.

Диски с улучшенным форматом эмуляции 512 (512e) поддерживаются на компьютерах на базе BIOS или UEFI.

Расширенный формат 4 КБ Native (4Kn) диски поддерживаются только на компьютерах на основе UEFI.

Предупреждение
Для расширенного формата дисков объемом в машинном формате (4 КБ на сектор) минимальный размер раздела составляет 260 Мб из-за ограничения формата файла FAT32. Минимальный размер раздела для дисков FAT32 вычисляется как размер сектора (4 КБ) x 65527 = 256 МБ. Дополнительные сведения см. в разделе Настройка разделов жесткого диска на основе UEFI/GPT.

Жесткие диски, зашифрованные с завода

для защиты среды развертывания можно использовать предварительно зашифрованный жесткий диск фабрики, чтобы предотвратить несанкционированный доступ до установки Windows или другого программного обеспечения. Дополнительные сведения см. в статье заводские зашифрованные диски.

Несколько жестких дисков

при установке Windows на устройстве с несколькими жесткими дисками можно использовать путь к расположению диска, чтобы обеспечить применение образов к нужным дискам.

Для этого используйте diskpart SELECT DISK=<disk location path> команду, чтобы выбрать каждый диск. Пример:

Примечание
Системный диск может не отображаться как диск 0 в средстве DiskPart. При перезагрузке система может назначать устройствам разные номера. Разные компьютеры с одинаковой конфигурацией дисков могут иметь разные номера дисков.

Partition

Жесткий диск можно разделить на несколько разделов. можно создать отдельные разделы системы, восстановления, Windows или данных.

чтобы повысить безопасность раздела Windows или секции данных, можно использовать BitLocker для шифрования раздела. Дополнительные сведения см. в разделе Шифрование диска BitLocker.

Типы секций должны соответствовать встроенному по компьютера. вы можете установить Windows на жестких дисках, которые основаны на одном из следующих типов встроенного по:

Базовая система ввода-вывода (BIOS). Использует структуру разделов основной загрузочной записи (MBR).

Расширяемый интерфейс микропрограмм (EFI) (класс 1): использует структуру разделов таблицы разделов GUID (GPT).

Единый интерфейс EFI (UEFI) класс 2. использует структуру разделов GPT. Также включает модуль поддержки совместимости (CSM), позволяющий использовать функции BIOS, включая структуру разделов MBR. Этот модуль можно включить или отключить в встроенном по.

Единый интерфейс EFI (UEFI) класс 3. использует структуру разделов GPT.

Чтобы определить тип системы, обратитесь к производителю оборудования.

Системные и служебные разделы

Системный раздел — это раздел, содержащий аппаратно-зависимые файлы, необходимые для загрузки Windows.

по умолчанию во время программа установки Windows Windows сохраняет эти файлы, относящиеся к оборудованию, в отдельном разделе. Это позволяет компьютеру использовать следующие действия:

Средства безопасности. Для некоторых средств безопасности, таких как BitLocker, требуется отдельный системный раздел.

Средства восстановления. для некоторых средств восстановления, например Windows среды восстановления (Windows RE), требуется отдельный системный раздел.

Несколько операционных систем. если компьютер имеет несколько операционных систем, например Windows 10 для выпусков настольных компьютеров и Windows 7, на компьютере отображается список операционных систем. Затем пользователь может выбрать операционную систему для загрузки. если системные загрузочные файлы находятся в отдельной секции, проще удалить Windows раздел или заменить раздел новой копией Windows.

рекомендуется добавлять разделы служебной программы перед разделом Windows, поскольку в случае, если требуется полное восстановление системы, этот порядок секционирования помогает предотвратить перезапись системных и служебных разделов средствами восстановления.

сведения о настройке системных разделов при применении образов см. в разделе захват и применение Windows, системы и разделов восстановления.

Зарезервированный раздел Майкрософт (MSR)

MSR используется в системах UEFI/GPT для поддержки программных компонентов, ранее использовавших скрытые сектора.

Дополнительные сведения о настройке разделов MSR см. в разделе Настройка разделов жесткого диска на основе UEFI/GPT.

дополнительные сведения о секциях MSR см. в разделе вопросы и ответы по Windows и GPT

Разделы восстановления

добавьте отдельную секцию для Windows среды восстановления (Windows RE) в конце жесткого диска сразу после раздела Windows. в этом порядке разделов, если для будущих обновлений требуется добавить или заменить раздел средств Windows RE, Windows сможет автоматически управлять размером раздела.

для систем на основе BIOS/MBR по-прежнему можно объединить раздел Windows RE tools с системным разделом. Чтобы сэкономить место на диске, рассмотрите возможность создания логических секций, чтобы обойти ограничение в четырех разделах. Дополнительные сведения см. в разделе Настройка более четырех разделов на жестком диске с BIOS/MBR.

