Особенности файловой системы NTFS

Особенности файловой системы NTFS

Файловая система NTFS была разработана специально для использования в ОС Windows NT как замена для устаревшей системы FAT. NTFS является основной системой и для новых версий — Windows 2000/XP.

Система NTFS спроектирована как очень мощная многопользовательская файловая система с большим количеством возможностей. Тем не менее, как утверждают разработчики, NTFS обеспечивает более быстрый доступ к данным, чем предельно простая система FAT, если объем диска превышает 600 Мб.

Среди возможностей, отсутствующих в FAT, но реализованных в NTFS, можно назвать следующие.

 Развитые средства защиты данных, предотвращающие возможность несанкционированного доступа к данным и при этом позволяющие весьма детально разграничить права доступа для различных пользователей и групп пользователей.

 Быстрый поиск файлов в больших каталогах.

 Обеспечение целостности данных в случае сбоев или отключения питания, основанное на механизме транзакций. Это означает, что любая операция с файлом рассматривается как неделимое действие (транзакция), которое должно быть либо выполнено до конца, либо не выполнено вовсе. В ходе операции система протоколирует в специальном журнале ход выполнения отдельных этапов транзакции: запись данных, внесение изменений в каталог и т.п. Если транзакция будет прервана на промежуточном этапе, то при следующей загрузке системы информация из журнала позволит «откатить» недовыполненную транзакцию, т.е. отменить выполненные этапы.

 Возможность сжатия данных на уровне отдельных файлов (т.е. на одном дисковом томе могут храниться файлы как в сжатом, так и в несжатом формате).

 Возможность хранения файлов в зашифрованном виде.

 Механизм точек повторного анализа (reparse points), позволяющий для отдельных каталогов задать действия, которые должны выполняться всякий раз, когда система обращается к данному каталогу. В частности, этот механизм позволяет реализовать такие UNIX-подобные возможности, как символические связи и монтирование файловых систем.

 Возможность протоколирования всех изменений, происходящих в файловой системе, таких как создание, изменение и удаление файлов и каталогов.

 Расширяемость системы. Учтя трудный опыт, связанный с попытками модернизации FAT, разработчики NTFS заранее заложили в систему возможность добавления новых, не предусмотренных в настоящее время атрибутов файлов.

Некоторые возможности, заложенные в файловую систему NTFS, даже опережают развитие ОС Windows и пока не могут быть использованы в этой системе.

Структуры дисковых данных в NTFS. Таблица MFT, атрибуты файлов.

Структуры дисковых данных

Общую структуру хранения данных на диске в системе NTFS часто характеризуют двумя короткими фразами:

На диске нет ничего, кроме файлов.

В файле нет ничего, кроме атрибутов.

Поговорим подробнее об этих загадочных утверждениях.

Главная таблица файлов

Наиболее важной частью файловой системы на диске является главная таблица файлов (MFT, Master File Table). Эта таблица содержит записи обо всех файлах и каталогах, расположенных на данном томе. Размер записи составляет один кластер, но не менее 1 Кб. Если метаданные о файле не помещаются в одной записи, то могут быть использованы дополнительные записи (не обязательно соседние).

После форматирования дискового тома, когда на нем еще нет пользовательских файлов, MFT содержит 16 записей, из которых 11 содержат описания файлов метаданных, а 5 зарезервированы как дополнительные. Список файлов метаданных достаточно интересен.

 Первая запись MFT описывает саму MFT, которая тоже считается файлом. Это отнюдь не формальность, поскольку MFT может, как и прочие файлы, состоять из нескольких сегментов, размещение которых задается в этой записи.

 Копия первых 16 записей MFT, которая хранится как файл где-нибудь в середине диска. Это позволяет восстановить метаданные в случае повреждения основного экземпляра MFT.

 Журнал протоколирования транзакций.

 Файл информации о томе: имя тома, серийный номер, дата форматирования и т.п.

 Файл с перечислением всех атрибутов, используемых для описания файлов на данном томе. Таким образом, список атрибутов не является жестко фиксированным и может быть расширен в последующих версиях NTFS.

 Корневой каталог тома.

 Битовая карта занятости кластеров тома.

 BOOT-сектор. Он по-прежнему является первым сектором тома, но тоже считается файлом.

 Файл, состоящий из всех дефектных кластеров на данном томе. Это дает основания пометить в битовой карте все дефектные кластеры как занятые.

 Файл, содержащий все различные дескрипторы защиты, используемые для файлов и каталогов данного тома.

 Файл, задающий пары прописных / строчных букв для всех языков, поддерживаемых Windows. Такие данные необходимы, поскольку имена файлов могут содержать буквы обоих типов, но в Windows по традиции регистр букв в именах файлов не различается (в отличие, например, от UNIX).

 Каталог, содержащий еще 4 файла метаданных, добавленных в Windows 2000. К ним относятся:

 файл уникальных 16-байтовых идентификаторов, создаваемых Windows для каждого файла, на который имеется ярлык или OLE-связь; это позволяет автоматически исправить ярлык, если исходный файл был перемещен в другой каталог или даже на другой компьютер в пределах домена сети;

 файл квот дискового пространства, выделяемых каждому пользователю;

 файл точек повторного анализа, установленных для каталогов данного тома;

 файл журнала изменений, происходящих на томе.

Далее, начиная с 17-й позиции MFT, хранятся записи метаданных о файлах и каталогах, размещенных на данном томе.

Система пытается сохранить MFT непрерывной, поскольку это ускоряет обращение ко всем описанным в ней файлам. Для этого система старается по возможности не занимать некоторую область в начале диска под размещение файлов, сохраняя свободное место для роста MFT.

Атрибуты файла

Каждая запись MFT содержит набор атрибутов, который может различаться для разных файлов и каталогов.

Атрибут в NTFS состоит из заголовка и значения, а заголовок, в свою очередь, содержит тип атрибута, его имя, длину и данные о размещении атрибута. Имя атрибута может отсутствовать, остальные поля обязательны. Заголовок атрибута всегда хранится в самой записи MFT, а значение — либо тоже в самой записи (при этом атрибут называется резидентным), либо в кластере области данных (нерезидентный атрибут). Некоторые типы атрибутов обязаны быть резидентными, для других типов выбор размещения зависит от наличия достаточного свободного места в записи MFT. Если атрибут нерезидентный, то в заголовке указываются сведения о размещении его значения на диске.

Рассмотрим наиболее важные типы атрибутов, используемых в записи о файле.

 Имя файла. Этот атрибут всегда резидентен. Допускается несколько атрибутов этого типа, например, «длинное» имя (до 255 символов, включая буквы любого языка) и имя «8 + 3» для того же файла.

 Стандартная информация. Это примерно та информация о файле, которая хранилась в записи каталога FAT: размер файла, временные штампы и битовые флаги.

 Дескриптор защиты. Он служит для задания прав доступа к данному файлу для различных пользователей и групп. В новых версиях NTFS запись MFT содержит не сам дескриптор, а ссылку на его место в системном файле. Так получается компактнее, поскольку обычно на диске имеется много файлов с одинаковыми дескрипторами защиты и лучше хранить каждый дескриптор один раз, в специально отведенном для этого файле метаданных.

 Данные. Это самое неожиданное при первом знакомстве с NTFS: сами данные файла рассматриваются как один из типов атрибутов этого файла. Следующая неожиданность состоит в том, что атрибут данных небольшого файла может храниться резидентно в составе записи MFT. Напомним, что размер этой записи — от 1 Кб и больше, так что место для данных маленького файла может найтись. Безусловно, резидентное хранение данных позволяет ускорить доступ к ним, поскольку запись MFT так или иначе всегда читается при открытии файла.

Еще одна интересная особенность NTFS заключается в том, что один файл может иметь несколько атрибутов данных, определяющих несколько потоков данных (streams). Один из потоков безымянный, остальные должны иметь имена. Получается как бы целый каталог файлов внутри одного файла. Безусловно, для этой возможности можно придумать интересные применения, однако ни в одной версии Windows, включая XP, пока не предусмотрены API-функции, работающие с потоками данных.

Если запись MFT описывает не файл, а каталог, то вместо атрибута данных в ней содержится другой атрибут, содержащий либо весь каталог, либо его часть. Если каталог слишком велик, то другие его части хранятся в нерезидентных атрибутах еще одного типа. Здесь мы не будем рассматривать этот вопрос детально, однако следует отметить, что атрибуты, описывающие большой каталог, образуют структуру данных, известную как Б-дерево (B-tree). Эта структура позволяет ускорить поиск файла в каталоге.

Запись каталога содержит лишь имя файла, номер записи об этом файле в MFT и копию атрибута «стандартная информация». Эта копия позволяет отображать содержимое каталога без чтения записей MFT о каждом файле.

При сравнении структуры NTFS с ранее рассмотренной структурой s5fs можно найти некоторую аналогию между таблицей MFT и массивом индексных дескрипторов, содержащих всю информацию о файле в s5fs. При этом NTFS имеет значительно более сложную структуру и предоставляет много дополнительных возможностей.