Структура файловых ссылок.

Главная таблица файлов.

Тома.

Структура NTFS на диске.

Новые возможности NTFS.

Особенности NTFS.

1. Восстанавливаемость. В случае отключения питания или какого-либо другого сбоя NTFS восстанавливает дисковые тома и возвращает их в целостное состояние. Восстановление проис-ходит автоматически при первом обращении к диску. NTFS дублирует наиболее важную систем-ную информацию.

2. Защита от несанкционированного доступа, то есть каждый файл имеет дескриптор защиты,каждый пользователь при входе в систему регистрируется, поэтому доступ к файлу получает тот пользова-тель, который имеет соответствующие права.

3. Избыточность данных и отказоустойчивость. В Windows файловая система NTFS организована с помощью драйвера отказоустойчивого диска. Данные дублируются на несколько дисков, создают-ся зеркальные диски.

4. Сжатие данных.

5. Шифрование данных, хранимых на диске.

1. Множественные потоки данных. В NTFS файл – это набор атрибутов, причём данные – это один из атрибутов файла. В файле можно создавать несколько атрибутов данных.

myfile.dat: stream2

2. Имена в UNICODE. Это 16-разрядная кодировка символов. В FAT используется 8-рязрядная кодировка символов. В UNICODE 65536 символов. Имена файлов могут содержать до 255 симво-лов, и содержать несколько точек и пробелов.

3. Универсальное средство индексирования. NTFS позволяет индексировать атрибуты файла. В настоящий момент поддерживается индексирование по имени файла. В каждом каталоге файлы и каталоги расположены упорядоченно, что ускоряет поиск.

4. Переназначение плохих кластеров. Позволяет динамически помечать плохие кластеры.

Здесь мы рассмотрим структуру тома NTFS, включая способы разбиения дискового прост-ранства и его организации в кластеры, принципы хранения на дис­ке реальных файловых данных и информации об атрибутах, а также поясним, как работает механизм сжатия данных в NTFS.

Структура NTFS начинается с тома. Том соответствует логическому разделу на диске и созда-ется при форматировании диска или его части под NTFS. Оснастка Disk Management (Управление дисками) консоли ММС также позволяет со­здать том RAID, охватывающий несколько дисков.

На диске может быть один или несколько томов. NTFS обрабатывает каждый том независимо от других. Три примера конфигурации 150-мегабайтного жесткого диска показаны на рисунке.

С: С:

С: (75 Мб) (60 Мб)

(150 Мб)

D: D:

(75 Мб) (90 Мб)

Том состоит из набора файлов и свободного пространства, оставшегося в данном разделе диска. В FAT том также содержит области, специально отфор­матированные для использования файловой системой. Но в томе NTFS все дан­ные файловой системы вроде битовых карт, каталогов и даже начального за­грузочного кода хранятся как обычные файлы.

Кластеры.

Размер кластера на томе NTFS, или кластерный множитель (cluster factor), уста­навливается при форматировании тома командой format или в оснастке Disk Management. Размер кластера по умолчанию определяется размером тома, но всегда содержит целое число физических секторов с дискретностью N² (т.е. 1 сектор, 2 сектора, 4 сектора, 8 секторов и так далее). Кластерный множитель выражается числом байт в кластере, например 512 байт, 1 Кб или 2 Кб.

Внутренне NTFS работает только с кластерами. (Однако NTFS инициирует низкоуровневые операции ввода-вывода на томе, выравнивая передаваемые дан­ные по размеру сектора и подгоняя их объем под значение, кратное размеру секторов.) NTFS использует кластер как единицу выделения пространства для поддержания независимости от размера физического сектора. Это позволяет NTFS эффективно работать с очень большими дисками, используя кластеры большего размера, и поддерживать нестандартные диски с размером секторов, отличным от 512 байт. Применение больших кластеров на больших томах умень­шает фрагментацию и ускоряет выделение свободного пространства за счет небольшого проигрыша в эффективности использования дискового простран-ства. Команда format или оснастка Disk Management выбирает кластерный мно­житель в зависимости от размера тома, но Вы можете изменить это значение.

NTFS адресуется к конкретным местам на диске, используя логические номе­ра кластеров (logical cluster numbers, LCN). Для этого все кластеры на томе про­сто нумеруются по порядку — от начала до конца. Для преобразования LCN в физический адрес на диске NTFS умножает LCN на кластерный множитель и получает байтовое смещение от начала тома, воспринимаемое интерфейсом драйвера диска. На данные внутри файла NTFS ссылается по виртуальным но­мерам кластеров (virtual cluster numbers, VCN), нумеруя кластеры, которые при­надлежат конкретному файлу (от 0 до т). VCN не обязательно должны быть физически непрерывными.