для Windows 10 выпусках настольных компьютеров больше не требуется создавать и обслуживать отдельный образ полного восстановления системы. Windows может выполнять сброс принудительной кнопки с помощью встроенных средств.

Секции данных

можно включить отдельный раздел данных, чтобы упростить обслуживание в ситуациях, когда основная операционная система может быть заменена или если на одном устройстве существует несколько операционных систем, например Windows 10 и Windows 7. Если устройство имеет несколько жестких дисков, раздел данных может храниться на другом диске.

Предупреждение
Для типичных конфигураций с одним диском не рекомендуется использовать отдельный раздел данных. Существует две основные причины.

Для работы с жестким диском его для начала необходимо как-то разметить, чтобы операционная система могла понять в какие области диска можно записывать информацию. Поскольку жесткие диски имеют большой объем, их пространство обычно разбивают на несколько частей — разделов диска. Каждому такому разделу может быть присвоена своя буква логического диска (для систем семейства Windows) и работать с ним можно, как будто это независимый диск в системе.

Способов разбиения дисков на разделы на сегодняшний день существует два. Первый способ — использовать MBR. Этот способ применялся еще чуть ли не с появления жестких дисков и работает с любыми операционными системами. Второй способ — использовать новую систему разметки — GPT. Этот способ поддерживается только современными операционными системами, поскольку он еще относительно молод.

Структура MBR

До недавнего времени структура MBR использовалась на всех персональных компьютерах для того, чтобы можно было разделить один большой физический жесткий диск (HDD) на несколько логических частей — разделы диска (partition). В настоящее время MBR активно вытесняется новой структурой разделения дисков на разделы — GPT (GUID Partition Table). Однако MBR используется еще довольно широко, так что посмотрим что она из себя представляет.

MBR всегда находится в первом секторе жесткого диска. При загрузке компьютера, BIOS считывает этот сектор с диска в память по адресу 0000:7C00h и передает ему управление.

Итак, первая секция структуры MBR — это секция с исполняемым кодом, который и будет руководить дальнейшей загрузкой. Размер этой секции может быть максимум 440 байт. Далее идут 4 байта, отведенные на идентификацию диска. В операционных системах, где идентификация не используется, это место может занимать исполняемый код. То же самое касается и последующих 2 байт.

Начиная со смещения 01BEh находится сама таблица разделов жесткого диска. Таблица состоит из 4 записей (по одной на каждый возможный раздел диска) размером 16 байт.

Структура записи для одного раздела:

Первым байтом в этой структуре является признак активности раздела. Этот признак определяет с какого раздела следует продолжить загрузку. Может быть только один активный раздел, иначе загрузка продолжена не будет.

Следующие три байта — это так называемые CHS-координаты первого сектора раздела.

По смещению 04h находится код типа раздела. Именно по этому типу можно определить что находится в данном разделе, какая файловая система на нем и т.п. Список зарезервированных типов разделов можно посмотреть, например, в википедии по ссылке Типы разделов.

После типа раздела идут 3 байта, определяющие CHS-координаты последнего сектора раздела.

CHS-координаты сектора расшифровываются как Cylinder Head Sector и соответственно обозначают номер цилиндра (дорожки), номер головки (поверхности) и номер сектора. Цилиндры и головки нумеруются с нуля, сектор нумеруется с единицы. Таким образом CHS=0/0/1 означает первый сектор на нулевом цилиндре на нулевой головке. Именно здесь находится сектор MBR.

Все разделы диска, за исключением первого, обычно начинаются с нулевой головки и первого сектора какого-либо цилиндра. То есть их адрес будет N/0/1. Первый раздел диска начинается с головки 1, то есть по адресу 0/1/1. Это все из-за того, что на нулевой головке место уже занято сектором MBR. Таким образом, между сектором MBR и началом первого раздела всегда есть дополнителььные неиспользуемые 62 сектора. Некоторые загрузчики ОС используют их для своих нужд.

Интересен формат хранения номера цилиндра и сектора в структуре записи раздела. Номер цилиндра и номер сектора делят между собой два байта, но не поровну, а как 10:6. То есть на номер сектора приходится младшие 6 бит младшего байта, что позволяет задавать номера секторов от 1 до 63. А на номер цилиндра отведено 10 бит — 8 бит старшего байта и оставшиеся 2 бита от младшего байта: «CCCCCCCC CCSSSSSS», причем в младшем байте находятся старшие биты номера цилиндра.

