Файловые системы Microsoft Windows

Рассмотрим основные файловые системы, поддерживаемые Windows– FAT16, FAT32, NTFS, а также системы CDFS и UDF. Каждая файловая система имеет свои достоинства и недостатки.

Файловая система FAT16 начала свое существование еще во времена, предшествующие MS‑DOS. Она поддерживается всеми ОС Microsoft для обеспечения совместимости. Ее название File Allocation Table (таблица расположения файлов) отлично отражает физическую организацию файловой системы, к основным характеристикам которой можно отнести то, что максимальный размер поддерживаемого тома HDD или его раздела не превышает 4095 Мбайт. Во времена MS‑DOS 4-гигабайтные HDD казались несбыточной мечтой (роскошью были диски 20-40 Мбайт), поэтому такой запас был вполне оправдан.

Том, отформатированный для использования FAT16, разделяется на кластеры. Размер кластера по умолчанию зависит от размера тома и может колебаться от 512 б до 64 Кб. Размер кластера может отличаться от значения по умолчанию, но должен иметь одно из значений, предписанных для этой ФС.

Не рекомендуется использовать файловую систему FAT16 на томах больше 511 Мб, так как для небольших файлов дисковое пространство будет использоваться крайне неэффективно: файл размером 1 байт будет занимать 16, 32 или 64 Кб. Независимо от размера кластера файловая система FAT16 не поддерживается для томов больше 4 Гбайт.

На рис. 3.5 показано, как организован том при использовании файловой системы FAT16.

Рис. 3.5. Организация тома в файловой системе FAT16

Единственным отличием корневого каталога от других каталогов является то, что он располагается в определенном месте и имеет фиксированное число вхождений. Так, если число фиксированных вхождений для корневого каталога равно 512 и создано 100 подкаталогов, то в корневом каталоге можно создать не более 412 файлов.

Начиная с Win95 OSR2, появилась поддержка 32-битной FAT. Для систем на базе Windows NT эта файловая система впервые стала поддерживаться в Windows 2000. Если FAT16 может поддерживать тома объемом до 4 Гб, то FAT32 способна обслуживать тома объемом до 2 Тб. Размер кластера в FAT32 может изменяться от 1 (512 б) до 64 секторов (32 Кб). Для хранения значений кластеров FAT32 требуется 4 б (32 бит, а не 16, как в FAT16). Это означает, в частности, что некоторые файловые утилиты, рассчитанные на FAT16, не могут работать с FAT32.

Основным отличием FAT32 от FAT16 является то, что изменился размер логического диска. FAT32 поддерживает тома до 127 Гб. При этом, если при использовании FAT16 с 2-гигабайтными дисками требовался кластер размером в 32 Кб, то в FAT32 кластер размером в 4 Кб подходит для дисков объемом от 512 Мб до 8 Гб.

Это соответственно означает более эффективное использование дискового пространства – чем меньше кластер, тем меньше места требуется для хранения файла и, как следствие, диск реже становится фрагментированным.

При применении FAT32 максимальный размер файла может достигать 4 Гб минус 2 байта. Если при использовании FAT16 максимальное число вхождений в корневой каталог ограничивалось 512, то FAT32 позволяет увеличить это число до 65535.

FAT32 накладывает ограничения на минимальный размер тома – он должен быть не менее 65527 кластеров. При этом размер кластера не может быть таким, чтобы FAT занимала более 16 Мб-64 Кб / 4 или 4 млн. кластеров.

При использовании длинных имен файлов данные, необходимые для доступа из FAT16 и FAT32, не перекрываются. При создании файла с длинным именем Windows создает соответствующее имя в формате 8.3 и одно или более вхождений в каталог для хранения длинного имени (по 13 символов из длинного имени файла на каждое вхождение). Каждое последующее вхождение хранит соответствующую часть имени файла в формате Unicode. Такие вхождения имеют атрибуты идентификатор тома, только чтение, системный и скрытый – набор, который игнорируется MS-DOS.

В состав Win2000 входит поддержка новой версии файловой системы NTFS, которая, в частности, обеспечивает средства защиты информации, контроль над доступом и ряд других возможностей.

Как и при использовании FAT, основной информационной единицей в NTFS является кластер. При формировании файловой системы NTFS программа форматирования создает файл Master File Table (MTF) и другие области для хранения метаданных. Метаданные используются NTFS для реализации файловой структуры. Первые 16 записей в MTF зарезервированы самой NTFS. Местоположение файлов метаданных $Mft и $MftMirr записано в загрузочном секторе диска. Если первая запись в MTF повреждена, NTFS считывает вторую запись для нахождения копии первой. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. В MTF хранятся метаданные, такие как копия первых четырех записей (гарантирует доступ к MTF в случае, если первый сектор поврежден). MTF содержит информацию о томе – метку и номер версии. В MTF находится таблица имен атрибутов и описания, корневой каталог и др. Остальные строки MTF содержат записи для каждого файла и каталога, расположенных на данном томе.

Обычно один файл использует одну запись в MTF, но если у файла большой набор атрибутов или он становится слишком фрагментированным, то для хранения информации о нем могут потребоваться дополнительные записи. В этом случае первая запись о файле, называемая базовой записью, хранит местоположение других записей. Данные о файлах и каталогах небольшого размера (до 1500 байт) полностью содержатся в первой записи.

В Windows 2000 обеспечивается поддержка файловой системы CDFS, отвечающей стандарту ISO 9660, описывающему расположение информации на CD-ROM. Поддерживаются длинные имена файлов в соответствии с ISO 9660 Level 2.

При создании CD-ROM для использования под управлением Windows 2000 следует иметь в виду:

все имена каталогов и файлов должны содержать менее 32 символов;

все имена каталогов и файлов должны состоять только из символов верхнего регистра;

глубина каталогов не должна превышать 8 уровней от корня;

использование расширений имен файлов не обязательно.

Поддержка файловой системы UDF является одним из новшеств Windows 2000. Universal Disk Format –это файловая система, отвечающая стандарту ISO 13346 и используемая для обмена данными с накопителями CD-ROM и DVD.

Сравнение файловых систем Microsoft Windows

Под управлением MS Win2000 возможно использование файловых систем FAT16, FAT32, NTFS или их комбинаций. Цифры в названии файловых систем – FAT16 и FAT32 – указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, в FAT16 применяется 16-битная адресация и, соответственно, возможно использование до 2¹⁶ адресов. В Win2000 первые четыре бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 2²⁸ .

Помимо существенных отличий в размере кластера FAT32 также позволяет корневому каталогу расширяться (в FAT16 число вхождений ограничено 512 и может быть даже ниже при использовании длинных имен файлов).

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

файловая система поддерживается ОС MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми ОС UNIX;

существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;

при возникновении проблем с загрузкой с HDD система может быть загружена с системной дискеты;

файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мб.

К недостаткам FAT16 можно отнести:

корневой каталог не может содержать более 512 элементов, использование длинных имен файлов существенно сокращает число этих элементов;

FAT16 поддерживает не более 65536 кластеров, а число доступных кластеров – 65524. Каждый кластер имеет фиксированный размер для данного логического устройства. При достижении максимального числа кластеров при их максимальном размере (32 Кб) максимальный объем поддерживаемого тома ограничивается 4 Гб (под управлением Win2000). Для поддержания совместимости с MS-DOS, Windows 95 и Windows 98 объем тома под FAT16 не должен превышать 2 Гб;

не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;

в FAT16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие;

на дисках большого объема теряется много места за счет того, что используется максимальный размер кластера. Место под файл выделяется исходя из размера не файла, а кластера.

Среди преимуществ FAT32 можно отметить следующие:

выделение дискового пространства выполняется более эффективно, особенно для дисков большого объема;

корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска, благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число элементов в корневом каталоге;

за счет использования кластеров меньшего размера (4 Кб на дисках объемом до 8 Гб) занятое дисковое пространство на 10-15% меньше, чем под FAT16.