Файловый адаптер fs это что такое

Обновлено: 04.07.2024

Всякая операционная система создает на каждом томе (дискете, диске, пакете дисков, CD-ROM и пр.) со­вокупность системных данных, которая называется файловой систе­мой (файловой структурой).

Файловая система включает в себя таблицу содержания и об­ласть данных — совокупность блоков на диске, идентифицируемых своими номерами / адресами. Обычно адрес блока состоит из 3 чи­сел — № цилиндра (совокупность дорожек, доступных при фикси­рованном положении блока головок считывающего устройства), № поверхности (дорожки в цилиндре), № блока на дорожке.

Пример простейшей (абстрактной) таблицы содержания, оглав­ления тома (диска, пакета дисков), которая в разных ОС имеет раз­личные наименования — "VTOC — Volume Table of Content (Таблица Содержания Тома), FAT -- File Allocation Table (Таблица Размеще­ния Файлов), FDT — File Definition Table (Таблица Определения Файлов) и т. п., 'Приведена на рис. 1.6. Она состоит из трех областей:

• область файлов: Это таблица, имеющая обычно ограниченное (в приведенном примере N=6) число строк N (в MS-DOS, например, N— 500, т. е. число файлов не более 500). Количе­ство столбцов М (в примере М = 5) обычно выбирается из тех соображений, чтобы 85—95 % файлов, создаваемых пользова­телями, содержало бы не более М блоков, что зависит как от размера блока и типа пользователя, так и от общего уровня развития информационного и программного обеспечения. Первый столбец таблицы в каждой строке (заглавная запись -Title Record) содержит данные о файле, в данном примере -имя файла;

область переполнения — дополнительная таблица аналогичной структуры, в которую записываются номера блоков особо длинных файлов (в примере — File_l). Организация таблицы
размещения в форме области файлов и области переполнения, очевидно, позволяет сэкономить на объеме таблицы в целом, не ограничивая в то же время вероятной длины файла;

* список свободных блоков — необходимая информация для размещения создаваемых или расширяемых файлов. Список создается при инициализации и включает все блоки, кроме поврежденных, а затем корректируется при создании, удалении, модификации файлов;

* список сбойных блоков. Это таблица, создаваемая при инициализации (разметке) тома (диска), пополняемая программами диагностики (примером которых может служить хорошо известный пользователям NDD — Norton Disk Doctor) и предотвращающая распределение испорченных областей на магнитном носителе под файлы данных.

Типы файловых систем

Для Windows и DOS

FAT12, 16, 32

NTFS Windows NT, 2000, XP

Множественность файловых систем (FS) современных ОС. Файловые системы ОС Windows: FAT12, FET16, FAT32, CDFS, NTFS (NTFS5), сетевые FS. Диспетчер файловых систем (IFS ), драйверы FS.

Файловые системы операционных систем создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами (например, обращаться к диску с учётом особенностей его адресации), а на высоком уровне наборов и структур данных. Файловая система скрывает от программистов картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, или, как ещё говорят, логический уровень работы с файлами. Файловая система также обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными. Пользователь, работая в контексте определённого языка программирования, обычно использует файлы как поименованные совокупности данных, хранимые во внешней памяти и имеющие определённую структуру. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т. д., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Файловая система (file system) – функциональная часть операционной системы, которая отвечает за обмен данными с внешними запоминающими устройствами.