Проблема с CHS-координатами состоит в том, что с помощью такой записи можно адресовать максимум 8 Гб диска. В эпоху DOS это было приемлемо, однако довольно скоро этого перестало хватать. Для решения этой проблемы была разработана система адресации LBA (Logical Block Addressing), которая использовала плоскую 32-битную нумерацию секторов диска. Это позволило адресовать диски размером до 2Тб. Позже разрядность LBA увеличили до 48 бит, однако MBR эти изменения не затронули. В нем по-прежнему осталась 32-битная адресация секторов.

Итак, в настоящее время повсеместно используется LBA-адресация для секторов на диске и в структуре записи раздела адрес его первого сектора прописывается по смещению 08h, а размер раздела — по смещению 0Ch.

Для дисков размером до 8Гб (когда адресация по CHS еще возможна) поля структуры с CHS-координатами и LBA-адресации должны соответствовать друг другу по значению (корректно конвертироваться из одного формата в другой). У дисков размером более 8Гб значения всех трех байт CHS-координат должны быть равны FFh (для головки допускается также значение FEh).

В конце структуры MBR всегда находится сигнатура AA55h. Она в какой-то степени позволяет проверить, что сектор MBR не поврежден и содержит необходимые данные.

Расширенные разделы

Разделы, отмеченные в таблице типом 05h и 0Fh, это так называемые расширенные разделы. С их помощью можно создавать больше разделов на диске, чем это позволяет MBR. На самом деле расширенных разделов несколько больше, например есть разделы с типами C5h, 15h, 1Fh, 91h, 9Bh, 85h. В основном все эти типы разделов использовались в свое время различными операционными системами (такими как например OS/2, DR-DOS, FreeDOS) с одной и той же целью — увеличить количество разделов на диске. Однако со временем различные форматы отпали и остались только разделы с типами 05h и 0Fh. Единственное исключение — это тип 85h. Он до сих пор может использоваться в Linux для формирования второй цепочки логических дисков, скрытых от других операционных систем. Разделы с типом 05h используются для дисков менее 8Гб (где еще возможна адресация через CHS), а тип 0Fh используется для дисков больше 8Гб (и используется LBA-адресация).

В первом секторе расширенного раздела находится структура EBR (Extended Boot Record). Она во многом схожа со структурой MBR, но имеет следующие отличия:

В EBR нет исполняемого кода. Некоторые загрузчики могут его туда записывать, но обычно это место заполнено нулями
Сигнатуры диска и два неиспользуемых байта должны быть заполнены нулями
В таблице разделов могут быть заполнены только две первых записи. Остальные две записи должны быть заполнены нулями

В отличие от MBR, где позволяется создавать не более четырёх разделов, структура EBR позволяет организовать список логических разделов, ограниченный лишь размером раздела-контейнера (того самого, который с типом 05h или 0Fh). Для организации такого списка используется следующий формат записей: первая запись в таблице разделов EBR указывает на логический раздел, связанный с данным EBR, а вторая запись указывает на следующий в списке раздел EBR. Если данный логический раздел является последним в списке, то вторая запись в таблице разделов EBR должна быть заполнена нулями.

Формат записей разделов в EBR аналогичен формату записи в структуре MBR, однако логически немного отличается.

Признак активности раздела для разделов структуры EBR всегда будет 0, так как загрузка осуществлялась только с основных разделов диска. Координаты CHS, с которых начинается раздел используются, если не задействована LBA-адресация, также как и в структуре MBR.

А вот поля, где в режиме LBA-адресации должны находиться номер начального сектора и количество секторов раздела, в структуре EBR используются несколько иначе.

Для первой записи таблицы разделов EBR в поле начального сектора раздела (смещение 08h) записывается расстояние в секторах между текущим сектором EBR и началом логического раздела, на который ссылается запись. В поле количества секторов раздела (смещение 0Ch) в этом случае пишется размер этого логического раздела в секторах.

Для второй записи таблицы разделов EBR в поле начального сектора раздела записывается расстояние между сектором самой первой EBR и сектором следующей EBR в списке. В поле количества секторов раздела в этом случае пишется размер области диска от сектора этой следующей структуры EBR и до конца логического раздела, относящегося к этой структуре.

Таким образом, первая запись таблицы разделов описывает как найти, и какой размер занимает текущий логический раздел, а вторая запись описывает как найти, и какой размер занимает следующий EBR в списке, вместе со своим разделом.

Структура GPT

В современных компьютерах на смену BIOS пришла новая спецификация UEFI, а вместе с ней и новое устройство разделов на жестком диске — GUID Partition Table (GPT). В этой структуре были учтены все недостатки и ограничения, накладываемые MBR, и разработана она была с большим запасом на будущее.

Кроме того, в отличие от MBR, структура GPT хранит на диске две своих копии, одну в начале диска, а другую в конце. Таким образом, в случае повреждения основной структуры, будет возможность восстановить ее из сохраненной копии.

