Файловые системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова

Учебно-научный институт автоматики и электротехники

Кафедра Системы технической защиты информации, автоматизация её обработки

Реферат

По дисциплине `Информационные технологии и средства управления защиты информации'

Файловые системы

Выполнил:

студент группы № 1381

Литвиненко Александр-Назарий

Проверил:

Герасин А.С.

Николаев, 2021

Содержание

Введение

1. Понятие файловой системы

2. История развития файловых систем

3. Задачи файловой системы

4. Классификация файловых систем

5. Система организации информации в файловой системe

6. NTFS - дни сегодняшний и завтрашний

7. ФС, используемые в дистрибутивах LINUX

8. Немного о WinFS

9. GPT и MBR

Заключение

Список литературы

Введение

файловый информационный носитель

В настоящее время на одном диске в среднем записывается несколько десятков тысяч файлов. Как разобраться во всём этом многообразии с тем, чтобы точно адресоваться к файлу? Назначение файловой системы - эффективное решение указанной задачи.

Файловая система с точки зрения пользователя - это "пространство", в котором размещаются файлы. А как научный термин - это способ хранения и организации доступа к данным на информационном носителе или его разделе. Наличие файловой системы позволяет определить, как называется файл, где он находится. Поскольку на IBM PC - совместимых компьютерах информация хранится в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках).

1. Понятие файловой системы

Файловая система -- порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации ИТ-оборудования и компьютерной техники. Она определяет формат содержимого и 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, блоке флеш-памяти или другом) 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 (ОС), весь диск представляет собой набор кластеров (как правило, размером 512 байт и больше). 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.

Носители информации способны лишь хранить, записывать или считывать биты данных из определенных секторов, а за доступ к информации отвечает именно файловая система. Этому термину можно дать несколько определений, каждое из которых верно. Файловая система -- это система организации и хранения информации на жестком диске или других носителях, программные алгоритмы операционной системы для управления данной системой организации информации, и, наконец, на бытовом уровне - это совокупность всех файлов и папок на диске.

2. История развития файловых систем

Файловые системы прошли очень долгий по компьютерным меркам путь, усложняясь параллельно с развитием операционных систем и аппаратного обеспечения компьютеров. Так, используемая в MS DOS 1.0 (1981 г.) FAT (или FAT12) изначально предназначалась для работы с гибкими дисками. Свое название она получила от наименования таблицы размещения файлов -- File Allocation Table. Благодаря 12-битной адресации и кластеру в 4 Кбайта она, однако, поддерживала разделы до 16 Мбайт. В целом же это была простая файловая система, обеспечивавшая основные функции -- имя файла в формате 8.3, каталоги, атрибут файла, время создания (изменения).

Чуть позже с добавлением 16-битной адресации и максимального размера кластера в 32 Кбайта появилась FAT16, поддерживавшая разделы до 2 Гбайт. В первой версии Windows 95 была реализована поддержка длинных имен файлов (до 255 символов) и сохранение регистра символов в названии. Эта модификация получила название VFAT.

В Windows 95 OSR2 появилась файловая система, которую и сейчас можно встретить на многих домашних компьютерах (в офисах все-таки больше думают о сохранности данных) -- FAT32. В целях обратной совместимости в FAT32 были введены незначительные изменения по сравнению с VFAT. 32-битная адресация теоретически позволяла работать с разделами до 2 терабайт. Корневой каталог теперь не располагался в определенном месте, а представлял собой обычную цепочку кластеров, таким образом было снято старое ограничение на количество элементов в корне. Загрузочный сектор раздела дублировался для отказоустойчивости. В FAT32 были внесены еще некоторые «заплатки», кое-как подтянувшие характеристики файловой системы до нужд своего времени. Но по сути своей это была все та же FAT для MS DOS 1.0.

Файловая система NTFS (New Technology File System) была разработана еще для Windows NT 3.1, однако долго находилась в тени мейнстрима того времени -- FAT, которому Microsoft в каждой новой версии «подкрашивала фасад» для соответствия запросам времени. Основным недостатком NTFS была большая требовательность к системным ресурсам, компьютеры просто не могли извлечь преимуществ из NTFS, зато замедление работы было очень заметно.