Когда Windows NT впервые вышла в свет, в ней была предусмотрена поддержка трех файловых систем. Это таблица размещения файлов (FAT), обеспечивавшая совместимость с MS-DOS, файловая система повышенной производительности (HPFS), обеспечивавшая совместимость с LAN Manager, и новая файловая система, носившая название Файловой системы новых технологий (NTFS). NTFS обладала рядом преимуществ в сравнении с использовавшимися на тот момент для большинства файловых серверов файловыми системами. Для обеспечения целостности данных в NTFS имеется журнал транзакций. Подобный подход не исключает вероятности утраты информации, однако, значительно увеличивает вероятность того, что доступ к файловой системе будет возможен даже в том случае, если будет нарушена целостность системы сервера. Это становится возможным при использовании журнала транзакций для отслеживания незавершенных попыток записи на диск при последующей загрузке Windows NT. Журнал транзакций также используется для проверки диска на наличие ошибок вместо проверки каждого файла, в случае использования таблицы размещения файлов. Одним из основных преимуществ NTFS является безопасность. NTFS предоставляет возможность вносить записи контроля доступа (Access Control Entries, ACE) в список контроля доступа (Access Control List, ACL). ACE содержит идентификационное имя группы или пользователя и маркер доступа, который может быть использован для ограничения доступа к определенному каталогу или файлу. Этот доступ может предполагать возможность чтения, записи, удаления, выполнения и даже владения файлами. С другой стороны, ACL представляет собой контейнер, содержащий одну или более записей ACE. Это позволяет ограничить доступ отдельных пользователей или групп пользователей к определенным каталогам или файлам в сети. Кроме того, NTFS поддерживает работу с длинными именами, имеющими длину до 255 символов и содержащими заглавные и строчные буквы в любой последовательности. Одной из главных характеристик NTFS является автоматическое создание эквивалентных имен, совместимых с MS-DOS. Также NTFS имеет функцию сжатия, впервые появившуюся в NT версии 3.51. Она обеспечивает возможность сжатия любого файла, каталога или диска NTFS. Единственным недостатком сжатия NTFS является невысокий, в сравнении со схемами сжатия MS-DOS, уровень компрессии. Зато NTFS отличается более высокой надежностью и производительностью.

Самое главное, за что ругали NT4, и в чём она уступала NetWare, это за отсутствие квотирования. Квотирование - это ограничение максимального объёма дискового пространства для пользователя, которое он сможет использовать. Устанавливаются квоты через Свойства NTFS раздела, закладка Квота. Через Записи Квот можно выставлять квоты для каждого отдельного пользователя.

Второе, достаточно важное отличие NTFS5 от старой версии - возможность поиска файла, по имени его владельца. С помощью Списка Управления Доступом, можно легко проверить, какие файлы доступны пользователю, и установить права доступа к отдельным файлам или каталогам.

Кроме непосредственного изменения самой структуры NTFS, в XP добавлен Microsoft Index Server, который значительно ускоряет поиск файлов, особенно по их содержимому, за счёт индексации содержимого дисков.

В NTFS5 добавлена такая функция как точки монтирования или, по-другому, точки соединения (junction point). Функция эта давно знакома пользователям различных вариантов Unix/Linux, но в продуктах Microsoft она появилась впервые недавно (только с W2k). С помощью этой технологии можно присоединить любой дисковый ресурс в любое место файловой системы.

Список файловых систем, поддержка которых стандартно включена в Windows 2000/XP:

• NTFS — исключительно для NT-систем.
• FAT12 — поддержка дискет.
• FAT16 — для совместимости с MS-DOS.
• FAT32 — ФС, используемая в Windows 95 и 98.
• CDFS — файловая система компакт-дисков.
• UDF — универсальный формат дисков.

Также поддерживается распределенная файловая система (Distributed File System — DFS) и файловая система с шифрованием (Encrypted File System — EFS). Строго говоря, это не настоящие ФС. DFS представляет собой расширение сетевого сервиса и позволяет объединять в единый логически том сетевые ресурсы, а EFS — надстройка над NTFS, обеспечивающая функции шифрования. Ну, а теперь остановимся подробнее на каждой файловой системе.

CDFS

CDFS (Compact Disk File System), используемая в Windows 2000 (вроде, и в XP) выполнена по стандарту ISO 9660, согласно которому к именам файлов предъявляются следующие требования:

• Имя не превышает 32 символа.
• Все буквы строчные.
• Глубина вложения каталогов — не более 8 уровней.
Опытные пользователи заметят, что эти ограничения в большинстве случаев обходятся без проблем. В XP встроены средства для записи дисков с этой ФС.

UDF

UDF (Universal Disk Format) — файловая система, соответствующая стандарту ISO 13346, предназначенная для доступа в режиме чтения к DVD-ROM- и CD-ROM-дискам. В будущем планируется обеспечить доступ и на запись.

FAT представляет собой матрицу, которая устанавливает соотношение между файлами и папками раздела и их физическим местоположением на жестком диске. Перед каждым разделом жесткого диска последовательно расположены две копии FAT. Подобно загрузочным секторам, FAT располагается за пределами области диска, видимой для файловой системы.

Элементы таблицы FAT представляют собой 12-, 16- и 32-битовые шестнадцатеричные числа.

В FAT использовались две идентичные таблицы, одна из которых служила основной, вторая при выполнении обычных процедур постоянно обновлялась, заполняясь при этом возможными ошибками первой копии. FAT32, при невозможном считывании данных из основной таблицы, обращается ко второй копии, которая и становится основной. Основным недостатком FAT32 является несовместимость с более ранними файловыми системами, а также системой NTFS.


