Mamy nadziej, e wiedza o właciwociach i moliwociach poszczególnych systemów plików pomoe w prawidłowym i wiadomym wyborze systemu plików.

Transkrypt

1 1 z 10 Lekcja 7: Interfejs systemu plików. Wstp W trakcie tej lekcji chcielibymy przedstawi Wam jeden z najwaniejszych modułów systemu operacyjnego z punktu widzenia uytkownika - czyli podsystem obsługi plików. To od systemu plików w duej mierze zaley szybko działania pamici masowych oraz bezpieczestwo danych na nich umieszczonych. Dodatkowo, o ile uytkownik systemu operacyjnego raczej nie ma wpływu na algorytmy zarzdzania pamici, kolejkowania procesów czy te zapobiegania zakleszczeniom (opisane w poprzedniej lekcji), o tyle najczciej moe sam zadecydowa, jaki system plików ma wykorzystywa dla swojej stacji roboczej, czy te na serwerze którym si opiekuje. Mamy nadziej, e wiedza o właciwociach i moliwociach poszczególnych systemów plików pomoe w prawidłowym i wiadomym wyborze systemu plików. Pliki i ich organizacja Pojcie pliku Dane bezporednio potrzebne procesorowi do wykonywania jego zada s umieszczane w pamici operacyjnej systemu. Jest to jednak pami ulotna i dane w niej zapisane s tracone po wyłczeniu zasilania. Nie nadaje si wic ona do trwałego magazynowania informacji. Ponadto, rozmiar pamici operacyjnej jest stosunkowo niewielki i dodatkowo ograniczony od góry poprzez szeroko szyny adresowej komputera. Dlatego te informacje magazynuje si w sposób trwały na rónych nonikach takich jak magnetyczne dyski i tamy lub dyski optyczne. Plik jest pojciem logicznym i definiuje podstawow logiczn jednostk magazynowania informacji. Jest to cig bitów danych, opatrzony nazw i atrybutami. Dane s zapisane w odpowiednim formacie, zalenie od zawartoci pliku. Nazwa z reguły składa si z głównej czci nazwy i rozszerzenia (oddzielonego kropk). Podział ten jest charakterystyczny dla systemu MS-DOS (gdzie musiał by konsekwentnie przestrzegany), w innych systemach operacyjnych (np. Windows, Linux) nazwa moe składa si z wielu czci. Z punktu widzenia uytkownika systemu operacyjnego plik jest całoci, w rzeczywistoci przechowywany jest on na fizycznym noniku w innej formie (np. jako zestaw powizanych ze sob bloków). Sposób przechowywania plików, a take moliwe struktury na jakie dzielony jest fizyczny nonik, zale w duej mierze od systemu operacyjnego i nosz nazw systemu plikowego (z ang. file system). Najwaniejsz cech pliku zapisanego na dysku jest jego nieulotno - po zaniku systemu zawarto nie jest tracona. Jednake z punktu widzenia teorii informatyki ta cecha jest nieistotna (co wicej - czasem nieprawdziwa, istniej systemy plików tworzone w pamici RAM). Dla informatyka najwaniejsz cech pliku jest jego sekwencyjno, czyli fakt, e dane w pliku s zapisane kolejno i kolejno musz by z niego czytane. W kadym pliku istnieje znacznik, nazywany kursorem, mówicy o tym, który nastpny bajt bdzie z niego odczytany / do niego zapisany. Kiedy pojcie pliku było jednym z fundamentalnych poj informatyki - wszystkie urzdzenia wejcia / wyjcia przez system operacyjny były traktowane jako pliki. Aktualnie istnieje dua grupa tzw. urzdze blokowych (o swobodnym dostpie, jak karta graficzna), a pojcie pliku ograniczyło si głównie do plików tworzonych na pamiciach masowych. Rodzaje i typy plików Dane zapisane w pliku zale od jego twórcy i mog by bardzo róne. Ze wzgldu na charakter zapisanych informacji pliki dzieli si na: programy; dane. Dane zapisane w plikach mog by rónego rodzaju. Mog to by dane liczbowe, teksty, teksty z dodatkowymi informacji o formatowaniu, obrazy grafiki komputerowej, nagrania dwikowe, zapisy sekwencji wideo itd. Struktura pliku, czyli sposób jego wewntrznej organizacji, zale od rodzaju zapisanych informacji. Mówimy, e struktura pliku zaley od jego typu. Przykładowe typy plików (dla systemu Windows) zostały zebrane w tabeli poniej. Typ pliku Rozszerzenie nazwy Funkcja Wykonywalny exe, com, bin Gotowy do wykonania program w jzyku maszynowym

2 2 z 10 Kod ródłowy c, pas, asm, vb, cpp Kod ródłowy wyraony w rónych jzykach Wsadowy bat Polecenia dla interpretera polece Tekstowy txt Dane i dokumenty tekstowe Obraz png, gif, jpg, bmp, tiff Plik binarny, zawierajcy obraz rastrowy Archiwalny zip, arj, rar, 7z Plik skompresowany odpowiednim algorytmem kompresji Wewntrzna organizacja struktury pliku jest uzaleniona od typu pliku i od wymaga programu z niego korzystajcego. Z plikiem zwizanych jest kilka atrybutów (cech). Nale do nich m.in.: nazwa cig znaków identyfikujcych plik w sposób zrozumiały dla człowieka; typ okrela rodzaj przechowywanych informacji, na przykład: wykonywalny, wynikowy, kod ródłowy, tekstowy, archiwalny itd. Typ rozpoznawany jest najczciej przez tak zwane rozszerzenie; połoenie pozwala na fizyczn lokalizacj na noniku; rozmiar zawiera wielko pliku najczciej wyraon w