Что такое файловая система fat. Microsoft Windows и файловые системы. Достоинства и недостатки файловых структур FAT32, NTFS и exFAT

Файловая система обеспечивает способ организации диска. Она определяет, как данные хранятся на диске и какие типы информации могут быть прикреплены к файлам – имена файлов, разрешения и другие атрибуты.

Windows поддерживает три различные файловые системы . NTFS – самая современная файловая система. Windows использует NTFS для своего системного диска и, по умолчанию, для большинства несъемных дисков. FAT32 – это старая файловая система, которая не так эффективна, как NTFS, и не поддерживает большой набор функций, но обеспечивает большую совместимость с другими операционными системами. exFAT является современной заменой для FAT32 и её поддерживает больше устройств и операционных систем, чем NTFS – но это не так широко, как FAT32.

Файловая система NT (NTFS)

NTFS – это современная файловая система , которую Windows предпочитает использовать по умолчанию. При установке Windows форматирует системный диск в формат файловой системы NTFS. NTFS имеет настолько огромные ограничения по размеру файла и размеру раздела, что вряд ли Вы когда-либо с ними столкнетесь. NTFS впервые появилась в потребительской версии Windows XP, хотя первоначально дебютировала в Windows NT.

NTFS упакован современными функциями, недоступными для FAT32 и exFAT. NTFS поддерживает права доступа к файлам для безопасности, журнал изменений, который может помочь быстро восстановить ошибки, если ваш компьютер аварийно завершает работу, теневые копии для резервных копий, шифрование , ограничения дисковой квоты, жесткие ссылки и различные другие функции. Многие из них имеют решающее значение для диска операционной системы, особенно разрешения на доступ к файлам.

Системный раздел Windows должен быть в формате NTFS . Если у вас есть дополнительный диск вместе с Windows, и вы планируете установку программ на нём, лучше также отформатируйте его в NTFS. И, если у вас есть какие-либо диски, для которых совместимость не является проблемой – потому что Вы знаете, что будете использовать их на системах Windows – смело выбирайте NTFS.

Несмотря на свои преимущества, NTFS не хватает совместимости . Она будет работать со всеми последними версиями Windows – вплоть до Windows XP – но он имеет ограниченную совместимость с другими операционными системами. По умолчанию ОС Mac X может только читать NTFS диски, но не записывать данные. Некоторые дистрибутивы Linux могут включать поддержку NTFS-записи, но в других может быть доступно только чтение. Ни одна из консолей Sony PlayStation не поддерживает NTFS. Даже собственная консоль Xbox 360 от Microsoft не может читать NTFS диски, кроме Xbox One. Другие устройства с еще меньшей вероятностью поддерживают NTFS.

Совместимость : работает со всеми версиями Windows, но в Mac доступна только для чтения, и может быть доступна только для чтения в некоторых дистрибутивах Linux. Другие устройства, за исключением Microsoft Xbox One, вероятно, не будут поддерживать NTFS.

Ограничения : нереалистичный предельный размер файлов и размер раздела.

Идеальное использование : используйте её для диска вашей системы Windows и других внутренних дисков, которые будут использоваться только с Windows.

Таблица распределения файлов 32 (FAT32)

FAT32 является самой старой из трех файловых систем, доступных в Windows. Она была представлена в Windows 95, и заменила собой старую файловую систему FAT16, используемую в MS-DOS и Windows 3.

Возраст файловой системы FAT32 имеет свои преимущества и недостатки. Большие преимущества заключаются в том, что FAT32 является стандартом де-факто. Флэш-накопители из упаковки часто имеют файловую систему FAT32 для максимальной совместимости не только с современными компьютерами, но и другими устройствами, такими как игровые приставки и всё что угодно с USB-портом.

Однако, её ограничения также связаны с возрастом. Отдельные файлы на диске FAT32 не могут иметь размер больше 4 ГБ – это максимум. Раздел FAT32 также должен быть меньше 8 ТБ. Это границы к которым вплотную подобрались современные пользовательские устройства.

FAT32 подходит для USB флэш-накопителей и других внешних носителей – особенно если вы знаете, что будете использовать их на другом ПК без Windows. В этой файловой системе отсутствуют разрешения и другие функции безопасности, встроенные в более современную файловую систему NTFS. Кроме того, современные версии Windows больше не могут быть установлены на диск, отформатированный с помощью FAT32; они должны быть установлены на диски, отформатированные с помощью NTFS.

Совместимость : работает со всеми версиями Windows, Mac и Linux, игровыми приставками, и практически с любым устройством, имеющим порт USB.

Ограничения : максимальный размер файла 4 ГБ, максимальный размер раздела – 8 ТБ.

Идеальное использование : используйте на съемных дисках, где вам нужна максимальная совместимость с широким спектром устройств, если Вы не используете файлы 4 ГБ или большего размера.

Таблица расширенного размещения файлов (exFAT)

Файловая система exFAT была введена в 2006 году и была добавлена к более старым версиям Windows с обновлениями для Windows XP и Windows Vista. exFAT – это оптимизированная для флэш-накопителей файловая система – разработанная, чтобы сохранить совместимость FAT32, но без лишних функций NTFS и без ограничений FAT32.

Как и NTFS, exFAT имеет очень большие ограничения на размер файлов и разделов, что позволяет хранить файлы гораздо больше, чем 4 ГБ, разрешенных в FAT32.

Хотя exFAT не совсем соответствует совместимости FAT32, он более широко совместима, чем NTFS. Даже OS Mac предлагает полную поддержку exFAT для чтения и записи. exFAT диски могут быть доступны на Linux после установки соответствующего программного обеспечения. С другими устройствами немного сложнее: PlayStation 4 поддерживает exFAT; PlayStation 3 не поддерживает; Xbox One поддерживает, а Xbox 360 – нет.

Совместимость : работает со всеми версиями Windows и на современных версиях Mac X, но требует дополнительного программного обеспечения на Linux. Больше устройств поддерживают exFAT, но некоторые – особенно старые – работают только с FAT32.

Ограничения : нереалистичный предельный размер файлов и разделов.

Идеальное использование : используйте её, когда Вам нужно хранить файлы большого размера и когда Вам нужна широкая совместимость. Предполагая, что каждое устройство, которое вы хотите использовать, поддерживает exFAT, вы должны отформатировать свое устройство с помощью exFAT вместо FAT32.

NTFS идеально подходит для внутренних накопителей, в то время как exFAT обычно идеально подходит для флэш-накопителей. Однако, иногда может потребоваться отформатировать внешний диск с помощью FAT32, если exFAT не поддерживается на устройстве, с которым необходимо его использовать.