Рассмотрим теперь устройство структуры GPT подробнее. Вся структура GPT на жестком диске состоит из 6 частей:

LBA-адрес	Размер (секторов)	Назначение
LBA 0	1	Защитный MBR-сектор
LBA 1	1	Первичный GPT-заголовок
LBA 2	32	Таблица разделов диска
LBA 34	NN	Содержимое разделов диска
LBA -34	32	Копия таблицы разделов диска
LBA -2	1	Копия GPT-заголовка

Защитный MBR-сектор

Первый сектор на диске (с адресом LBA 0) — это все тот же MBR-сектор. Он оставлен для совместимости со старым программным обеспечением и предназначен для защиты GPT-структуры от случайных повреждений при работе программ, которым про GPT ничего не известно. Для таких программ структура разделов будет выглядеть как один раздел, занимающий все место на жестком диске.

Структура этого сектора ничем не отличается от обычного сектора MBR. В его таблице разделов дожна быть создана единственная запись с типом раздела 0xEE. Раздел должен начинаться с адреса LBA 1 и иметь размер 0xFFFFFFFF. В полях для CHS-адресации раздел соответственно должен начинаться с адреса 0/0/2 (сектор 1 занят под саму MBR) и иметь конечный CHS-адрес FF/FF/FF. Признак активного раздела должен иметь значение 0 (неактивный).

При работе компьютера с UEFI, данный MBR-сектор просто игнорируется и никакой код в нем также не выполняется.

Первичный GPT-заголовок

Этот заголовочный сектор содержит в себе данные о всех LBA-адресах, использующихся для разметки диска на разделы.

Структура GPT-заголовка:

Смещение (байт)	Размер поля (байт)	Пример заполнения	Название и описание поля
0x00	8 байт	45 46 49 20 50 41 52 54	Сигнатура заголовка. Используется для идентификации всех EFI-совместимых GPT-заголовков. Должно содержать значение 45 46 49 20 50 41 52 54, что в виде текста расшифровывается как "EFI PART".
0x08	4 байта	00 00 01 00	Версия формата заголовка (не спецификации UEFI). Сейчас используется версия заголовка 1.0
0x0C	4 байта	5C 00 00 00	Размер заголовка GPT в байтах. Имеет значение 0x5C (92 байта)
0x10	4 байта	27 6D 9F C9	Контрольная сумма GPT-заголовка (по адресам от 0x00 до 0x5C). Алгоритм контрольной суммы — CRC32. При подсчёте контрольной суммы начальное значение этого поля принимается равным нулю.
0x14	4 байта	00 00 00 00	Зарезервировано. Должно иметь значение 0
0x18	8 байт	01 00 00 00 00 00 00 00	Адрес сектора, содержащего первичный GPT-заголовок. Всегда имеет значение LBA 1.
0x20	8 байт	37 C8 11 01 00 00 00 00	Адрес сектора, содержащего копию GPT-заголовка. Всегда имеет значение адреса последнего сектора на диске.
0x28	8 байт	22 00 00 00 00 00 00 00	Адрес сектора с которого начинаются разделы на диске. Иными словами — адрес первого раздела диска
0x30	8 байт	17 C8 11 01 00 00 00 00	Адрес последнего сектора диска, отведенного под разделы
0x38	16 байт	00 A2 DA 98 9F 79 C0 01 A1 F4 04 62 2F D5 EC 6D	GUID диска. Содержит уникальный идентификатор, выданный диску и GPT-заголовку при разметке
0x48	8 байт	02 00 00 00 00 00 00 00	Адрес начала таблицы разделов
0x50	4 байта	80 00 00 00	Максимальное число разделов, которое может содержать таблица
0x54	4 байта	80 00 00 00	Размер записи для раздела
0x58	4 байта	27 C3 F3 85	Контрольная сумма таблицы разделов. Алгоритм контрольной суммы — CRC32
0x5C	420 байт	0	Зарезервировано. Должно быть заполнено нулями

Система UEFI проверяет корректность GPT-заголовка, используя контрольный суммы, вычисляемые по алгоритму CRC32. Если первичный заголовок поврежден, то проверяется контрольная сумма копии заголовка. Если контрольная сумма копии заголовка правильная, то эта копия используется для восстановления информации в первичном заголовке. Восстановление также происходит и в обратную сторону — если первичный заголовок корректный, а копия неверна, то копия восстанавливается по данным из первичного заголовка. Если же обе копии заголовка повреждены, то диск становится недоступным для работы.

У таблицы разделов дополнительно существует своя контрольная сумма, которая записывается в заголовке по смещению 0x58. При изменении данных в таблице разделов, эта сумма рассчитывается заново и обновляется в первичном заголовке и в его копии, а затем рассчитывается и обновляется контрольная сумма самих GPT-заголовков.

