Что такое файловая система

Обновлено: 02.07.2024

Каждый пользователь, форматируя флешку или накопитель замечал строку «файловая система» с возможностью выбора одного из предложенных вариантов. Современные системы самостоятельно определяют тип накопителя и выбирают оптимальный вариант. Но в некоторых случаях эти настройки приходится вносить вручную.

Чем отличаются файловые системы и для чего они нужны разберем в этой статье.

Что такое ФС?

Файловая система – это инструмент, позволяющий операционной системе и программам обращаться к нужным файлам и работать с ними. При этом программы оперируют только названием файла, его размером и датой созданий. Все остальные функции по поиску необходимого файла в хранилище и работе с ним берет на себя файловая система накопителя.

Основные функции файловой системы:

Фрагментация файлов и их распределение на носителе.
Поиск файла при запросе программ.
Участие в создании, чтении и удалении файлов.
Работа с атрибутами файлов: изменение названия, размера, времени последнего изменения, доступ к файлу и многое другое.
Каталогизация и организация файлов.
Защита файлов от несанкционированного доступа и сбоев системы.
Определение права доступа к файлам.
Восстановление информации в случае сбоев.

Таким образом, файловая система устанавливает правила эксплуатации и организацию данных на накопителе, и тем самым экономит ресурсы операционной системы и рабочих программ. К тому же наличие файловой системы позволяет использовать накопитель на разных компьютерах без каких-либо предварительных настроек и оптимизации.

Файловых систем довольно много. Но рядовым пользователям с операционной системой Windows на десктопном ПК знакомы только две. О них и поговорим подробнее.

FAT32

FAT – одна из старейших файловых систем, которая была разработана еще в 1977 году программистами компании Microsoft для гибких дисков.

За период эксплуатации выпускалось несколько версий, которые отличались от предыдущих объемами томов и файлов, которыми способны оперировать.

Современная версия FAT32 вышла в 1995 году. Она может работать с томами размером до 32 ГБ и файлами размером до 4 ГБ. При этом система не работает с накопителями объемом более 8 Тб. Поэтому сегодня FAT32 используется в основном только на флешках, картах памяти фотоаппаратов и музыкальных плееров.

Структура накопителя с FAT32 имеет три области:

Служебный сектор, который зарезервирован системой.
Таблица указателей для поиска файлов.
Область записи данных.

Благодаря отсутствию шифрования, современных систем защиты информации и журнала данных, накопители с файловой системой FAT32 могут работать быстрее, но только с единичными файлами. Работа с массивом небольших файлов может затянуться надолго. Причиной является иерархическая структура, которая подразумевает многоуровневый доступ к файлам, в отличие от бинарного дерева, где доступ к файлам открывается напрямую, независимо от других.

Однако несмотря на очевидные недостатки, система все еще востребована, и даже предоставляет некоторые преимущества:

Накопители меньше изнашиваются, благодаря отсутствию журнала.
Флешки с FAT32 распространены в рабочей среде. На них удобно переносить документы, фотографии, небольшие видеоролики, презентации.
Флешки с FAT32 используются в качестве установочных.

NTFS

NTFS, или новая технология файловой системы была создана, чтоб устранить недостатки FAT32.

Структура системы хранения данных имеет вид бинарного дерева. В отличие от иерархической, как у FAT32, доступ к информации осуществляется по запросу, а поиск ведется по названию файла. При этом система имеет каталог, отсортированный по названиям. Массив делится на 2 части и отсекается та, в которой данного файла не будет, оставшаяся часть также делиться на 2, и так далее до тех пор, пока не будет найден нужный файл.

Особенности файловой системы NTFS:

Имена файлов размером до 255 символов.
Журналирование – действия с файлами выполняются полностью, или не совершается вовсе. Например, если во время копирования файлов отключается питание, то при включении по журналу система проверит, какие файлы были скопированы полностью, а результаты незавершенных процессов удаляются.
Использование шифрования для защиты данных.

В отличие от предыдущей файловой системы, NTFS может работать с томами объемом 8 ПБ (1 петабайт – 1015 байт), и оперировать более чем 4 миллиардами файлов.

Таким образом NTFS – современное решение для пользовательского сегмента, позволяющее работать с твердотельными накопителями и жесткими дисками большого объема, имеющими несколько разделов.