FAT12
ФС FAT (File Allocation Table) получила свое название из-за способа организации данных — таблицы размещения файлов. Она ориентирована на небольшие диски и простые структуры каталога. FAT12 является 12-битной верcией FAT, соответственно она может адресовывать 212 кластеров (минимальных логически адресуемых единиц данных на диске). Это ограничение и небольшое количество вхождений в корневой каталог определяет использование этой ФС. Сейчас она применяется на дискетах, раньше ее использовали на винчестерах, но эта ФС была быстро вытеснена улучшенной версией — FAT16. Диск с использованием любой FAT имеет следующую структуру (см. рис.1).

Корневой каталог имеет фиксированный размер. Каталоги — специальные файлы с элементами для каждого файла, содержащегося в этом каталоге. Эти элементы включают:

• Имя файла (8+3 символа).
• Байт атрибута (8 бит).
• Время модификации (16 бит).
• Дату модификации (16 бит).
• Первый размещаемый блок (12 бит для FAT12).
• Размер файла (32 бита).

Специальная надстройка над FAT, называемая VFAT (Virtual FAT), обеспечивает поддержку длинных имен файлов. Это следует учесть, так как некоторые старые DOS-утилиты могут запороть диск с длинными именами файлов, считая поврежденной структуру FAT. Все версии FAT не обладают функциями защиты данных и автоматического восстановления, посему я рекомендую их применять только для обеспечения совместимости.

FAT16
Улучшенная версия FAT. Максимальный размер тома равен 4095 Мб, размер кластера определяется размером тома и находится в диапазоне от 512 байт до 64 Кб. Число кластеров не превышает 216.

FAT32
Модифицированная версия FAT. Размер тома увеличен до 127 Гб, число кластеров — до 232. Позволяет использовать при одинаковых размерах томов кластеры меньшего размера, чем FAT16, что увеличивает эффективность организации данных. Впервые поддержка этой ФС появилась в Windows 95 OSR2. Все версии NT до 4.0 включительно ее не поддерживают (для поддержки в NT 4.0 нужен соответствующий Service Pack).

Сетевые FS:

Ключевым компонентом любой распределенной системы является файловая система, которая также является в этом случае распределенной. Как и в централизованных системах, в распределенной системе функцией файловой системы является хранение программ и данных и предоставление доступа к ним по мере необходимости. Распределенная файловая система поддерживается одним или более компьютерами, хранящими файлы. Эти компьютеры, которые позволяют пользователям сети получать доступ к своим файлам, обычно называют файловыми серверами. Файловые серверы отрабатывают запросы на чтение или запись файлов, поступающие от других компьютеров сети, которые в этом случае являются клиентами файловой службы. Каждый посланный запрос проверяется и выполняется, а ответ отсылается обратно. Файловые серверы обычно содержат иерархические файловые системы, каждая из которых имеет корневой каталог и каталоги более низких уровней. Во многих сетевых файловых системах клиентский компьютер может подсоединять и монтировать эти файловые системы к своим локальным файловым системам, обеспечивая пользователю удобный доступ к удаленным каталогам и файлам. При этом данные монтируемых файловых систем физически никуда не перемещаются, оставаясь на серверах.

С программной точки зрения распределенная файловая система — это сетевая служба.

Сетевая файловая система (ФС) в общем случае включает следующие элементы (рис. 10.1):

· локальная файловая система;

· интерфейс локальной файловой системы;

· сервер сетевой файловой системы;

· клиент сетевой файловой системы;

· интерфейс сетевой файловой системы;

· протокол клиент-сервер сетевой файловой системы.

Сетевая файловая служба на основе протокола FTP (File Transfer Protocol) представляет собой одну из наиболее ранних служб, используемых для доступа к удаленным файлам. До появления службы WWW это была самая популярная служба доступа к удаленным данным в Интернете и корпоративных IP-сетях.

Протокол FTP позволяет целиком переместить файл с удаленного компьютера на локальный и наоборот, то есть работает по схеме загрузки-выгрузки. Кроме того, он поддерживает несколько команд просмотра удаленного каталога и перемещения по каталогам удаленной файловой системы. Поэтому FTP особенно удобно использовать для доступа к тем файлам, данные которых нет смысла просматривать удаленно, а гораздо эффективней целиком переместить на клиентский компьютер (например, файлы исполняемых модулей приложений).