Файловая система FAT16 начала свое существование еще во времена, предшествовавшие MS-DOS, и поддерживается всеми операционными системами Microsoft для обеспечения совместимости. Ее название File Allocation Table (таблица расположения файлов) отлично отражает физическую организацию файловой системы, к основным характеристикам которой можно отнести то, что максимальный размер поддерживаемого тома (жесткого диска или раздела на жестком диске) не превышает 4095 Мбайт. Во времена MS-DOS 4-гигабайтные жесткие диски казались несбыточной мечтой (роскошью были диски объемом 20-40 Мбайт), поэтому такой запас был вполне оправданным.

Том, отформатированный для использования FAT16, разделяется на кластеры. Размер кластера по умолчанию зависит от размера тома и может колебаться от 512 байт до 64 Кбайт. В табл. 2 показано, как размер кластера зависит от размера тома. Отметим, что размер кластера может отличаться от значения по умолчанию, но должен иметь одно из значений, указанных в табл. 2 .

Не рекомендуется задействовать файловую систему FAT16 на томах больше 511 Мбайт, так как для относительно небольших по объему файлов дисковое пространство будет использоваться крайне неэффективно (файл размером в 1 байт будет занимать 64 Кбайт). Независимо от размера кластера файловая система FAT16 не поддерживается для томов больше 4 Гбайт.

Начиная с Microsoft Windows 95 OEM Service Release 2 (OSR2) в Windows появилась поддержка 32-битной FAT. Для систем на базе Windows NT эта файловая система впервые стала поддерживаться в Microsoft Windows 2000. Если FAT16 может поддерживать тома объемом до 4 Гбайт, то FAT32 способна обслуживать тома объемом до 2 Тбайт. Размер кластера в FAT32 может изменяться от 1 (512 байт) до 64 секторов (32 Кбайт). Для хранения значений кластеров FAT32 требуется 4 байт (32 бит, а не 16, как в FAT16). Это означает, в частности, что некоторые файловые утилиты, рассчитанные на FAT16, не могут работать с FAT32.

Основным отличием FAT32 от FAT16 является то, что изменился размер логического раздела диска. FAT32 поддерживает тома объемом до 127 Гбайт. При этом, если при использовании FAT16 с 2-гигабайтными дисками требовался кластер размером в 32 Кбайт, то в FAT32 кластер размером в 4 Кбайт подходит для дисков объемом от 512 Мбайт до 8 Гбайт (табл. 4).

Это соответственно означает более эффективное использование дискового пространства - чем меньше кластер, тем меньше места требуется для хранения файла и, как следствие, диск реже становится фрагментированным.

При применении FAT32 максимальный размер файла может достигать 4 Гбайт минус 2 байта. Если при использовании FAT16 максимальное число вхождений в корневой каталог ограничивалось 512, то FAT32 позволяет увеличить это число до 65 535.

FAT32 накладывает ограничения на минимальный размер тома - он должен быть не менее 65 527 кластеров. При этом размер кластера не может быть таким, чтобы FAT занимала более 16 Мбайт–64 Кбайт / 4 или 4 млн. кластеров.

При использовании длинных имен файлов данные, необходимые для доступа из FAT16 и FAT32, не перекрываются. При создании файла с длинным именем Windows создает соответствующее имя в формате 8.3 и одно или более вхождений в каталог для хранения длинного имени (по 13 символов из длинного имени файла на каждое вхождение). Каждое последующее вхождение хранит соответствующую часть имени файла в формате Unicode. Такие вхождения имеют атрибуты «идентификатор тома», «только чтение», «системный» и «скрытый» - набор, который игнорируется MS-DOS; в этой операционной системе доступ к файлу осуществляется по его «псевдониму» в формате 8.3.

В состав Microsoft Windows 2000 входит поддержка новой версии файловой системы NTFS, которая, в частности, обеспечивает работу с сервисами каталогов Active Directory, точки пересчета (reparse points), средства защиты информации, контроль за доступом и ряд других возможностей.

Как и при использовании FAT, основной информационной единицей в NTFS является кластер. В табл. 5 показаны размеры кластеров по умолчанию для томов различной емкости.

При формировании файловой системы NTFS программа форматирования создает файл Master File Table (MTF) и другие области для хранения метаданных. Метаданные используются NTFS для реализации файловой структуры. Первые 16 записей в MFT зарезервированы самой NTFS. Местоположение файлов метаданных $Mft и $MftMirr записано в загрузочном секторе диска. Если первая запись в MFT повреждена, NTFS считывает вторую запись для нахождения копии первой. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. В табл. 6 перечислены основные метаданные, хранимые в MFT.

Остальные записи MFT содержат записи для каждого файла и каталога, расположенных на данном томе.

Обычно один файл использует одну запись в MFT, но если у файла большой набор атрибутов или он становится слишком фрагментированным, то для хранения информации о нем могут потребоваться дополнительные записи. В этом случае первая запись о файле, называемая базовой записью, хранит местоположение других записей. Данные о файлах и каталогах небольшого размера (до 1500 байт) полностью содержатся в первой записи.

Каждый занятый сектор на NTFS-томе принадлежит тому или иному файлу. Даже метаданные файловой системы являются частью файла. NTFS рассматривает каждый файл (или каталог) как набор файловых атрибутов. Такие элементы, как имя файла, информация о его защите и даже данные в нем, являются атрибутами файла. Каждый атрибут идентифицируется кодом определенного типа и, опционально, именем атрибута.

Если атрибуты файла вмещаются в файловую запись, они называются резидентными атрибутами. Такими атрибутами всегда являются имя файла и дата его создания. В тех случаях, когда информация о файле слишком велика, чтобы вместиться в одну MFT-запись, некоторые атрибуты файла становятся нерезидентными. Резидентные атрибуты хранятся в одном или более кластерах и представляют собой поток альтернативных данных для текущего тома (об этом - чуть ниже). Для описания местонахождения резидентных и нерезидентных атрибутов NTFS создает атрибут Attribute List.

В табл. 7 показаны основные атрибуты файлов, определенные в NTFS. В будущем этот список может быть расширен.

В Windows 2000 обеспечивается поддержка файловой системы CDFS, отвечающей стандарту ISO’9660, описывающему расположение информации на CD-ROM. Поддерживаются длинные имена файлов в соответствии с ISO’9660 Level 2.

При создании CD-ROM для использования под управлением Windows 2000 следует иметь в виду следующее:

• все имена каталогов и файлов должны содержать менее 32 символов;
• все имена каталогов и файлов должны состоять только из символов верхнего регистра;
• глубина каталогов не должна превышать 8 уровней от корня;
• использование расширений имен файлов не обязательно.

Сравнение файловых систем

Под управлением Microsoft Windows 2000 возможно использование файловых систем FAT16, FAT32, NTFS или их комбинаций. Выбор операционной системы зависит от следующих критериев:

• того, как используется компьютер;
• аппаратной платформы;
• размера и числа жестких дисков;
• безопасности информации

Файловые системы FAT

Как вы уже могли заметить, цифры в названии файловых систем - FAT16 и FAT32 - указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, в FAT16 применяется 16-битная адресация и, соответственно, возможно использование до 2 16 адресов. В Windows 2000 первые четыре бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 2 28 .

В табл. 8 показаны размеры кластеров для файловых систем FAT16 и FAT32.

Помимо существенных отличий в размере кластера FAT32 также позволяет корневому каталогу расширяться (в FAT16 число вхождений ограничено 512 и может быть даже ниже при использовании длинных имен файлов).

Преимущества FAT16

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

• файловая система поддерживается операционными системами MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми операционными системами UNIX;
• существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;
• при возникновении проблем с загрузкой с жесткого диска система может быть загружена с флоппи-диска;
• данная файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мбайт.

Недостатки FAT16

К основным недостаткам FAT16 относятся:

• корневой каталог не может содержать более 512 элементов. Использование длинных имен файлов существенно сокращает число этих элементов;
• FAT16 поддерживает не более 65 536 кластеров, а так как некоторые кластеры зарезервированы операционной системой, число доступных кластеров - 65 524. Каждый кластер имеет фиксированный размер для данного логического устройства. При достижении максимального числа кластеров при их максимальном размере (32 Кбайт) максимальный объем поддерживаемого тома ограничивается 4 Гбайт (под управлением Windows 2000). Для поддержания совместимости с MS-DOS, Windows 95 и Windows 98 объем тома под FAT16 не должен превышать 2 Гбайт;
• в FAT16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие;
• на дисках большого объема теряется много места за счет того, что используется максимальный размер кластера. Место под файл выделяется исходя из размера не файла, а кластера.

Преимущества FAT32

Среди преимуществ FAT32 можно отметить следующие:

• выделение дискового пространства выполняется более эффективно, особенно для дисков большого объема;
• корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска. Благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число элементов в корневом каталоге;
• за счет использования кластеров меньшего размера (4 Кбайт на дисках объемом до 8 Гбайт) занятое дисковое пространство обычно на 10-15% меньше, чем под FAT16;
• FAT32 является более надежной файловой системой. В частности, она поддерживает возможность перемещения корневого каталога и использования резервной копии FAT. Помимо этого загрузочная запись содержит ряд критичных для файловой системы данных.

Недостатки FAT32

Основные недостатки FAT32:

• размер тома при использовании FAT32 под Windows 2000 ограничен 32 Гбайт;
• тома FAT32 недоступны из других операционных систем - только из Windows 95 OSR2 и Windows 98;
• не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;
• в FAT32 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие.

Файловая система NTFS

При работе в Windows 2000 Microsoft рекомендуется отформатировать все разделы жесткого диска под NTFS, за исключением тех конфигураций, когда используется несколько операционных систем (кроме Windows 2000 и Windows NT). Применение NTFS вместо FAT позволяет использовать функции, доступные в NTFS. К ним, в частности, относятся:

• возможность восстановления. Эта возможность «встроена» в файловую систему. NTFS гарантирует сохранность данных за счет того, что использует протокол и некоторые алгоритмы восстановления информации. В случае системного сбоя NTFS использует протокол и дополнительную информацию для автоматического восстановления целостности файловой системы;
• сжатие информации. Для томов NTFS Windows 2000 поддерживает сжатие отдельных файлов. Такие сжатые файлы могут использоваться Windows-приложениями без предварительной распаковки, которая происходит автоматически при чтении из файла. При закрытии и сохранении файл снова упаковывается;
• помимо этого можно выделить следующие преимущества NTFS:

Некоторые функции операционной системы требуют наличия NTFS;

Скорость доступа намного выше - NTFS минимизирует число обращений к диску, требуемых для нахождения файла;

Защита файлов и каталогов. Только на томах NTFS возможно задание атрибутов доступа к файлам и папкам;

При использовании NTFS Windows 2000 поддерживает тома объемом до 2 Тбайт;

Файловая система поддерживает резервную копию загрузочного сектора - она располагается в конце тома;

NTFS поддерживает систему шифрования Encrypted File System (EFS), обеспечивающую защиту от неавторизованного доступа к содержимому файлов;

При использовании квот можно ограничить объем дискового пространства, занимаемого пользователями.

Недостатки NTFS

Говоря о недостатках файловой системы NTFS, следует отметить, что:

• NTFS-тома недоступны в MS-DOS, Windows 95 и Windows 98. Помимо этого ряд функций, реализованных в NTFS под Windows 2000, недоступен в Windows 4.0 и более ранних версиях;
• для томов небольшого объема, содержащих много файлов небольшого размера, возможно снижение производительности по сравнению с FAT.

Файловая система и скорость

Как мы уже выяснили, для томов небольшого объема FAT16 или FAT32 обеспечивает более быстрый доступ к файлам по сравнению с NTFS, так как:

• FAT обладает более простой структурой;
• размер каталогов меньше;
• FAT не поддерживает защиту файлов от несанкционированного доступа - системе не нужно проверять права доступа к файлам.

NTFS минимизирует число обращений к диску и время, необходимое для нахождения файла. Кроме того, если размер каталога достаточно мал, чтобы поместиться в одной записи MFT, вся запись считывается за один раз.

Одно вхождение в FAT содержит номер кластера для первого кластера каталога. Для просмотра файла FAT требуется поиск по всей файловой структуре.

Сравнивая скорость операций, выполняемых для каталогов, содержащих короткие и длинные имена файлов, следует учитывать, что скорость операций для FAT зависит от самой операции и размера каталога. Если FAT ищет несуществующий файл, поиск выполняется по всему каталогу - эта операция занимает больше времени, чем поиск по структуре, основанной на B-деревьях, используемой в NTFS. Среднее время, необходимое для поиска файла, в FAT выражается как функция от N/2, в NTFS - как log N, где N - это число файлов.

Ряд следующих факторов влияет на скорость чтения и записи файлов под управлением Windows 2000:

• фрагментация файла. Если файл сильно фрагментирован, NTFS обычно требуется меньше обращений к диску, чем FAT для нахождения всех фрагментов;
• размер кластера. Для обеих файловых систем размер кластера по умолчанию зависит от объема тома и всегда выражается степенью числа 2. Адреса в FAT16 - 16-битные, в FAT32 - 32-битные, в NTFS - 64-битные;
• размер кластера по умолчанию в FAT базируется на том факте, что таблица расположения файлов может иметь не более 65 535 вхождений - размер кластера представляет собой функцию от объема тома, деленного на 65 535. Таким образом, размер кластера по умолчанию для тома FAT всегда больше, чем размер кластера для тома NTFS того же объема. Отметим, что больший размер кластера для томов FAT означает, что тома FAT могут быть менее фрагментированными;
• расположение файлов небольшого размера. При использовании NTFS файлы небольшого размера содержатся в MFT-записи. Размер файла, помещающегося в одну запись MFT, зависит от числа атрибутов этого файла.