Какие еще бывают файловые системы?

На мобильных устройствах с ОС Android используется файловая система ext2/ext4, но только в установленном накопителе. Съемные карты памяти работают на системе FAT32.

Файловая система exFAT – модификация FAT32, отличающаяся возможностью работы с файлами размером более 4 ГБ и имеющая более динамичную систему поиска. Ее использование ограничено лицензионным соглашением.

ReFS – новейшая разработка Microsoft для ОС Windows 8 и Windows 10 Enterprise и Pro для рабочих станций. Возможность создания тома ReFS удалена в Windows 10 Fall Creators Update 2017. Файловая система ReFS отличается высокой степенью надежности хранения файлов и легким их восстановлением в случае сбоя.

ZFS – файловая система, разработанная для систем хранения данных. Главная ее черта – отказоустойчивость. Данные с которыми ведется работа копируются в служебный сектор. Его объем должен быть равен области хранения.

Компания Apple использует собственные файловые системы HFS+ и Apple Xsan.

В дистрибутивах Linux, в зависимости от назначения устройства, используется около десятка файловых систем. Самые распространенные в пользовательском сегменте: Ext2, Ext3, Ext4.

Форматирование флешки или системного накопителя — стандартная задача компьютерного пользователя. В современных операционных системах процесс сильно упрощен, поэтому справится даже новичок. Система самостоятельно определяет, какие настройки подходят определенному устройству и какую файловую систему выбрать при форматировании. Так, Windows форматирует системные накопители в NTFS, а флешки превращает в FAT32. Почему так происходит? Чем отличаются эти файловые системы и вообще, зачем диску нужен «формат»?

Если говорить простым языком, то компьютерный накопитель — это подобие библиотеки, в которой хранятся тысячи книг. Библиотека может быть устроена в виде небольшого стеллажа или многоэтажной полки с лестницей, а также в виде кластеров — огромных помещений с десятками шкафов и сотнями полок. Чтобы найти в таком масштабе интересующую книгу, необходимо ориентироваться по условным опознавательным знакам, буквам или цифрам.

Например, мы посетили библиотеку в поисках произведения «Таинственный остров». По просьбе читателя библиотекарь обращается к каталогу, ищет отдел, в котором хранятся книги с названиями, начинающимися на букву «Т», затем находит шкаф, полку и место, где хранится интересующее читателя издание. Пользуясь такой системой, библиотекарь найдет книгу за считанные секунды, гораздо дольше ему придется доставать и нести ее читателю через весь зал. Аналогично работает и файловая система в накопителе.

Теперь представим, что из библиотеки вывезли все шкафы и полки, а книги теперь лежат на столах, стульях, полу и подоконниках. Произведение Жюля Верна будет практически невозможно найти среди тысяч печатных экземпляров: оно может находиться в любом месте, так как книги разбросаны в неизвестном порядке. При этом, несмотря на беспорядок, библиотека все-таки выполняет свою основную задачу — она хранит книги. Но практической пользы от этого мало: в системе хранения нарушены структура и каталогизация. То же самое происходит, если накопитель лишен какой-либо файловой системы.

Что такое файловая система

Итак, файловая система компьютерного накопителя — это способ организации и хранения файлов на винчестерах, флешках или даже в облаке. И, если диск — это массив кластеров, то файловая система — это инструкция по заполнению этих кластеров информацией.

Например, записывая фотографию на обычный винчестер, компьютер разбивает файл на части. Каждому кусочку файла соответствует ячейка на поверхности магнитной пластины диска. При этом, если любая программа обратится к нужному файлу, то ни она, ни диск не будут знать, что это за файл, где он расположен, как он называется, сколько весит и какие ячейки занимает в накопителе. Единственное, что известно программе — это имя файла, его размер и другие атрибуты, которые она передает файловой системе как условный знак для поиска этого файла в ячейках.

