Файловые системы. Типы файловых систем

Файловая система (англ. file system) - регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Файловая система связывает носитель информации с одной стороны и API для доступа к файлам - с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте или блоке флеш-памяти) он записан. Всё, что знает программа - это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров размером от 512 байт и выше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные файловые системы, а также сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

Как работает файловая система. Для каждого файла Windows создает путь, представляющий собой имя локального диска и названия каталогов и подкаталогов. Таким образом, путь – это своего рода адрес, по которому программа находит файл. Путь к некоторым полезным файлам вы найдете во врезке внизу. Когда программе требуется определенный файл, она посылает Windows запрос, который операционная система перенаправляет файловой системе. Используя путь, файловая система определяет физическое расположение объекта на жестком диске и передает его Windows. Файловая система создает базу данных, которая привязывает различные адреса файлов на жестком диске к соответствующим путям. В популярной файловой системе NTFS подобная база данных называется MFT (Master File Table – главная файловая таблица).

Почему копирование идет дольше, чем перемещение. При перемещении файла изменяется только запись в главной файловой таблице, а адрес файла, хранящегося на жестком диске, остается прежним. При копировании файловой системе приходится повторно сохранять данные, а на это, как правило, требуется время.

Рис. 3.8. Копирование файлов

Сохраняется ли порядок в файловой системе. Как и на складе, на жестком диске со временем возникает беспорядок. Старые файлы удаляются или переписываются в свободные области, новые данные добавляются… Кроме того, Windows сохраняет файлы в первые «подвернувшиеся под руку» свободные секторы на диске, разделяя файлы на несколько частей (фрагментов) – если он не помещается в свободную область. Поэтому со временем одному и тому же пути начинает соответствовать несколько адресов, а время открытия большого файла, например фотографии, постоянно увеличивается. Дефрагментация позволяет восстановить целостность файлов, повышая тем самым скорость работы ПК.

Чем различаются файловые системы. В зависимости от требований, предъявляемых к накопителю данных, может использоваться одна из нескольких файловых систем. Основное отличие между файловыми системами заключается в максимально допустимом размере файла.

Какие существуют файловые системы. В компьютерах используются пять типов файловых систем.

FAT16 (File Allocation Table 16). Была разработана в 1983 году и могла корректно работать только с файлами размером до 2 Гб. Допускалось использование накопителей данных емкостью не более 4 Гб и хранение не более 65 536 файлов. В настоящее время эту устаревшую файловую систему заменили FAT32 и NTFS.

FAT32. В связи с тем, что объемы данных, которые хранились на жестком диске, постоянно росли, в 1997 году была введена фай­ловая система FAT32. Она поддерживает файлы размером не более 4 Гб, жесткие диски емкостью приблизительно до 8 Тб и позволяет хранить около 270 млн файлов. Помимо Windows 95 и выше файловую систему FAT32 могут использовать также и другие операционные системы, например Mac OS X от Apple. В настоящее время средний размер файла значительно увеличился – так, объем видеофильма много больше 4 Гб, поэтому FAT32 имеет смысл использовать только на сменных накопителях (флэшках или внешних жестких дисках).

NTFS (New Technology File System). В настоящее время это стандартная файловая система для Windows. Она может управлять файлами с немыслимым до настоящего времени размером в 16 Тб и поддерживает жесткие ди­ски емкостью до 256 Тб. Файловая система позволяет хранить практически неограниченное количество файлов – более 4 млрд. На случай, если будут использоваться файлы больших размеров и жесткие диски большей емкости, функции NTFS можно расширить. Еще одним преимуществом системы является журналирование. С помощьюданной технологии все изменения файлов NTFS записывает вначале в отдельную область на жестком диске. Это позволяет избежать потери данных в процессе их сохранения, например при возникновении перебоя в подаче электроэнергии.

exFAT (Extended File Allocation Table). Была создана для карт памяти, чтобы обеспечить возможность сохранения файлов большего размера. Однако exFAT ра­ботает только в Windows с пакетом обновления ServicePack 2 и выше, в Windows Vista с пакетом обновления ServicePack 1 или в Windows 7. Поскольку данную файловую систему поддерживает только Windows, она практически не применяется.

HSF+ (Hierarchical File System+). Стандартная файловая система в операционных системах Mac OS. Как и NTFS, она подходит для работы с очень большими файлами и жесткими дисками. Это журналируемая файловая система. Тому, кто захочет использовать в Windows жесткий диск с HSF+, необходимо установить дополнительную программу, например MacDrive.

Что происходит при перемещении, копировании и удалении. Не все операции, выполняемые в Windows или других операционных системах с файлами в окне Проводника, ведут к физическим трансформациям на жестком ди­ске. Во многих случаях достаточно лишь внести небольшие изменения в главную таблицу файлов. Рисунки ниже наглядно демон­стрируют, что реально происходит на жестком диске и в файловой системе в процессе перемещения, копирования и удаления различных объектов (файлов и папок) в Windows.

Рис. 3.9. Операции над файлами

Можно ли изменить файловую систему. Да, но для этого необходимо отформатировать жесткий диск. Какие файловые системы будут предлагаться на выбор, зависит от установлвенной операционной системы или программы, с помощью которой выполняется форматирование. В Windows, например, это FAT32 и NTFS. При использовании жесткого диска исключительно в компьютерах на базе Windows рекомендуется ввиду всех перечисленных достоинств в качестве файловой системы выбрать NTFS. Если в целях обмена данными вы планируете подключать внешний жесткий диск к компьютеру Mac, единственно правильным выбором станет FAT32. При этом возникает следующая проблема: хотя при использовании FAT32 Windows может работать с жесткими дисками любой емкости, однако в процессе форматирования максимальный размер раздела или жесткого диска ограни­чивается ею до 32 Гб. Выход: с помощью программ для работы с жесткими дисками, такими как Paragon Disk Manager, удастся отформатировать весь жесткий диск в FAT32.

Что такое библиотеки. В Windows 7 появилась дополнительная функция управления файлами – библиотеки. Доступны четыре типа библиотек: Видео, Документы, Изображения и Музыка. Они показывают все файлы соответствующего типа в одной папке, независимо от их местоположения. И хотя файлы физически располагаются не в папках библиотек, с ними можно выполнять любые операции, будь то копирование, переименование и удаление, непосредственно в соответствующей библиотеке. Некоторые программы, среди них Picasa, также используют библиотеки для рационального размещения файлов. Они могут даже самостоятельно выполнять поиск изображений или других файлов на жестком диске.

Как программы получают доступ к данным. Все программы, которые хотят получить доступ к жесткому диску, вначале посылают Windows запрос, содержащий путь размещения файла. Затем операционная система направляет его таблице файловой системы. В этой таблице содержится физический адрес файла, по которому его можно найти на жестком диске. С помощью данного адреса файловая система отыскивает нужный файл и передает операционной системе. Windows соотносит полученный файл с соответ­ствующим запросом и посылает его программе, которая направила запрос. После этого программа открывает файл, например в программе Microsoft Word, предоставляя, таким образом, возможность его редактирования. При каждом последующем изменении файла, например при сохранении или удалении, программа инициирует новый запрос.

Рис. 3.10. Организация доступа к данным

Работаем с файловой системой. Действие файловой системы скрыто от глаз пользователя. И все же он имеет возможность вмешаться в этот процесс – узнать с помощью социальных программ тип файловой системы на жестком диске своего ПК и, если понадобится, преобразовать ее в другую.

Рис. 3.11. Работа с файловой системой

Операционная система, которая является основой работы любой компьютерной техники, организует работу с электронными данными, следуя определенному алгоритму, в цепочке которого файловая система не является невостребованной. Что собой представляет вообще файловая система, и какие ее виды применимы в современное время и попытаемся изложить в этой статье.

Описание общих характеристик файловой системы

ФС - это, как уже указано выше, часть операционной системы, которая связана непосредственно с размещением, удалением, перемещением электронной информации на определенном носителе, а также безопасностью ее дальнейшего использования в будущем. Именно это ресурс также применим в случаях, когда требуется восстановление утерянной информации по причине программного сбоя, как такового. То есть это основной инструмент работы с электронными файлами.

Виды файловой системы

На каждом компьютерном устройстве применим особый тип ФС. Особо распространенные следующие ее типы:

Предназначенная для жестких дисков;
- предназначенная для магнитных лент;
- предназначенная для оптических носителей;
- виртуальная;
- сетевая.

Естественно, что основной логической единицей работы с электронными данными является файл, под которым подразумевается документ с систематизированной в нем информацией определенного характера, который имеет свое наименование, что облегчает работу пользователя с большим потоком электронных документов.
Итак, абсолютно вся, используемая операционкой инфа, трансформируется в файлы, независимо от того текст это или изображения, или звук, или видео, или фото. Помимо всего прочего драйвера и программные библиотеки, тоже имеют транскрипцию оных.

У каждой информационной единицы есть имя, определенное расширение, размер, свойственные характеристики, тип. А вот ФС – это их совокупность, а также принципы работы со всеми ними.

В зависимости от того какие свойственные особенности присущи системе, с такими данными она и будет эффективно работать. А это и есть предпосылкой классификации ее на типы и виды.

Взгляд на файловую систему с точки зрения программирования

Изучая понятие ФС, следует понимать, что это многоуровневая составляющая, на первом из которых преобладает трансформатор файловых систем, обеспечивающий эффективное взаимодействие между самой системой и определенным программным приложением. Именно он отвечает за преобразование запроса к электронным данным в определенный формат, который и распознается драйверами, что влечет за собой эффективную работу с файлами, то есть к ним открывается доступ.

У современных приложений, которые имеют стандарт работы клиент-сервер, требования к ФС очень высоки. Ведь современные системы просто обязаны обеспечивать самый эффективнейший доступ ко всем имеющимся типам электронных единиц, а также оказывать колоссальную поддержку носителей больших объемов, а также устанавливать защиту всех данных от нежелательного доступа иными пользователями, а также обеспечивать целостность информации, хранимой в электронном формате.

Ниже мы рассмотрим все существующие на сегодня ФС и их достоинства и недостатки.

FAT
Это самый древний тип файловой системы, который был разработан еще в далеком 1977 году. Она работала с операционкой ОС 86-DOS и не способна работать с жесткими носителями информации, и рассчитана на гибкие их типы и хранение информации до одного мегабайта. Если ограничение размера инфы сегодня не актуально, то иные показатели остались востребованными в неизменном виде.

Эта файловая система использовалась ведущей компанией разработчиком программных приложений – Майкрософт для такой операционки, как ОС MS-DOS 1.0.
Файлы этой системы имеют ряд характерных свойств:

Имя информационной единицы должно содержать в своем начале букву или цифру, а дальнейшее содержание наименование может включать различные символы клавиатуры компа;
- имя файла не должно превышать восьми символов, в конце имени ставится точка, после которой следует расширение из трех букв;
- для создания имени файла может использоваться любой регистр раскладки клавиатуры.

С самого начала разработки файловая система FAT была направлена на работу с операционкой ОС DOS, она не была заинтересована в сохранении данных о пользователе или владельце информации.

Благодаря всевозможным модификациям этой ФС, она стала самой востребованной в современное время и на ее основе работают самые инновационные операционные системы.

Именно данная файловая система способна сохранять файлы в неизменном виде, если компьютерная техника выключилась неверно в силу, например, отсутствия зарядки батареи или выключения света.

Во многих операционных системах, с которыми работает FAT, лежат определенные программные утилиты, корректирующие и проверяющие само дерево содержания ФС и файлы.

NTFS
С операционкой ОС Windows NT работает современная файловая система NTFS, в принципе на нее она и была нацелена. В ее составе действует утилита convert, которая отвечает за конвертацию томов с формата HPFS или FAT, в формат томов NTFS.

Она более модернизирована по сравнению с первым описанным выше вариантом. В этой версии расширены возможности касаемо непосредственного управления доступом ко всем информационным единицам. Здесь можно пользоваться множеством полезных атрибутов, динамическим сжатием файлов, отказоустойчивостью. Одним из преимуществ оной является и поддержка требований POSIX стандарта.

Эта файловая система позволяет создавать информационные файлы с именами длинной в 255 символов.

Если операционка, которая работает с данной файловой системой, дает сбой, то не нужно переживать за сохранность всех файлов. Они остаются в целостности и невредимости, поскольку этот тип файловой системы имеет свойство самовосстанавливаться.

Особенностью ФС NTFS является ее структура, которая представлена в виде определенной таблицы. Первые шестнадцать записей в реестре - это содержание самой файловой системы. Каждая отдельная электронная единица тоже имеет вид таблицы, которая содержит информацию о таблице, зеркальный файл в формате MFT, файл регистрации, используемый при необходимости восстановления информации и последующие данные – это информация о самом файле и его данные, которые были сохранены непосредственно на жестком диске.

Все выполняемые команды с файлами имеют свойство сохраняться, что помогает впоследствии восстанавливаться системе самостоятельно после сбоя операционной системы, с которой она работает.

EFS
Очень распространенной является файловая система EFS, которая считается шифрованной. Она работает с операционкой Windows. Эта система обуславливает сохранение файлов на жестком диске в зашифрованном виде. Это самая действенная защита всех файлов.
Шифрование устанавливается в свойствах файла с помощью галочки напротив вкладки, говорящей о возможности шифровки. Воспользовавшись этой функцией можно указывать, кому доступны для просмотра файлы, то есть, кому разрешено с ними работать.

RAW
Файловые элементы – это самые уязвимые единицы программирования. Ведь именно они и являются информацией, которая хранится на дисках компьютерной техники. Они могут повреждаться, удаляться, скрываться. В общем, работа пользователя только и нацелена на создание, сохранение и перемещение оных.
Операционная система не всегда показывает идеальные свойства своей работы и имеет характерность выходить из строя. Происходит это по многим причинам. Но сейчас не об этом.

Очень многие пользователи сталкиваются с уведомлением о том, что повреждена система RAW. Это действительно ФС или нет? Таким вопросом задаются многие. Оказывается, это не совсем так. Если объяснять на уровне языка программирования, то RAW – это ошибка, а именно логическая ошибка, которая внедрена уже в операционку Windows в целях обезопасить ее от выхода из строя. Если техника выдает какие-то сообщения по поводу RAW, значит нужно иметь в виду, что под угрозой структура файловой системы, которая работает неверно либо ей грозит постепенное разрушение.

Если такая проблема на лицо, то вы не сможете получить доступ ни к одному файлу в компе, а также он откажется выполнять и иные операционные команды.

UDF
Это файловая система для оптических дисков, котрая имеет свои особенности:

Наименования файлов не должны превышать 255 символов;
- именной регистр может быть как нижним, так и верхним.

Работает она с операционкой Windows XP.

EXFAT
И еще одна современная файловая система – EXFAT, которая является неким посредническим звеном между Windows и Linux, обеспечивающим эффективную трансформацию файлов из одной системы в иную, поскольку файлообменники у них разные. Используется она на переносных накопителях информации, таких как флешки.

Из выше написанного, можно сделать верный вывод. Каждая охарактеризованная ФС отличается своими особенностями, создает определенные форматы файлов. Вот почему иногда не получается получить доступ к каким-то файлам, значит они созданы совсем в иной файловой системе, которую ваша распознать не может.

Надеемся, что изложенная в этой статье информация поможет вам избежать многих проблем во время работы с информационными файлами. Теперь вы самостоятельно можете определить, с какой и ФС работает ОС вашего компьютера, и с какими данными вам приходится работать ежедневно в потоке их систематической оперативной обработки.

Нередко у пользователя компьютера возникает необходимость произвести форматирование носителя информации. Диалоговое окно операционной системы Windows предлагает выбрать файловую систему и способ форматирования (быстрое или глубокое), дополнительно можно установить размер кластера, но эту операцию совершает не каждый пользователь, поскольку нет понимания, для чего нужен тот или иной размер. Некоторые могут задаваться и вопросами: что такое файловая система? для чего она нужна? в чём отличия одной от другой?

Файловая система - это совокупность условий и правил, определяющих способ организации файлов на носителях информации. Основные функции файловых систем следующие:
расположение на диске информации в виде файлов,
присвоение файлам имён и атрибутов,
удаление информации по запросу пользователя,
защита информации от удаления в случае сбоев и несанкционированного доступа к данным.

Запускаемые на компьютере программы не знают, что такое файловая система и как ею пользоваться, в каком месте искать тот или иной файл. Взаимодействие программ и ФС обеспечивают драйверы файловых систем. С их помощью происходит сопоставление имён запрашиваемых файлов со списком занятых секторов диска, после чего драйверу диска передаётся команда на считывание данных из определённых секторов.

Виды файловых систем
В процессе развития операционных систем и накопителей создавалось множество файловых систем. Сегодня для работы с жёсткими дисками и флеш-накопителями часто используются следующие:
FAT32 . Максимальный поддерживаемый размер диска - 8 Тб. Файловая система работает с файлами размером не больше 4 Гб.
NTFS . Максимальный поддерживаемый размер диска - 16 Эб (эксабайт). Поддерживает работу с файлами размером до 16 Тб.
Ext3, ext4 . Используются в операционных системах Linux. Максимальный размер тома составляет 32 Тб для ext3 и 1 Эб для ext4. Поддерживается работа с файлами размером до 2 и 16 Тб соответственно.
HFS Plus . Используется в системах OS X. Максимальный размер тома - 8 Эб, максимально поддерживаемый размер файла тоже составляет 8 Эб.

Для работы с лазерными дисками используются:
ISO9660 . Максимальный размер файла - 2 Гб.
UDF . Максимальный размер файла - 1 Эб.

Особенности FAT32 и NTFS
Наиболее часто используемыми файловыми системами являются FAT32 и NTFS по причине широкого распространения операционной системы Windows. Для рядового пользователя может быть не важно, каким образом устроена и работает та и другая ФС, для него в контексте бытового использования могут быть принципиальны максимальные поддерживаемые размеры тома и файла. По этим параметрам FAT32 уступает NTFS, как указано выше. Кроме того, при использовании FAT32 возможна потеря данных при отключении подачи электрического питания на диск (сама файловая система часто остаётся целой).

Распределение информации на диске
Данные, записываемые на носители информации, помещаются в так называемые кластеры. Они представляют собой ячейки, созданные виртуальным объединением секторов жёсткого диска или ячеек памяти немагнитного носителя информации. Размер кластера зависит от установленного при форматировании значения. Оптимально задавать размер ячеек в соответствии с размерами наиболее часто используемых файлов: чем больше размер кластера, тем быстрее будут читаться файлы большого размера и наоборот. Особенность записи данных состоит в том, что в один кластер может быть помещён только один файл или его часть; файл в 1 байт сделает кластер размером в 256 байт недоступным для записи другой информации.

Файловую систему следует выбирать согласно целям и условиям использования носителя. Так, несмотря на недостатки по отношению к NTFS, файловая система FAT32 может успешно использоваться в Efi-разделах на современных компьютерах.

Рано или поздно начинающий пользователь компьютера сталкивается с таким понятием, как файловая система (ФС). Как правило, впервые знакомство с данным термином происходит при форматировании носителя информации: логические диски и подключаемые носители (флешки, карты памяти, внешний жесткий диск).

Перед форматированием операционная система Windows предлагает выбрать вид файловой системы на носителе, размер кластера, способ форматирования (быстрое или полное). Давайте разберемся, что же такое файловая система и для чего она нужна?

Вся информация записывается на носитель в виде , которые должны располагаться в определенном порядке, иначе операционная система и программы не смогут оперировать с данными. Этот порядок и организует файловая система с помощью определенных алгоритмов и правил размещения файлов на носителе.

Когда программе требуется файл, записанный на диске, ей нет необходимости знать, как и где он хранится. Все, что от программы требуется – это знать имя файла, его размер и атрибуты, чтобы передать эти данные файловой системе, которая обеспечит доступ к нужному файлу. То же самое происходит и при записи данных на носитель: программа передает информацию о файле (имя, размер, атрибуты) файловой системе, которая сохраняет его по своим определенным правилам.

Для лучшего понимания представьте библиотекаря, который выдает клиенту книгу по ее названию. Или в обратном порядке: клиент сдает прочитанную книгу библиотекарю, который размещает ее обратно на хранение. Клиенту совсем нет необходимости знать, где и как хранится книга, это обязанность служащего заведения. Библиотекарь знает правила каталогизации библиотеки и согласно этим правилам разыскивает издание или размещает его обратно, т.е. выполняет свои служебные функции. В данном примере библиотека – это носитель информации, библиотекарь – файловая система, клиент – программа.

Основные функции файловой системы

Основными функциями файловой системы являются:

• размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
• определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
• создание, чтение и удаление файлов;
• назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
• определение структуры файла;
• организация каталогов для логической организации файлов;
• защита файлов при системном сбое;
• защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Информация, записываемая на жесткий диск или любой другой носитель, размещается в нем на основе кластерной организации. Кластер представляют собой своего рода ячейку определенного размера, в которую помещается весь файл или его часть.

Если файл имеет размер кластера, то он занимает только один кластер. Если размер файла превышает размер ячейки, то он размещается в нескольких ячейках-кластерах. Причем свободные кластеры могут находиться не рядом с другом, а быть разбросанными по физической поверхности диска. Такая система позволяет наиболее рационально использовать место при хранении файлов. Задача файловой системы — разложить файл при записи по свободным кластерам оптимальным образом, а также собрать его при чтении и выдать программе или операционной системе.

Виды файловых систем

В процессе эволюции компьютеров, носителей информации и операционных систем возникало и пропадало большое количество файловых систем. В процессе такого эволюционного отбора, на сегодня для работы с жесткими дисками и внешними накопителями (флешки, карты памяти, внешние винчестеры, компакт диски) в основном используются следующие виды ФС:

1. FAT32
2. ISO9660

Последние две системы предназначены для работы с компакт дисками. Файловые системы Ext3 и Ext4 работают с операционными системами на основе Linux. NFS Plus – это ФС для операционных систем OS X, используемых в компьютерах фирмы Apple.

Самое большое распространение получили файловые системы NTFS и FAT32 и это не удивительно, т.к. они предназначены для операционных систем Windows, под управлением которых работает подавляющее большинство компьютеров в мире.

Сейчас FAT32 активно вытесняется более продвинутой системой NTFS по причине ее большей надежности к сохранности и защите данных. К тому же последние версии ОС Windows просто не дадут себя установить, если раздел жесткого диска будет отформатирован в FAT32. Программа установки потребует отформатировать раздел в NTFS.

Файловая система NTFS поддерживает работу с дисками объемом в сотни терабайт и размером одного файла до 16 терабайт.

Файловая система FAT32 поддерживает диски до 8 терабайт и размер одного файла до 4Гб. Чаще всего данную ФС используют на флешках и картах памяти. Именно в FAT32 форматируют внешние накопители на заводе.

Однако ограничение на размер файла в 4Гб на сегодня уже является большим минусом, т.к. в связи с распространением высококачественного видео, размер файла с фильмом будет превышать это ограничение и его будет невозможно записать на носитель.