Таблица разделов диска

Следующей частью структуры GPT является собственно таблица разделов. В настоящее время операционные системы Windows и Linux используют одинаковый формат таблицы разделов — максимум 128 разделов, на каждую запись раздела выделяется по 128 байт, соответственно вся таблица разделов займет 128*128=16384 байт, или 32 сектора диска.

Компьютер, жесткий диск, операционная система — для современного человека, это обыденные вещи. Но все самое интересное, заставляющее компьютер работать так, как мы
к тому привыкли, остается «за кадром». Сегодня поговорим об одной из вещей, которая позволяет существовать разделам на нашем накопителе — способе описания разделов, она же таблица разделов.

Таблица разделов — это структура, где содержится информация обо всех разделах на диске: как он называется (Label), откуда начинается, где заканчивается, какой объем имеет и т.д. Рассмотрим два различных варианта таких таблиц, а именно MBR и GPT.

MBR (Master Boot Record — главная загрузочная запись) непосредственным образом участвует в загрузке операционной системы. Но, кроме этого, она хранит и информацию, позволяющую описать разделы на компьютере. Чтобы объяснить, почему это работает так, а не иначе, и имеет определенные особенности/ограничения, придется немного углубиться в структуру MBR.

446 байт — код загрузчика;
64 байта — таблица основных разделов (Primary);
2 байта — сигнатура (подпись). Должна быть 55AAh.

Если сигнатура не равна 55AAh, значит, MBR поврежден. В MBR процесс загрузки тесно связан с разделами диска, так как хранятся они «вместе».

Пусть процесс загрузки и не относится к теме материала, упрощенно и кратко расскажем
о нем. После выполнения определенных операций, BIOS читает первый сектор накопителя,
в котором и находится наша главная загрузочная запись. Выполняется код загрузчика, который просматривает таблицу разделов, и передает управление загрузчику операционной системы, который уже ее и загружает.

Вернемся к нашей таблице разделов. На нее выделено 64 байта, разделенных на 4 записи, по 16 байт.

Одна запись — это один раздел, из чего происходит первое ограничение MBR — максимальное число разделов на диске не может быть больше четырех. Но это утверждение правда лишь наполовину: нельзя создать больше четырех основных разделов. Но об этом чуть позже, сейчас же посмотрим на структуру самой 16-ти битной записи.

Самый первый бит в записи обозначает признак активности раздела — т.е. признак того, что операционную систему следует загружать именно из этого раздела — и может иметь значения 80h (раздел активен) и 00h (раздел не активен). Установленная операционная система должна находиться именно на активном разделе. Данное правило справедливо для стандартного загрузчика ОС семейства Windows — NTLDR, а вот для UNIX-систем это нужно не всегда.

А теперь переместимся в конец записи — к последним четырем байтам. Именно они в ответе за самое известное ограничение, связанное с использованием MBR — максимальный размер раздела.

На описание количества секторов в разделе отводится 4 байта, следовательно количество секторов ограничено величиной 232, где степень — это количество бит описания (4 байта = 32 бита). Поскольку размер сектора равен 512 бит, то максимальный размер раздела, который можно описать в таблице разделов MBR, составляет 232 x 512 = 2 ТБ. Те самые «два терабайта», набившие оскомину. Это техническое ограничение не обойти.

Расширенный раздел

Но давайте вернемся к тому, что максимальное количество разделов в таблице разделов ограничено четырьмя. Чтобы это обойти, был придумал особый тип раздела — расширенный (Extended Partition). Внимательный читатель заметил, что из 16 байт описания раздела один отведен именно под указание его типа. Для расширенного раздела там прописывается 0Fh (для современный Windows систем).

Расширенный раздел сильно отличается от остальных типов разделов. Он описывает не раздел, а некое пространство, где находятся логические диски. Наглядно это можно изобразить примерно так.

На рисунке видно, что на логическом диске находится один основной и один расширенный раздел. «Внутри» расширенного раздела создано шесть логических дисков (хотя в силу определенных причин во многих случаях будет использоваться термин «логический раздел»). Для созданных таким образом разделов есть некоторые ограничения, по сравнению
с основными. Например, они не могут быть активными.

GPT (GUID Partition Table) — таблица разделов GUID, создана для замены MBR и является частью UEFI, который в свою очередь пришел на замену BIOS. В новой версии таблицы разделов постарались убрать ограничения и недочеты MBR, которые были неявны на момент ее создания, но проявились с развитием технологий.

024DEE41-33E7-11D3-9D69-0008C781F39F — пример того, как выглядит GUID раздела с MBR.

Ниже вы можете видеть схематическое изображение структуры GPT. Кратко рассмотрим ее.

В первом физическом блоке диска, а точнее в блоке LBA0, поскольку GPT оперирует именно LBA адресами, расположен защитный (Protective) MBR. Его основное назначение — «защита» структуры диска благодаря обеспечению совместимости с устаревшим программным обеспечением, работающим с MBR, но «не знающем» о GPT.

В LBA1 находится основной заголовок GPT. В нем содержатся различные данные, например, где начинается и заканчивается область для размещения разделов, а также контрольные суммы самого заголовка и таблицы разделов, по которым происходит проверка их целостности.

Именно в каждой записи указывается GUID раздела, типа раздела, стартовый и конечный блоки (LBA) раздела. На последние выделяется по 8 бит данных, что теоретически позволяет создать раздел размером до 9,4 ЗБ (Зеттаба́йт, 1021). Фактически, размер раздела ограничен используемой ОС.

Для обеспечения большей отказоустойчивости GPT имеет вторую (secondary GPT) копию
в конце диска. Таблица разделов располагается с -33 по -1 блок (где -1 — это предпоследний LBA на диске), а последний блок занят резервным заголовком GTP. Это, вкупе с хранением контрольных сумм, позволяет восстанавливать GPT при повреждении одной из них, чего не было у MBR.

Достоинства и недостатки MBR и GPT

Итак, попробуем обобщить все вышесказанное в более краткой форме, указав сильные
и слабые стороны обоих решений.

MBR

Плюсы

Минусы

GPT

Плюсы

Минусы

Нет сомнений, что за GPT будущее. Его использование в современных ПК позволяет не думать о том, что в последующем можно натолкнуться на какие-либо ограничения. С другой стороны, на данный момент, обычный среднестатистический пользователь может с одинаковым успехом использовать любой из двух вариантов, и не замечать никакой разницы, если диски в его ПК не больше 2 ТБ.

Рядовому пользователю компьютерных электронных устройств редко, но приходится сталкиваться с таким понятием, как «выбор файловой системы». Чаще всего это происходит при необходимости форматирования внешних накопителей (флешек, microSD), установке операционных систем, восстановлении данных на проблемных носителях, в том числе жестких дисках. Пользователям Windows предлагается выбрать тип файловой системы, FAT32 или NTFS, и способ форматирования (быстрое/глубокое). Дополнительно можно установить размер кластера. При использовании ОС Linux и macOS названия файловых систем могут отличаться.

Возникает логичный вопрос: что такое файловая система и в чем ее предназначение? В данной статье дадим ответы на основные вопросы касательно наиболее распространенных ФС.

Что такое файловая система

Обычно вся информация записывается, хранится и обрабатывается на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа файла, кодируется в виде знакомых расширений – *exe, *doc, *pdf и т.д., происходит их открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении. Мало кто задумывается, каким образом происходит хранение и обработка цифрового массива в целом на соответствующем носителе.

Операционная система воспринимает физический диск хранения информации как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги, которые также являются файлами, содержащими список других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Запись файлов большого объема приводит к необходимости фрагментации, когда файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Каждый фрагмент записывается в отдельные кластеры, состоящие из ячеек (размер ячейки составляет один байт). Информация о всех фрагментах, как части одного файла, хранится в файловой системе.

Файловая система связывает носитель информации (хранилище) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным файлам при помощи функционала взаимодействия программ A PI. Программа, при обращении к файлу, располагает данными только о его имени, размере и атрибутах. Всю остальную информацию, касающуюся типа носителя, на котором записан файл, и структуры хранения данных, она получает от драйвера файловой системы.

На физическом уровне драйверы ФС оптимизируют запись и считывание отдельных частей файлов для ускоренной обработки запросов, фрагментации и «склеивания» хранящейся в ячейках информации. Данный алгоритм получил распространение в большинстве популярных файловых систем на концептуальном уровне в виде иерархической структуры представления метаданных (B-trees). Технология снижает количество самых длительных дисковых операций – позиционирования головок при чтении произвольных блоков. Это позволяет не только ускорить обработку запросов, но и продлить срок службы HDD. В случае с твердотельными накопителями, где принцип записи, хранения и считывания информации отличается от применяемого в жестких дисках, ситуация с выбором оптимальной файловой системы имеет свои нюансы.

Основные функции файловых систем

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение информационных данных на конкретном физическом носителе. Драйвер ФС организует взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением. Правильный выбор файловой системы для конкретных пользовательских задач влияет на скорость обработки данных, принципы распределения и другие функциональные возможности, необходимые для стабильной работы любых компьютерных систем. Иными словами, это совокупность условий и правил, определяющих способ организации файлов на носителях информации.