В NTFS все данные, хранящиеся на томе, содержатся в файлах. Это относится и к структурам данных, используемым для поиска и выборки файлов, к начально­му загрузочному коду и битовой карте, в которой регистрируется состояние пространства всего тома (метаданные NTFS). Хранение всех видов данных в файлах позволяет файловой системе легко находить и поддерживать данные, а каждый файл может быть защищен дескриптором защиты. Кроме того, при по­явлении плохих секторов на диске, NTFS может переместить файлы метаданных.

Главная таблица файлов (MFT) занимает центральное место в структуре NTFS-тома. MFT реализована как массив записей о файлах. Размер каждой запи­си фиксирован и равен 1 Кб. Логически MFT содержит по одной строке на каждый файл тома, включая строку для самой MFT. Кроме MFT на каждом томе NTFS имеется набор файлов мета­данных с информацией, необходимой для реализации структуры файловой си­стемы. Имена всех файлов метаданных NTFS начинаются со знака доллара ($), хотя эти знаки скрыты. Так, имя файла MFT –– $Mft. Остальные файлы NTFS-тома являются обычными файлами и каталогами. Обычно каждая запись MFT соответствует отдельному файлу. Но если у фай­ла много атрибутов или он сильно фрагментирован, для него может понадо­биться более одной записи. Тогда первая запись MFT, хранящая адреса других записей, называется базовой (base file record).

При первом обращении к тому NTFS должна смонтировать его, то есть считать с диска метаданные и сформировать внутренние структуры данных, необходи­мые для обработки обращений к файловой системе. Чтобы смонтировать том, NTFS ищет в загрузочном секторе физический адрес MFT на диске. Запись о са­мой MFT является первым элементом в этой таблице, вторая запись указывает на файл в середине диска ($MftMirr), который называется зеркальной копией MFT и содержит копию первых нескольких строк MFT. Если по каким-либо причинам считать часть MFT не удастся, для поиска файлов метаданных будет использована именно эта копия MFT.

Файл

Найдя запсиь для МFT, NTFS получает из её атрибута данных информацию о сопоставлении VCN и LCN и сохраняет ее в памяти. В каждой группе (run) хра­нится сопоставление VCN-LCN и длина этой группы – вот и вся информация, необходимая для того, чтобы найти LCN по VCN. Эта информация сообщает NTFS, где на диске искать группы, образующие МFT. Затем NTFS обраба-тывает записи MFT еще для нескольких файлов метаданных и открывает эти файлы. Наконец, NTFS выполняет операцию восстановления файловой системы и открывает остальные файлы метаданных. С этого момента пользователь может обращаться к данному дис­ковому тому.

В процессе работы системы NTFS ведет запись в другой важный файл мета­данных - файл журнала с именем $LogFile. NTFS использует его для регистра­ции всех операций, влияющих на структуру тома NTFS, в том числе для регист­рации создания файлов и выполнения любых команд вроде Copy, модифициру­ющих структуру каталогов. Файл журнала используется и при восстанов-лении тома NTFS после аварии системы.

Еще один элемент MFT зарезервирован для корневого каталога (также обо­значаемого как «\»). Его запись содержит индекс файлов и каталогов, хранящих­ся в корне структуры каталогов NTFS. Когда NTFS впервые получает запрос на открытие файла, она начинает его поиск с записи корневого каталога. Открыв файл, NTFS сохраняет файловую ссылку MFT для этого файла и поэтому в следующий раз когда понадобится считать или записать тот же файл, сможет на­прямую обратиться к его записи в MFT.

NTFS регистрирует распределение дискового пространства в файле битовой карты (bitmap file) с именем $Bitmap. Атрибут данных для файла битовой кар­ты содержит битовую карту, каждый бит которой представляет кластер тома и сообщает, свободен кластер или выделен.

Файл защиты (security file) с именем $Secure хранит базу данных дескрип­торов защиты, действующих в пределах тома. Дескрипторы защиты файлов и каталогов NTFS можно настраивать индивидуально, но для экономии места хранит настройки дескрипторов защиты в общем файле, который позволяет файлам и каталогам с одинаковыми параметрами защиты ссылаться на один и тот же дескриптор защиты. Такая оптимизация даст существенную экономию в большинстве сред, потому что в них целые деревья каталогов имеют одинако­вые параметры защиты.

Другой системный файл, загрузочный (boot file), с именем $Boot хранит код начальной загрузки Windows 2000. Для успешного запуска системы код началь­ной загрузки должен находиться на диске в определенном месте. При форма­тировании команда format определяет это место в виде файла, создавая для него запись в MFT. При этом NTFS следует своим правилам, согласно которым все данные хранятся на диске в виде файлов. Загрузочный файл, как и файлы метаданных NTFS, может быть защищен индивидуальным дескриптором защиты, в такой модели «на диске есть только файлы» код начальной загрузки может быть изменен путем обычного файлового ввода-вывода, хотя загрузочный файл за­щищен от редактирования.

NTFS поддерживает файл плохих кластеров (bad-cluster file) с именем $BadClus, в котором регистрируются все сбойные участки дискового тома, и файл тома (volume file) с именем $Volume, который содержит имя тома, версию NTFS, под которую отформатирован том, и бит, устанавливае-мый при каком-либо повреждении диска. Если этот бит установлен, диск должен быть восста­новлен утилитой Chkdsk. Файл сопоставления имен с буквами в верхнем регис­тре (uppercase file) с именем $UpCase включает таблицу трансляции букв меж­ду верхним и нижним регистрами. NTFS также поддерживает файл, содержащий таблицу определения атрибутов (attribute definition table), с именем $AttrDef; в нем определяютcя типы атрибутов, поддерживаемые томом, и указывается, являются ли они индексируемыми, следует ли их восстанавливать в ходе опера­ции восстановления системы и т. д.

Некоторые файлы метаданных NTFS хранит в каталоге расширенных мета­данных $Extend, в том числе помещая туда файл идентификаторов объектов ($ObjId), файл квот ($Quota), файл журнала регистрации изменений ($UsnJrnl) и файл точек повторного разбора ($Reparse). В этих файлах содержится ин­формация, относящаяся к дополнительным возможностям NTFS. Файл иденти­фикаторов объектов хранит идентификаторы объектов «файл», файл квот – значения квот и информацию о поведении томов, на которых используются квоты, файл точек повторного разбора – список файлов и каталогов, включа­ющих данные точек повторного разбора, а в файле журнала изменений регис­трируются изменения файлов и каталогов.

Файл на томе NTFS идентифицируется 64-битным значением, которое называ­ется файловой ссылкой (file reference). Файловая ссылка состоит из номера фай­ла и номера последовательности. Номер файла равен позиции его записи в MFT минус 1 (или позиции базовой записи в МFT минус 1, если файл требует не­сколько записей). Номер последовательности в файловой ссылке увеличивает­ся на 1 при каждом повторном использовании позиции записи в MFT, что по­зволяет NTFS проверять внутреннюю целостность файловой системы. Файловую ссылку иллюстрирует рисунок.

63 47 0

Записи о файлах.

NTFS рассматривает файл не просто как хранилище текстовых или двоичных данных, а как совокупность пар атрибутов и их значений, одна из которых со­держит данные файла (соответствую-щий атрибут называется наименованным атрибутом данных). Другие атрибуты включают имя файла, метку времени и, возможно, дополнительные именованные атрибуты данных. Запись MFT для не-большого файла показана на рисунке.

Главная таблица файлов

Стандартная

информация Имя файла Данные

Каждый атрибут файла хранится в файле как отдельный поток байтов. Строго говоря, NTFS читает и записывает не файлы, а потоки атрибутов. NTFS поддер­живает следующие операции над атрибутами: создание, удаление, чтение (как диапазон байтов) и запись (как диапазон байтов). Сервисы чтения и записи обычно имеют дело с неименованным атрибутом данных. Однако вызыва-ющая программа может указать другой атрибут данных, используя синтаксис имено­ванных потоков данных.

В таблице перечислены атрибуты для файлов на томах NTFS (не у каж­дого файла есть все эти атрибуты).

В таблице даны имена атрибутов, но на самом деле атрибуты соответ­ствуют числовым кодам типов, используемым NTFS для упорядочения атрибу­тов в записи о файле. Файловые атрибуты в записи MFT размещаются в поряд­ке возрастания числовых значений этих кодов. Некоторые типы атрибутов встречаются в записи дважды – например, если у файла несколько атрибутов данных или несколько имён.

Каждый атрибут в записи о файле идентифицируется кодом типа атрибута, имеет значение и необязательное имя. Значение атрибута представляет собой байтовый поток. Так, значением атрибута $FILE_NAME является имя файла, зна­чением атрибута $DATA – произвольный набор байтов, сохранённых пользователем в файле.

У большинства атрибутов нет имени, хотя у $DATA и атрибутов, связанных с индексом, они обычно есть. Имена позволяют различать атрибуты файла, отно­сящиеся к одному типу. Например, в файле с именованным потоком данных есть два атрибута $DATA: неименованный атрибут $DATA, хранящий неименованный по умолчанию поток данных, и именованный атрибут $DATA с именем дополнительного потока данных.