Файлы. Файловые системы. (FAT 16, FAT 32, NTFS, CDFS, UDF)

 

• создание файла;
• уничтожение файла;
• открытие файла;
• закрытие файла;
• чтение файла;
• запись в файл;
• дополнение файла;
• поиск в файле;
• установление новых значений атрибутов;
• переименование;
• выполнение файла;
• чтение каталога;

 другие операции с файлами и каталогами.

      В самом общем случае права доступа могут быть описаны матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют всем файлам системы, строки - всем пользователям, а на пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции .В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права.

Например, в системе UNIX все  пользователи подразделяются на 3 категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных.

                                   Матрица прав доступа

Различают два основных подхода  к определению прав доступа:

• избирательный доступ, когда для каждого файла и каждого пользователя сам владелец может определить допустимые операции;
• мандатный подход, когда система наделяет пользователя определенными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу (в данном случае файлу) в зависимости от того, к какой группе пользователь отнесен.

                                               Файловая система

       Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

        В широком смысле понятие "файловая система" включает:

• совокупность всех файлов на диске;
• наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;
• комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

                         Общая модель файловой системы

• Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой моделью, в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в свою очередь, для выполнения своей работы использует интерфейс (обращается с набором запросов) нижележащего уровня.

 

• Задачей символьного уровня является определение по символьному имени файла его уникального имени. В файловых системах, в которых каждый файл может иметь только одно символьное имя (например, MS-DOS), этот уровень отсутствует, так как символьное имя, присвоенное файлу пользователем, является одновременно уникальным и может быть использовано операционной системой. В других файловых системах, в которых один и тот же файл может иметь несколько символьных имен, на данном уровне просматривается цепочка каталогов для определения уникального имени файла. В файловой системе UNIX, например, уникальным именем является номер индексного дескриптора файла (i-node).

 

• На следующем, базовом уровне по уникальному имени файла       определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и другие. Как уже было сказано, характеристики файла могут входить в состав каталога или храниться в отдельных таблицах. При открытии файла его характеристики перемещаются с диска в оперативную память, чтобы уменьшить среднее время доступа к файлу. В некоторых файловых системах (например, HPFS) при открытии файла вместе с его характеристиками в оперативную память перемещаются несколько первых блоков файла, содержащих данные.

 

• Следующим этапом реализации запроса к файлу является проверка прав доступа к нему. Для этого сравниваются полномочия пользователя или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов доступа к данному файлу. Если запрашиваемый вид доступа разрешен, то выполнение запроса продолжается, если нет, то выдается сообщение о нарушении прав доступа.

 

• На логическом уровне определяются координаты запрашиваемой логической записи в файле, то есть требуется определить, на каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая логическая запись. При этом абстрагируясь от физического расположения файла, он представляется в виде непрерывной последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит от логической организации файла. Например, если файл организован как последовательность логических записей фиксированной длины l, то n-ая логическая запись имеет смещение l((n-1) байт. Для определения координат логической записи в файле с индексно-последовательной организацией выполняется чтение таблицы индексов (ключей), в которой непосредственно указывается адрес логической записи.

           

 

          Современные архитектуры файловых систем

 

• Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих, в число которых входят и файловые системы в традиционном понимании.

 

•  Новая файловая система имеет многоуровневую структуру, на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем (в Windows 95, например, такой переключатель называется устанавливаемым диспетчером файловой системы - installable file system manager IFS). Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем - уровнем файловых систем.

 

 

        Архитектура современной файловой системы

• Каждый компонент уровня файловых систем выполнен в виде драйвера соответствующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Драйвер файловой системы может быть написан в виде реентерабельного кода, что позволяет сразу нескольким приложениям выполнять операции с файлами. Каждый драйвер файловой системы в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к файловой системе.

 

• Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой файловой системы новой архитектуры. Подсистема ввода вывода - это составная часть файловой системы, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам файловой системы, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах), драйверы, поддерживаемые поставщиками (такие драйверы перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные), драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

 

• Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость - драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса - от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова.

 

• В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова.

 

• Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше - в измененном или в неизмененном виде - на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

 

                              

                             Виды файловых систем

 

• 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

 

СDFS   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. UDF  UDF (Universal Disk Format) — файловая  система, соответствующая стандарту  ISO 13346, предназначенная для доступа  в режиме чтения к DVD-ROM- и  CD-ROM-дискам.   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.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. Все версии FAT не обладают функциями защиты данных и автоматического восстановления.   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.          NTFS   Данная ФС является основной для NT. Эта файловая система обеспечивает эффективность, надежность и совместимость, невозможные в других поддерживаемых файловых системах, способна адресовывать до 264 кластеров до и работать с  кластерами оптимальных размеров. NTFS — журналируемая, основанная на транзакциях  ФС, обладающая функциями самовосстановления.  Все операции с метаданными в NTFS разбиваются на неделимые блоки — транзакции. Каждая транзакция может быть выполнена успешно либо, в случае сбоя, откачана назад. Незавершенные транзакции не допускаются. Все транзакции регистрируются в файле журнала. Такой механизм обеспечивает абсолютную целостность структуры ФС, но допускает потерю пользовательских данных, так как журналировать все данные было бы неэффективно.   Структура NTFS довольно проста, хотя и сложнее, чем в FAT. Каждый распределенный на томе сектор принадлежит некоторому файлу, даже метаданные — информация, описывающая саму ФС. NTFS основана на атрибутах и обрабатывает все файлы как объекты с набором атрибутов, определенных как системой, так и пользователем. Каждый файл на томе с NTFS представлен записью в главной файловой таблице (MFT — Master File Table), аналоге FAT. Записи в MFT сортируются по алфавиту, что позволяет использовать двоичный поиск, существенно ускоряющий работу ФС. Для еще большей оптимизации диспетчером кэша используется алгоритм отложенной записи, когда данные не пишутся сразу на диск, а хранятся в памяти до тех пор, пока нагрузка на процессор не уменьшиться, а затем сбрасываются на диск фоновым процессом.                   Функции ,которые поддерживает  ФС NTFS     Разреженные файлы. Это файлы, очень большие логически, но занимающие на диске только необходимый объем. Эта технология используется самой NT и СУБД(Системами Управления Базами Данных)   Журнал изменений. Служит для регистрации всех изменений файлов на томе. Используется службой каталогов Active Directory и службой индексирования. Находится в папке System Volume Information в корне диска.   Поддержка коротких имен. Это необходимо для совместимости с MS-DOS-программами. Каждый раз при создании файла NTFS делает дополнительную запись в MFT, содержащую короткий эквивалент имени.   Компрессия файлов и каталогов. NTFS обеспечивает динамическое, прозрачное для прилож<sp