Файловая система NTFS

Файловая система NTFS



Начнем с общих фактов. Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно размера. Предел, конечно, есть, но я даже не буду указывать его, так как его с запасом хватит на последующие сто лет развития вычислительной техники - при любых темпах роста. Как обстоит с этим дело на практике? Почти так же. Максимальный размер раздела NTFS в данный момент ограничен лишь размерами жестких дисков. NT4, правда, будет испытывать проблемы при попытке установки на раздел, если хоть какая-нибудь его часть отступает более чем на 8 Гб от физического начала диска, но эта проблема касается лишь загрузочного раздела.

Лирическое отступление. Метод инсталляции NT4.0 на пустой диск довольно оригинален и может навести на неправильные мысли о возможностях NTFS. Если вы укажете программе установки, что желаете отформатировать диск в NTFS, максимальный размер, который она вам предложит, будет всего 4 Гб. Почему так мало, если размер раздела NTFS на самом деле практически неограничен? Дело в том, что установочная секция просто не знает этой файловой системы:) Программа установки форматирует этот диск в обычный FAT, максимальный размер которого в NT составляет 4 Гбайт (с использованием не совсем стандартного огромного кластера 64 Кбайта), и на этот FAT устанавливает NT. А вот уже в процессе первой загрузки самой операционной системы (еще в установочной фазе) производится быстрое преобразование раздела в NTFS; так что пользователь ничего и не замечает, кроме странного "ограничения" на размер NTFS при установке.:) 



Структура раздела - общий взгляд



Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт. Никаких аномалий кластерной структуры NTFS не имеет, поэтому на эту, в общем-то, довольно банальную тему, сказать особо нечего.

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону - пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов. 







Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место - незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Жизнь продолжается... Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.


MFT и его структура



Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл - даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table - общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности - они очень важны - хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска - восстановить его положение можно с помощью его самого, "зацепившись" за самую основу - за первый элемент MFT.



Метафайлы



Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество настолько модульного подхода заключается в поразительной гибкости - например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности - кроме первых 16 элементов MFT. 

Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска - они начинаются с символа имени "$", хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Любопытно, что и для этих файлов указан вполне реальный размер - можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию всего вашего диска, посмотрев размер файла $MFT. В следующей таблице приведены используемые в данный момент метафайлы и их назначение.



$MFT

сам MFT

$MFTmirr

копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска

$LogFile

файл поддержки журналирования (см. ниже)

$Volume

служебная информация - метка тома, версия файловой системы, т.д.

$AttrDef

список стандартных атрибутов файлов на томе

$.

корневой каталог

$Bitmap

карта свободного места тома

$Boot

загрузочный сектор (если раздел загрузочный)

$Quota

файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (начал работать лишь в NT5)

$Upcase

файл - таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode, что составляет 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.



Файлы и потоки



Итак, у системы есть файлы - и ничего кроме файлов. Что включает в себя это понятие на NTFS?

Прежде всего, обязательный элемент - запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд. 

Опциональный элемент - потоки данных файла. Может показаться странным определение "опциональный", но, тем не менее, ничего странного тут нет. Во-первых, файл может не иметь данных - в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во-вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда идет в ход довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего "физического" воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте - в MFT. 

Довольно интересно обстоит дело и с данными файла. Каждый файл на NTFS, в общем-то, имеет несколько абстрактное строение - у него нет как таковых данных, а есть потоки (streams). Один из потоков и носит привычный нам смысл - данные файла. Но большинство атрибутов файла - тоже потоки! Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а всё остальное опционально. Данная абстракция может использоваться для создания довольно удобных вещей - например, файлу можно "прилепить" еще один поток, записав в него любые данные - например, информацию об авторе и содержании файла, как это сделано в Windows 2000 (самая правая закладка в свойствах файла, просматриваемых из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами: наблюдаемый размер файла - это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длинны, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места - просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология прилепила в нему дополнительный поток (альтернативные данные) гигабайтового размера. Но на самом деле в текущий момент потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны. Просто имейте в виду, что файл на NTFS - это более глубокое и глобальное понятие, чем можно себе вообразить просто просматривая каталоги диска. Ну и напоследок: имя файла может содержать любые символы, включая полый набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла - 255 символов.



