Что такое файловая система, их виды и назначение?

Friday, April 26, 2024

В настоящее время компьютерный рынок предлагает множество возможностей хранения огромного количества личной или корпоративной информации в цифровой форме. Устройства хранения включают в себя внутренние и внешние жесткие диски, флэш-накопители USB, карты памяти фото / видеокамер, сложные RAID-системы и т. д. Фактические документы, презентации, изображения, музыка, видео, базы данных, электронные сообщения хранятся в виде файлов, которые могут занимать много места.

В этой статье представлено подробное описание того, как информация хранится на устройстве хранения.

Что такое файловая система?

Любой компьютерный файл хранится в хранилище с заданной емкостью. Фактически, каждое хранилище представляет собой линейное пространство для чтения или считывания и записи цифровой информации. Каждый байт информации в хранилище имеет свое собственное смещение от начала хранения (адрес) и ссылается на этот адрес. Хранилище может быть представлено в виде сетки с набором пронумерованных ячеек (каждая ячейка представляет собой один байт). Любой файл, который сохраняется в хранилище, получает эти ячейки.

Как правило, в компьютерных хранилищах используется пара секторов и смещение в секторе для ссылки на любой байт информации в хранилище. Сектор представляет собой группу байтов (обычно 512 байт), минимальную адресуемую единицу физического хранилища. Например, 1040 байт на жестком диске будет упоминаться как сектор № 3 и смещение в секторе 16 байт ([сектор - 512] + [сектор - 512] + [16 байт]). Эта схема применяется для оптимизации адресации хранилища и использования меньшего числа для ссылки на любую часть информации в хранилище.

Чтобы опустить вторую часть адреса (смещение в секторе), файлы обычно хранятся, начиная с начала сектора и занимая целые сектора (например, 10-байтовый файл занимает весь сектор, 512-байтовый файл также занимает весь сектор, в то же время 514-байтовый файл занимает два целых сектора).

Каждый файл хранится в «неиспользуемых» секторах и может быть прочитан по известному положению и размеру. Однако, как мы узнаем, какие сектора используются, а какие нет? Где хранятся размер, положение и имя файла? Эти ответы даются файловой системой.

Что такое файловая система

В целом файловая система представляет собой структурированное представление данных и набор метаданных, описывающих сохраненные данные. Файловая система служит для хранения всего хранилища, а также является частью изолированного сегмента хранения - раздела диска. Обычно файловая система управляет блоками, а не секторами. Блоки файловой системы представляют собой группы секторов, которые оптимизируют адресацию хранилища. Современные файловые системы обычно используют размеры блоков от 1 до 128 секторов (512-65536 байт). Файлы обычно хранятся в начале блока и занимают целые блоки.

Огромные операции записи / удаления в файловой системе приводят к фрагментации файловой системы. Таким образом, файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Например, хранилище целиком занимают файлы размером около 4 блоков (например, коллекция изображений). Пользователь хочет сохранить файл, который займет 8 блоков и, следовательно, удалит первый и последний файлы. Делая это, он очищает пространство на 8 блоков, однако первый сегмент близок к началу хранения, а второй - к концу хранилища. В этом случае файл с 8 блоками разбивается на две части (по 4 блока для каждой части) и занимает «дыры» свободного пространства. Информация об обоих фрагментах как части одного файла хранится в файловой системе.

В дополнение к файлам пользователя файловая система также содержит свои собственные параметры (например, размер блока), дескрипторы файлов (включая размер файла, местоположение файла, его фрагменты и т. д.), Имена файлов и иерархию каталогов. Он также может хранить информацию о безопасности, расширенные атрибуты и другие параметры.

Чтобы соответствовать различным требованиям, таким как производительность, стабильность и надежность хранилища, большое количество файловых систем разработано для обслуживания определенных пользовательских целей.

Файловые системы Windows

ОС Microsoft Windows использует две основные файловые системы: FAT, унаследованные от старой DOS с ее более поздним расширением FAT32 и широко используемыми файловыми системами NTFS. Недавно выпущенная файловая система ReFS была разработана Microsoft как файловая система нового поколения для серверов Windows 8, 10.

FAT:

FAT (таблица распределения файлов ) - один из простейших типов файловых систем. Он состоит из сектора дескриптора файловой системы (загрузочного сектора или суперблока), таблицы распределения блоков файловой системы (называемой таблицей распределения файлов) и простого пространства для хранения файлов и папок. Файлы в FAT хранятся в каталогах. Каждый каталог представляет собой массив из 32-байтных записей, каждый из которых определяет файлы или расширенные атрибуты файла (например, длинное имя файла). Запись файла присваивает первый блок файла. Любой следующий блок можно найти через таблицу распределения блоков, используя его как связанный список.

Таблица распределения блоков содержит массив дескрипторов блоков. Значение «ноль» указывает, что блок не используется, а значение отличное от нуля относится к следующему блоку файла или специальному значению для конца файла.

Числа в FAT12, FAT16, FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. Это означает, что FAT12 может использовать до 4096 различных ссылок на блоки, в то время как FAT16 и FAT32 могут использовать до 65536 и 4294967296 соответственно. Фактическое максимальное количество блоков еще меньше и зависит от реализации драйвера файловой системы.

FAT12 использовался для старых дискет. FAT16 (или просто FAT) и FAT32 широко используются для карт флэш-памяти и USB-флеш-накопителей. Система поддерживается мобильными телефонами, цифровыми камерами и другими портативными устройствами.