bajtach; ochrona informacje o tym kto i w jaki sposób moe sprawowa kontrol i odczytywa informacj z pliku; data data utworzenia, modyfikacji, ostatniego uycia, wydrukowania itp. W rónych systemach mog wystpowa róne zestawy atrybutów. Przykładowo - w systemach Unix i pochodnych, to czy plik jest wykonywalny czy nie, nie jest rozpoznawalne poprzez rozszerzenie, lecz jako dodatkowy atrybut. Operacje na plikach Zazwyczaj to system operacyjny zapewnia mechanizmy dostpu i zarzdzania plikami, cho nie jest powiedziane, e podobne mechanizmy nie mog by równie wbudowane w oprogramowanie uytkowe (np. sieciowe czy wirtualne systemy plików). Kady sensowny system operacyjny powinien zapewni nastpujce operacje na pliku: tworzenie - utworzenie nowego, najczciej pustego pliku, nadanie mu nazwy oraz udostpnienie do dalszych operacji; zapis - wypełnienie pliku danymi. Plik nie ma okrelonego sztywno rozmiaru - jego wielko dostosowywuje si do iloci zapisanych w nim danych; odczyt - operacja odwrotna do zapisu - pobranie danych z pliku do pamici. Przy odczycie dane w pliku pozostaj nienaruszone; usuwanie - fizyczne usunicie pliku z dysku wraz z danymi w nim zawartymi; skracanie - moe nieco niefortunna nazwa. Skracanie polega na usuniciu z pliku wszystkich zawartych w nim danych, bez usuwania pliku jako takiego. W efekcie otrzymujemy na dysku pusty plik o długoci 0; przenoszenie - zmiana połoenia pliku w strukturze katalogów; kopiowanie - wykonanie kopii zawartoci pliku pod inn nazw lub w innym połoeniu w strukturze katalogów. W rónych systemach operacyjnych mog wystpowa dodatkowe operacje na plikach. Naley podkreli, e plik jest struktur logiczn, tak samo jak jego struktura wewntrzna. Zapis pliku na dysku musi natomiast by zgodny z fizyczn organizacj nonika danych. Z tego powodu zapis pliku na dysku odbywa si całymi blokami, które czsto nie pokrywaj si z logiczn wielkoci pliku. W takim wypadku cz przestrzeni dyskowej pozostaje niewykorzystana, a zjawisko to znane jest pod nazw fragmentacji. System plików System plików to mechanizm pozwalajcy na uporzdkowane przechowywanie oraz bezporedni dostp do informacji (dane i programy) zawartej w plikach. Dodatkowo, system plików pozwala na zarzdzanie plikami (kopiowanie, przenoszenie, usuwanie) oraz organizuje je w logiczn struktur. Systemy plików stosuje si dla rónych noników danych, takich jak dyski, dyskietki, a take w strumieniach danych, sieciach komputerowych, pamiciach. We współczesnych systemach operacyjnych bezporednie operowanie na danych w plikach zarezerwowane jest tylko dla systemu operacyjnego, aplikacje maj dostp tylko do operacji na plikach i maj zabroniony bezporedni dostp do nonika danych. System plików jest jednym z bardziej widocznych elementów systemów operacyjnego. W jego skład wchodzi zbiór plików oraz struktura katalogów, która pozwala na łatw organizacj i udostpnianie informacji o wszystkich plikach zapisanych w systemie. W niektórych systemach wystpuje jeszcze dodatkowy element słucy do wyodrbnienia w sposób fizyczny lub logicznych duych zbiorów katalogów. Głównym zadaniem systemu pliku w systemie komputerowym jest zapewnienie prawidłowego i wydajnego dostpu do plików zapisanych w pamici pomocniczej oraz zapewnienie prawidłowej ochrony przechowywanej informacji.

3 3 z 10 Zazwyczaj pliki organizowane s w grupy, nazywane katalogami. Struktura katalogów Katalog okrela połoenie pliku na dysku. Operacje wykonywane na plikach (takie jak odnajdywanie, odczyt czy usuwanie) s wykonywane przy wykorzystaniu katalogów. Dlatego te organizacja struktury katalogu jest dla systemu bardzo istotna. Najprostszym sposobem organizacji katalogu jest struktura jednopoziomowa (w praktyce niestosowana). W takiej strukturze informacje o wszystkich plikach ujte s w jednym poziomie. Katalog o strukturze jednopoziomowej jest łatwo utworzy i obsługiwa. Ma on jednak sporo wad. Uwypuklaj si one przede wszystkim w momencie, gdy ronie liczba plików lub rónych uytkowników systemu. W takiej strukturze kady plik musi mie swoj unikatow nazw, a róni uytkownicy nie mog w ten sam sposób nazywa swoich plików. Trudnoci pojawiaj si równie w trakcie wyszukiwania informacji o zadanym pliku. Tych wad pozbawiona jest, najczciej dzi wykorzystywana, struktura katalogów zorganizowana na kształt drzewa. Przykładowe drzewo katalogów W takiej strukturze nie wystpuje problem jednoznacznoci nazw (w ujciu globalnym) oraz problem oddzielenia plików rónych uytkowników, gdy kady z nich moe przechowywa swoje pliki w osobnej czci struktury drzewiastej. W katalogu drzewiastym drzewo ma swój katalog główny (ang. root), a kady plik w systemie oprócz swojej nazwy ma jednoznaczn ciek okrelajc jego połoenie w drzewie katalogów. Katalog, w którym znajduje si plik, jest nadrzdny (bezporednio) wzgldem tego pliku. Katalog jest podrzdny (bezporednio) wzgldem innego katalogu w którym si znajduje. Format podanej cieki zaley od systemu operacyjnego. W wikszoci systemów (Unix, Linux, Mac OS) katalog jest reprezentowany przez ukonik (ang. slash "/"), pełna cieka do pliku o nazwie edytp3.gif z rysunku powyej wyglda nastpujco: /home/czesio/podreczniki/podrecznik_syst_komputerowe/lekcja0/obrazki/edytp3.gif <<<<<<<.mine W przypadku systemów Windows oraz DOS katalog jest reprezentowany przez lewy ukonik (ang. backslash "\"), przy oznaczaniu pełnej cieki uwzgldnia si równie liter dysku logicznego (wolumenu). Tak wic cieka dostpu do pliku o tej samej nazwie w Windows mogłaby wyglda nastpujco: ======= W przypadku systemów Windows oraz DOS katalog jest reprezentowany przez lewy ukonik (ang. backslash "\"), przy oznaczaniu pełnej cieki uwzgldnia si równie liter dysku logicznego (volumenu). Tak wic cieka dostpu do pliku o tej samej nazwie w Windows mogłaby wyglda nastpujco: >>>>>>>.r10

4 4 z 10 C:\Documents and Settings\czesio\moje dokumenty\podreczniki\podrecznik_syst_komputerowe\lek Oprócz pojcia cieki bezwzgldnej, w systemach opartych na drzewie istnieje równie pojcie wzgldnej cieki do pliku - czyli cieki jak z aktualnego katalogu moemy dosta si do punktu docelowego. W tym celu poruszamy si w gór drzewa do pierwszego katalogu wspólnego, korzystajc przy tym ze pomoc specjalnego oznaczenia katalogu nadrzdnego - dwóch kropek. Wracajc do naszego przykładu z rysunku, jeli aktualnym katalogiem jest /home/czesio/podreczniki/podrecznik_syst_komputerowe/css/multi to pierwszym wspólnym katalogiem jest /home/czesio/podreczniki/podrecznik_syst_komputerowe a wzgldn ciek do pliku edyt3p bdzie./lekcja0/obrazki/edytp3.gif W systemie Windows to przejcie bdzie wygldało podobnie, tylko ukoniki zmieniamy na odwrotne ukoniki. Dysk logiczny Wspomnielimy, i w systemach DOS / Windows przy podawaniu pełnej cieki podaje si na pocztek nazw (liter) dysku logicznego. W pozostałych systemach operacyjnych takie dyski równie istniej - tyle, e nie s traktowane w sposób szczególny, a po prostu przypisane do jednego z katalogów w drzewie katalogów. Czym zatem s owe dyski logiczne? Dysk logiczny, nazywany te partycj (ang. partition) czy wolumenem (ang. volume), jest wydzielon stef na fizycznym noniku, o własnej strukturze wewntrznej oraz systemie plików Podziału na partycje dokonuje si w celu: uzyskania kilku rozłcznych obszarów na jednym dysku fizycznym; zwikszenia rozmiaru strefy ponad rozmiar pojedynczego dysku fizycznego (w wypadku partycji montowanych na kilku dyskach fizycznych). Kada partycja zawiera wszystkie zapisane w niej dane (zorganizowane w pliki umieszczone w katalogach). Dane umieszczone na jednej partycji s zupełnie niezalene od danych umieszczonych na innych partycjach. Niektóre operacje na plikach (takie, jak zmiana nazwy, przeniesienie pliku w obszarze jednej partycji, czy skasowanie pliku) nie operuj bezporednio na danych zapisanych w pliku, a jedynie zmieniaj wpisy w odpowiednich dla danego systemu plików strukturach kontrolnych. Dziki temu wspomniane operacje z jednej strony wykonywane s bardzo szybko, a z drugiej specjalici mog bez problemu odzyskiwa skasowane z systemu dane bezporednio po ich usuniciu - bo fizycznie cały czas pozostaj one na dysku. Zabezpieczenia Najprostsze systemy plików nie uwzgldniaj koniecznoci ochrony poszczególnych plików i katalogów przed dostpem - kady uytkownik systemu komputerowego moe czyta i zmienia w zasadzie kady plik umieszczony na pamici masowej. Podejcie takie charakteryzuje si prostot koncepcyjn, lecz jego stosowanie w praktyce, poza komputerami domowymi, mona okreli jako mało rozsdne... Po pierwsze - skoro kady uytkownik danego systemu komputerowego moe czyta wszystkie umieszczone na nim pliki, to nie ma moliwoci, by dane tworzone przez jednego pracownika były niedostpne dla innych. Co wicej - nie ma te moliwoci stwierdzenia, kto dany plik utworzył oraz kto go modyfikował. Najgorsz cech systemów plików bez zabezpiecze jest jednak moliwo uszkodzenia systemu operacyjnego przez uytkownika. Skoro kady plik moe by modyfikowany (w tym usunity) przez kadego uytkownika, to mało dowiadczony (lub złoliwy) uytkownik komputera jest w stanie skasowa pliki nalece do systemu operacyjnego. Czym to si koczy? Łatwo si domyle... System operacyjny przestaje działa i cały komputer przestaje by uyteczny. Systemem plików pozbawionym zabezpiecze jest opisany w nastpnym segmencie FAT. W powanych zastosowaniach stosuje si wic systemy plików pozwalajce na zabezpieczanie zarówno pojedynczych plików jak i całych katalogów przed dostpem. Najczciej przy tym stosuje si jeden ze schematów zabezpiecze: prostsza i szybsza metoda - to wykorzystanie pojedyczych uprawnie nadawanych kademu plikowi i katalogowi na dysku. Takie podejcie jest stosowane przez wszystkie popularne systemy plików przeznaczone dla Unix-ów. Kady plik i katalog, oprócz swojej nazwy, jest opisany przez dwie dodatkowe liczby: identyfikator uytkownika do którego naley

5 5 z 10 oraz identyfikator grupy uytkowników. Dodatkowo mamy zestaw 9 bitów uprawnie, po trzy - dla uytkownika, dla grupy i dla pozostałych. Te trzy bity to: bit pozwolenia na odczyt pliku, jego modyfikacje (zapis, kasowanie) oraz uruchomienie (w przypadku katalogów - na wejcie do katalogu). Przykład uprawnie do plików w systemie Linux Na rysunku powyej widzicie wywietlon przykładow list uprawnie (to pierwsze 10 znaków). Litera d oznacza katalog, a nastpnie mamy trzy grupy po trzy litery : rwx. Jeli litera nie wystpuje, to oznacza e uprawnienie nie zostało przyznane. I tak, dla pliku o nazwie README, jego właciciel ma prawo na odczyt i modyfikacje, uytkownicy nalecy do grupy do której naley plik - maj prawo do odczytu, ale ju nie mog pliku modyfikowa, natomiast pozostali nie maj prawa ani na odczyt, ani na modyfikacje pliku; bardziej zaawansowana i elastyczna jest druga metoda - listy dostpu (ACL), stosowana w systemach plików HPFS i NTFS dla Windows. W tym przypadku nie kady plik i katalog ma nadawane niezalenie prawa. Jeli dany plik nie ma powizanej z nim listy uprawnie (ACL), to przejmuje on list z katalogu nadrzdnego. Jeli katalog równie nie ma przyznanej takiej listy, to sprawdzany jest katalog wyszego poziomu - i tak a do momentu gdy lista zostanie odnaleziona. Takie podejcie nazywa si dziedziczeniem uprawnie - pliki i katalogi dziedzicz uprawnienia po katalogu do którego nale. W dowolnym miejscu drzewa plików mona zdefiniowa now list uprawnie dla plików. Lista uprawnie składa si z jednego lub wicej wpisów, z których kady ma dwa pola: identyfikator uytkownika lub grupy; zestaw uprawnie (prawo do odczytu, zapisu, modyfikacji pliku, oraz tworzenia nowych plików w danym katalogu). Do jednego pliku / katalogu uprawnienia mona nadawa niezalenie dla kilku / kilkunastu uytkowników lub grup uytkowników. Jak wida, taka struktura jest zdecydowanie bardziej elastyczna. Jej wad jest mniejsza wydajno, bo przy odwołaniu si do kadego pliku naley przeszuka w gór drzewo plików, w celu odnalezienia list dostpu i sprawdzenia uprawnie, które mona nada uytkownikowi. Ksigowanie Zabezpieczanie przed nieautoryzowanym dostpem nie daje jeszcze całkowitej pewnoci bezpieczestwa zapisanych danych. Bezpieczestwo to take pewno, e w wypadku np. awarii zasilania bd te zawieszenia si systemu operacyjnego nie stracimy danych na dysku. Skoro operacje zapisu, tworzenia lub usuwania plików lub katalogów nie s wykonywane natychmiast, a take nic nie zabrania systemowi operacyjnemu normalnego wywłaszczenia zadania zapisu na dysk (w informatyce mówi si, i nie s to operacje atomowe), to moe si zdarzy, e na dysku znajd si nie do koca zapisane pliki, bd - co gorzej - nie do koca zmienione wpisy w strukturach kontrolnych systemu plików - metadanych. System plików musi przechowywa, oprócz danych zapisywanych w plikach, take dane o samej strukturze plików i strukturze systemu plików (tzw. metadane). Std bior si problemy ze spójnoci podczas awarii systemu, gdy nastpi ona midzy operacjami na metadanych i operacjami na danych (w trakcie jednej operacji np. zapisu). Dlaczego? Oto prosty przykład: chcielibymy zapisa list wypłat naszych pracowników na dany miesic w pliku "scorge.xls". Aby tego dokona wybieramy odpowiedni opcj z menu, w okienku które si pojawiło wpisujemy nazw pliku i naciskamy przycisk "Zapisz". Od tego momentu dla nas - jako uytkowników - wszystko przebiega niezauwaenie, ale w praktyce wykonywane s nastpujce operacje przez system operacyjny: 1. Na dysku wyszukiwany jest pierwszy wolny blok, gdzie moemy zapisywa. 2. W tablicy alokacji plików (lub w odpowiednim wle) dodawany jest wpis oznaczajcy przypisanie danej nazwy pliku do aktualnego katalogu oraz przed chwil znalezionego bloku (co to jest tablica alokacji plików oraz i-node wyjanimy przy opisie konkretnych systemów plików w nastpnych segmentach). 3. Sterowanie jest przekazywane do aplikacji - zaczyna ona przesyła dane na dysk. 4. W momencie, gdy w aktualnym bloku zabraknie miejsca, wyszukiwany jest nastpny wolny i odpowiednio modyfikowane s metadane... i tak a do koca zapisu. Teraz wyobramy sobie, e Zakład Energetyczny wyłczy nam prd pomidzy krokiem 2 a 3. Wtedy okae si, e struktury kontrolne zawieraj informacj o pliku którego tak na prawd nie ma... pojawił si nam plik-widmo. Aby unikn podobnych sytuacji, stosuje si ksigowanie. Ksigowanie lub kronikowanie (ang. journaling) to w informatyce termin zwizany z konstrukcj baz danych oraz systemów plików. Przy uyciu ksigowania dane nie s od razu zapisywane na dysk, tylko zapisywane w swoistym dzienniku/kronice (ang. journal). Dziki takiemu mechanizmowi działania zmniejsza si prawdopodobiestwo utraty

6 6 z 10 danych: jeli utrata zasilania nastpiła w trakcie zapisu - zapis zostanie dokoczony po przywróceniu zasilania, jeli przed - stracimy tylko ostatnio naniesione poprawki, a oryginalny plik pozostanie nietknity. Transakcje zapewniaj zapis jednej operacji dyskowej (zapisu, tworzenia lub usuwania pliku (katalogu)) do dziennika jako operacji atomowej. Jest ona zapisywana w całoci i tylko jeli wszystkie jej kroki przejd pomylnie moe zosta uznana za wykonan - jest potwierdzana i usuwana z dziennika. W momencie uruchomienia systemu po awarii wszystkie operacje w całoci zapamitane w dzienniku s wykonywane, a te które nie s zapisane w całoci s wymazywane z dziennika i ignorowane (na pewno nie zostały nawet rozpoczte na dysku). W przypadku systemów plików bez dziennika, aby przywróci porzdek po nagłej awarii, trzeba uruchamia specjalny program poprawiajcy błdne wpisy, inaczej gro nam: wycieki wolnego miejsca (po przerwanej alokacji nowych bloków lub przy usuwaniu pliku został on ju skasowany, ale jego bloki nie s jeszcze zaznaczone jako usunite); złe dane o wolnym miejscu w grupie (np. w Linux-owym Ext3 le bdzie działał algorytm przydzielania wolnego miejsca); plik1 zawiera wpisy porednie mogce pokazywa na bloki, których system ju nie zdył zaj przed awari, nastpnie plik2 je zajmuje, a my teraz zwalniamy plik1 i plik2 traci dane! Dla systemów plików bez kroniki moe si te zdarzy sytuacja, e mimo uruchomienia programu sprawdzajcego - wszystkich błdów nie uda si skorygowa. A nawet jeli uda si - to sprawdzenie całego dysku dla systemu bez ksigowania moe trwa bardzo długo (czas liczy si w dziesitkach minut dla duych dysków twardych). System plików z kronik po restarcie zwykle przywraca spójno dysku w czasie rzdu kilku, kilkunastu sekund. Restart systemu po awarii w systemach z kronikowaniem nie zaley od wielkoci partycji, co jest szczególnie istotne w przypadku wielkich dysków. Rozróniamy dwa podstawowe typy kronikowania: tylko metadanych (zapewnia spójno metadanych, ale moe nie pamita ostatnio wpisanych danych tu przed awari); metadanych i danych (odtworzy wszystko co zostało w całoci wprowadzone do dziennika). Dostpne systemy plików FAT System plików FAT (ang. File Allocation Table) jest nierozerwalnie zwizany z MS DOS (i jeszcze wczeniejszego systemu dla maszyn 8-bitowych - CP/M). FAT jest jego natywnym (przewidzianym przez twórców) systemem plików. W formacie FAT partycja (poza pocztkowymi zarezerwowanymi sektorami) jest podzielona na klastry (jednostki alokacji pliku). Kady klaster składa si z jednego lub kilku sektorów, klastry s numerowane. System operacyjny na podstawie numeru klastra oblicza numer logiczny sektora (numer sektora od pocztku partycji), a na tej podstawie numer cieki, głowicy i sektora na ciece, identyfikujc jednoznacznie sektor i dokonujc odczytu lub zapisu wybranego sektora. Klaster jest dla FAT jednostk niepodzieln - nie mona go wykorzysta w czci, mona jedynie w całoci przydzieli jednemu plikowi. Pliki w systemie FAT organizowane s w katalogi. Kady wpis w katalogu zawiera nazw pliku, atrybuty oraz numer pierwszego przydzielonego mu klastra. Natomiast lokalizacj dalszej czci pliku definiuje wpis w tablicy alokacji plików. Tablica alokacji plików to przechowywana zaraz za boot sektorem struktura, zajmujca kilka sektorów, która zawiera tyle pozycji, ile jest na dysku klastrów. Kada pozycja w tablicy odpowiada jednemu klastrowi. Teraz, jeli w katalogu mamy zamieszczony wpis o tym, gdzie znajduje si pierwszy klaster danego pliku, to w tablicy alokacji plików pod numerem odpowiadajcym numerowi pierwszej czci pliku jest umieszczony numer kolejnego klastra przydzielonego plikowi lub liczba z zakresu FFF8h-FFFFh, jeli to jest ostatni klaster pliku. Jeeli dany klaster jest wolny, to w FAT odpowiada mu wpis 0000h, a FFF7h oznacza uszkodzony klaster. Tablica FAT umoliwia szybkie odszukanie miejsca dla nowego pliku lub dalszej czci oraz łatwe odszukiwanie kolejnych czci plików. Wad systemu FAT jest to, e dla partycji o duej pojemnoci klaster jest równie duy i znaczna jego cz pozostaje pusta, wic tracimy miejsce na dysku, i w efekcie, w przypadku duych dysków twardych jestemy w stanie efektywnie wykorzystywa tylko ok. 60% ich pojemnoci. Ponadto w trakcie zapisywania i kasowania plików ulegaj one fragmentacji (kolejne fragmenty pliku mog lee w znacznej odległoci od siebie), a przestawianie głowic dysku zajmuje czas. Inn wad jest to, e kade załoenie, skasowanie, kada zmiana wielkoci pliku pociga za sob konieczno zmiany tablicy FAT, co przy niepoprawnym działaniu komputera moe doprowadzi do utraty wszystkich danych na partycji. Pewnym zabezpieczeniem jest przechowywanie (realizowane w sposób automatyczny) dwóch kopii tablicy alokacji plików.

7 7 z 10 Dokładny podział kadej partycji w systemie FAT wyglda nastpujco: obszar zastrzeony (z boot sectorem) a w nim tablica BPB (Bios Parameter Block) oraz program ładujcy system operacyjny (boot sector) dla partycji systemowej. Blok BPB zawiera informacje potrzebne do wyliczenia połoenia i rozmiaru pozostałych regionów; tablica alokacji plików opisana wyej. Na partycji moe by kilka kopii tablicy FAT (zazwyczaj dwie); katalog główny i jego podkatalogi zawierajce nazwy plików, atrybuty, informacje o czasie utworzenie i modyfikacji, wskanik na pierwszy klaster z danymi; region danych - to ten obszar jest podzielony na klastry, oraz zawiera rzeczywiste dane przechowywane na dysku. Struktura systemu FAT System plików FAT wystpuje w trzech wersjach, rónicych si jedynie liczb bitów wykorzystywanych do adresowania jednostki alokacji (klastra): FAT12 Najstarsza z nich, FAT12, w praktyce ju nie jest uywana. Była przeznaczona głównie dla dyskietek. W stosowaniu jej na nonikach o wikszej pojemnoci przeszkadzał fakt adresowania jednostki alokacji (najmniejszej jednostki organizacji logicznej dysku) przy pomocy zaledwie 12 bitów, tyle co na obsłuenie jedynie 4096 jednostek alokacji. FAT12 ze wzgldu na to ograniczenie, nigdy nie uzyskał wikszej popularnoci. To nie jedyne sztucznie wprowadzone kiedy ograniczenie, które potem, wraz z rozwojem komputerów, powodowało wiele problemów z utrzymaniem wstecznej zgodnoci oraz z obsług nowego sprztu. Starsi czytelnicy zapewne pamitaj słynne zdanie Billa Gatesa KB wystarczy kademu... przez które komputery osobiste oparte na architekturze Intela przez długi czas nie mogły w sposób bezproblemowy wykorzystywa pamici o wikszej pojemnoci. FAT16 Wraz z systemem DOS 2.0 pojawiła si nowa wersja FAT16, w którym na pamitanie jednostki alokacji przeznaczono 16 bitów. Oznaczało to, e system plików mógł opisa tylko 2 16, czyli klastrów. Klastry były rozmiarowo równe fizycznym sektorom dysku twardego (512 bajtów), jednake ograniczało to pojemno do 32 MB. Wikszy dysk twardy trzeba było dzieli na partycje. Zatem postanowiono zwikszy rozmiar jednostek alokacji. Jednake gdy wielko dysków doszła do 1 gigabajta, jednostki alokacji osignły rozmiar 32 kilobajtów. Tak dua wielko spowodowała due marnotrawstwo przestrzeni dyskowej (plik zawierajcy 10 bajtów informacji zajmował na dysku 32 kilobajty miejsca). Drugim mankamentem sytemu plików FAT było ograniczenie wielkoci dysku do 2,1 GB. Wymienione cechy spowodowały konieczno stworzenia nastpcy sytemu FAT32. Inn cech systemu FAT16 jest nierozrónianie wielkoci liter w nazwach plików, oraz ograniczenie długoci nazwy plików do 12 znaków. Kady plik zajmuje na dysku całkowit liczb klastrów bez wzgldu na jego wielko. Przy małych plikach (kilka bajtów) nastpuje wic znaczna strata miejsca na dysku. Wielko klastra w systemie FAT16 jest ustalana automatycznie w czasie instalacji systemu i zaley od wielkoci partycji, na której jest zakładany. Zaleno ta została pokazana w tabeli. Naley zaznaczy, e komputery z systemem FAT16 pracujce pod kontrol systemu operacyjnego DOS nie obsługuj partycji wikszych od 2GB. Wielko klastra w systemie FAT16: Wielko partycji Liczba sektorów na klaster Wielko klastra 0 MB 32 MB bajtów 33 MB 64 MB 2 1 KB 65 MB 128 MB 4 2 KB 129 MB 255 MB 8 4 KB 256 MB 511 MB 16 8 KB 512 MB 1 GB KB 1 GB 2 GB KB

8 8 z 10 FAT32 W roku 1997 rozmiar partycji FAT16 stał si zbyt mały. Klaster nie mógł by wikszy ni 32KB, co dawało partycje o pojemnoci do 2GB. Microsoft wprowadził now wersj FAT32, zawierajc teoretycznie 32-bitowe numery klastrów. W rzeczywistoci FAT32 wykorzystuje jedynie 28-bitów dla numeracji. Oznacza to moliwo adresowania do klastrów, co teoretycznie pozwala na partycje o rozmiarze wielu TeraBajtów. W praktyce, ze wzgldu na ograniczenia programów narzdziowych firmy Microsoft, FAT32 wprowadza ograniczenie do klastrów, co dawało partycje o rozmiarze ok GB Wielko klastra w systemie FAT32 pokazano w tabeli poniej Wielko partycji Wielko klastra Poniej 8 GB 4 KB Od 8 GB do 16 GB 8 KB Od 16 GB do 32 GB16 KB od 32 GB 32 KB VFAT FAT miał jeszcze jedno dokuczliwe ograniczenie. Nazwa pliku w tym systemie nie mogła mie wicej ni 8 znaków plus 3 znaki rozszerzenia i mogła składa si tylko ze znaków ASCI o kodach niszych ni 127 (co wykluczało stosowanie polskich liter). W Windows 95/98 oraz Windows NT/2000/XP wprowadzono obsług długich nazw plików, przechowywanych w specjalnych (rozszerzonych) wpisach w katalogu. Tak wic, jeli mamy dysk z systemem plików FAT i nakładk VFAT, informacje o kadym pliku przechowywane s w dwóch niezalenych połoeniach, co moe powodowa problemy przy dostpie do tak sformatowanego dysku z poziomu systemu operacyjnego nie obsługujcego VFAT. FAT - Podsumowanie Dzi mona by powiedzie, e FAT to ju historia, w dodatku aden z powszechnie stosowanych systemów operacyjnych nie wykorzystuje FAT jako swojego natywnego systemu plików. Mona by - gdyby FAT nie stał si standardowym systemem plików dla aparatów fotograficznych, pen-drive i tym podobnych urzdze. Dlatego te warto przeczyta powyszy opis nie tylko ze wzgldów historycznych. Natomiast nie warto zupełnie stosowa FAT (nawet FAT32) jako podstawowego systemu plików na dyskach twardych. Sam system plików, nawet w najnowszej wersji, nie zawiera informacji o uprawnieniach do danego pliku, co powoduje, e wszystkie pliki na dysku s dostpne dla kadego. Tak wic - nie da si zabezpieczy systemu z dyskami FAT przed nieautoryzowanym dostpem. Przyjta metodologia zapisu danych jest szybka - ale nieefektywna w sensie wykorzystania przestrzeni dyskowej, co wicej - cigle wolniejsza ni zaawansowane systemy plików takie jak ReiserFS. Ostatni niemił cech FAT jest jego podatno na uszkodzenia. HPFS Struktura systemu HTFS System HPFS (ang. High Performance File System) jest wspólnym dziełem firm IBM i Microsoft. Na szerok skal został zastosowany w systemie operacyjnym OS/2. System HPFS zapisuje na dysku boot block, super block i spare block. Struktury te s wykorzystywane do startu systemu oraz zarzdzania systemem plików. Ponadto system rezerwuje obszar tzw. bitmap (2KB), które s rozmieszczane w odstpach co 8MB. Kada bitmapa zawiera jeden bit dla kadej jednostki alokacji w pamie. System operacyjny zapisuje odpowiednie bitmapy i zaznacza, które sektory s wolne, a które zajte. HPFS planuje rozmieszczenie plików na dysku w ten sposób, aby jego ewentualne powikszenie nie powodowało defragmentacji dysku. Dodatkowo nazwy plików i katalogów s przechowywane w postaci b-drzewa (b-tree). Wicej o podobnych metodach zapisywania informacji o plikach powiemy przy omawianiu Unix-owych systemów plików. Natomiast, z punktu widzenia uytkownika, zastosowanie b-drzewa jest o tyle istotne, e powoduje zwikszenie wydajnoci

9 9 z 10 poszukiwania plików na dysku. W porównaniu do FAT, system HPFS nie tylko cechuje si wiksz wydajnoci poszukiwania plików, lecz równie zdecydowanie wyszym poziomem bezpieczestwa. W tym przypadku mamy do czynienia z pamitaniem uprawnie do kadego z plików i katalogów, co umoliwia bezpieczne skonfigurowanie systemu operacyjnego. Bezpieczne zarówno w sensie odpornoci na włamania, jak i zawarcie w nim zabezpiecze przed kasowaniem plików systemowych przez nieuprawnionych do tego uytkowników. HPFS jest natywnym systemem plików dla systemu OS/2 firmy IBM. Co istotniejsze - jest równie bezporednim protoplast systemu NTFS - aktualnego standardu w Windows. NTFS NTFS (ang. New Technology File System, w wolnym tłumaczeniu "system plików nowej generacji") jest to standardowy system plików systemu Microsoft Windows NT i jego nastpców (Windows 2000, Windows XP, Server 2003 i Vista). NTFS pochodzi od HPFS, zawiera wszystkie jego cechy oraz dodatkowo listy kontroli dostpu (ACL) i dziennik operacji dyskowych (journal). NTFS nie posiada ograniczenia systemu plików FAT dotyczcego maksymalnego rozmiaru pojedynczego pliku, co umoliwia na przykład przechowanie obrazu płyty DVD na dysku twardym, bez dzielenia go na mniejsze pliki. Maksymalny rozmiar pliku dla NTFS to teoretycznie: 16 EB, w praktyce 16 TB (co i tak jest wielkoci a niewyograaln). Maksymalny rozmiar pojedyczej partycji jest te ogromny - wynosi 256 TB. Jego podstawowe cechy to: wprowadzenie mechanizmu ksigowania (ang. journal). Jest to dziennik zmian, dostpny od wersji NTFS 3.0 w Windows W skrócie, mechanizm ten pozwala na bezpieczniejsze zapisywanie danych oraz utrzymywanie ich spójnoci na dysku, nawet w przypadku awarii zasilania w trakcie zapisu. Wicej o tym mechanimie powiemy przy opisywaniu systemów plików stosowanych w Unix; szyfrowanie plików i katalogów (od NTFS 3.0 w Windows 2000) przy pomocy nakładek tworzcych EFS - Encrypting File System. W zasadzie nie jest to cecha samego systemu plików, tylko szyfrowanie przez niezaleny, zewntrzny program. Dlatego te nie jest moliwe zaszyfrowanie plików systemowych. Ponadto, szyfrowanie nie jest dostpne w kadej wersji systemu operacyjnego. Dla Windows XP i nastpnych z szyfrowania mona korzysta tylko w wersjach Professional lub wyszych (i ich odpowiednikach, np. Vista Business). Dodatkowo, wystpuj problemy ze zgodnoci systemów szyfrowania pomidzy poszczególnymi wersjami Windows; kompresja danych w locie - to kolejny podsystem niezaleny od samego NTFS. Niestety, szyfrowanie wyklucza kompresj i odwrotnie; prawa dostpu dla grup i uytkowników - dostp do tej funkcji jest ograniczony w Windows XP Home Edition i póniejszych jej odpowiednikach. Pełne wykorzystanie praw dostpu, wraz z moliwoci wykonania inspekcji praw dostpu z zapisem do dziennika, moliwe jest w Windows 2000 (wszystkie wersje dla komputerów PC), Windows XP Professional, Windows Server 2003 i nie-domowych wersjach Windows Vista. System NTFS równie wystpuje w kilku wersjach, co do których numeracji zawsze s problemy. Według numeru wersji wpisanego w nagłówku wolumenu NTFS, system ten miał dotychczas wersje o nastpujcej numeracji wewntrznej: pierwsza popularna, wykorzystywana przez Windows NT 3.51 oraz NT Windows Windows od XP do Vista. Poniewa sam NTFS jest systemem zamknitym (nie s publikowane jego specyfikacje), czsto przyjmuje si oznaczenie wersji Windows. I tak wobec NTFS uywanego w Windows 2000 uywa si take okrelenia NTFS 5, gdzie 5 odpowiada wewntrznej numeracji wersji Windows (Windows > Windows NT 5.0). Pomimo numerycznej rónicy wersji 3.0 i 3.1, NTFS w obu wersjach jest zgodny w przód i wstecz w kluczowych rzeczach i system Windows pomimo wbudowanej obsługi NTFS 3.0, nie nie ma kłopotów z odczytem i zapisem wolumenów NTFS 3.1 utworzonych lub podniesionych przed Windows XP i Windows Server Dla przykładu, systemowe narzdzie CHKDSK moe bezawaryjnie sprawdzi i w razie potrzeby usun błdy z wolumenów NTFS wersji 3.1. Jedn z nielicznych funkcji, których zgodno pomidzy NTFS 3.0 i 3.1 jest zachwiana, jest EFS. Ogólnie rzecz ujmujc - do szyfrowania danych w rodowisku domowym lub firmowym lepiej jest uywa programów niezalenych producentów. Stosowanie wbudowanych mechanizmów ma sens jedynie w przypadku komputerów o tej samej wersji systemu operacyjnego połczonych w domen. NTFS wykorzystuje 64 bity do numerowania klastrów. Wielko klastra w systemie NTFS nie jest stała i moe by definiowana przez uytkownika.

10 10 z 10 Wielko partycji Liczba sektorów na klaster Wielko klastra Do 512 MB bajtów 513 MB 1024 MB 2 1 KB 1025 MB 2048 MB 4 2 KB 2049 MB 4096 MB 8 4 KB 4097 MB 8192 MB 16 8 KB 8193 MB MB KB MB MB64 32 KB > KB System ten jako standard kodowania znaków stosuje standard Unicode. Pozwala to na uywanie w nazwach plików narodowych znaków diakrytycznych, których długo moe mie 255 znaków (w tym spacje i kropki). Po sformatowaniu nonika w systemie NTFS tworzone s specjalne pliki, tzw. metadata, a wród nich Master File Table. MFT zawiera rekordy o wielkoci 1KB, w których umieszczana jest informacja o rozmieszczeniu na dysku poszczególnych plików. W zalenoci od rozmiaru zbioru jest mu przyporzdkowana róna liczba rekordów. Pierwszych 17 rekordów MFT ma specjalne znaczenie dla systemu, w nich zapisane s informacje bezporednio zwizane z samym systemem plików. Wszystkie pozostałe zawieraj ju informacje o plikach i katalogach. Nowy NTFS moe równie montowa do dowolnego pustego katalogu inny katalog znajdujcy si na dysku lokalnym lub zdalnym (mechanizm ten znany jest od dawna m.in. w systemach unixowych.) Podsumowanie Bez pamici masowej trudno byłoby sobie wyobrazi prac systemu komputerowego. Dane w pamici masowej przechowywane s w postaci plików. Za kontrol i obsług plików jest odpowiedzialny system plików. Od niego zaley sposób i jako wykorzystania nonika pamici oraz komfort i sposób pracy uytkownika. Niektóre systemy operacyjne mog współpracowa tylko z jednym systemem plików, inne potrafi wykorzysta wiele z nich. W najpopularniejszych systemach rodziny Windows stosowanych w komputerach klasy PC stosowane s przede wszystkim systemy FAT i NTFS. System NTFS ma znacznie wiksze moliwoci i pozwala m.in. na zastosowanie odpowiednich mechanizmów zabezpiecze systemu na poziomie pojedynczego pliku i katalogu. Obok wymienionych systemów plików czsto mona spotka równie systemy CDFS i UDF przeznaczone do zapisu i odczytu danych z noników CD i DVD. Test do lekcji 7 Sprawd czego si nauczyłe! 1. Połoenie pliku na dysku okrelane jest poprzez: nazw pliku i ciek dostpu numer cieki i sektora na dysku nazw pliku 2. Czy mona zabezpieczy plik przed nieautoryzowanym dostpem w systemie FAT?: tak nie tak, ale tylko w Windows 2000 i nowszych 3. Ksigowanie zabezpiecza system plików przed: nieautoryzowanym dostpem uszkodzeniami w przypadku zaniku zasilania nie zabezpiecza - jedynie przyspiesza działanie 4. Czy okrelenie system plików odnosi si do organizacji danych: tylko na dysku twardym na dysku twardym i płytach CD na kadej pamici masowej 5. Czy system NTFS moe by bezproblemowo odczytywany i zapisywany przez system operacyjny Linux? tak nie tylko odczytywany