Windows 2000 принес NTFS3 в качестве основной и рекомендуемой файловой системы как на рабочие, так и на домашние системы. На данный момент NTFS 3.1 является самой распространенной файловой системой, и популярность ее нельзя «оправдать» лишь маркетингом Microsoft, NTFS на самом деле одна из самых функциональных и технологичных файловых систем на рынке.

3. Задачи файловых систем

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

- именование файлов;

- программный интерфейс работы с файлами для приложений;

- отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

- организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

- содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

В многопользовательских системах появляется ещё одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

ФС позволяет оперировать не нулями и единицами, а более удобными и понятными объектами -- файлами. Ради удобства пользователей (программе удобнее работать с числовыми индексами, но программы, как известно, пишутся людьми) в работе с файлами используются их символьные идентификаторы -- имена. Содержимое же файлов (0 и 1) записано в кластеры -- мельчайшие единицы данных, которыми оперирует файловая система, размер их кратен 512 байтам. Для организации информации кроме имени файла используются также каталоги, как некая абстракция, позволяющая группировать файлы по определенному критерию. По сути, каталог -- это файл, содержащий информацию о «вложенных» в него каталогах и файлах.

4. Классификация файловых систем

По предназначению файловые системы можно классифицировать на нижеследующие категории:

- Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates -- в BSD системах.

- Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.

- Для оптических носителей -- CD и DVD: ISO9660, HFS, UDF и др.

- Виртуальные файловые системы: AEFS и др.

- Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.

- Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.

- Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т. н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.

5. Система организации информации в файловой системе

Вся информация о файлах хранится в особой области раздела -- таблице файлов. Таблица файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы файлов и дополнительную информацию о них (дата изменения, права доступа, имя и т. д.) с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

Раздел -- это определенная область диска, созданная во время операции разметки диска. Каждый раздел содержит один (редко -- несколько) отформатированный том. Том -- область раздела со своей файловой системой, своей таблицей файлов и областью данных. Один или несколько разделов составляют диск.

В начале диска (см. рис. 1) находится особая область -- MBR (Master Boot Record), содержащая программную логику, необходимую BIOS для загрузки системы с жесткого диска. Таблица разделов (partition table) также расположена в начале диска, ее задача -- хранить информацию о разделах: начало раздела, его длина, какой раздел является загрузочным. На загрузочном разделе расположен загрузочный сектор (boot sector), хранящий программу загрузки операционной системы.

Рис. 1. Система организации информации

Такова в общих чертах система организации информации от кластеров и до разделов диска. Современные файловые системы, кроме непосредственно хранения и изменения файлов, следят за сохранностью структуры данных и корректностью файловых операций, позволяют шифровать и сжимать информацию, оптимизируют поиск и сортировку файлов, а также предлагают множество других сервисных функций.

6. NTFS - дни сегодняшний и завтрашний

NTFS поддерживает длинные имена (255 символов, регистр в названии сохраняется, но не различается), теоретически размер файла ограничен 16 экзабайтами. Размер кластера варьируется от 512 байт и до 64 Кбайт, позволяя пользователю самостоятельно выбирать между экономией места на диске и скоростью работы, стандартным значением является 4 Кбайта.

Том NTFS состоит из MFT (Master File Table -- главная таблица файлов), содержащей каталог файлов, и пространства для хранения файлов. Сама MFT тоже является файлом, и в первой записи описывает именно файл MFT, всего же в таблице файлов NTFS первые 16 записей являются служебными, а с семнадцатой записи и далее идет описание прочих файлов тома. Для большей отказоустойчивости спецификацией предусмотрены копии MFT и сектора начальной загрузки.