Каталоги



NTFS обеспечивает комбинацию эффективности, надежности и совместимости, отсутствующую в FAT или HPFS. Она разработана для быстрого выполнения стандартных файловых операций типа чтения, записи и поиска, а также улучшенных операций типа восстановления файловой системы на очень больших жестких дисках.

NTFS также включает возможности безопасности, требуемые для файловых серверов и высококачественных персональных компьютеров в корпоративной среде. NTFS поддерживает управление доступом к данным и привилегии владельца, что является важным для целостности корпоративных данных. В то время как каталогам, разделяемым при помощи Windows NT Server, назначаются специфические разрешения, файлам и каталогам NTFS могут назначаться разрешения вне зависимости, разделены они или нет. NTFS — единственная файловая система в Windows NT, которая позволяет назначить разрешения для отдельных файлов.

NTFS является простой, но очень мощной разработкой. Для этой перспективной файловой системы вся информация на томе NTFS является файлом или частью файла. Каждый распределенный на томе NTFS сектор принадлежит некоторому файлу. Даже метаданные (metadata) файловой системы (информация, которая описывает непосредственно файловую систему) являются частью файла.

Эта основанная на атрибутах файловая система поддерживает объектно - ориентированные приложения, обрабатывая все файлы как объекты, которые имеют определяемые пользователем и системой атрибуты.


Главная файловая таблица



Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле, называемом главной файловой таблицей (MFA — master file table). NTFS резервирует первые 16 записей таблицы для специальной информации. Первая запись этой таблицы описывает непосредственно главную файловую таблицу;

за ней следует зеркальная запись (mirror record) MFT. Если первая запись MFT разрушена, то NTFS читает вторую запись для отыскания зеркального файла MFT, первая запись которого идентична первой записи MFT. Местоположения сегментов данных MFT и зеркального файла MFT записаны в секторе начальной загрузки. Дубликат сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска.

Третья запись MFT — файл регистрации (log file); используется для восстановления файлов. Файл регистрации подробно описан в настоящей главе ниже. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами (также рассматриваются как файлы NTFS) на томе. На рис. 5.5 показана упрощенная структура MFT.

Главная файловая таблица отводит определенное количество пространства дтя каждой записи файла. Атрибуты файла записываются в распределенное пространство MFT. Небольшие файлы и каталоги (обычно до 1500 байт или меньше), типа файла, показанного на рис. 5.6, могут полностью содержать. внутри записи главной файловой таблицы.

Подобный подход обеспечивает очень быстрый доступ к файлам. Рассмотрим. например, файловую систему FAT, которая использует таблицу размещения файлов, в которой перечисляются имена и адрес каждого файла. Элементы каталога FAT содержат индекс в таблице размещения файла. В случае если необходимо просмотреть содержимое файла, FAT сначала читает таблицу размещения файлов и убеждается в существовании файла. Далее FAT восстанавливает файл, ища цепочку распределенных блоков, относящихся к этому файлу. В NTFS поиск файла производится только для непосредственного его использования.



Стандартная информация

Имя файла или каталога

Дескриптор безопасности

Данные или указатель





Записи каталога помещены внутри главной файловой таблицы так же, как записи файла. Вместо данных каталоги содержат индексную информацию. Небольшие записи каталогов находятся полностью внутри структуры MFT. Большие каталоги организованы в B-tree, имея записи с указателями на внешние кластеры, содержащие элементы каталога, которые не могли быть записаны внутри структуры MFT.



Атрибуты файла NTFS



NTFS просматривает каждый файл (или каталог) как набор атрибутов файла. Такие элементы, как имя файла, информация зашиты и даже данные — все это атрибуты файла. Каждый атрибут идентифицирован кодом типа атрибута и, необязательно, именем атрибута.