Чтобы понять, кто за что отвечает и кем является, рассмотрим структуру на книгах и библиотеках. Так, в цепочке «пользователь-файл» есть несколько действующих лиц, без которых работа системы невозможна:

Накопитель — это библиотека (как здание или организация).
Пользователь — это читатель, который пришел в библиотеку за произведением Жюля Верна.
Файл — это книга с понятным названием (атрибутом) или другим условным опознавательным знаком, например, упомянутый выше «Таинственный остров».
Драйвер файловой системы — это библиотекарь, который выступает в роли посредника или проводника между читателем и книгой. Или между пользователем (компьютером, операционной системой) и файлом (ячейками с информацией в микросхемах памяти или на магнитных пластинах).
Файловая система — порядок, в соответствии с которым в библиотеке расставлены книги, а также каталог, с помощью которого специалист находит книги. Системы бывают разные: книги можно расставить по росту, цвету обложки, жанру, году выпуска или названию в алфавитном порядке. На диске файловая система отвечает за организацию файлов.

Дисковая система — это тоже библиотека. Вместо больших помещений здесь используются компактные корпуса накопителей, а в качестве полок с книгами выступают микросхемы памяти в твердотельных накопителях или магнитные пластины классических винчестеров. Система каталогизации библиотеки — это файловая система компьютера. Как и способы сортировки книг в библиотеке, компьютерные файловые системы делятся на несколько типов. Самые распространенные среди компьютеров на ОС Windows — это NTFS и FAT32.

NTFS — New Technology File System

Мы разобрались, что такое файловая система и для чего она нужна компьютерным дискам. Основываясь на полученных примерах, можно легко разобраться в том, как работают разные файловые системы, и чем они отличаются. Например, NTFS.

NTFS — фирменная файловая система Microsoft, которую разработчики начали внедрять в операционную систему Windows, начиная с версии NT 3.1. Несмотря на байки о ненадежности и низкой отказоустойчивости этой системы, NTFS считается самым лучшим и удачным решением для работы актуальных операционных систем Windows. Конечно, как и любая другая система, NTFS не лишена недостатков — это слишком сложное устройство ФС, особенно по современным меркам. Ведь известно — чем сложнее устройство, тем больше в нем уязвимостей.

Структура и фрагментация

Файловая система NTFS делит пространство накопителя на кластеры — блоки, размером от 512 байт до 64 КБ. По умолчанию Windows делит блоки по 4 КБ каждый.

Способ организации файлового пространства на диске с NTFS подразумевает наличие специального раздела, в котором ФС хранит сервисные данные о своей работе. А именно, ведет некий каталог, в котором записываются различные данные о файлах и разделах. Это раздел MFT (Master File Table) — свободное пространство с метафайлом, под который система выделяет 12% от общего объема.

MFT является динамическим разделом — по мере накопления информации на диске, он может сокращаться, чтобы освободить место под пользовательские файлы. Однако при первом же свободном гигабайте на диске, раздел MFT снова заберет свое «законное» место, при этом новая часть метафайла может фрагментироваться и оказаться уже не в начале диска, а в конце или в середине. Отсюда существует распространенная проблема фрагментации файловой системы, когда части каталогов разбросаны по всему диску. Тогда, чтобы найти какой-либо файл, диск судорожно ищет их по всей поверхности, отсюда снижение скорости доступа и общей производительности компьютера. Фрагментация — не самая сильная сторона NTFS.

Файлы и каталоги

Организация данных в этой ФС имеет структуру бинарного дерева: каждый элемент в системе обрабатывается не иерархически, а через бинарные запросы. Например, чтобы найти файл с именем «К» среди тысячи других файлов, система делит каталог на две части и начинает поиск с середины. Например, узнает, в какой части необходимо искать данный файл, если за середину каталога принят файл с названием «Т»? В таком случае система ответит — ищите среди тех файлов, которые идут до файла с именем «Т». То есть, имея отсортированный по алфавиту каталог, система понимает, что файл с необходимым именем находится в одной из двух частей, и время на поиск файла сокращается в два раза — это улучшает скорость работы с мелкими одиночными файлами.

Все файлы в этой системе существуют в виде потоков. Фактически, для того, чтобы превратить блоки с данными в единый файл, этой ФС необходим только файл с метаданными. Это своего рода инструкция по сборке файлов из кусочков данных, которые хранятся в ячейках по всей поверхности накопителя. Благодаря гибкой файловой структуре, объекты NTFS могут принимать множество дополнительных свойств. Например, содержать в названии до 65535 различных символов Unicode. При этом максимальная длина имени файла достигает 255 символов.