В протокол FTP встроены примитивные средства аутентификации удаленных пользователей на основе передачи по сети пароля в открытом виде. Кроме того, поддерживается анонимный доступ, не требующий указания имени пользователя и пароля, который является более безопасным, так как не подвергает пароли пользователей угрозе перехвата.

Протокол FTP выполнен по схеме клиент-сервер.

Файловая система NFS (Network File System) создана компанией Sun Microsystems. В настоящее время это стандартная сетевая файловая система для ОС семейства UNIX, кроме того, клиенты и серверы NFS реализованы для многих других ОС.

NFS представляет собой систему, поддерживающую схему удаленного доступа к файлам. Работа пользователя с удаленными файлами после выполнения операции монтирования становится полностью прозрачной — поддерево файловой системы сервера NFS становится поддеревом локальной файловой системы.

Одной из целей разработчиков NFS была поддержка неоднородных систем с клиентами и серверами, работающими под управлением различных ОС на различной аппаратной платформе.

Для обеспечения устойчивости клиентов к отказам серверов в NFS принят подход stateless, то есть серверы при работе с файлами не хранят данных об открытых клиентами файлах.

Основная идея NFS — позволить произвольной группе пользователей разделять общую файловую систему. Чаще всего все пользователи принадлежат одной локальной сети, но не обязательно. Можно выполнять NFS и на глобальной сети.

В своей работе файловая система NFS использует два протокола.

Первый NFS-протокол управляет монтированием. Клиент посылает серверу полное имя каталога и запрашивает разрешение на монтирование этого каталога в какую-либо точку собственного дерева каталогов.

Второй NFS-протокол используется для доступа к удаленным файлам и каталогам. Клиенты могут послать запрос серверу для выполнения какого-либо действия над каталогом или операции чтения или записи файла. Кроме того, они могут запросить атрибуты файла, такие как тип, размер, время создания и модификации.

В состав операционной системы Windows 3.1 (рис 8.4) входит системная виртуальная машина System VM, внутри которой размещаются все 16-разрядные приложения Win16, а также код и данные системных DLL, которые обеспечивают выполнение сервисных функций ОС. Приложения Win16 выполняются в общем адресном пространстве внутри системной виртуальной машины. Программы Win16 выполняются в режиме невытесняющей многозадачности. Системные библиотеки USER, GDI и KERNEL предоставляют сервисные функции операционной системы приложениям и отображаются в адресное пространство, совместно используемое приложениями Win16. Приложения DOS запускаются на отдельных виртуальных DOS-машинах (VDM), работающих в режиме вытесняющей многозадачности. Диспетчер устанавливаемых файловых систем (IFS) и драйвер 32-разрядного доступа к файлам (только в Windows for Workgroups 3.11) осуществляют большинство файловых операций в защищенном режиме, что ускоряет доступ к файлам. Драйвер 32-разрядного доступа к диску управляет обменом с диском на физическом уровне.

Архитектура Windows 95 (рисунок 8.5) представляет собой немного улучшенную версию архитектуры Windows 3.1. Внутри системной VM выполняются приложения Win16 и Win32. Большая часть кода операционной системы и данных также размещается здесь. Приложения Win32 работают на основе алгоритма вытесняющей многозадачности в отдельных адресных пространствах. Все приложения Win16 выполняются как единый процесс в общем адресном пространстве на основе алгоритма невытесняющей многозадачности. Библиотеки динамической компоновки USER, USER32, GDI, GDI32, KERNEL и KERNEL32, которые предоставляют системные сервисы всем приложениям, загружаются в системную VM и отображаются в адресные пространства каждого прикладного процесса. Это повышает производительность за счет устранения затрат времени на переходы между кольцами защиты при вызове системных функций. Однако с другой стороны, это также ставит под угрозу целостность системы, открывая доступ к частям ОС для прикладных программ. На виртуальных DOS-машинах (VDM) выполняются DOS-программы. Они работают в режиме вытесняющей многозадачности.

Типы файловых систем

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.

VDS Timeweb арендовать

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:

Файловые системы macOS

  1. 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.
  2. 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.

Файловая система Линукс

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.

Файловая система для microSD

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.


Модель является базовой для локальных сетей персональных компьютеров. В свое время она была исключительно популярной среди отечественных разработчиков, использовавших такие системы, как FoxPRO, Clipper, Clarion, Paradox и т. д. Один из компьютеров в сети считается файловым сервером и предоставляет услуги по обработке файлов другим компьютерам. Здесь мы имеем дело с распределенной файловой системой. Файловый сервер работает под управлением сетевой операционной системы (например, Novell NetWare) и играет роль компонента доступа к информационным ресурсам (т. е. к файлам).

На других компьютерах в сети функционируют приложения, в кодах которых совмещены компонент представления и прикладной компонент. Протокол обмена представляет собой набор низкоуровневых вызовов, обеспечивающих приложению доступ к файловой системе на файл-сервере.

FS-модель послужила фундаментом для расширения возможностей персональных СУБД в направлении поддержки многопользовательского режима. В таких системах на нескольких персональных компьютерах выполняется как прикладная программа, так и копия СУБД, а базы данных содержатся в разделяемых файлах, которые находятся на файловом сервере. Когда прикладная программа обращается к базе данных, СУБД направляет запрос на файловый сервер. В этом запросе указаны файлы, где находятся запрашиваемые данные. В ответ на запрос файловый сервер направляет по сети требуемый блок данных. СУБД, получив его, выполняет над данными действия, которые были декларированы в прикладной программе.

К технологическим недостаткам модели относят высокий сетевой трафик (передача множества файлов, необходимых приложению), узкий спектр операций манипулирования данными («данные — это файлы»), отсутствие адекватных средств безопасности доступа к данным (защита только на уровне файловой системы) и т. д. Собственно, перечисленное не есть недостатки, но следствие внутренне присущих FS-модели ограничений, определяемых ее характером. Недоразумения возникают в том случае, когда FS-модель используют не по назначению — например, пытаются интерпретировать как модель сервера базы данных.


В прошлый раз мы тестировали производительность файловой системы ReFS в Windows 10. Там мы затронули некоторые ФС из мира Linux, которые показали достаточно вялые результаты, поскольку из-за ограничений Windows чтение и запись были недостаточно хорошо реализованы. На сей раз подобная несправедливость будет устранена, теперь роли меняются, и файловые системы NTFS, FAT32 и exFAT уже сами становятся гостями. Методика тестирования была усовершенствована, теперь все операции выполняются специальным скриптом, с точностью до миллисекунды замеряющим время, затраченное на определенную операцию. Кроме того был изменен набор данных, вместо поочередного копирования групп различных файлов проводится копирование сразу всех файлов разных типов. Также тестирование теперь не ограничивается только жестким диском, здесь были задействованы более актуальные в настоящее время твердотельные и flash накопители. На каждом из них для размещения тестовых данных был создан раздел объемом 4 Гб, вторым устройством для перемещения данных выступал созданный в оперативной памяти раздел объемом 2304 Мб с файловой системой TMPFS. Поскольку flash-память имеет ограниченное количество циклов перезаписи, то в оценке производительности на данном типе носителей участвовали только нежурналируемые файловые системы.

реклама

var firedYa28 = false; window.addEventListener('load', () => < if(navigator.userAgent.indexOf("Chrome-Lighthouse") < window.yaContextCb.push(()=>< Ya.Context.AdvManager.render(< renderTo: 'yandex_rtb_R-A-630193-28', blockId: 'R-A-630193-28' >) >) >, 3000); > > >);

Тестовая система:

  • Процессор: Xeon E5440 @ 3.4 ГГц
  • GIGABYTE GA-P35-DS3L
  • Оперативная память: 3584 МБ DDR2-800
  • Жесткий диск: Seagate Barracuda 7200.10 3250410AS 250 ГБ
  • Твердотельный накопитель: SanDisk SDSSDHII-120G-G25 120 ГБ
  • MicroSD карта SanDisk Ultra 16 Гб UHS-I, поключенная с помощью адаптера MXT
  • Ubuntu 16.04 x64 с последними обновлениями

Набор данных:

  • 100 MP3 файлов - 681,3 Мб
  • 880 JPEG изображений 268,8 Мб
  • 4 видеоролика в формате MP4 - 492,7 Мб
  • 1 ISO образ - 583 Мб
  • Суммарный объем:

реклама

Краткая характеристика участников тестирования:

EXT2 - расширенная версия первой файловой системы EXT для ОС на ядре Linux.

EXT3 - журналируемая EXT2.

реклама

EXT4 - значительно расширенная по функционалу EXT3.

BTRFS - прогрессивная файловая система, использующая СУБД-подобную структуру , а также предлагающая множество современных опций.

F2FS - файловая система от Samsung, предназначенная для использования на flash-памяти.

ReiserFS - журналируемая ФС от компании Namesys, позволяющая изменять свой размер на лету без размонтирования.

XFS - высокопроизводительная 64-битная журналируемая файловая система, созданная компанией Silicon Graphics.

JFS - 64-битная журналируемая ФС, разработанная IBM с прицелом на высокую производительность, надёжность и масштабируемость для многопроцессорных компьютеров.

HFS+ - файловая система, использующаяся в macOS.

NTFS - ФС для Windows NT, выросшая из HPFS, совместной разработки IBM и Microsoft для OS/2.

FAT32 - усовершенствованная версия файловой системы FAT для DOS и Windows.

exFAT - расширенная версия FAT32, предназначенная для flash-накопителей.

Результаты тестов:

Итак, для начала запишем наши данные на жесткий диск с гораздо более быстрой оперативной памяти. Считывание происходит моментально, а вот скорость записи служит характеристикой быстродействия конкретной файловой системы для данного типа накопителя.


Новая файловая система F2FS демонстрирует отличный результат, опережая своих оппонентов. За ней следуют продвинутые журналируемые ФС, в основном использующиеся в NIX системах. Гости из Windows, а также устаревшие EXT2 и EXT3 заметно отстают.

Теперь проделаем тоже самое, но уже с быстрым твердотельным накопителем.


Разрыв между первым и замыкающим участниками заметно вырос. На сей раз в лидерах созданная профессионалами Sun Microsystems система XFS, которая показала результат близкий к максимальной пропускной способности интерфейса SATA-II. BTRFS, все еще считающая в некоторых аспектах не совсем стабильной, находится в нижней части списка. Работающая в пользовательском пространстве с помощью специального драйвера, NTFS показала почти в четверо более низкий результат, чем XFS.

А теперь данные будут переноситься наоборот с дисков в ОЗУ. Так как запись происходит очень быстро, то распределение файловых систем в диаграмме будет зависеть от их производительности при считывании.


Ситуация похожа на ту, которая была продемонстрирована в первом тесте. Но тут FAT32 поднялась сразу на семь позиций, а на ее место переехала BTRFS. Устаревшие EXT2 и EXT3 снова замыкают список.

Теперь очередь за SSD.


Видно, что разница сократилась, поскольку и твердотельный накопитель и оперативная память довольно быстрые устройства, и одно лишь это устраняет различные недостатки, присущие каждой их файловых систем. XFS выдала просто ошеломительный результат, практически уперевшись в пропускную способность SATA-II. Более усложненная BTRFS на второй позиции. Несмотря на прослойку в виде FUSE, NTFS заняла довольно почетное место.

Настала очередь flash-накопителей.


exFAT обошла F2FS в тесте записи примерно на 18%. EXT2, как и в предыдущих испытаниях, плетется в конце.

Ну и, наконец, чтение с flash-памяти.


FAT32 показывает, кто здесь царь. Несмотря на почтенный возраст, она и не собирается сдавать своих позиций. К сожалению максимальный размер файла в FAT32 ограничен четырьмя гигабайтами, что совершенно не подходит для тех же фильмов в высоком качестве. Однако, ее замена в лице exFAT отменяет данный изъян ценой всего лишь десятипроцентной потери производительности.

И ради интереса был проведен еще один тест с участием только RAM-дисков (копирование ISO-образа).


Заключение

Мир Linux открывает перед пользователями Windows множество граней, одной из которых является наличие гораздо большего количества различных файловых систем. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, кто-то силен в одних ситуациях, кто-то в других. И в проведенном тестировании мы попытались выявить данное распределение сил.

В результате наших проверок выяснилось, что более новые и хорошо отлаженные файловые системы стремятся показать более высокую производительность. И наоборот, устаревшие системы уменьшают скорость выполнения операций чтения-записи. Но данное правило не всегда строго выполняется, так как характеристики конкретной файловой системы могут не всегда соответствовать определенным в текущий момент условиям использования, для которых подходит пусть менее передовая, но более подходящая система.

Разумеется в подавляющем большинстве случаев нет возможности менять файловую систему одномоментно с изменившимися критериями эксплуатации. Но в этом и не будет особой необходимости, если заранее оценить рабочее окружение и возможные сценарии использования и лишь затем принимать решение о выборе файловой системы.

Читайте также: