Марк Руссинович - 4.Внутреннее устройство Windows (гл. 12-14)

ПРИМЕЧАНИЕ У NTFS-TOMOB в Windows 2000 дисковый формат версии 3.0; в Windows XP и Windows Server 2003 в этот формат были внесены незначительные изменения, и теперь используется его версия 3.1. Номер версии тома хранится в файле метаданных IVolume.

Размер кластера на томе NTFS, или кластерный множитель (cluster factor), устанавливается при форматировании тома командой format или в оснастке Disk Management (Управление дисками). Размер кластера по умолчанию определяется размером тома, но всегда содержит целое число физических секторов с дискретностью N2 (т. е. 1 сектор, 2 сектора, 4 сектора, 8 секторов и т. д.). Кластерный множитель выражается числом байтов в кластере, например 512 байт, 1 Кб или 2 Кб.

Внутренне NTFS работает только с кластерами. (Однако NTFS инициирует низкоуровневые операции ввода-вывода на томе, выравнивая передаваемые данные по размеру сектора и подгоняя их объем под значение, кратное размеру секторов.) NTFS использует кластер как единицу выделения пространства для поддержания независимости от размера физического сектора. Это позволяет NTFS эффективно работать с очень большими дисками, используя кластеры большего размера, и поддерживать нестандартные диски с размером секторов, отличным от 512 байтов. Применение больших кластеров на больших томах уменьшает фрагментацию и ускоряет выделение свободного пространства за счет небольшого проигрыша в эффективности использования дискового пространства. Команда format или оснастка Disk Management выбирает кластерный множитель в зависимости от размера тома, но это значение можно изменить.

NTFS адресуется к конкретным местам на диске, используя логические номера кластеров (logical cluster numbers, LCN). Для этого все кластеры на томе просто нумеруются по порядку — от начала до конца. Для преобразования LCN в физический адрес на диске NTFS умножает LCN на кластерный множитель и получает байтовое смещение от начала тома, воспринимаемое интерфейсом драйвера диска. Ha данные внутри файла NTFS ссылается по виртуальным номерам кластеров (virtual cluster numbers, VCN), нумеруя кластеры, которые принадлежат конкретному файлу (от 0 до m). VCN не обязательно должны быть физически непрерывными.

B NTFS все данные, хранящиеся на томе, содержатся в файлах. Это относится и к структурам данных, используемым для поиска и выборки файлов, к начальному загрузочному коду и битовой карте, в которой регистрируется состояние пространства всего тома (метаданные NTFS). Хранение всех видов данных в файлах позволяет файловой системе легко находить и поддерживать данные, а каждый файл может быть защищен дескриптором защиты. Кроме того, при появлении плохих секторов на диске, NTFS может переместить файлы метаданных.

Главная таблица файлов (MFT) занимает центральное место в структуре NTFS-тома. MFT реализована как массив записей о файлах. Размер каждой записи фиксирован и равен 1 Кб (см. раздел «Записи о файлах» далее в этой главе). Логически MFT содержит по одной строке на каждый файл тома, включая строку для самой MFT Кроме MFT, на каждом томе NTFS имеется набор файлов метаданных с информацией, необходимой для реализации структуры файловой системы. Имена всех файлов метаданных NTFS начинаются со знака доллара ($), хотя эти знаки скрыты. Так, имя файла MFT — $Mft. Остальные файлы NTFS-тома являются обычными файлами и каталогами (рис. 12–24).

Обычно каждая запись MFT соответствует отдельному файлу Ho если у файла много атрибутов или он сильно фрагментирован, для него может понадобиться более одной записи. Тогда первая запись MFT, хранящая адреса других записей, называется базовой (base file record).

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр MFT

Утилита Nfi из OEM Support Tools (входит в отладочные средства Windows; ее можно скачать с support.mlcrosoft.com/support/eb/articIes/Q253/ 0/66.asp) позволяет получить дамп содержимого MFT тома NTFS и преобразовать номер кластера тома или номер сектора физического диска (не для RAID-томов) в имя соответствующего файла (если кластер или сектор занят файлом). Первые 16 элементов MFT зарезервированы для файлов метаданных, но записи для файлов необязательных метаданных (которые присутствуют только при использовании на томе соответствующих возможностей) находятся вне этой области: $Extend$Quota, $Extend$ObjId, $Extend$UsnJrnl и $Extend$Reparse. Следующий дамп получен для тома, на котором используются точки повторного разбора ($Reparse), квоты ($Quota) и идентификаторы объектов ($ObjId).

При первом обращении к тому NTFS должна смонтировать его, т. е. считать с диска метаданные и сформировать внутренние структуры данных, необходимые для обработки обращений к файловой системе. Чтобы смонтировать том, NTFS ищет в загрузочном секторе физический адрес MFT на диске. Запись о самой MFT является первым элементом в этой таблице, вторая запись указывает на файл в середине диска ($MftMirr), который называется зеркальной копией MFT и содержит копию первых нескольких записей MFT Если по каким-либо причинам считать часть MFT не удастся, для поиска файлов метаданных будет использована именно эта копия MFT.

Найдя запись для MFT, NTFS получает из ее атрибута данных информацию о сопоставлении VCN и LCN и сохраняет ее в памяти. B каждой группе (run) хранится сопоставление VCN-LCN и длина этой группы — вот и вся информация, необходимая для того, чтобы найти LCN по VCN. Эта информация сообщает NTFS, где на диске искать группы, образующие MFT (O группах см. раздел «Резидентные и нерезидентные атрибуты» далее в этой главе.) Затем NTFS обрабатывает записи MFT еще для нескольких файлов метаданных и открывает эти файлы. Наконец, NTFS выполняет операцию восстановления фаршовой системы (см. раздел «Восстановление» далее в этой главе) и открывает остальные файлы метаданных. C этого момента пользователь может обращаться к данному дисковому тому.

ПРИМЕЧАНИЕ Для упрощения восприятия материала в тексте и на схемах в этой главе группа обозначается как сущность, содержащая VCN, LCN и длину группы. Ho на самом деле NTFS сжимает эту информацию на диске в пары «LCN — следующий VCN». Зная начальный VCN, NTFS может определить длину группы простым вычитанием начального VCN из следующего VCN.

B процессе работы системы NTFS ведет запись в другой важный файл метаданных — файл журнала с именем $LogFile. NTFS использует его для регистрации всех операций, влияющих на структуру тома NTFS, в том числе для регистрации создания файлов и выполнения любых команд вроде Сору, модифицирующих структуру каталогов. Файл журнала используется и при восстановлении тома NTFS после аварии системы.

Еще один элемент MFT зарезервирован для корневого каталога (также обозначаемого как «»). Его запись содержит индекс файлов и каталогов, хранящихся в корне структуры каталогов NTFS. Когда NTFS впервые получает запрос на открытие файла, она начинает его поиск с записи корневого каталога. Открыв файл, NTFS сохраняет файловую ссылку MFT для этого файла и поэтому в следующий раз, когда понадобится считать или записать тот же файл, сможет напрямую обратиться к его записи в MFT.

NTFS регистрирует распределение дискового пространства в файле битовой карты (bitmap file) с именем $Bitmap. Атрибут данных для файла битовой карты содержит битовую карту, каждый бит которой представляет кластер тома и сообщает, свободен кластер или выделен.

Файл защиты (security file) с именем $Secure хранит базу данных дескрипторов защиты, действующих в пределах тома. Дескрипторы защиты файлов и каталогов NTFS можно настраивать индивидуально, но для экономии места NTFS хранит настройки дескрипторов защиты в общем файле, который позволяет файлам и каталогам с одинаковыми параметрами защиты ссылаться на один и тот же дескриптор защиты. Такая оптимизация дает существенную экономию в большинстве сред, потому что в них целые деревья каталогов имеют одинаковые параметры защиты.

Другой системный файл, загрузочный (boot file), с именем $Boot хранит код начальной загрузки Windows. Для успешного запуска системы код начальной загрузки должен находиться на диске в определенном месте. При форматировании команда format определяет это место в виде файла, создавая для него запись в MFT. При этом NTFS следует своим правилам, согласно которым все данные хранятся на диске в виде файлов. Загрузочный файл, как и файлы метаданных NTFS, может быть защищен индивидуальным дескриптором защиты. B такой модели «на диске есть только файлы» код начальной загрузки может быть изменен путем обычного файлового ввода-вывода, хотя загрузочный файл защищен от редактирования.

NTFS поддерживает файл плохих кластеров (bad-cluster file) с именем $BadClus, в котором регистрируются все сбойные участки дискового тома, и файл тома (volume file) с именем $Volume, который содержит имя тома, версию NTFS, под которую отформатирован том, и бит, устанавливаемый при каком-либо повреждении диска. Если этот бит установлен, диск должен быть восстановлен утилитой Chkdsk. Файл сопоставления имен с буквами в верхнем регистре (uppercase file) с именем $UpCase включает таблицу трансляции букв между верхним и нижним регистрами. NTFS также поддерживает файл, содержащий таблицу определения атрибутов (attribute definition table), с именем IAttrDef; в нем определяются типы атрибутов, поддерживаемые томом, и указывается, являются ли они индексируемыми, следует ли их восстанавливать в ходе операции восстановления системы и т. д.