Журналирование

Современные операционные системы работают на базе журналируемых файловых систем. Это необходимо для того, чтобы в случае системного сбоя и аварийного завершения работы (вынули вилку питания ПК из розетки) файловая система компьютера смогла восстановиться до последнего рабочего состояния без потери файлов.

В журналируемой файловой системе работа с данными происходит по принципу транзакций — действие совершается полностью или не совершается совсем. Например, при записи системного файла на диск, компьютер делает пометки в метафайл в разделе MTF и ведет мини-журнал процесса копирования до тех пор, пока файл полностью не запишется в необходимый раздел диска. Если устройство перезагрузится во время записи, то при следующем включении система обратится к журналу, узнает о совершенных и несовершенных транзакциях и оставит существовать только те, которые помечены как завершенные. Остальные транзакции будет вычеркнуты, а файлы удалены или возвращены на место.

Как правило, такая система работает наиболее эффективно только с системными файлами, тогда как пользовательские данные могут повредиться или исчезнуть при сбое. Работу журналирования можно проверить с помощью контрольных точек восстановления — компьютер периодически создает слепки состояния системы, по которым позже может восстановиться до этих состояний.

Шифрование

Для защиты данных на компьютере используется шифрование. Это не просто защита компьютера паролем, а также раздача прав для доступа к файлам, что довольно легко вскрыть, взломать и просто обойти с помощью общедоступных инструкций и софта.

Шифрование — это отдельная надстройка над файловой системой компьютера, которая позволяет закрыть пользовательские данные от посторонних глаз практически на аппаратном уровне. В таком случае защищенные файлы нельзя будет просмотреть на другом компьютере, а также после смены материнской платы или операционной системы. Это можно сделать с помощью NTFS — система создает ключи и сертификаты, актуальные только для той сборки и системы, на которой было подключено это шифрование.

Файловая система NTFS также отличается:

Поддержкой больших томов и файлов — до 8 ПБ;
Несколькими уровнями безопасности, в том числе, поддержкой шифрования;
Распределением прав доступа к файлам;
Возможностью сжатия;
Поддержкой до 4 294 967 295 (232−1) файлов.

Вывод: система NTFS «заточена» под работу с операционной системой, а также для накопителей с большим объемом и несколькими разделами.

FAT32 — File Allocation Table

Обновленная файловая система пришла на смену устаревшей FAT16. Ее также разработали специалисты Microsoft, но, в отличие от NTFS, она распространяется в виде открытого исходного кода. Поэтому разработчики любого софта могут беспрепятственно компилировать и внедрять драйвер в свое ПО. Например, поддержка FAT32 есть не только в «родной» операционной системе, но и в любой другой — linux, MacOS, Android, даже в таких проприетарных системах, как iOS.

В ранних версиях ОС Windows файловая система FAT32 даже использовалась в качестве основной ФС для системного раздела. Но позже разработчики отказались от этого решения в пользу новой и прогрессивной NTFS. Впрочем, несмотря на некоторые особенности FAT32, эта ФС все еще повсеместно используется во флешках и картах памяти.

Проще некуда

Файловая система FAT32 — это автомат Калашникова. Она максимально упрощена:.Здесь нет продвинутых систем безопасности и шифрования, система не умеет журналировать свою работу. Это частично сказывается на производительности — в некоторых случаях скорость чтения или записи может быть выше, чем у более новой и сложной NTFS. Правда, это сильно зависит от условий работы — например, от количества обрабатываемых файлов. Так, работа с массивами мелких файлов может стать настоящим испытанием для накопителя, отформатированного в этой файловой системе.

Впрочем, такие задания редко выполняют на тех накопителях, которые используют FAT32. Обычно это внешние устройства с небольшим объемом. Более того, файловая система не умеет работать с объемными разделами. Например, штатные средства ОС Windows не позволяют создавать на диске с FAT32 разделы, объем которых превышает 32 ГБ. К этим недостаткам относятся и ограничения по максимальному размеру файла. Максимальный размер файла, который запоминает накопитель, составляет 4 ГБ.

Все это, конечно же, влияет на популярность файловой системы и ее удобство. Особенно заметны недостатки устаревшей системы стали после того, как почти у каждого пользователя в арсенале появились флешки с объемом от 64 ГБ — FAT32 такому устройству не к лицу.