Если атрибуты файла могут находится внутри записи файла MFT, они называются резидентными (resident) атрибутами. HanpHMqi, информация типа имени файла и отметки времени всегда включается в запись файла MFT. Если файл слишком большой, чтобы содержать все атрибуты в записи файла MFT, часть атрибутов является нерезидентной (nonresident). Нерезидентные атрибуты занимают один или несколько пробегов (run) дискового пространства в другом месте тома (пробег дискового пространства — непрерывная линейная область на диске).

Вообще, все атрибуты могут быть вызваны как поток бантов независимо от того, являются ли они резидентными или нерезидентными.

В табл. 5.1 представлен список всех атрибутов файла, в настоящее время определенных для NTFS. Этот список расширяем, т. е. другие атрибуты файла в будущем могут быть определены в случае необходимости.



Таблица 5.1. Атрибуты файла NTFS

Тип атрибута

Описание

Standard Information (стандартная информация)

Включает бюджет связи и так далее

Attribute List (список атрибутов)

Перечисляет все другие атрибуты (только в больших файлах)

Filename (имя файла)

Атрибут, повторяющийся для длинных и для коротких имен файлов Длинное имя файла может содержать до 255 символов Unicode Короткое имя — доступно для MS-DOS, восемь плюс три символа, без учета регистра Дополнительные имена, или жесткие связи (hard links), используются POSIX и могут быть также включены в качестве дополнительных атрибутов имени файла

Security Descriptor (дескриптор безопасности)

Фиксирует информацию о том, кто может обращаться к файлу, кто является его владельцем и так далее

Data (данные)

Содержит данные файла

Index Root (корень индексов)

Используется при работе с каталогами

Index Allocation (индексное размещение)

Используется при работе с каталогами

Volume Information (информация тома)

Используется только в системном файле тома и включает в частности версию и имя тома

Bitmap (битовый массив)

Предоставляет информацию об использовании записей в MFT или каталоге

Extended Attribute Information (информация расширенного атрибута)

Используется файловыми серверами, которые связаны с системами OS/2 Этот тип атрибута не используется Windows NT

Extended Attributes (расширенные атрибуты)

Используется файловыми серверами, которые связаны с системами OS/2 Этот тип атрибута не используется Windows NT



Длинные и короткие имена файлов



Подобно HPFS, NTFS поддерживает имена файла до 255 символов. Имена файла NTFS используют набор символов Unicode с 16 битами; однако вопрос доступа из MS-DOS решен. NTFS автоматически генерирует поддерживаемое MS-DOS имя (восемь плюс три символа) для каждого файла. Таким образом, файлы NTFS могут использоваться через сеть операционными системами MS-DOS и OS/2. Это особенно важно для файловых серверов организации, которая использует персональные компьютеры с двумя или всеми тремя этими операционными системами.

Создавая имена файла “восемь плюс три”, NTFS также позволяет приложениям MS-DOS и Windows 3-х работать с файлами, имеющими длинные имена NTFS Кроме того, при сохранении файла приложениями MS-DOS или Windows 3.\ на томе NTFS сохраняются и имя файла “восемь плюс три” и длинное имя NTFS.

Внимание! При сохранении файла приложениями MS-DOS или Windows З.х на томе NTFS, если приложение сохраняет временный файл, удаляет первоначальный файл и переименовывает временный файл с первоначальным именем, длинное имя файла теряется. Любой уникальный набор разрешений файла также теряется. Разрешения передаются заново из родительского каталога.

Если длинное имя файла или каталога на томе NTFS содержит пробелы, следует убедиться, что путь записан в кавычках. Это справедливо при определении пути в Program Manager для значков приложений Например, предположим, что Word for Windows установлен в D WORD FOR WINDOWS. Командная строка Program Item Properties должна быть установлена в D WORD FOR WINDOWSWINWORD ЕХЕ. При отсутствии кавычек будет отображено сообщение об ошибке “The path DAWord is invalid” (Путь D:\Word недопустим).