Максимальный размер томов NTFS

Теоретически NTFS поддерживает тома с числом кластеров до 2 32 . Но тем не менее помимо отсутствия жестких дисков такого объема существуют и другие ограничения на максимальный размер тома.

Одним из таких ограничений является таблица разделов. Индустриальные стандарты ограничивают размер таблицы разделов 2 32 секторами. Другим ограничением является размер сектора, который обычно равен 512 байт. Поскольку размер сектора может измениться в будущем, текущий размер дает ограничение на размер одного тома - 2 Тбайт (2 32 x 512 байт = 2 41). Таким образом, 2 Тбайт является практическим пределом для физических и логических томов NTFS.

В табл. 11 показаны основные ограничения NTFS.

Управление доступом к файлам и каталогам

При использовании томов NTFS можно устанавливать права доступа к файлам и каталогам. Эти права доступа указывают, какие пользователи и группы имеют доступ к ним и какой уровень доступа допустим. Такие права доступа распространяются как на пользователей, работающих за компьютером, на котором располагаются файлы, так и на пользователей, обращающихся к файлам через сеть, когда файл располагается в каталоге, открытом для удаленного доступа.

Под NTFS можно также устанавливать разрешения на удаленный доступ, объединяемые с разрешениями на доступ к файлам и каталогам. Помимо этого файловые атрибуты (только чтение, скрытый, системный) также ограничивают доступ к файлу.

Под управлением FAT16 и FAT32 тоже возможно устанавливать атрибуты файлов, но они не обеспечивают права доступа к файлам.

В версии NTFS, используемой в Windows 2000, появился новый тип разрешения на доступ - наследуемые разрешения. Вкладка Security содержит опцию Allow inheritable permissions from parent to propagate to this file object , которая по умолчанию находится в активном состоянии. Данная опция существенно сокращает время, требуемое на изменение прав доступа к файлам и подкаталогам. Например, для изменения прав доступа к дереву, содержащему сотни подкаталогов и файлов, достаточно включить эту опцию - в Windows NT 4 необходимо изменить атрибуты каждого отдельного файла и подкаталога.

На рис. 5 показаны диалоговая панель Properties и вкладка Security (раздел Advanced) - перечислены расширенные права доступа к файлу.

Напомним, что для томов FAT можно управлять доступом только на уровне томов и такой контроль возможен только при удаленном доступе.

Сжатие файлов и каталогов

В Windows 2000 поддерживается сжатие файлов и каталогов, расположенных на NTFS-томах. Сжатые файлы доступны для чтения и записи любыми Windows-приложениями. Для этого нет необходимости в их предварительной распаковке. Используемый алгоритм сжатия схож с тем, который используется в DoubleSpace (MS-DOS 6.0) и DriveSpace (MS-DOS 6.22), но имеет одно существенное отличие - под управлением MS-DOS выполняется сжатие целого первичного раздела или логического устройства, тогда как под NTFS можно упаковывать отдельные файлы и каталоги.

Алгоритм сжатия в NTFS разработан с учетом поддержки кластеров размером до 4 Кбайт. Если величина кластера больше 4 Кбайт, функции сжатия NTFS становятся недоступными.

Самовосстановление NTFS

Файловая система NTFS обладает способностью самовосстановления и может поддерживать свою целостность за счет использования протокола выполняемых действий и ряда других механизмов.

NTFS рассматривает каждую операцию, модифицирующую системные файлы на NTFS-томах, как транзакцию и сохраняет информацию о такой транзакции в протоколе. Начатая транзакция может быть либо полностью завершена (commit), либо откатывается (rollback). В последнем случае NTFS-том возвращается в состояние, предшествующее началу транзакции. Для того чтобы управлять транзакциями, NTFS записывает все операции, входящие в транзакцию, в файл протокола, перед тем как осуществить запись на диск. После того как транзакция завершена, все операции выполняются. Таким образом, под управлением NTFS не может быть незавершенных операций. В случае дисковых сбоев незавершенные операции просто отменяются.

Под управлением NTFS также выполняются операции, позволяющие «на лету» определять дефектные кластеры и отводить новые кластеры для файловых операций. Этот механизм называется cluster remapping.

В данном обзоре мы рассмотрели различные файловые системы, поддерживаемые в Microsoft Windows 2000, обсудили устройство каждой из них, отметили их достоинства и недостатки. Наиболее перспективной является файловая система NTFS, которая обладает большим набором функций, недоступных в других файловых системах. Новая версия NTFS, поддерживаемая Microsoft Windows 2000, обладает еще большей функциональностью и поэтому рекомендуется для использования при установке операционной системы Win 2000.

КомпьютерПресс 7"2000

До возникновения операционной системы Microsoft Windows NT у пользователей персональных компьютеров редко возникала проблема выбора файловой системы. Все владельцы операционных систем (ОС) MS-DOS и Microsoft Windows применяли одну из разновидностей файловой системы с названием FAT (FAT-12, FAT-16 или FAT-32).

Теперь же ситуация изменилась. Устанавливая ОС Microsoft Windows NT/2000/XP, при форматировании диска Вам необходимо сделать выбор между тремя файловыми системами - FAT-16, FAT-32 или NTFS.

В этой статье мы расскажем о внутреннем устройстве перечисленных файловых систем, рассмотрим присущие им недостатки и достоинства. Вооружившись этими знаниями, Вы сможете сделать осознанный выбор в пользу той или иной файловой системы для ОС Microsoft Windows.

Кратко о файловой системе FAT

Файловая система FAT появилась на заре развития персональных компьютеров и первоначально предназначалась для хранения файлов на дискетах.

Информация хранится на дисках и дискетах порциями, в секторах размером 512 байт. Все пространство дискеты разделялось на области фиксированной длины, называемые кластерами. Кластер может содержать один или больше секторов.

Каждый файл занимает один или несколько кластеров, возможно несмежных. Названия файлов и другая информация о файлах, такая как размер и дата создания, располагается в начальной области дискеты, выделенной для корневого каталога.

Помимо корневого каталога, в файловой системе FAT могут создаваться и другие каталоги. Вместе с корневым каталогом они образуют дерево каталогов, содержащих информацию о файлах и каталогах. Что же касается расположения кластеров файла на диске, то эта информация хранится в начальной области дискеты, называемой таблицей размещения файлов (File Allocation Table, FAT) .

Для каждого кластера в таблице FAT есть своя индивидуальная ячейка, в которой хранится информация о том, как этот кластер используется. Таким образом, таблица размещения файлов - это массив, содержащий информацию о кластерах. Размер этого массива определяется общим количеством кластеров на диске.

В каталоге хранится номер первого кластера, распределенного файлу или вложенному каталогу. Номера остальных кластеров можно найти при помощи таблицы размещения файлов FAT.

При разработке формата таблицы FAT стояла задача экономии места, т.к. дискета имеет весьма небольшой объем (от 180 Кбайт до 2,44 Мбайт). Поэтому для хранения номеров кластера было отведено всего 12 двоичных разрядов. В результате таблицу FAT удалось упаковать так плотно, что она занимала всего один сектор дискеты.

Таблица FAT содержит критически важную информацию о расположении каталогов и файлов. Если в результате сбоя аппаратуры, программного обеспечения или вредоносного воздействия вирусов таблица FAT окажется поврежденной, доступ к файлам и каталогам будет потерян. Поэтому с целью подстраховки на диске обычно создаются две копии таблицы FAT.

Различные версии FAT

После появления жестких дисков большого объема (в те времена большими считались диски размером 10-20 Мбайт) количество кластеров увеличилось, и 12 разрядов стало недостаточно для хранения их номеров. Был разработан новый 16-разрядный формат таблицы размещения файлов, где для хранения номера одного кластера выделялось два байта. Старая файловая система, разработанная для дискет, стала называться FAT-12, а новая - FAT-16.

Увеличенная в размерах таблица FAT-16 перестала помещаться в одном секторе, однако при больших объемах диска этот недостаток не играл существенной роли. По-прежнему для страховки на диске хранилось две копии таблицы FAT.

Однако когда объем диска стал измеряться в сотнях Мбайт и даже в гигабайтах, файловая система FAT-16 опять стала неэффективной. Чтобы номера кластеров помещались в 16 разрядов, при форматировании дисков большого объема приходится увеличивать размер кластера до 16 Кбайт и даже больше. Это вызывало проблемы при необходимости хранения на диске большого количества маленьких файлов. Так как пространство для хранения файлов выделяется кластерами, даже для очень маленького файла приходится отводить слишком много дисковой памяти.

В результате была предпринята еще одна, по всей видимости, последняя попытка усовершенствования файловой системы FAT - размер ячейки таблицы размещения файлов был увеличен до 32. Это позволило форматировать диски размером в сотни Мбайт и единицы Гбайт с использованием относительно небольшого размера кластера. Новая файловая система стала называться FAT-32.

Стандарт 8.3

До появления ОС Microsoft Windows 95 пользователи персональных компьютеров были вынуждены использовать для именования файлов весьма неудобный "стандарт 8.3", в котором имя файла должно было состоять из 8 символов плюс 3 символа расширения. Это ограничение накладывалось не только программным интерфейсом операционной системы MS-DOS, но и структурой записи каталога файловой системы FAT.

После модификации структуры записей каталога ограничение на количество символов в имени файла было практически снято. Теперь длина имени файла может достигать 255 символов, что, очевидно, достаточно в большинстве случаев. Однако такая модифицированная файловая система FAT стала несовместима с операционной системой MS-DOS, а также с работающей в ее среде оболочкой Microsoft Windows версий 3.1 и 3.11.

Более подробно о форматах внутренних структур FAT Вы можете прочитать в нашей статье "Восстановление данных в разделах FAT", опубликованных на этом сайте.

Ограничения файловой системы FAT

Принимая решение об использовании файловой системы FAT для форматирования диска, следует учитывать присущие ей ограничения. Эти ограничения касаются, прежде всего, максимального размера диска FAT, а также максимального размера файла, расположенного на этом диске.

Максимальный размер логического диска FAT-16 составляет 4 Гбайт, что очень мало по современным понятиям. Компания Microsoft, однако, не рекомендует создавать диски FAT-16 размером более 200 Мбайт, т.к. при этом дисковое пространство будет использоваться очень неэффективно.

Теоретически максимальный размер диска FAT-32 может составлять 8 Тбайт, что должно хватить для развертывания любых современных приложений. Это значение получается путем перемножения максимального количества кластеров (268 435 445) на максимальный размер кластера, допустимый в FAT-32 (32 Кбайт).

Однако на практике ситуация выглядит немного по-другому.

Из-за внутренних ограничений утилита ScanDisk в ОС Microsoft 95/98 не способна работать с дисками, превышающими по своему объему значение 127.53 Гбайт. Еще год назад такое ограничение не вызвало бы проблем, однако сегодня на рынке уже появились недорогие диски объемом 160 Гбайт, и скоро их объем будет еще больше.

Что же касается новых операционных систем Microsoft Windows 2000/XP, то они не способны создавать разделы FAT-32 с объемом, превышающим 32 Гбайт. Если Вам нужны разделы такого или большего объема, компания Microsoft предложит Вам использовать файловую систему NTFS.

Другое существенное ограничение FAT-32 накладывается на размер файлов - он не может превышать 4 Гбайт. Это ограничение будет сказываться, например, при записи на диск видеофрагментов или при создании объемных файлов баз данных.

В каталоге FAT-32 может хранить не более 65534 файлов.

Недостатки FAT

Помимо рассмотренных выше ограничений, файловой системе FAT присущи и другие недостатки. Наиболее существенными, по-видимому, является полное отсутствие средств разграничения доступа, а также возможность потери информации о размещении всех файлов после разрушения довольно компактной таблицы FAT и ее копии.

Загрузив компьютер с системной дискеты, злоумышленник легко получит доступ к любым файлам, хранящимся на дисках с файловой системой FAT. Ему не составит никакого труда скопировать затем эти файлы на устройство ZIP или какой-либо другой внешний носитель данных.

При использовании FAT на дисках сервера невозможно обеспечить надежное и гибкое разграничение доступа пользователей к каталогам. Именно поэтому, а также в силу своей низкой устойчивостью к сбоям, FAT обычно не используется на серверах.

Наличие компактных таблиц размещения файлов FAT делает эту файловую систему уязвимой мишенью для компьютерных вирусов - достаточно уничтожить начальный фрагмент диска FAT, и почти все данные будут потеряны.

Файловая система NTFS

Современная файловая система NTFS, разработанная компанией Microsoft для своей операционной системы Microsoft Windows NT, лишена ограничений и недостатков FAT. С момента своего возникновения развивающаяся файловая система NTFS претерпела несколько усовершенствований, последние из которых (на момент создания этой статьи) были сделаны в ОС Microsoft Windows XP.

В файловой системе NTFS все атрибуты файлов (имя, размер, расположение экстентов файла на диске и т.д.) хранятся в скрытом системном файле $MFT. На хранение информации о каждом файле (и каталоге) в $MFT отводится от одного до нескольких Кбайт. При большом количестве файлов, хранящихся на диске, объем файла $MFT может достигать десятков или даже сотен Мбайт.