Структура

Еще больше красок в устаревание вносит древняя структура: файлы в FAT32 хранятся иерархически, а не в виде бинарного дерева, где каждый отдельный объект может быть доступен независимо от остальных. Если бы такая система использовалась в обычной библиотеке, то поиск одной книги мог бы растянуться на несколько часов: чтобы найти книгу с буквой «Ц» в названии, библиотекарю придется достать все книги с полочек по очереди, начиная с экземпляров на «А», и только после этого взять нужную. Любопытно представить, как бы работала в таком режиме Научная библиотека МГУ, где на физических и виртуальных полках хранится более 10 миллионов экземпляров.

Несмотря на перечисленные особенности, FAT32 все еще неплохо справляется со своими задачами. Например, отсутствие журналирования идет на пользу накопителям, которые быстро изнашиваются от частых перезаписей ячеек. К тому же, работа с объемными файлами и разделами на обычной флешке мало кого интересует. Как правило, они «переносят» легковесные офисные файлы, фотографии, короткие видеоматериалы и установочные файлы программ. Вряд ли кто-то попытается загружать образ фильма в формате Blu-ray на флешку: для этого больше подойдет внешний жесткий диск или твердотельный накопитель с большим объемом.

Вывод: появление флешек с большим объемом внесло коррективы в существование FAT32. Однако на рынке все еще преобладают устройства с объемом не более 32 ГБ — этот формат FAT32 еще тянет.

Практичность превыше всего

Большая и сложная NTFS была разработана еще в 1990-х годах. Несмотря на это, файловая система здравствует до сих пор и спокойно переваривает все современные ОС от Microsoft. Конечно, фирменная технология из Редмонда не панацея: если отказаться от «окон» на компьютере, то и NTFS сразу станет ненужной. Правда, для этого придется смириться с Linux на борту или же переехать на платформу Apple — там, между прочим, используется совсем новая APFS, которую яблочные разработчики представили всего несколько лет назад.

Что касается неоднозначной ситуации с FAT32, то, скорее всего, файловая система уже находится на закате популярности. Специалисты пытаются заменить неактуальную файловую систему более удобными и гибкими EXT. Эти системы имеют открытый исходный код и используются в Unix подобных ОС. Драйверы для этих файловых систем легко портируются под любые операционные системы, поэтому такой накопитель поддерживается даже в актуальной Windows 10, достаточно установить распространенный пакет драйверов.

Вывод: если выбирать файловую систему, то лучше ориентироваться на практичность. Для серьезных задач и под системные нужды обязательно выделять накопитель с NTFS на борту. В то же время, для флешки с маленьким объемом будет достаточно и FAT32 — эта ФС широко поддерживается всеми возможными устройствами. Если же пользователь ставит повышенные требования к системе хранения и обработке файлов — добро пожаловать в мир ZFS.

Это целая система внутри системы, где организация файлов в дисковом пространстве происходит по другим законам. Например, при записи информации, ZFS пишет новые данные в новые блоки, а старые оставляет «жить» до того момента, пока не подтвердит, что свежие данные записаны и готовы к работе. Это необходимо для платформ с уклоном в отказоустойчивость, хотя вряд ли пригодится домашнему юзеру. Чтобы файловая система работала как надо, необходимо иметь двойной запас свободного места на диске: для старых данных и следующего потока новых данных. Поэтому ZFS чаще используют в системах хранения данных с большим объемом. Но это уже совсем другая история.

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 о том, что собой представляют файловые системы и какие у них между собой отличия. Сделаем акцент на разнице между файловыми системами «NTFS», «FAT», «FAT32» и «exFAT».

Введение

За ответственное и сохранное расположение информационных материалов отвечают запоминающие устройства. Для их успешного и безошибочного функционирования необходимо обязательное наличие программного интерфейса, структурирующего расположение любой информации, и предоставляющего упорядоченные способы управления доступными ресурсами. Такой урегулированный контролируемый способ внутренней организации, расположения и упорядочивания данных, в соответствии с собственными методами каталогизации и озаглавливания, на различных носителях информации в компьютерах и ноутбуках, а также в разнообразных сторонних электронных устройствах, получил обобщающее название файловая система.