Ниже приведен пример легальной записи командной строки, содержащей пробелы:



move "с:\This month's reports\*.*" "с:\Last mont's reports'


Внимание! Необходимо внимательно подходить к использованию групповых символов типа * и ? вместе с командами del и copy. При выполнении этих команд NTFS работает и с длинным и с коротким именем файла; таким образом могут быть удалены или скопированы лишние файлы.

Для копирования или перемещения файлов с чувствительными к регистру длинными именами, самым надежным способом является выбор файлов с использованием мыши в File Manager. Этот способ позволяет однозначно определить файлы для выполнения операций над ними.

При работе с Windows NT 3.5 файлы, созданные или переименованные в разделах FAT, могут иметь связанные длинные имена. Правила управления длинными именами файла на томе NTFS также относятся к длинным именам файла на разделах FAT; отличие заключается в том, что имена файла на FAT нс могут содержать расширенные символы. Дополнительную информацию о поддержке длинных имен файлов для разделов FAT можно найти в разделе “Файловая система FAT”. Генерация короткого имени файла

Поскольку NTFS использует набор символов Unicode для имен файлов, существует возможность задействования нескольких “запрещенных” символов, которые MS-DOS не может читать в имени файла. Для генерации короткого имени файла в стиле MS-DOS, NTFS удаляет все эти символы и любые пробелы из длинного имени файла. Так как имя файла в MS-DOS может иметь только одну точку, NTFS также удаляет все дополнительные точки из имени файла. Далее, в случае необходимости NTFS усекает имя файла до шести символов и добавляет тильду (~) и номер. Например, к каждому недублированному имени файла добавляется -1. Повторяющиеся имена файлов заканчиваются символами ~2, ~3 и т. д. Расширение имени файла усекается до трех или меньшего количества символов. Наконец, при отображении имени файла в командной строке NTFS транслирует все символы в имени файла и расширении к верхнему регистру (File Manager отображает эти имена файла в нижнем регистре).

Windows NT 3.5 использует несколько другой метод для создания коротких имен файлов для случая, когда имеется пять или более файлов, которые привели бы к двойным коротким именам файла. Для пятого и последующих файлов Windows NT использует только первые два символа от длинного имени файла и далее специальной математической операцией (функция от длинного имени) генерирует следующие уникальные четыре символа короткого имени файла; после этого к результату добавляется ~5 (или другой номер в случае необходимости избежания двойного имени файла). Такой метод обеспечивает в основном повышенную эффективность для случая, когда Windows NT должна создавать короткие имена файлов для большого количества файлов с похожими длинными именами. Windows NT использует этот метод создания коротких имен для томов FAT и NTFS.

По умолчанию, Windows NT 3.5 поддерживает имена файлов в формате MS-DOS на всех томах NTFS. Для повышения эффективности работы на томах с большим количеством длинных похожих имен можно запретить эту возможность для всех томов. Для отключения поддержки коротких имен файлов на всех томах NTFS необходимо установить в 1 значение NTfsDisable8dot3NameCreation следующего элемента реестра:



HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Control\FileSystem



Windows NT не генерирует коротких имен для файлов, созданных приложениями POSIX в разделе NTFS. Это означает, что приложения MS-DOS и Windows З.х не смогут работать с подобными именами, если эти имена не удовлетворяют условию “восемь плюс три”. В случае необходимости работы из приложений MS-DOS или Windows с файлами, которые созданы приложениями POSIX, следует убедиться, что использованы стандартные имена MS-DOS. Просмотр коротких имен файла

File Manager и команда dir позволяют отображать или длинные имена файлов NTFS или короткие имена стандарта MS-DOS, так что можно работать с файлами, используя оба типа имен. Для просмотра коротких имен файлов в File Manager следует выбрать Full File Details.

При работе с командной строкой просмотр обоих типов имен осуществляется с использованием команды: dir /х

Внимание! Для автоматического отображения длинных и коротких имен файлов следует с помощью значка System ю Control Panel установить для переменно” dircmd значение /х.