Основными функциями файловой системы являются:

размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
создание, чтение и удаление файлов;
назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
определение структуры файла;
поиск файлов;
организация каталогов для логической организации файлов;
защита файлов при системном сбое;
защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Задачи файловой системы

Функционал файловой системы нацелен на решение следующих задач:

присвоение имен файлам;
программный интерфейс работы с файлами для приложений;
отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
поддержка устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
содержание параметров файла, необходимых для правильного взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

В многопользовательских системах реализуется задача защиты файлов от несанкционированного доступа, обеспечение совместной работы. При открытии файла одним из пользователей для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Вся информация о файлах хранится в особых областях раздела (томах). Структура справочников зависит от типа файловой системы. Справочник файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы уникальных файлов и дополнительную информацию о них с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

Операционные системы и типы файловых систем

Существует три основных вида операционных систем, используемых для управления любыми информационными устройствами: Windows компании Microsoft, macOS разработки Apple и операционные системы с открытым исходным кодом на базе Linux. Все они, для взаимодействия с физическими носителями, используют различные типы файловых систем, многие из которых дружат только со «своей» операционкой. В большинстве случаев они являются предустановленными, рядовые пользователи редко создают новые дисковые разделы и еще реже задумываются об их настройках.

В случае с Windows все выглядит достаточно просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или NTFS) на флешках. Если установлен NAS (сервер для хранения данных на файловом уровне), и в нем используется какая-то другая файловая система, то практически никто не обращает на это внимания. К нему просто подключаются по сети и качают файлы.

На мобильных гаджетах с ОС Android чаще всего установлена ФС версии ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Владельцы продукции Apple зачастую вообще не имеют представления, какая файловая система используется на их устройствах – HFS+, HFSX, APFS, WTFS или другая. Для них существуют лишь красивые значки папок и файлов в графическом интерфейсе.

Более богатый выбор у линуксоидов. Но здесь настройка и использование определенного типа файловой системы требует хотя бы минимальных навыков программирования. Тем более, мало кто задумывается, можно ли использовать в определенной ОС «неродную» файловую систему. И зачем вообще это нужно.

Рассмотрим более подробно виды файловых систем в зависимости от их предпочтительного использования с определенной операционной системой.

Файловые системы Windows

Исходный код файловой системы, получившей название FAT, был разработан по личной договоренности владельца Microsoft Билла Гейтса с первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом в 1977 году. Основной задачей FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS. Файловая система FAT претерпела несколько модификаций – FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, которая используется сейчас в большинстве внешних накопителей. Основным отличием каждой версии является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. В дальнейшем были разработаны еще две более совершенные системы обработки и хранения данных – NTFS и ReFS.

FAT (таблица распределения файлов)

Числа в FAT12, FAT16 и FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. FAT32 является фактическим стандартом и устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Одной из особенностей этой версии ФС является возможность применения не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом USB.

Пространство FAT32 логически разделено на три сопредельные области:

зарезервированный сектор для служебных структур;
табличная форма указателей;
непосредственная зона записи содержимого файлов.

К недостатком стандарта FAT32 относится ограничение размера файлов на диске до 4 Гб и всего раздела в пределах 8 Тб. По этой причине данная файловая система чаще всего используется в USB-накопителях и других внешних носителях информации. Для установки последней версии ОС Microsoft Windows 10 на внутреннем носителе потребуется более продвинутая файловая система.

С целью устранения ограничений, присущих FAT32, корпорация Microsoft разработала обновленную версию файловой системы exFAT (расширенная таблица размещения файлов). Новая ФС очень схожа со своим предшественником, но позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта. В exFAT значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации. Функция очень важна для твердотельных накопителей ввиду необратимого изнашивания ячеек после определенного количества операций записи. Продукт exFAT совместим с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

NTFS (файловая система новой технологии)

Стандарт NTFS разработан с целью устранения недостатков, присущих более ранним версиям ФС. Впервые он был реализован в Windows NT в 1995 году, и в настоящее время является основной файловой системой для Windows. Система NTFS расширила допустимый предел размера файлов до шестнадцати гигабайт, поддерживает разделы диска до 16 Эб (эксабайт, 10 18 байт ). Использование системы шифрования Encryption File System (метод «прозрачного шифрования») осуществляет разграничение доступа к данным для различных пользователей, предотвращает несанкционированный доступ к содержимому файла. Файловая система позволяет использовать расширенные имена файлов, включая поддержку многоязычности в стандарте юникода UTF, в том числе в формате кириллицы. Встроенное приложение проверки жесткого диска или внешнего накопителя на ошибки файловой системы chkdsk повышает надежность работы харда, но отрицательно влияет на производительность.

ReFS (Resilient File System)

Последняя разработка Microsoft, доступная для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы в основном организована в виде B + -tree. Файловая система ReFS обладает высокой отказоустойчивостью благодаря реализации новых функций:

Copy-on-Write (CoW) – никакие метаданные не изменяются без копирования;
данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих файлов;
при модификации метаданных новая копия хранится в свободном дисковом пространстве, затем система создает ссылку из старых метаданных на новую версию.