Файлы небольшого размера (порядка сотен байт) хранятся непосредственно в $MFT, что существенно ускоряет доступ к ним.

Заметим, однако, что накладные расходы NTFS на хранение системной информации, хотя и превышают накладные расходы FAT, все же не очень велики по сравнению с объемом современных дисков. Из-за того, что файл $MFT обычно располагается ближе к середине диска, разрушение первых дорожек диска NTFS не приводит к таким фатальным последствиям, как разрушение начальных областей диска FAT.

Файловая система NTFS обладает многочисленными возможностями, отсутствующими в FAT. Они позволяют добиться намного большей гибкости, надежности и защищенности по сравнению с FAT.

Перечислим некоторые, наиболее интересные возможности NTFS современных версий.

Средства разграничения доступа

Средства разграничения доступа NTFS достаточно гибкие и позволяют управлять доступом на уровне отдельных файлов и каталогов, предоставляя (или блокируя) доступ к ним отдельным пользователям или группам пользователей.

Хотя на первый взгляд может показаться, что средства разграничения доступа нужны только для файловых серверов, они потребуются и в том случае, если к компьютеру имеют доступ несколько пользователей.

Шифрование файлов

Упомянутые выше средства разграничения доступа окажутся бесполезными, если физический диск NTFS попадет в руки злоумышленнику. С использованием современных утилит содержимое такого диска может быть без особого труда прочитано в среде любой операционной системе - DOS, Microsoft Windows или Linux.

С целью обезопасить фалы пользователей от несанкционированного доступа, в операционных системах Microsoft Windows 2000/XP предусмотрено дополнительное шифрование файлов, хранящихся в разделах NTFS. И хотя стойкость такого шифрования, возможно, не слишком высока, она вполне достаточна в большинстве случаев.

Программный дисковый массив RAID

Средствами NTFS можно создать так называемый программный массив RAID 1 (Mirrored set). Этот массив, составляемый из двух физических или логических дисков одинакового объема, позволяет дублировать (или, как еще говорят, "зеркалировать") файлы.

Такой массив может уберечь Ваши файлы в случае физической поломки одного из дисков, составляющих массив, поэтому часто применяется для увеличения надежности дисковой системы.

Наборы Volume Set

Файловая система NTFS позволяет объединить в один логический том несколько разделов, расположенных на одном или нескольких физических дисках. Это может потребоваться, например, для хранения файлов баз данных большого размера, не помещающихся на одном физическом диске, или для создания каталога с суммарным объемом файлов, превышающим размеры физического диска.

Наборы, созданные из нескольких разделов или физических дисков, называются Volume Set (в терминологии ОС Microsoft Windows NT) или Spanned Volume (в терминологии ОС Windows 2000/XP).

Упаковка файлов

Для экономии дискового пространства можно использовать способность NTFS упаковывать (сжимать) файлы. Помимо этого NTFS позволяет создавать так называемые разреженные (sparse) файлы, которые содержат области нулевых данных. Такие файлы могут иметь большой объем, но при этом занимать мало места на диске, так как фактически хранятся только значащие байты файла.

Заметим, что упаковка файлов приведет к некоторому замедлению работы. Это обстоятельство, однако, будет иметь значение далеко не всегда. Например, офисные документы можно упаковывать без заметного снижения скорости работы, а про файлы баз данных, к которым одновременно обращается большое количество пользователей, этого сказать нельзя. С учетом появления на рынке относительно недорогих дисков огромного объема средства упаковки нужно использовать только тогда, когда они действительно необходимы. Это, однако, относится и к другим возможностям NTFS.

Многопоточные файлы

При необходимости в одном файле, записанном на диске NTFS, можно хранить несколько потоков информации. Это позволяет, в частности, снабжать файлы документов дополнительной информацией, хранить в одном файле несколько версий документов (например, на разных языках), хранить в отдельных потоках одного файла программный код и данные и т.п.

Жесткие связи

Жесткие связи (hard links) позволяют назначать для одного физического файла несколько разных имен, располагая эти имена (т.е. ссылки на файл) в разных каталогах. При удалении связи не происходит удаления самого файла. Только когда все связи файла будут уничтожены, тогда будет удален и сам файл.

Заметим, что подобные возможности характерны для файловых систем, применяемых в Unix-подобных ОС, например, в Linux, FreeBSD и т.д.

Точки переопределения

Такие системные объекты NTFS, как точки переопределения (reparse points) позволяют переопределить любой файл или каталог. При этом, например, редко используемые переопределенные файлы или каталоги фактически могут храниться на магнитной ленте, загружаясь на диск только при необходимости.

Переходы

Пользуясь переходами NTFS, можно смонтировать в каталог диска другой жесткий диск или компакт-диск. Эта возможность первоначально существовала в файловых системах Unix-подобных ОС.

Квотирование дискового пространства

Файловая система NTFS, использованная в ОС Microsoft Windows 2000/XP, позволяет квотировать, или ограничивать дисковое пространство, предоставляемое в распоряжение пользователей. Такая возможность особенно полезна при создании файловых серверов.

Ведение журнала изменений

В процессе своей работы операционная система выполняет различные действия над файлами (создание, изменение, удаление). Все такие изменения сохраняются в специальном журнале, созданном на томе NTFS, и могут использоваться программами резервного копирования, системами индексации и т.п. Протоколирование изменений повышает надежность файловой системы, позволяя в ряде случаев продолжить работу после некритичных отказов операционной системы и оборудования. Хотя, конечно, большинство серьезных сбоев приводит к необходимости восстанавливать данные из резервной копии или с применением специальных утилит восстановления данных.

Ограничения NTFS

Несмотря на обилие возможностей, файловой системе NTFS также присущи некоторые ограничения. Впрочем, в большинстве случаев они не играют существенной роли.

Максимальный размер логического диска NTFS составляет примерно 18 446 744 Тбайт, что, очевидно, достаточно для всех современных приложений, а также приложений, которые появятся в ближайшем будущем. Максимальный размер файла еще больше, так что это ограничение также несущественно.

Количество файлов, хранящихся в одном каталоге NTFS, ничем не ограничено, так что здесь тоже есть преимущество перед FAT.

Сравнение NTFS и FAT по скорости доступа к файлам

С точки зрения перспективности, функциональных возможностей, безопасности и надежности NTFS намного опережает FAT. Однако сравнение производительности этих файловых систем не дает однозначного результата, так как производительность зависит от множества различных факторов.

Так как принципы работы и внутренние структуры FAT намного проще, чем NTFS, при работе с небольшими каталогами FAT будет, скорее всего, быстрее. Однако если содержимое каталога настолько мало, что он полностью помещается в одну или несколько записей файла $MFT, или напротив, если каталог очень большой, "победит" NTFS.

Пальма первенства, скорее всего, достанется NTFS при поиске несуществующих файлов или каталогов (т.к. при этом не потребуется полностью просматривать содержимое каталога), при обращении к файлам небольшого размера (объемом порядка сотен байт), а также в случае сильной фрагментации диска.

Для увеличения производительности NTFS можно увеличить размер кластера, однако это может привести к неэкономному использованию дискового пространства при хранении большого количества файлов, размер которых превышает 1-2 Кбайт и составляет десятки Кбайт. При увеличении размера кластера до 64 Кбайт можно получить максимальное повышение производительности, однако придется отказаться от упаковки файлов и применения утилит дефрагментации.

При упаковке файлов, расположенных на дисках небольшого размера (порядка 4 Гбайт), производительность может возрасти, а при сжатии дисков большого размера - уменьшиться. В любом случае упаковка приведет к появлению дополнительной нагрузки на центральный процессор.

Так что же выбрать - FAT или NTFS?

Как видите, NTFS имеет многочисленные преимущества перед FAT, а ее ограничения в большинстве случаев несущественны. Если Вы стоите перед выбором файловой системы, рассмотрите в первую очередь возможность использования NTFS, и только потом - FAT.

Какие могут быть препятствия, затрудняющие замену FAT на NTFS?

Наиболее серьезное препятствие - необходимость использования ОС Microsoft Windows NT/2000/XP. Для нормальной работы этой ОС требуется как минимум 64 Мбайт оперативной памяти и процессор с тактовой частотой не ниже 200-300 Мгц. Впрочем, этим требованиям не удовлетворяют лишь очень старые компьютеры, не способные работать под управлением ОС Microsoft Windows современных версий.

Если же Ваш компьютер может работать в среде Microsoft Windows 2000/XP, и у Вас нет ни одного прикладного приложения, рассчитанного исключительно на ОС Microsoft Windows 95/98/ME, мы рекомендуем Вам при первой же возможности перейти к новой операционной системе, заменив при этом FAT на NTFS.

При этом Вы также получите заметное увеличение надежности работы, т.к. после установки всех необходимых пакетов исправлений (Service Pack), а также корректных версий драйверов периферийных устройств, ОС Microsoft Windows 2000/XP будет работать очень стабильно.

В некоторых случаях приходится совмещать в рамках одного физического диска несколько файловых систем. Например, если на Вашем компьютере установлено три операционные системы Microsoft Windows ME, Microsoft Windows XP и Linux, можно создать три файловые системы - FAT, NTFS и Ext2FS. Первая из них будет "видна" при работе в Microsoft Windows ME и Linux, вторая - только в Microsoft Windows XP, и третья - только в Linux (заметим, что в ОС LINUX существует также возможность доступа к разделам NTFS).

Но если Вы создаете сервер (файловый, базы данных или Web) на базе ОС Microsoft Window NT/2000/XP, то единственным разумным выбором будет NTFS. Только в этом случае удастся добиться необходимой стабильности, надежности и защищенности сервера.

Существует также общепринятое (и на наш взгляд, ошибочное) мнение, что домашним пользователям компьютеров не нужна ни ОС Microsoft Window NT/2000/XP, ни файловая система NTFS.

Конечно, если компьютер применяется исключительно для игр, из соображений совместимости лучше всего установить Microsoft Windows 98/ME и отформатировать диски в FAT. Однако если Вы работаете не только в офисе, но и дома, лучше использовать современные, профессиональные и надежные решения. Это позволит, в частности, организовать защиту от вторжения на Ваш компьютер через Интернет, ограничить доступ к каталогам и файлам с критичными данными, а также повысит шансы на успешное восстановление информации при возникновении различного рода сбоев.

Каждый раз, когда пользуюсь либой FatFs думаю, что неплохо бы разобраться с тем, как все устроено внутри. Долго откладывал этот вопрос, наконец лед тронулся. Итак, глобальная цель это раскуривание карт памяти, если получится то детально, текущая цель разобраться с файловой системой.

Сразу скажу, у меня не было цели писать свой драйвер или детально разбираться в тонкостях, мне было просто интересно. Задача довольно простая для понимания, поэтому «кодов» здесь не будет.

Итак, первое что мы должны понять, при общении с картой памяти напрямую, мы можем либо прочитать, либо записать 512 байт, других действий не дано. Так как файлы мы постоянно что то копируем, удаляем, а размеры файлов всегда разные, то на карте будут образовываться пустые участки в перемешку с записанными. Чтобы пользователю не запариваться с размещением данных, существует прослойка которая берет на себя эти заботы, это и есть файловая система.

Как было уже выше сказано, записать и прочитать можно только кратно 512 байтам, т.е. 1 сектор. Также есть понятие — кластер это тупо несколько секторов, например если размер кластера 16кБ, то значит что в нем 16000/512 = 31.25, точнее 32 сектора, а реальный размер кластера 16384 байта. Все файлы занимают размер кратно размеру кластера. Даже если файл размером 1кБ, а кластер 16кБ, то файл будет занимать все 16кБ.

Логично было бы делать кластеры, маленького размера, то тут вступает в дело ограничение на максимальное количество файлов и на их размер. FAT16 оперирует 16 битными данными, поэтому нельзя запихать больше чем 2^16 кластеров. Поэтому чем меньше их размер, тем более эффективно используется место под мелкие файлы, но тем меньше информации можно запихать на диск. И наоборот, чем больше размер, тем больше информации можно впихать, но тем менее эффективно используется место под мелкие файлы. Максимальный размер кластера 64кБ, поэтому максимум для FAT16 64кб*2^16 = 4Гб.

Исходные данные: имеется карта памяти micro SD на 1Гб. Имеет метку MYDISK, отформатирована полностью, размер кластера 16кБ.

Понадобится Hex редактор, но любой не подойдет, нужен такой, который может просматривать диск целиком, а не только файлы на диске. Из того что мне удалось найти: WinHex самый годный, но платный; HxD простой, бесплатный, но мне так и не удалось заставить его сохранять изменения на диске; DMDE — немного не user friendly, бесплатный и позволяет сохранить изменения. В общем я остановился на HxD.

Для начала стоит рассмотреть структуру FAT16, картинка показывает в каком порядке расположены различные части файловой системы.

В загрузочном секторе хранится вся служебная информация. Внутри области FAT хранится инфорция о том, как расположены данные файлов на диске. В корневом каталоге информация о том, какие файлы есть в корне диска. Область данных содержит информацию содержащуюся внутри файлов. Все области строго следуют друг за другом подряд, т.е. после загрузочного сектора сразу начинается область FAT. Подробности рассмотрим ниже.

Задача: понять по какому принципу располагаются имена файлов и их содержимое. Поэтому начнем с поиска корневого каталога, чтобы понять какие файлы у нас есть в наличии. В этом нам помогут данные из загрузочной области.

Наиболее интересные данные указаны в таблице

Первое что нам нужно, это узнать размер загрузочной области. Смотрим адрес 0x0E и видим, что под загрузочную область выделено 4 сектора, т.е. с адреса 4*512 = 0x800 начинается область FAT.

Количество таблиц FAT можно определить по адресу 0x10 загрузочной области. В нашем примере их две, почему две, потому что каждая таблица дублируется резервной, что бы в случае сбоя можно было восстановить данные. Размер таблицы указан по адресу 0x16. Таким образом размер фата 512*2*0xEE = 0x3B800, а корневой каталог начинается с адреса: 0x800 + 0x3B800 = 0x3C000

Внутри корневого каталога все элементы разбиты по 32 байта. Первый элемент, это метка тома, а вот последующие элементы это файлы и папки. Если название файла начинается с 0xE5, то это значит что файл удален. Если название начинается с 0x00, то это значит, что предыдущий файл был последним.

Довольно интересная структура корневого каталога получилась у меня. Карта была отформатирована полностью, затем создано 2 текстовых файла, которые переименованы в MyFile.txt и BigFile.txt.

Как можно увидеть, что помимо моих двух файлов, создалось еще куча левых, о происхождении которых можно только догадываться.

Самое важное, что можно здесь подчерпнуть, это адрес первого кластера, с которого начинаются данные нашего файла. Адрес всегда находится по смещению 0x1A. Например, имя нашего файла MyFile.txt расположено по адресу 0x3C100, к нему прибавляем 0x1A, там видим номер первого кластера. = 0x0002 т.е. второй кластер. Для файла BigFile.txt, данные начинаются с третьего кластера.

Также в корневом каталоге можно узнать еще дату и время, последнего редактирования файла, мне этот вопрос был не очень интересен, поэтому обойду его стороной. Последнее полезное, что может сказать корневой каталог, это свой размер, дабы мы могли найти то, откуда начинаются данные.

Размер указан в загрузочном секторе по адресу 0x11(2байта) = 0x0200*32 = 0x4000 или 16384 байт.

Прибавим к адресу корня его размер: 3С000 + 4000 = 40000 это адрес первого кластера данных, но нам нужен второй, чтобы найти MyFile.txt. Количество секторов в кластере 32, размер кластера = 32*512 = 16384 или 0x4000, поэтому прибавим к адресу первого кластера, его размер т.е. с 0x44000 по идее должен начаться второй кластер.

Идем по адресу 0x44000 и видим, что данные принадлежат BigFile.txt (в нем просто мусор)

Оказывается есть небольшая тонкость, нумерация кластеров начинается со второго, не понятно зачем так сделано но факт, т.е. на самом деле мы перешли на третий кластер. Вернемся на один кластер назад на адрес 0x40000 и видим ожидаемые данные.

Теперь спрашивается. Зачем же нам нужна таблица FAT? Дело в том, что данные могут быть фрагментированы, т.е. начало файла может находиться в одном кластере, а конец в совсем другом. Причем это могут быть совершенно разные кластеры. Их может быть несколько, разбросанных в разных областях данных. Таблица FAT это своего рода карта, которая нам указывает, как нам перемещаться между кластерами.

Приведем пример, в файле BigFile.txt запихано куча рандомного мусора, чтобы занимал не один кластер, а несколько. Идем туда, где начинается таблица FAT и смотрим ее содержание.

Первые восемь байт 0xF8FFFFFF это идентификатор начала таблицы фат. Дальше идет 2 байта, которые относятся к MyFile.txt, то что в них записано 0xFFFF означает, что файл занимает всего один кластер. А вот следующий файл BigFile.txt начинается в третьем кластере, это мы помним из корневой директории, продолжается в четвертом, далее идет в 5,6,7… и заканчивается в 12, т.е. занимает 10 кластеров.

Проверим, действительно ли это так. Файл весить 163кБ, т.е. занимает 163000/(32*512) = 9.9 кластеров, что вполне походит на ожидаемое. Повторимся еще раз, что один элемент в таблице FAT занимает 2 байта, т.е. 16 бит, отсюда и пошло название FAT16. Соответственно максимальный адрес равен 0xFFFF, т.е. максимальный объем для FAT16 0xFFFF*размер кластера.

Перейдем к FAT32. Загрузочная часть немного изменена.

Есть некоторые принципиальные изменения. Имя файловой системы перекочевало по адресу 0x52, размер корневого теперь игнорируется. Область данных находится сразу за таблицами FAT, корневой каталог находится внутри области данных. Кроме того корневой каталог не имеет фиксированного размера.

Адрес области данных вычисляется:
размер загрузочного сектора + таблицы FAT, в моем случае получилось:
746496 + (3821056 * 2) = 0x800000

Адрес корневого каталога вычисляется:
(номер первого кластера корневого каталога — 2) * размер кластера + адрес начала области данных,
т.е. в данном примере он будет совпадать с началом области данных.

Как и прежде данные в корневом занимают 32байта, как и прежде «удаленные» магические файлы, предполагаю это временные файлы блокнота.

А вот начало первого кластера в MYFILE.txt определяется теперь двумя байтами, старший по смещению 0x14, младший как и прежде 1A. Поэтому номер первого кластера данных для файла будет:
8000A0 + 0x14 = 0x8000B4 — старший байт
8000A0 + 0x1A = 0x8000BA — младший байт
В моем случае карта была всего с одним файлом, поэтому это третий кластер.

Таблица FAT ищется как и в предыдущем случае, только теперь элементы занимают 4 байта, отсюда и название FAT32. Идеология расположения элементов в точности как в предыдущем случае.

Полезняшки для таблицы
F8 FF FF F0 — первый кластер
FF FF FF 0F — последний кластер
FF FF FF F7 — поврежденный кластер

Где же находятся данные?
начало области данных + размер кластера * (номер кластера корневого — 1)
= 0x800000 + (2*4096) = 0x801000

Надеюсь в общих чертах стало понятно, вроде как ничего сверхестественного нет. Кто прочитал и повторил может скушать печеньку 🙂

Вы знаете, что Windows Phone использует NTFS? Почему большинство карт памяти и почти все USB-накопители по-прежнему используют старый-добрый FAT? Почему вы можете хранить полноразмерные HD-фильмы на некоторых флеш-накопителях и не можете на других? Почему некоторые устройства поддерживают только карты памяти SDHC до 32 ГБ, и что можно сделать, чтобы заставить их использовать 64 ГБ SDXC? Эти и многие другие вопросы связаны с типом файловой системы, используемой конкретным устройством хранения. Но как это связано с Windows?