Таким образом, в NTFS, как и в любой другой файловой системе, MFT хранит каталог файлов (идентификатор, занимаемые кластеры), содержимое же файлов записано в кластеры диска. Одна из интересных особенностей -- хранение содержимого маленьких файлов (несколько сотен байт) прямо в MFT -- позволяет значительно оптимизировать работу с мелкими файлами и не сказывается на размерах самой таблицы, так как данные пишутся лишь в том случае, если в записи MFT для них есть необходимое пространство (1 запись MFT занимает 1 Кбайт). «Нормальные» же файлы расположены в кластерах области данных тома NTFS. При этом каждый файл состоит из потоков, где первый поток -- содержимое файла, а в остальных может содержаться дополнительная информация.

Рис. 2. Видимость в NTFS

Каталоги теперь хранят список вложенных элементов в виде бинарного дерева, что значительно ускоряет поиск файлов.

Некоторые нововведения NTFS направлены на увеличение совместимости со стандартом POSIX (на нем основаны файловые системы Unix): атрибуты времени последнего доступа и изменения файла, жесткие ссылки (фактически, два имени одного файла), символические ссылки (настоящее имя остается неизменным, а символическая ссылка позволяет давать «псевдонимы»).

Нельзя обойти вниманием и самые известные нововведения NTFS -- сжатие и шифрование. Обе функции полностью прозрачны для пользователей, необходимо лишь установить соответствующие атрибуты в свойствах файлов и папок, все остальные операции Windows будет выполнять по мере необходимости, пользователь же не заметит никакой разницы.

NTFS обеспечивает мощную и сложную систему распределения прав доступа к файлам и папкам. Конечно, эти параметры контролируются лишь операционной системой, то есть их можно обойти, получив доступ к файлам из другой ОС (например, Linux с возможностью чтения томов NTFS). Впрочем, от этого обезопасит NTFS-шифрование. Еще одна функция -- дисковые квоты -- позволяет устанавливать объем доступного пользователям свободного места на диске.

Одно из важнейших преимуществ NTFS -- журналируемость. NTFS, как журналируемая файловая система, обладает высокой отказоустойчивостью и способна самостоятельно исправлять большинство возникающих ошибок. Защита основана на принципе транзакций -- любая операция, изменяющая данные на диске, рассматривается как транзакция, то есть такая последовательность действий, которая может или пройти успешно, или не пройти вообще. Данные о предстоящих действиях заносятся в журнал транзакций, и в случае ошибок система отменяет все изменения. Поэтому любые промежуточные результаты, чреватые нарушением файловой системы, невозможны. Журналируемость, к сожалению, не защитит от некачественного «железа» и не убережет пользовательские данные в экстренных ситуациях (впрочем, такой цели и не ставится), но без проблем справится с повседневными ошибками и сохранит целостность файловой системы.

7. ФС, используемые в дистрибутивах Linux

Файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

Ext2;

Ext3;

Ext4;

JFS;

ReiserFS;

XFS;

Btrfs;

Ext2, Ext3, Ext4 или Extended Filesystem - стандартная файловая система, первоначально разработанная еще для Minix. Содержит максимальное количество функций и является наиболее стабильной в связи с редкими изменениями кодовой базы. Начиная с ext3 в системе используется функция журналирования. Сегодня версия ext4 присутствует во всех дистрибутивах Linux.

JFS или Journaled File System разработана в IBM в качестве альтернативы для файловых систем ext. Сейчас она используется там, где необходима высокая стабильность и минимальное потребление ресурсов (в первую очередь в многопроцессорных компьютерах). В журнале хранятся только метаданные, что позволяет восстанавливать старые версии файлов после сбоев.

Reiser FS также разработана в качестве альтернативы ext3, поддерживает только Linux. Динамический размер блока позволяет упаковывать несколько небольших файлов в один блок, что предотвращает фрагментацию и улучшает работу с небольшими файлами. Недостатком является риск потери данных при отключении энергии.

XFS рассчитана на файлы большого размера, поддерживает диски до 2 терабайт. Преимуществом системы является высокая скорость работы с большими файлами, отложенное выделение места, увеличение разделов на лету, незначительный размер служебной информации. К недостаткам относится невозможность уменьшения размера, сложность восстановления данных и риск потери файлов при аварийном отключении питания.

Btrfs или B-Tree File System легко администрируется, обладает высокой отказоустойчивостью и производительностью. Используется как файловая система по умолчанию в OpenSUSE и SUSE Linux.

