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.

16

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.

17

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

18

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

Problemy z długimi nazwami:
-

wykrywanie przez starsze wersje narzędzi systemowych specjalnych

plików jako błędnych i "poprawianie" ich - nadpisywanie i

duplikowanie aliasów

19

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

Schemat Alokacji

Schemat Alokacji

24

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

26

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 ma

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

0

$MFT

Master File Table -

spis wszystkich plików

1

$MFTMirr

Kopia zapasowa pierwszych 16 rekordów MFT.

2

$LogFile

Dziennik transakcji.

3

$Volume

Informacje o partycji.

4

$AttrDef

Definicje atrybutów.

5

. (dot)

Katalog główny.

6

$Bitmap

Mapa bitowa wszystkich klastrów dysku.

7

$Boot

Boot record

8

$BadClus

Lista uszkodzonych klastrów.

9

$Secure

Lista zabezpieczeń nałożonych na pliki z dysku.

10

$UpCase

Tablica służąca do zamian małych liter na duże.

11

$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

CDFS - Compact Disc File System

CDFS (Compact Disc File System) - zgodny ze standardem ISO

9660 system plików dla nośników optycznych, umożliwiający
korzystanie z długich nazw plików zgodnie ze standardami ISO
9660 Level 2.

CDFS - Compact Disc File System

• Wszystkie nazwy folderów i plików muszą mieć długość do 31

znaków (w przypadku używania rozszerzenia Joliet nazwy mogą

mieć do 64 znaków – kodowane w formacie Unicode).

• Drzewo folderów nie może mieć więcej niż osiem poziomów, licząc

od korzenia (w przypadku Joliet to ograniczenie nie występuje).

• Rozszerzenia nazw plików nie są obowiązkowe.

• Wielkość jednego pliku nie może być większa niż 2GB (DVD).

Opracowanie

Adam Czubernat, Grzegorz Calik

AGH 2008