Файловые системы имеют собственную классификацию и представлены различными видами, включающие как наиболее распространенные «NTFS», «FAT», «HFS+», «Extfs», «Ext2», «ReiserFS», «XFS», «HPFS», «ext2», «OpenBSD», «UDF», «YAFFS», так и довольно редкие «ZFS», и данный ряд может быть существенно дополнен многими другими вариантами.

Наиболее часто встречающимися и массово представленными файловыми системами безусловно являются «NTFS», «FAT», «FAT32» и «exFAT». Но обычный пользователь не всегда точно может понять разницу между системами. В этой статье мы попытаемся рассмотреть общее понятие файловой системы и ответить на отдельные вопросы, такие как: – «Что представляют собой файловые системы «FAT», «FAT32», «exFAT» и «NTFS» и в чем разница между ними?».

Определение термина файловая система

Файловая система – это организованный порядок, определяющий набор правил для безопасного расположения, хранения и последующего доступа к разнообразным данным на запоминающих хранилищах информации в компьютерных и других устройствах, содержащих цифровой накопитель. Параметры файловой системы изначально определяют формат содержимого, группируют его в понятном, для операционной системы, виде, содержащим набор файлов и каталогов, устанавливают максимальный граничный размер файла и раздела, управляют приоритетами доступа, осуществляют шифрование файлов, назначают набор атрибутов файла и перенаправляют к конкретной информации при соответствующем запросе операционной системы.

Программная система управления аппаратными средствами компьютера идентифицирует любой накопитель как набор однотипных кластеров. Драйверы файловой системы организуют кластеры доступного дискового пространства в файлы и каталоги и содержат список реализованной организации, на основании которого происходит отслеживание и маркировка используемых, свободных или неисправных кластеров, а также осуществляется переход к нужным ячейкам хранения данных по первому требованию.

Файловые системы обслуживают любые виды накопителей информации и управляют различными категориями, например, носители с произвольным или последовательным доступом, виртуальные и сетевые файловые системы, оптические носители, устройства на базе флэш-памяти и т.д.

Главные функции файловой системы сводятся к построению логической модели внутренней организации пространства запоминающего устройства, устойчивой к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств, и обеспечению беспрепятственного взаимодействия элементов операционной системы и программных приложений с расположенными на носителе информационными ресурсами.

Что представляют собой файловые системы «FAT», «FAT32», «exFAT» и «NTFS»

Операционная система «Windows», как самый массовый представитель систем управления компьютерными устройствами в мире, настроена на взаимодействие с различными файловыми системами («NTFS» и «FAT»), но «NTFS» поддерживает большие размеры файлов и томов и обеспечивает более эффективную организацию данных, по сравнению с другими вариантами файловых систем.

И несмотря на общие цели, файловые системы «NTFS» и «FAT» различаются методами организации и хранения данных на диске, а также указанием типов атрибутов, прикрепленных к файлам. И далее мы представим непосредственное описание конкретных файловых систем.

Файловая система «FAT»

Сокращенная аббревиатура «FAT» расшифровывается как «таблица размещения файлов». Это простая классическая архитектура файловой системы, изначально предназначенная для небольших дисков и простых структур папок. Иными словами, файловая система «FAT» представляет собой групповой метод организации, в котором таблица размещения файлов выделена в отдельную логическую область и находится в начале тома. Для исключения непреднамеренных или случайных ошибок, способных повлиять на корректное отображение таблицы, система, в целях безопасности, хранит копию массива индексных указателей.

Файловая система «FAT32»

«FAT32» является фактическим стандартом, пришедшим на смену более ранним версиям файловой системы «FAT», «FAT12» и «FAT16», и изначально устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Пространство «FAT32» логически разделено на три сопредельные области: зарезервированную область для служебных структур, табличную форму указателей и непосредственную зону записи содержимого файлов. Файловая система позволяет использовать накопители на ее основе не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом «USB».

Тем не менее, стандарт «FAT32» имеет определенные системные ограничения. Размер отдельных файлов на диске с файловой системой «FAT32» не может превышать четыре гигабайта. Кроме того, весь раздел «FAT32» должен быть менее восьми терабайт. По совокупности ограничений, формат «FAT32» считается подходящим для «USB-накопителей» или внешних носителей информации. Для внутреннего накопителя, особенно при желании установить новейшую версию операционной системы «Windows 10», отсутствие отдельных привилегий прикладного уровня в «FAT32» будет серьезным препятствием, и потребует наличия более продвинутой версии файловой системы.