Рис. 3. Сравнительная таблица файловых систем

8. Немного о WinFS

WinFS (англ. Windows Future Storage) -- платформа управления данными и метаданными от корпорации Microsoft, тесно взаимодействующая с файловой системой NTFS. Предполагалось, что WinFS будет одним из основных нововведений для Windows Vista в те времена, когда кодовое название системы было Longhorn. Однако в июне 2006 года было заявлено о прекращении разработок WinFS как файловой системы для операционных систем[2], а в ноябре 2006 года Microsoft заявила, что файловая система ещё разрабатывается и появится позже -- либо в Windows 7, либо как отдельный продукт. Наработки, появившиеся в ходе реализации проекта, могут быть использованы в новых версиях MS SQL server и ADO.NET.

Microsoft реализовала меняющуюся модель сущностей в WinFS. Разработчики могут сами определять их с помощью метаданных XML и указывать связи между ними. При этом существует возможность, скажем, вывода всех документов данного автора вместе с информацией о его адресе и связанных с ним фотографиях.

Также можно менять дизайн опций просмотра в Проводнике и команд, привязанных к определённым типам файлов. Разработчики могут оговаривать, к примеру, какие опции в контекстном меню будут появляться для определённых сущностей, и какие будут использовать значки. Поэтому файловый проводник в Seven может осуществлять полностью новый ассортимент задач. Например, во время поиска разработчик может дополнительно указать выполнение команд, привязанных к сущностям. Так, если пользователь осуществляет поиск по архиву электронной почты, то проводник может вызвать Microsoft Outlook для подготовки и отсылки стандартного ответа -- по щелчку мыши.

Вполне вероятно, можно ожидать связи между системой управления правами Microsoft и «безопасной компьютерной платформой следующего поколения» -- Next Generation Secure Computer Base (NGSCB), которая уже присутствует в зачаточной форме в альфа-версии Seven. Возможно, в некоторый момент система будет способна классифицировать файлы по определённым критериям безопасности.

Ближайшей аналогией сущностей являются теги, собственно, для пользователя они и будут такими метками -- универсальными, частично привязанными к конкретным файлам (например, файлы с фотографиями и музыкой могут иметь как общие теги, так и специфичные для каждого типа файлов). В этом смысле непосредственно файловая система представляет собой хранилище файлов, оптимизированное для хранения данных (но не информации о них), а метафайлы -- индексы базы данных, которые будут обеспечивать доступ к файлам.

9. GPT и MBR

Перед тем как начать использовать новый жесткий диск, его объем необходимо разбить на разделы. Раздел подразумевает участок диска, предназначенный для комфортного использования и размещения информации. Это помогает структурировать и разграничить отдельно файлы операционной системы от личных данных пользователя.

Для того чтобы разделить диск и необходима таблица разделов MBR или GTP. В этих таблицах хранятся сведения о начале и конце разделов. Даная информация помогает системе определять, где начинается загрузочный диск и к какому сектору физического диска принадлежат данные. На сегодняшний день существуют два вида таблиц разделов, а именно GPT и MBR.

Ниже представлена сравнительная таблица GPT и MBR

Рис. 4. Сравнительная таблица GPT и MBR

Заключение

Файловая система с точки зрения пользователя -- это «пространство», в котором размещаются файлы. А как научный термин - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

- совокупность всех файлов на диске,

- наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

- комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Наличие файловой системы позволяет определить, как называется файл, где он находится. Поскольку на персональных компьютерах информация хранится в основном на дисках, то применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на дисках (точнее, на логических дисках). В данной работе рассмотрено несколько видов файловых систем, их сравнительная характеристика.

Список литературы

1. Файловая система. Википедия - свободная энциклопедия. [В Интернете] . http://ru.wikipedia.org/wiki/Файловая_система.

2. Файловые системы. Computerlibrary.ru. [В Интернете] http://computerlibrary.info/view/article151/.

3. Список файловых систем. Википедия - свободная энциклопедия. [В Интернете] http://ru.wikipedia.org/wiki/Список_файловых_систем.

Размещено на Allbest.ru