FAT или FAT32 - это файловая система, которая используется в Windows-совместимых внешних хранилищах или дисковых разделах с размером менее 2 ГБ (для FAT) или 32 ГБ (для FAT32). Windows не может создать файловую систему FAT32 более чем на 32 ГБ (однако Linux поддерживает FAT32 до 2 ТБ).

NTFS:

NTFS (новая технологическая файловая система) была представлена в Windows NT и в настоящее время является основной файловой системой для Windows. Это файловая система по умолчанию для дисковых разделов и единственная файловая система, которая поддерживает разделы диска по 32 ГБ. Файловая система довольно расширяема и поддерживает многие свойства файла, включая контроль доступа, шифрование и т. д. Каждый файл в NTFS хранится в виде файлового дескриптора в таблице основных файлов и содержимом файла. Таблица главного файла содержит всю информацию о файле: размер, распределение, имя и т. д. В первом и последнем секторах файловой системы содержатся параметры файловой системы (загрузочная запись или суперблок). Эта файловая система использует 48 и 64-битные значения для ссылок на файлы, тем самым поддерживая дисковые хранилища с большой емкостью.

ReFS:

ReFS (Resilient File System) - последняя разработка Microsoft, доступная в настоящее время для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы абсолютно отличается от других файловых систем Windows и в основном организована в виде B + -tree. ReFS обладает высокой устойчивостью к отказам из-за новых функций, включенных в систему, а именно, Copy-on-Write (CoW): никакие метаданные не изменяются без копирования; данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих данных. При любых модификациях файлов новая копия метаданных хранится в свободном пространстве для хранения, а затем система создает ссылку из старых метаданных в более новую. Таким образом, система хранит значительное количество старых резервных копий в разных местах, обеспечивая легкое восстановление файлов, если это место для хранения не перезаписано.

Для получения информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу «Шансы для восстановления».

Файловые системы MacOS

Операционная система Apple MacOS применяет две файловые системы: HFS +, расширение к своей собственной файловой системе HFS, используемой на старых компьютерах Macintosh, и недавно выпущенную APFS.

Файловая система HFS + работает под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также продукты Apple X Server. В расширенных серверных продуктах также используется файловая система Apple Xsan, кластерная файловая система, созданная из файловых систем StorNext или CentraVision.

Эта файловая система хранит файлы и папки и информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т. д.

Для получения информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу «Шансы для восстановления».

Файловые системы Linux

ОС Linux с открытым исходным кодом нацелена на внедрение, тестирование и использование различных концепций файловых систем.

Самые популярные файловые системы Linux:

Ext2, Ext3, Ext4 - «родная» файловая система Linux. Эта файловая система подпадает под активные разработки и улучшения. Файловая система Ext3 - это просто расширение Ext2, которое использует операции записи транзакций с журналом. Ext4 является дополнительной расширенной разработкой Ext3, с поддержкой оптимизированной информации о распределении файлов (экстентов) и расширенных атрибутов файлов. Эта файловая система часто используется как «корневая» файловая система для большинства установок Linux.
ReiserFS - альтернативная файловая система Linux для хранения огромного количества небольших файлов. Она имеет хорошие возможности поиска файлов и позволяет компактно распределять файлы, сохраняя хвосты файлов или небольшие файлы вместе с метаданными, чтобы не использовать большие блоки файловой системы для той же цели.
XFS - файловая система, созданная компанией SGI и первоначально использовавшаяся для серверов IRIX компании. Теперь спецификации XFS реализованы в Linux. Файловая система XFS имеет отличную производительность и широко используется для хранения файлов.
JFS - файловая система, разработанная IBM для мощных вычислительных систем компании. JFS1 обычно обозначает JFS, JFS2 - вторая версия. В настоящее время эта файловая система является с открытым исходным кодом и реализована в большинстве современных версий Linux.

Концепция «жесткой связи», используемая в таких операционных системах, делает большинство файловых систем Linux одинаковыми, поскольку имя файла не рассматривается как атрибут файла и скорее определяется как псевдоним для файла в определенном каталоге. Объект файла можно связать со многими местоположениями, даже размножаться из одного и того же каталога под разными именами. Это может привести к серьезным и даже непреодолимым трудностям при восстановлении имен файлов после удаления файлов или повреждения файловой системы.

Для получения информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу «Шансы для восстановления».

Файловые системы BSD, Solaris, Unix

Наиболее распространенной файловой системой для этих операционных систем является UFS (Unix File System), также часто называемая FFS (Fast File System).

В настоящее время UFS (в разных версиях) поддерживается всеми операционными системами семейства Unix и является основной файловой системой ОС BSD и операционной системы Sun Solaris. Современные компьютерные технологии, как правило, реализуют замены для UFS в разных операционных системах (ZFS для Solaris, JFS и производных файловых систем для Unix и т. д.).

Для получения информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу «Шансы для восстановления».

Кластерные файловые системы

Кластерные файловые системы используются в компьютерных кластерных системах. Эти файловые системы поддерживают распределенное хранилище.

Распределенные файловые системы включают:

ZFS - «Zettabyte File System» - новая файловая система, разработанная для распределенных хранилищ Sun Solaris OS.
Apple Xsan - эволюция компании Apple в CentraVision и более поздних файловых системах StorNext.
VMFS - «Файловая система виртуальных машин», разработанная компанией VMware для своего VMware ESX Server.
GFS - Red Hat Linux «Глобальная файловая система».
JFS1 - оригинальный (устаревший) дизайн файловой системы IBM JFS, используемой в старых системах хранения AIX.

Общие свойства этих файловых систем включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность.

Для получения дополнительной информации о восстановлении данных из этих файловых систем посетите страницу «Шансы для восстановления».