Файловая система «exFAT»

«exFAT» – это сокращенное обозначение от полного английского названия «Extended File Allocation Table» («расширенная таблица размещения файлов»). Стандарт является обновленной версией файловой системы «FAT32», созданный корпорацией «Microsoft». Основными параметрами система «exFAT» чрезвычайно похожа на «FAT32». Но главным отличием является устранение ограничений, присутствующих в файловой системе «FAT32», что позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта.

Также в файловой системе «exFAT» значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации, что особенно важно для флэш-накопителей, ввиду необратимого изнашивания ячеек после определённого количества операций записи, и улучшен механизм распределения свободного места.

Файловая система «NTFS»

«NTFS» («файловая система новой технологии») была в основном создана с целью устранения ограничений и недостатков файловых систем «FAT», улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства, а также создания надежного механизма защиты и хранения информации. Файловая система «NTFS» хранит информацию о файлах в главной файловой таблице «Master File Table» («MFT»), осуществляет разграничение доступа к данным для различных пользователей, предотвращает несанкционированный доступ к содержимому файла, применяя систему шифрования под названием «Encryption File System», которая использует защитный метод «прозрачного шифрования» данных.

Помимо вышесказанного, в файловой системе «NTFS» добавлена способность, отсутствующая в характеристиках файловой системы «FAT», открывать файлы, в названиях которых не используются английские буквы, позволяя использовать любые символы стандарта кодирования юникода «UTF». Таким образом, ограничения использования в названиях символов любых сложных языков, например, хинди или корейский, отсутствует.

Разница между файловыми системами «NTFS», «FAT», «FAT32» и «exFAT»

Файловая система «FAT» создавалась первоначально для накопителей незначительного объема и способна поддерживать граничные размеры файлов до четырех гигабайт, в то время как в системе «NTFS» допустимый предел размера увеличен до шестнадцати терабайт. Далее подробнее представлены другие отличия:

«NTFS»

Поддержка файлов и дисков значительных размеров, на порядок превышающие остальные файловые системы.
Позволяет использовать расширенные имена файлов, включая поддержку множества сложных языков.
Падение работоспособности системы при запуске приложения проверки жёсткого диска или внешнего накопителя на ошибки файловой системы «chkdsk».
Стандартное приложение обслуживания системы «chkdsk» печально известно своей медлительностью.
Повышен уровень безопасности благодаря внедрению метода шифрования файлов.
Значительно быстрее на дисках объемом менее сорока гигабайт.
Меньшие файловые кластеры.
Поддержка сжатия на уровне файловой системы для файлов, каталогов и дисков для уменьшения дискового пространства.
Пользовательские разрешения для файлов и папок.
Копии файлов «отменяются», если прерванный кластер очищен.
Небольшие файлы хранятся в главной таблице файлов в начале диска.

«FAT»

Не совместим с последней версией операционной системы «Windows».
Поддержка дисков от тридцати двух мегабайт до двух терабайт.
Более сильные преимущества и результативные особенности инструментов для восстановления.
Поддерживает быструю проверку работоспособности диска.
Простой способ размещения операционной системы и быстрый алгоритм чтения файлов.
Быстрее функционирует на дисках объемом менее десяти гигабайт.
Цепочки кластеров, содержащие данные из прерванных копий, помечаются как поврежденные.
Таблица основных файлов отделена от других файлов.

«FAT 32»

Отсутствуют функции безопасности, которые реализованы в более современной файловой системе «NTFS».
Не удается установить новейшие версии операционной системы «Windows» (поскольку файл имеет большой размер и может быть установлен только на диски, отформатированные в системе «NTFS»).

«exFAT»

Доступ к дискам с файловой системой «exFAT» в операционной системе «Linux» можно получить только после установки соответствующего программного обеспечения.
Работает со всеми версиями операционной системы «Windows» и современными версиями системы «Mac OS X».

Полную версию статьи со всеми дополнительными видео уроками смотрите в источнике. Если у вас остались вопросы, задавайте их в комментариях.

Читайте также: