SYSTEMY PLIKOW FAT

File Allocation Table

• FAT (akronim z ang. File Allocation Table) – system

plików powstały pod koniec lat 70. zastosowany w
systemach operacyjnych, m.in. DOS i Windows.
Podobnie jak sam DOS, wywodzi się z systemów
CP/M. Określa on rozmieszczenie plików,
katalogów i wolnej przestrzeni na takich
nośnikach danych jak dyskietki i twarde dyski.
Najważniejszym elementem systemu jest tablica
informująca o rozmieszczeniu plików na partycji
(FAT) - od nazwy tej tablicy pochodzi nazwa
systemu.

Typy FAT

Rozwój systemu plików FAT następował wraz
zwiększaniem pojemności nośników na których
występował.

Aktualnie istnieją 4 rodzaje FAT:

- FAT12
- FAT16
- FAT32
- exFAT (FAT64)

Numeracje w nazwie systemu informują o liczbie bitów
przypadających na jeden klaster w tablicy alokacji
plików. Ta charakterystyczna cecha danego rodzaju FAT
decyduje o dozwolonych wielkościach plików, ich
maksymalnych ilościach etc.

Szczegóły limitów na konkretnych wersjach FAT:

Sektor

Nośniki danych typu dyskietka, dysk itp.
przechowują informacje w porcjach zwanych
sektorami. Sektor jest zawsze w całości
odczytywany i zapisywany. Większość urządzeń
posiada sektory o wielkości 512 bajtów (0,5kB).

Klaster

• W systemie FAT partycja (poza początkowymi

zarezerwowanymi sektorami) jest podzielona na klastry

(jednostki alokacji pliku). Każdy klaster składa się z jednego lub

kilku sektorów, klastry są numerowane. System operacyjny na

podstawie numeru klastra oblicza numer logiczny sektora

(numer sektora od początku partycji), a na tej podstawie

numer fizyczny, tj. odpowiadający mu numer ścieżki, głowicy i

sektora na ścieżce.

• Klaster w całości jest przydzielony jednemu plikowi. Plik w

katalogu zawiera numer pierwszego klastra pliku, gdzie

znajdują się dalsze części pliku opisuje wpis w FAT. W tablicy

FAT pod numerem odpowiadającym numerowi pierwszej części

pliku jest umieszczony numer kolejnego klastra przydzielonego

plikowi lub liczba z zakresu FFF8h-FFFFh, jeśli to jest ostatni

klaster pliku. Jeżeli dany klaster jest wolny, to w FAT odpowiada

mu wpis 0000h, a FFF7h oznacza uszkodzony klaster

Wartości klastrów w poszczególnych wersjach FAT

Liczba bitów a limit klastrów

Struktura partycji FAT

Partycja systemu FAT składa się z 4 regionów:

• zarezerwowany (z boot sectorem) – a w nim tablica BPB (Bios

Parameter Block) oraz program ładujący system operacyjny

(boot loader) dla partycji systemowej. Blok BPB zawiera

informacje potrzebne do wyliczenia położenia i rozmiaru

pozostałych regionów.

• tablica alokacji (tablica FAT) – przechowywana zaraz za boot

sektorem struktura, która zawiera informacje dla systemu

operacyjnego na temat relacji klastrów. Każda pozycja w

tablicy FAT odpowiada jednemu klastrowi. Na partycji może

być kilka kopii tablicy FAT, istnieją zazwyczaj dwie.

• katalog główny (w FAT32 nie istnieje w tej formie) – katalog

główny (root directory) jedyny katalog zakładany

automatycznie podczas utworzenia systemu plików. W FAT12 i

FAT16 ma on predefiniowany rozmiar, zaś już w FAT32 jako

łańcuch klastrów może mieć dowolną długość jak i ilość

wpisów.

• region danych – zajmowany przez podkatalogi i wszystkie pliki;

podzielony na logiczne bloki nazwane wcześniej klastrami.

Schemat struktury:

• Bootsector - to zawsze pierwszy sektor partycji,

zawiera podstawowe informacje o partycji,

między innymi:

• wielkość partycji
• wielkość sektora (w bajtach)
• ilość sektorów w klastrze
• typ partycji (np. FAT32)
• ilość kopi tablicy FAT
• wskaźniki do innych danych
• kod ładujący system operacyjny

Bootsector

Zawartość pól bootsektora

FAT

Tablica Alokacji Plików (ang. File Allocation Table)
• Tablica alokująca pliki znajduje się na pierwszych 63

sektorach dysku, po Boot Sektorze.

• Tablica alokująca pliki jest zwykłą tablicą, zawierającą 12,

16 lub 32 bitowe elementy. Zazwyczaj na jednej partycji

znajdują się dwie identyczne kopie.

• W strukturze Boot Record jest pole specyfikujące ilość kopii

tablicy FAT. W systemach FAT12 i FAT16 używana jest

pierwsza kopia tablicy FAT, ale wszystkie zmiany są

synchroniczne nanoszone na pozostałe kopie. FAT32 został

rozszerzony o możliwość specyfikacji w polu "Flags", która

kopia jest podstawowa.

• O strukturze plików FAT można po prostu myśleć jako o

liście, gdzie każdy łańcuch specyfikuje, które obszary dysku

zajęte są przez dany plik czy katalog.

• Root directory - jest to katalog główny

systemu plików, występuje w ustalonym
miejscu w partycji. W FAT12 i FAT16 ma
sztywno ustaloną wielkość - mieści do 512
wpisów (przy długich nazwach jeszcze
mniej). W FAT32 nie ma tego ograniczenia.

• Każdy katalog i plik w katalogu głównym

liczony jest jako jeden wpis

Katalog główny

Struktura katalogu

Każdy plik na dysku znajduje się w jakimś katalogu. Katalog także jest plikiem, tyle,

że posiada specjalną strukturę i posiada szczególne znaczenie z punktu widzenia

systemu operacyjnego. Katalog jest tablicą zawierającą informacje o plikach i

podkatalogach wewnątrz oraz wskaźniki do początków ich danych na dysku.

•

Każdy zapis w pliku katalogu składa się z 32 bajtów i zawiera następujące

informacje (w tej kolejności):

•

E5h - jest wpisywane do pierwszego bajtu nazwy pliku, który został skasowany.

(Faktycznie plik nie jest kasowany, ale jest traktowany tak, jakby go nie było)

•

zarezerwowane pole w przypadku FAT32 zawiera 16 starszych bitów numeru

początkowego klastra

•

Każdy zwykły katalog posiada dwa specjalne zapisy:

•

. (kropka) - odnosząca się do bieżącego katalogu

•

.. (dwie kropki) - odnoszące się do nadkatalogu.

1
6

Nazwy plików i rozszerzenia

W systemie FAT pliki mają nazwy w klasycznej postaci składającej się z ustalonego dwuczęściowego
formatu:

nazwa pliku - ciąg długości od 1 do 8 złożony z dozwolonych znaków (liter, cyfr i symboli $ % @ '  - _ ( )
~ ! # ^ & )
rozszerzenie - opcjonalna część nazwy składająca się z ciągu długości od 0 do 3 znaków  jak wyżej.
Rozszerzenia pełnią rolę oznaczeń typów plików i są w związku z tym pewne konwencje nazewnicze. Z
drugiej jednak strony nie ma formalnych przeszkód do nazywania plików w dowolny inny sposób, byle
prawidłowy.
rozszerzenie - opcjonalna część nazwy składająca się z ciągu długości od 0 do 3 znaków  jak wyżej.
Rozszerzenia pełnią rolę oznaczeń typów plików i są w związku z tym pewne konwencje nazewnicze. Z
drugiej jednak strony nie ma formalnych przeszkód do nazywania plików w dowolny inny sposób, byle
prawidłowy.
rozszerzenie - opcjonalna część nazwy składająca się z ciągu długości od 0 do 3 znaków  jak wyżej.
Rozszerzenia pełnią rolę oznaczeń typów plików i są w związku z tym pewne konwencje nazewnicze. Z
drugiej jednak strony nie ma formalnych przeszkód do nazywania plików w dowolny inny sposób, byle
prawidłowy.

1
7

Długie nazwy plików

W systemie Windows95 wprowadzono nazwy o długości do
255 znaków. Kluczową kwestią było zapewnienie
kompatybilności ze starszymi systemami i aplikacjami.

- zastosowano aliasowanie długich nazw plików.

- rozszerzone nazwy są zapisywane w plikach fikcyjnych
katalogów, stworzonych specjalnie do tego celu
- żeby uniknąć pomyłek mają one nadawane kombinacje
atrybutów: Read Only + Hidden + System + Volume label
- żeby uniknąć pomyłek mają one nadawane kombinacje
atrybutów: Read Only + Hidden + System + Volume label

1
8

Długie nazwy plików

W systemie Windows95 wprowadzono nazwy o długości do 255
znaków. Kluczową kwestią było zapewnienie kompatybilności ze
starszymi systemami i aplikacjami.

- zastosowano aliasowanie długich nazw plików.

Problemy z długimi nazwami:
- wykrywanie przez starsze wersje narzędzi systemowych
specjalnych
plików jako błędnych i "poprawianie" ich - nadpisywanie i
duplikowanie aliasów

1
9

Atrybuty plików

Read-Only większość aplikacji nie pozwoli modyfikować, ani kasować
tego pliku
Hidden w normalnych warunkach nie jest wyświetlany przy listowaniu
katalogu, chyba że podano odpowiedni parametr
System pliki systemowe, które nie powinny być zmieniane, ani
usuwane (może to mieć przykre konsekwencje)

Volume Label

etykieta dysku - przechowywana w katalogu głównym w postaci zapisu
jako nazwa pliku w którym ustawiono ten atrybut
Directory ten atrybut odróżnia pliki od katalogów

Archive plik

archiwalny - atrybut ten jest używany do metakomunikacji między
aplikacjami, oznacza starszą wersję pliku, który może być backupowany

Schemat Alokacji

W tablicy alokacji plików woluminu FAT plikom

przydzielana jest pierwsza dostępna lokalizacja

w woluminie. Numer początkowego klastra jest

adresem pierwszego klastra używanego przez

plik. Każdy klaster posiada wskaźnik do kolejnego

klastra pliku lub indykator końca pliku,

informujący o tym, że bieżący klaster jest

ostatnim zawierającym dany plik.

Każdy klaster zawiera wskaźnik do następnego

klastra danego pliku albo wskaźnik końca pliku.

Schemat Alokacji

2
4

Fragmentacja

System plików FAT nie posiada mechanizmów zapobiegających
fragmentacji danych na dysku, wystepowanie tego zjawiska wpływa
niekorzystnie na wydajność operacji na plikach.

przebieg fragmentacji:

FAT12, FAT16, FAT32

Zalety
• Prosty w implementacji - idealny do urzadzen przenosnych i

osadzonych

systemów operacyjnych

• Popularny i dobrze udokumentowany
• Obsługiwany przez praktycznie kazdy system operacyjny

Wady
• Podatny na awarie
• Podatny na fragmentacje
• Brak systemu uprawnien
• Nieefektywny przy duzej ilosci plików i przy duzych partycjach

W marcu 2008 roku pojawił się następca FAT32, wolny od

niektórych

niedogodności znanych u jego poprzedników.

Podsumowanie

2
6

exFAT

exFAT (Extended File Allocation Table, aka FAT64) jest systemem
plików stworzonym specjalnie na potrzeby pamięci flash przez
Microsoft. Został zawarty w systemie operacyjnym Windows
Embedded CE 6.0 oraz w poprawce SP1 dla systemu Windows Vista.
exFAT może być używany wszędzie tam gdzie system plików NTFS nie
jest najlepszym rozwiązaniem, ze względu na dużą nadmiarowość
struktury danych.

Innowacje:

- znaczne zwiększenie limitów wielkości plików, rozmiaru klastra
- możliwość nadania praw dostępu (podobnie jak w NTFS)
- nieograniczona liczba plików w katalogu
- udoskonalono wydajność

SYSTEM PLIKÓW NTFS

NTFS – New Technology File

System

Przed systemem plików zaczęto stawiać nowe wymagania,

którym poprzedni system plików FAT nie był w stanie

sprostać.

Wymagania te były na tyle skomplikowane, że nie

zdecydowano się na rozszerzenie systemu FAT tylko

napisanie zupełnie nowego systemu plików.

Nowe cechy miały nie tylko zaspokoić oczekiwania

biznesowe, ale i wspomóc zwykłych użytkowników w ich

codziennej pracy

Główne cele, które postawiono przed nowym

systemem plików to:

• zminimalizować utratę i rozspójnienie danych w przypadku

awarii

sprzętu, braku zasilania, awarii systemowych - NTFS

zapewnia

integralność metadanych (czyli danych opisujących plik) w

przypadku awarii.

• ochrona danych przed nieautoryzowanym dostępem - NTFS

zintegrowany model bezpieczeństwa dzięki któremu

użytkownik może chronić swoje dane

NTFS – cechy ogólne

• Obiektowy system plików
• Bezpieczeństwo danych ( Security )
• Nazwy plików i katalogów
• Indeksowanie plików i katalogów
• Quota
• Szyfrowanie
• Kompresja danych
• Pliki rzadkie (sparse file)
• Transakcyjne wykonywanie operacji We / Wy
• Twarde dowiązania

NTFS - Struktura systemu

• Najmniejszą logiczną jednostką na dysku jest klaster.

• Wszelkie dane składowane są na dysku w postaci plików

wliczając w to indeksy, bitmapy, metadane i dane.

• Trzonem systemu NTFS jest MFT

NTFS - Schemat budowy partycji

NTFS – Spis metaplików

Inode

Nazwa

pliku

Opis

$MFT

Master File Table - spis wszystkich plików

$MFTMirr

Kopia zapasowa pierwszych 16 rekordów

MFT.

$LogFile

Dziennik transakcji.

$Volume

Informacje o partycji.

$AttrDef

Definicje atrybutów.

. (dot)

Katalog główny.

$Bitmap

Mapa bitowa wszystkich klastrów dysku.

$Boot

Boot record

$BadClus

Lista uszkodzonych klastrów.

$Secure

Lista zabezpieczeń nałożonych na pliki z

dysku.

$UpCase

Tablica służąca do zamian małych liter na

duże.

$Extend

Katalog zawierający pozostałe pliki

systemowe:

$ObjId, $Quota, $Reparse,

$UsnJrnl

12-15 <Unused>

Puste

NTFS - Pliki

Pliki w NTFS reprezentowane są jako zbiory struktur zwanych

atrybutami. Każdy atrybut może wystąpić dla jednego pliku

wielokrotnie, każdy może też mieć przypisaną nazwę.

NTFS – Standardowo występujące atrybuty

• 0x10 $STANDARD_INFORMATION
• 0x20 $ATTRIBUTE_LIST
• 0x30 $FILE_NAME
• 0x40 $OBJECT_ID
• 0x50 $SECURITY_DESCRIPTOR
• 0x60 $VOLUME_NAME
• 0x70 $VOLUME_INFORMATION
• 0x80 $DATA
• 0x90 $INDEX_ROOT
• 0xA0 $INDEX_ALLOCATION
• 0xB0 $BITMAP
• 0xC0 $REPARSE_POINT
• 0xD0 $EA_INFORMATION
• 0xE0 $EA
• 0xF0 $PROPERTY_SET
• 0x100 $LOGGED_UTILITY_STREAM

NTFS – Jak i gdzie są trzymane dane?

• Małe

• Średnie

• Duże

NTFS – Jak i gdzie są trzymane dane?

NTFS - Katalogi

Katalogi podobnie jak w FAT, traktowane są jak

zwyczajne pliki, z tą różnicą że zawartość katalogu

jest trzymana w B+ drzewie, co znacząco

przyspiesza wyszukiwanie.

NTFS - Katalogi

NTFS - Rozwiązania dla działania w warunkach

awaryjnych, odporność systemu

• Transakcyjność operacji

• Prowadzenie dziennika
          -undo ( unieważnienie )
          -redo (powtarzanie )
          -undo / redo

• Punkty kontrolne (checkpoints)

Odtwarzanie z powtarzaniem / unieważnieniem

• Przy odtwarzaniu z powtarzaniem system wykonuje:
-  Jeżeli czytając dziennik od końca napotka na wpis <End CKTP> to
     powtarza jedynie zatwierdzone transakcje rozpoczęte po tym
     dokonaniu wpisu <Start CKTP> (odpowiadającemu dokładnie temu
     <End CKTP>) oraz te transakcje będące na liście aktywnych
     transakcji.
-  Jeżeli czytając dziennik od końca napotka na wpis <Start CKTP> to
     jest on ignorowany tzn. szukamy pierwszego rekordu <End CKTP>

• Przy odtwarzaniu z unieważnieniem system wykonuje:
-  Jeżeli czytając dziennik od końca napotka na wpis <End CKTP> to
     system unieważnia transakcje nie zakończone te które rozpoczęły
     się po rekordzie <Start CKTP> oraz te będące na liście aktywnych
     transakcji
-   Jeżeli czytając dziennik od końca napotka na wpis <Start CKTP> to
     jest on ignorowany tzn. szukamy pierwszego rekordu <End CKTP>

NTFS - Bezpieczeństwo

• Read

• Write

• Execute

• Delete

• Change Permissions

• Take Ownership

NTFS – 3G

Darmowy sterownik do obsługi NTFS, przeznaczony dla

systemów Linux, Mac OS X, FreeBSD, BeOS oraz Haiku.

NTFS-3G przyporządkowuje konkretnej partycji z systemem

plików położenia w drzewie katalogów partycje z systemem

plików NTFS, używając do tego podsystemu FUSE.

W przeciwieństwie do standardowego sterownika, w który

wyposażone jest jądro systemów Linux, NTFS-3G posiada

niewielkie ograniczenia, jeśli chodzi o zapisywanie plików:

  -  tworzenie,
  -  usuwanie,
  -  zmiana nazwy,
  -  przenoszenie i modyfikowanie plików dowolnej wielkości
  -  w najnowszej wersji można zmieniać ich prawa dostępu