Файловая система. Логическая организация жесткого диска.

Жесткий диск компьютера (винчестер) является одним из самых сложных, хрупких и дорогих устройств компьютера. Говоря о его стоимости, прежде всего, имеется ввиду не цена самого устройства, а ущерб от его утраты (информация, записанная на жестком диске почти всегда дороже самого устройства).

Жесткий диск – единственное логическое устройство, которое является механическим, то есть имеет движущиеся части. Существует мнение о том, что пора бы отходить от этой идеологии и внедрять полностью электронные устройства хранения. Однако, этого пока не происходит, и на то есть несколько причин. Во-первых, способ организации хранения и доступа к данным в жестких дисках уже внедрен, и ненужно ничего изобретать заново. Во-вторых, механическая идеология практически не накладывает ограничения на количество записываемой информации^[7].

Самым главным недостатком жесткого диска является его хрупкость, что зачастую является критическим фактором. Во-вторых, механические детали предоставляют конечное, весьма длительное время доступа к хранимой информации, измеряемое в миллисекундном диапазоне, что связано с самой особенностью доступа к данным на жестком диске (магнитная головка должна считать данные на заданной области, а для этого ее необходимо позиционировать над этой областью, на перемещения уходит время).

Кластеры и секторы

В предыдущем параграфе говорилось о том, что каждый файл, хранящийся на жестком диске, имеет свой собственный логический адрес. Начинается этот адрес с латинской буквы, обозначающий устройство. Заметим, что один физический жесткий диск может содержать несколько логических жестких дисков, при этом каждое логическое устройство живет как бы «своей жизнью». Каждый логический диск будет иметь свою букву.

Очевидно, что на жестком диске файлы и папки хранятся совершенно не так, как мы это видим на экране. На экране монитора, открыв одну из папок, мы видим ее содержимое. Открыв следующую из представленных папок, мы видим ее содержимое и т.д. Жесткий диск не предоставляет возможности «что-нибудь открывать», чтобы увидеть его содержимое, поскольку физически диск это и есть диск.

Физически жесткий диск – несколько стеклянных или пластиковых пластин, покрытых с двух сторон ферромагнитным слоем. Компьютер, как известно, работает только с дискретными данными, поэтому всю поверхность следует разделить на участки. Схематично, поверхность диска разделена диаметрами, образующими геометрические сектора, и концентрическими окружностями. Схематично это выглядит следующим образом:

Круг, который ограничивает каждая из концентрических окружностей называется цилиндром. Кольцо, образованное двумя ближайшими концентрическими окружностями называют дорожкой. Пересечение дорожки и геометрического сектора называется сектором (как это ни странно).^[8] В дальнейшем будем использовать термин «сектор», обозначая именно данное пересечение.

Таким образом можно указать адрес для каждого сектора, используя порядковый номер цилиндра и геометрического сектора, то есть произвести форматирование дискового пространства. Такое форматирование пластины диска называется форматированием низкого уровня и выполняется на заводе.

Сектор – минимальный физический объем диска, который может быть занят данными. Обычно эта величина в 512 байт. Интересно, что сектора, находящиеся ближе к центру, и сектора, находящиеся ближе к краю, хотя и различаются по площади, но имеют одинаковый объем. 512 байт – очень маленькая величина и запоминать адрес каждого сектора было бы слишком нерационально для дисков, имеющих объем в гигабайтных диапазонах. Поэтому при логической разметке жесткого диска на нем создаются более крупные логические участки – кластеры,объединяющие несколько секторов. Размер кластера зависит от объема жесткого диска, но может меняться пользователем при форматировании по своему усмотрению.

Следует помнить, что при большом размере кластера остаются т.н. «хвосты», то есть частично заполненные кластеры. Например, если файл состоит из 10 кластеров, то 9 из них заполнены полностью, а десятый записан всего лишь на половину, то все равно весь кластер считается заполненным. Именно из-за таких «хвостов» занимаемое файлом место на диске бывает больше, чем реальный размер файла.

С другой стороны, малый размер кластера приводит к большей фрагментацииданных, что снижает скорость обмена данными с жестким диском.

Записывая информацию на жесткий диск, компьютер не обязательно записывает весь файл целиком на соседние сектора. Напротив, запись происходит на любое свободное место на диске. Любой файл будет записан в любое свободное место, причем необязательно в свободное место должен помещаться весь файл. Файл будет разделен на несколько частей и записан на разные части жесткого диска – туда, где есть свободное место. Почему происходит именно так, очевидно, ведь при работе с компьютером некоторая информация удаляется, другая записывается. Любое освобожденное место должно быть пригодно для дальнейшей записи, даже самое маленькое. Это приводит к неизбежному побочному эффекту, называемому фрагментацией – явлении, при котором файл разбивается на множество отстоящих друг от друга частей – фрагментов. При чтении файла с диска его необходимо сначала собрать воедино, то есть прочесть все эти части. То есть, головке жесткого диска необходимо пробежаться по всем этим частям. Это приводит к значительной трате времени с одной стороны, и к преждевременному износу устройства с другой.

Для снижения побочных эффектов рекомендуется регулярно проводить дефрагментацию жесткого диска – сбор фрагментов каждого файла в одну область на жестком диске. В зависимости от интенсивности работы с жестким диском (частом удалении и записи) дефрагментацию рекомендуется проводить один раз в 2-6 месяцев.

Файловая система

Каким же образом секторы и кластеры превращаются в удобные для нас файлы и папки? Вопрос сводится только в сопоставлении физического адреса файла его логическому адресу. Эта роль отводится файловой системе. Файловая система– таблица, в которой логическому адресу файла ставится в соответствие его физический адрес. Напомним,

логический адрес файла – адрес файла в иерархической цепочке каталогов,

физический адрес файла – набор адресов кластеров, которые содержат фрагменты данного файла.

Таблица – это условное понятие, какой файловая система предстала бы для человека. На самом деле это тоже набор из нулей и единиц, располагающийся в центре жесткого диска. Файловая система имеет свой дубликат, который располагается также в центре диска для файловой системы FAT32 и в центре диска для файловой системы NTFS. Потерять файловую систему равносильно потере всей информации, хранящейся на жестком диске, ведь без нее любые данные – просто набор нулей и единиц.

Манипуляции с файлами тоже происходят в файловой системе. То есть, при перемещении данных из одной папки в другую не следует удалять эти данные с одного места на диске, чтобы затем записать в другое. Достаточно в файловой системе для определенного файла просто переписать его логический адрес (это не относится к перемещению данных с одного устройства на другое или с одного логического диска на другой). При удалении файла нет необходимости физически удалять файл, достаточно в поле имени файла заменить первую букву файла значком «$», что означает, что физические адреса, указанные в данной строке, свободны и на них можно записывать. Отсюда можно сделать вывод: удаленные с компьютера данные можно вернуть, если после удаления не происходила запись новых данных и не проводилась дефрагментация. Достаточно в файловой системе значок «$» заменить на любую букву. Существует огромное множество программ, которые позволяют это сделать, нет смысла их перечислять. Такие программы легко найти по ключевому слову «undelete» в названии.

Наиболее распространенные на сегодняшний день операционные системы NTFS и FAT32. Первая практически по всем показателям превосходит вторую, поэтому ее можно было бы рекомендовать, если бы не одно важное замечание – операционные системы, не принадлежащие семейству NT (Windows 98, Windows Me, DOS), не видят диски, отформатированные в файловой системе NTFS. Для этих ОС таких дисков просто не существует. Казалось бы, эти операционные системы уже устарели и редко где используются, но очень часто при сбое системы приходится ее восстанавливать именно с помощью MS DOS. Если системный раздел был отформатирован в NTFS, то восстановление может быть весьма затруднительно.

Некоторые возможности файловой системы NTFS

Файловая система NTFS предоставляет целый комплекс дополнительных возможностей, которые в FAT32 предоставляются только с помощью специальных программ.

Квотирование дискового пространства.Позволяет накладывать ограничения для некоторых пользователей на использование дискового пространства. Администратор задает пользователю то количество информации, которое он может использовать на определенном диске. После того, как пользователь превысил этот лимит, пользователю либо выдается сообщение о превышении, либо запись на диск просто невозможна.

Сжатие файлов и папок.Позволяет работать с архивированными файлами, как с обычными. Архивированные данные помечаются синим шрифтом.

Шифрование файлов и папок.Позволяет ограничивать чтение и копирование защищенных файлов.

Ограничение доступа к ресурсам.Позволяет некоторых пользователей отключать от доступа к некоторым папкам. Причем отказано в доступе может быть полностью, а может частично, например, пользователю можно производить только чтение.