Файловые системы Файловая система NTFS

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Файловые системы Файловая система NTFS

Содержание

2. Краткое описание Разработана для быстрого выполнения стандартных файловых операций типа чтения, записи и поиска. Поддерживает улучшенные
3. Понятия и термины NTFS Структура NTFS начинается с тома (volume). Том соответствует логическому разделу на диске
4. Типы томов Простой том (simple) Составной том (spanned) – том, использующий более одного раздела для формирования
5. Внутреннее имя тома В разделе HKEY_LOCAL_ MACHINE\SYSTEM\MountedDevices системного реестра хранится информация о базовых дисках. Внутреннее имя
6. Развитие NTFS NTFS была разработана для семейства OC MS Windows NT. В ОС Windows 2000-2003 реализовано
7. Размер кластера для NTFS Пользователь может определить размер кластера при форматировании тома NTFS /a: , т.е.
8. NTFS и архитектура Windows 2000
9. Физическая структура NTFS NTFS поддерживает размеры кластеров – от 512 байт до 64 Кбайт
10. Физическая структура NTFS Том NTFS условно делится на две части. Первые 12% тома отводятся под так
11. MFT и ее структура Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле, называемом главной
12. MFT и ее структура
13. Метафайлы Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска –
14. Метафайлы
15. Перечень метафайлов (1)
16. Перечень метафайлов (2)
17. Атрибуты файлов Главная файловая таблица отводит определенное количество пространства для каждой записи файла (4Кбайт). Атрибуты файла
18. Заголовок атрибута
19. Атрибуты файлов NTFS (1)
20. Атрибуты файлов NTFS(2)
21. Хранение файлов Файлы NTFS в общем случае состоят из следующих атрибутов: заголовок записи MFT (H -
22. Резидентное хранение файлов и каталогов Файлы и каталоги с размером менее размера записи MFT могут полностью
23. Резидентное хранение файлов и каталогов Если значение атрибута хранится непосредственно в MFT, время, необходимое NTFS для
24. Нерезидентное хранение файлов Конечно, в большинстве случаев все данные файла не помещаются в запись MFT, поэтому
25. Нерезидентное хранение файлов среднего размера
26. Нерезидентное хранение файлов среднего размера На предыдущем слайде показана запись MFT для файла среднего размера. Файл
27. Нерезидентное хранение больших и сверхбольших файлов Если файл настолько велик (или сильно фрагментирован), что его атрибут
28. Сжатие файлов Файловая система NTFS поддерживает прозрачное сжатие файлов. Сжатие файлов производится следующим образом. Когда файловая
29. Сжатие файлов
30. Сжатие файлов На слайде показан файл, в котором первые 16 блоков успешно сжаты в 8 блоков,
31. Разреженные файлы (sparse files) Другой тип сжатия известен как разреженные файлы. Если у вас есть файлы,
32. Разреженные файлы (sparse files) Разреженные файлы конвертируются с помощью следующей команды: fsutil sparse.
33. Многопоточные файлы При необходимости в одном файле, записанном на диске NTFS, можно хранить несколько потоков информации.
34. Многопоточные файлы Проведем следующий эксперимент. На машине Windows 2003 откроем окно командной строки. Перейдем в раздел
35. Каталоги NTFS Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги,
36. Простой и бинарный поиск
37. Бинарное дерево
38. Хранение каталогов Небольшие записи каталогов находятся полностью внутри структуры MFT так же, как записи файла (копии
39. Пример хранения каталогов а) запись MFT для небольшого каталога (резидентное хранение) б) запись MFT для “большого”
40. Запись MFT для небольшого каталога Запись MFT для небольшого каталога содержит несколько каталоговых записей, каждая из
41. Хранение корневого каталога
42. Пример нерезидентного хранения каталогов На рисунке показана запись MFT каталога, в трех узлах которой содержится девять
43. Пример нерезидентного хранения каталогов
45. Скачать презентацию

Слайд 2

Краткое описание
Разработана для быстрого выполнения стандартных файловых операций типа чтения, записи

и поиска.
Поддерживает улучшенные операции восстановления файловой системы на очень больших жестких дисках.
Включает возможности безопасности, требуемые для файловых серверов и высококачественных персональных компьютеров в корпоративной среде.

Слайд 3

Понятия и термины NTFS
Структура NTFS начинается с тома (volume). Том соответствует

логическому разделу на диске и создается, когда Вы форматируете диск или часть его для NTFS.
NTFS обрабатывает каждый том независимо от других.

На одном диске может находиться один или несколько томов.

Слайд 4

Типы томов
Простой том (simple)
Составной том (spanned) – том, использующий более одного

раздела для формирования одного протяженного. Можно использовать разделы с разных дисков для создания набора томов, большего по объему, чем любой имеющийся на компьютере физический диск.
Зеркальный том (mirrored, RAID 0) содержит копии своих данных на двух разделах. В случае зеркала запись данных производится на оба раздела, а считывание происходит только с одного. Зеркальный том устойчив к сбою одного диска, в этом случае работает оставшаяся половина.
Чередующийся набор томов (stripped , RAID 1) – том, состоящий из нескольких разделов, по которым равномерными блоками распределены данные. Размер блока данных - 64 Кбайт. Первый блок данных размером в 64 Кбайт хранится на первом разделе, вторые 64 Кбайт на втором и т.д. Чередующиеся наборы томов могут повысить производительность системы, если использовать разделы, размещенные на разных дисках, поскольку операции чтения-записи могут выполняться параллельно.
Чередующийся набор томов с четностью (RAID-5) – это чередующийся набор с дополнительным блоком данных размером в 64 Кбайт. Дополнительный блок содержит информацию о четности, которую система может использовать при восстановлении данных, расположенных на одном из разделов чередующегося набора, в случае выхода из строя диска, где был расположен раздел.

Слайд 5

$Внутреннее имя тома В разделе HKEY_LOCAL_ MACHINE\SYSTEM\MountedDevices системного реестра хранится информация$

Внутреннее имя тома
В разделе HKEY_LOCAL_ MACHINE\SYSTEM\MountedDevices системного реестра хранится информация о

базовых дисках.
Внутреннее имя имеет форму \??\Volume{XX-XX-XX-XX}, где X — числа, образующие глобальный уникальный ID (GUID), присвоенный тому операционной системой.
Для работы с томами существует системная утилита mountvol (будет рассмотрена позже)

Слайд 6

Развитие NTFS
NTFS была разработана для семейства OC MS Windows NT.
В ОС

Windows 2000-2003 реализовано много новых возможностей, например, динамические диски, которым будет посвящена дополнительная тема.

Слайд 7

Размер кластера для NTFS
Пользователь может определить размер кластера при форматировании тома

NTFS /a:, т.е.
format d: /a:1024 /fs:ntfs
Однако NTFS-сжатие не поддерживается для кластеров, размер которых больше 4 КБ.

Слайд 8

NTFS и архитектура Windows 2000

Слайд 9

Физическая структура NTFS
NTFS поддерживает размеры кластеров –
от 512 байт до

64 Кбайт

Слайд 10

Физическая структура NTFS
Том NTFS условно делится на две части. Первые 12%

тома 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% тома представляют собой обычное пространство для хранения файлов.
Свободное место тома, 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 ОС 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. Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.

Слайд 11

MFT и ее структура
Каждый файл на томе NTFS представлен записью в

специальном файле, называемом главной файловой таблицей (MFT – 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 ниже. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами (также рассматриваются как файлы NTFS) на томе. На слайде показана упрощенная структура MFT.

Слайд 12

MFT и ее структура

Слайд 13

Метафайлы
Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер.
Метафайлы находятся

корневом каталоге NTFS диска – они начинаются с символа имени "$".
Для метафайлов указан реальный размер - можно узнать, например, сколько ОС тратит на каталогизацию всего диска.

Слайд 14

Метафайлы

Слайд 15

Перечень метафайлов (1)

Слайд 16

Перечень метафайлов (2)

Слайд 17

Атрибуты файлов
Главная файловая таблица отводит определенное количество пространства для каждой записи

файла (4Кбайт). Атрибуты файла записываются в распределенное пространство MFT.
Каждая запись MFT состоит из заголовка записи, за которым следует последовательность пар (заголовок атрибута, значение).
Как правило значения атрибутов располагаются непосредственно после заголовков, однако если длина значения слишком велика, чтобы поместиться в запись таблицы MFT, она может быть помещена в отдельный блок диска. Такой атрибут называется нерезидентным. Например, таким атрибутом может являться атрибут Data.

Слайд 18

Заголовок атрибута

Слайд 19

Атрибуты файлов NTFS (1)

Слайд 20

Атрибуты файлов NTFS(2)

Слайд 21

Хранение файлов
Файлы NTFS в общем случае состоят из следующих атрибутов:
заголовок

записи MFT (H - header)
стандартная информация (SI - standard information);
имя файла ( FN - file name);
данные (data);
дескриптор безопасности (SD - security descriptor).

Слайд 22

Резидентное хранение файлов и каталогов
Файлы и каталоги с размером менее размера

записи MFT могут полностью содержаться внутри записи MFT.
Подобный подход обеспечивает очень быстрый доступ к файлам.

Слайд 23

Резидентное хранение файлов и каталогов
Если значение атрибута хранится непосредственно в MFT,

время, необходимое NTFS для доступа к нему, значительно сокращается. Вместо того, чтобы искать файл в таблице и затем считывать цепочку кластеров для поиска данных файла (как это делается, например, в файловой системе FAT), NTFS обращается к диску только один раз и немедленно считывает данные.

Слайд 24

Нерезидентное хранение файлов
Конечно, в большинстве случаев все данные файла не помещаются

в запись MFT, поэтому этот атрибут, как правило, является нерезидентным.
Для увеличения эффективности кластеры выделяются файлам по возможности в виде блоков (серий, пробегов) последовательных кластеров. Каждый блок описывается отдельной записью – (стартовый кластер, число кластеров). Файл без фрагментации описывается всего одной записью.

Слайд 25

Нерезидентное хранение файлов среднего размера

Слайд 26

Нерезидентное хранение файлов среднего размера
На предыдущем слайде показана запись MFT для

файла среднего размера.
Файл состоит из 3-х блоков кластеров: 20 – 23, 64 – 65, 80 – 82. Число таких блоков зависит от того насколько удачно ФС сумела найти место для хранения файла.

Слайд 27

Нерезидентное хранение больших и сверхбольших файлов
Если файл настолько велик (или сильно

фрагментирован), что его атрибут данных не помещается в одной записи MFT, то этот атрибут становится нерезидентным, то есть он находится в другой записи таблицы MFT, ссылка на которую помещена в исходной записи о файле. Эта ссылка называется внешним атрибутом (external attribute).

Слайд 28

Сжатие файлов
Файловая система NTFS поддерживает прозрачное сжатие файлов. Сжатие файлов производится

следующим образом.
Когда файловая система NTFS записывает на диск файл, помеченный для сжатия, она изучает первые 16 логических блоков файла, независимо от того, сколько сегментов на диске они занимают. Затем к этим блокам применяется алгоритм сжатия. Если полученные на выходе блоки могут поместиться в 15 или менее блоков, то сжатые данные записываются на диск, предпочтительно в виде одного сегмента. Если получить выигрыш не получается, то данные 16 блоков записываются без сжатия. Затем алгоритм повторяется для следующих 16 блоков и т.д.
Сжатие файла частями по 16 блоков явилось компромиссом, если бы порции были меньше, то эффективность бы сжатия снизилась. Если размер блока был бы больше, то это замедлило бы произвольный доступ.

Слайд 29

Сжатие файлов

Слайд 30

Сжатие файлов
На слайде показан файл, в котором первые 16 блоков успешно

сжаты в 8 блоков, следующие 16 не могут быть сжаты, наконец, последние 16 блоков также успешно сжаты на 50%.
Эти три части файла записаны в виде трех сегментов, информация о которых хранится в записи MFT. “Пропущенные” блоки обозначаются в записи MFT как сегменты с нулевым дисковым адресом. На слайде за заголовком (0,48) следует 5 пар, две для первого (сжатого) сегмента, одна для несжатого и две для последнего (сжатого) сегмента.
При чтении этого файла система NTFS должна знать, какие из сегментов файла сжаты, а какие нет. Она видит это по дисковым адресам. Дисковый адрес 0 указывает на то, что предыдущий сегмент сжат. Дисковый блок 0 не может использоваться для хранения данных во избежание неоднозначности (это загрузочный сектор).
Произвольный доступ к сжатому файлу возможен, но не прост. Например, для чтения блока 35 необходимо определить где находится этот блок и распаковать весь сегмент.

Слайд 31

Разреженные файлы (sparse files)
Другой тип сжатия известен как разреженные файлы.
Если у вас

есть файлы, которые содержат множество нулей (попросту говоря в файле есть "пустые области"), то NTFS позволяет сохранять пространство диска, давая таким файлам определение sparse (разреженный).
Так вот при сохранении таких файлов система просто не выделяет место для пустых областей файла - в результате чего и достигается уменьшение размера файла. При обращении системы к частям, отмеченным как пустые, NTFS просто возвращает нулевые значения. При просмотре свойств файла система сообщит о зарезервированном для него размере, хотя фактический объем может занимать в сотни тысяч раз меньший объем.
Разреженные файлы применяются, в частности, в журнале NTFS ($LogFile).

Слайд 32

Разреженные файлы (sparse files)
Разреженные файлы конвертируются с помощью следующей команды: fsutil

sparse.

Слайд 33

Многопоточные файлы
При необходимости в одном файле, записанном на диске NTFS, можно

хранить несколько потоков информации. Это позволяет, в частности, снабжать файлы документов дополнительной информацией, хранить в одном файле несколько версий документов (например, на разных языках), хранить в отдельных потоках одного файла программный код и данные и т.п.
При создании файла основные данные следует записать в неименованный поток. Затем необходимо создать внутри того же файла именованный поток, предназначенный для данных образа. Теперь один файл будет содержать два потока.

Слайд 34

Многопоточные файлы
Проведем следующий эксперимент. На машине Windows 2003 откроем окно командной

строки. Перейдем в раздел NTFS (например, в папку, содержащую системные шрифты) и введем следующую команду (не делайте лишних пробелов!): С:\WINDOWS\Fonts>dir > New_Stream.TXT:New_Stream
В результате выполнения этой команды система создаст файл New_Stream.TXT. Он будет содержать два потока: неименованный, в котором находится 0 байт, и именованный (с именем New_Stream), где будет находиться результат выполнения команды dir. Доступ к именованному потоку можно получить, обратившись к нему по имени через двоеточие после имени файла.
Для вывода содержимого именованного потока воспользуемся:
C:\WINDOWS\Fonts>more < New_Stream.TXT:New_Stream

Слайд 35

Каталоги NTFS
Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на

другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное B+ дерево (форма двоичного дерева, в каждом узле которого хранится несколько элементов), элементы которого сортируются по имени.
Для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как у FAT-а, системе приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом - с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла.
Вывод - для поиска одного файла среди 1000, например, FAT придется осуществить в среднем 500 сравнений (наиболее вероятно, что файл будет найден на середине поиска), а системе на основе дерева - всего около Log2(N), т.е 10-ти (2^10 = 1024).

Слайд 36

Простой и бинарный поиск

Слайд 37

Бинарное дерево

Слайд 38

Хранение каталогов
Небольшие записи каталогов находятся полностью внутри структуры MFT так же,

как записи файла (копии атрибута File_Name файлов и подкаталогов). Для хранения используется атрибут $Index_Root (корневой индекс), который всегда резидентный !
В том случае, когда атрибуты файла (или каталога) не умещаются в MFT и требуется выделение дополнительного пространства:
для хранения описания файлов выделяются нерезидентные индексные буферы (4 Кбайт), каждый из которых имеет виртуальный номер кластера (virtual clusters numbers, VCN) для сквозной нумерации кластеров в рамках одной записи MFT;
корневой индекс хранит корень дерева B+ и ссылки (VCN) на индексные буферы.
соответствие между VCN и LCN хранится в атрибуте каталога $Index_Allocation. Примечание: Логические номера кластеров (LCN), представляют последовательность кластеров всего тома

Слайд 39

Пример хранения каталогов
а) запись MFT для небольшого каталога (резидентное хранение)
б) запись

MFT для “большого” каталога (нерезидентное хранение)

Слайд 40

Запись MFT для небольшого каталога
Запись MFT для небольшого каталога содержит несколько

каталоговых записей, каждая из которых описывает файл или каталог.
Фиксированная запись содержит индекс записи MFT файла, длину имени файла, а также другие разнообразные поля и флаги.
Поиск файла в каталоге по имени состоит в последовательном переборе всех имен файлов.

Слайд 41

Хранение корневого каталога

Слайд 42

Пример нерезидентного хранения каталогов
На рисунке показана запись MFT каталога, в трех

узлах которой содержится девять элементов, по три в каждом узле.
Корень B+ дерева находится в атрибуте index root (корень индекса). В записи MFT каталога девять элементов не умещается, поэтому некоторые элементы приходится хранить в другом месте. Для этого NTFS выделяет два буфера размещения индексов (index allocation) для хранения двух записей. Обычно, корень индекса и буферы размещения индексов могут хранить элементы для более чем трех файлов, в зависимости от длины имен.
Красные стрелки указывают, что элементы NTFS хранятся в алфавитном порядке

Слайд 43

Файловые системы Файловая система NTFS

Содержание

Краткое описаниеРазработана для быстрого выполнения стандартных файловых операций типа чтения, записи

Понятия и термины NTFSСтруктура NTFS начинается с тома (volume). Том соответствует

Типы томовПростой том (simple)Составной том (spanned) – том, использующий более одного

Внутреннее имя томаВ разделе HKEY_LOCAL_ MACHINE\SYSTEM\MountedDevices системного реестра хранится информация о

Развитие NTFSNTFS была разработана для семейства OC MS Windows NT.В ОС

Размер кластера для NTFSПользователь может определить размер кластера при форматировании тома

NTFS и архитектура Windows 2000

Физическая структура NTFS NTFS поддерживает размеры кластеров –от 512 байт до

Физическая структура NTFSТом NTFS условно делится на две части. Первые 12%

MFT и ее структураКаждый файл на томе NTFS представлен записью в

MFT и ее структура

Метафайлы Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Метафайлы находятся

Метафайлы

Перечень метафайлов (1)

Перечень метафайлов (2)

Атрибуты файловГлавная файловая таблица отводит определенное количество пространства для каждой записи

Заголовок атрибута

Атрибуты файлов NTFS (1)

Атрибуты файлов NTFS(2)

Хранение файловФайлы NTFS в общем случае состоят из следующих атрибутов: заголовок

Резидентное хранение файлов и каталоговФайлы и каталоги с размером менее размера

Резидентное хранение файлов и каталоговЕсли значение атрибута хранится непосредственно в MFT,

Нерезидентное хранение файловКонечно, в большинстве случаев все данные файла не помещаются

Нерезидентное хранение файлов среднего размера

Нерезидентное хранение файлов среднего размераНа предыдущем слайде показана запись MFT для

Нерезидентное хранение больших и сверхбольших файловЕсли файл настолько велик (или сильно

Сжатие файловФайловая система NTFS поддерживает прозрачное сжатие файлов. Сжатие файлов производится