Все это позволяет повысить надежность хранения файлов, обеспечивает быстрое и легкое восстановление данных.

Файловые системы macOS

Для операционной системы macOS компания Apple использует собственные разработки файловых систем:

HFS+, которая является усовершенствованной версией HFS, ранее применяемой на компьютерах Macintosh, и ее более соверешенный аналог APFS. Стандарт HFS+ используется во всех устройствах под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также Apple X Server.
Кластерная файловая система Apple Xsan, созданная из файловых систем StorNext и CentraVision, используется в расширенных серверных продуктах. Эта файловая система хранит файлы и папки, информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т.д.

Файловые системы Linux

В отличие от ОС Windows и macOS, ограничивающих выбор файловой системы предустановленными вариантами, Linux предоставляет возможность использования нескольких ФС, каждая из которых оптимизирована для решения определенных задач. Файловые системы в Linux используются не только для работы с файлами на диске, но и для хранения данных в оперативной памяти или доступа к конфигурации ядра во время работы системы. Все они включены в ядро и могут использоваться в качестве корневой файловой системы.

Основные файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

Ext2, Ext3, Ext4 или Extended Filesystem – стандартная файловая система, первоначально разработанная еще для Minix. Содержит максимальное количество функций и является наиболее стабильной в связи с редкими изменениями кодовой базы. Начиная с ext3 в системе используется функция журналирования. Сегодня версия ext4 присутствует во всех дистрибутивах Linux.

JFS или Journaled File System разработана в IBM в качестве альтернативы для файловых систем ext. Сейчас она используется там, где необходима высокая стабильность и минимальное потребление ресурсов (в первую очередь в многопроцессорных компьютерах). В журнале хранятся только метаданные, что позволяет восстанавливать старые версии файлов после сбоев.

ReiserFS также разработана в качестве альтернативы ext3, поддерживает только Linux. Динамический размер блока позволяет упаковывать несколько небольших файлов в один блок, что предотвращает фрагментацию и улучшает работу с небольшими файлами. Недостатком является риск потери данных при отключении энергии.

XFS рассчитана на файлы большого размера, поддерживает диски до 2 терабайт. Преимуществом системы является высокая скорость работы с большими файлами, отложенное выделение места, увеличение разделов на лету, незначительный размер служебной информации. К недостаткам относится невозможность уменьшения размера, сложность восстановления данных и риск потери файлов при аварийном отключении питания.

Btrfs или B-Tree File System легко администрируется, обладает высокой отказоустойчивостью и производительностью. Используется как файловая система по умолчанию в OpenSUSE и SUSE Linux.

Другие ФС, такие как NTFS, FAT, HFS, могут использоваться в Linux, но корневая файловая система на них не устанавливается, поскольку они для этого не предназначены.

Дополнительные файловые системы

В операционных системах семейства Unix BSD (созданы на базе Linux) и Sun Solaris чаще всего используются различные версии ФС UFS (Unix File System), известной также под названием FFS (Fast File System). В современных компьютерных технологиях данные файловые системы могут быть заменены на альтернативные: ZFS для Solaris, JFS и ее производные для Unix.

Кластерные файловые системы включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность. К ним относятся:

ZFS – «Zettabyte File System» разработана для распределенных хранилищ Sun Solaris OS;
Apple Xsan – эволюция компании Apple в CentraVision и более поздних разработках StorNext;
VMFS (Файловая система виртуальных машин) разработана компанией VMware для VMware ESX Server;
GFS – Red Hat Linux именуется как «глобальная файловая система» для Linux;
JFS1 – оригинальный (устаревший) дизайн файловой системы IBM JFS, используемой в старых системах хранения AIX.

Практический пример использования файловых систем

Владельцы мобильных гаджетов для хранения большого объема информации используют дополнительные твердотельные накопители microSD (HC), по умолчанию отформатированные в стандарте FAT32. Это является основным препятствием для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы решить эту проблему, необходимо создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), чтобы любое приложение могло работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Операционная система Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела. С этой задачей легко справится Linux, который можно запустить, например, в виртуальной среде. Второй вариант - использование специальной утилиты для работы с логической разметкой, такой как MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Андроид Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов.

Флешки и карты памяти быстро умирают как раз из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов. Гораздо лучше использовать на флеш-картах NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Небольшие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее. Аналогичных примеров оптимизации работы с различными накопителями за счет правильного использования возможностей файловых систем существует множество.

Надеюсь, краткий обзор основных ФС поможет решить практические задачи в части правильного выбора и настройки ваших компьютерных устройств в повседневной практике.

Читайте также: