Systemy operacyjne System plików — przykłady implementacji, Ćwiczenia z Linux

Pobierz Systemy operacyjne System plików — przykłady implementacji i więcej Ćwiczenia w PDF z Linux tylko na Docsity!

System plików — przykłady implementacji

Wykład prowadzą: Jerzy Brzeziński Dariusz Wawrzyniak

Systemy operacyjne

Nazwa modułu

Celem wykładu jest zaprezentowanie wybranych implementacji systemu plików, omówienie struktur najważniejszych metadanych dla tych systemów, oraz przedyskutowanie pewnych konsekwencji przyjętych założeń projektowych.

Systemy operacyjne

System plików (2)

Plan wykładu

• CP/M
• MS DOS
• ISO 9660
• UNIX
• NTFS

Geneza systemu plików wiąże się z jakimś systemem operacyjnym, ale współcześnie niektóre systemy operacyjne udostępniają wiele różnych systemów plików. Przykładem może być system Linux, w którym na różnych partycjach mogą współistnieć takie systemy plików, jak ext2, ext3, RaiserFS, itd. Istnieje też możliwość dostępu do systemów plików, opartych na strukturze FAT, zastosowanej w DOS oraz Windows 95/98, NTFS, czy też sieciowych systemów plików, np. NFS. Możliwość współistnienia wielu systemów plików możliwa jest dzięki dodatkowej warstwie w implementacji obsługi systemu plików, zwanej wirtualnym systemem plików (VFS).

W module zaprezentowane zostaną systemy plików CP/M, MS DOS (oparty na strukturze FAT), ISO 9660 (podstawowy systemów plików dla CD ROM), typowy system uniksowy, oraz NTFS (stosowany w nowszych rozwiązaniach firmy Microsoft).

Systemy operacyjne

System plików (4)

Przykłady implementacji systemu plików (^) (2)

• UNIX — plik opisany jest przez i-węzeł, wpis katalogowy zawiera indeks i-węzła, który z kolei zawiera indeks (kombinowany) jednostek alokacji.
• NTFS — plik identyfikowany jest przez referencję, która jest indeksem rekordu w tablicy MFT, rekord zawiera atrybuty pliku (w szczególności dane) lub odnośniki do bloków z atrybutami.

Systemy operacyjne

System plików (5)

CP/M — informacje ogólne

• Katalog zawiera 32-bajtowe wpisy, tzw. bloki kontrolne plików (FCB), zawierające wartości atrybutów.
• W katalogu znajdują się wpisy wszystkich plików w systemie.
• Dane (zawartość pliku) znajdują się w 128-bajtowych sektorach, alokacji podlegają jednak bloki o rozmiarach 1KB.
• Z każdym wpisem związany jest jednobajtowy kod użytkownika.
• Zarządzanie wolną przestrzenią przy użyciu wektora bitowego, przechowywanego w pamięci.

Plik w systemie CP/M opisany jest przez blok kontrolny (FCB). Bloki FCB wszystkich plików znajdują się w katalogu, przy czym jest tylko jeden katalog dla danej partycji. W systemie CP/M nie ma więc hierarchicznej struktury katalogów. Implementacyjnie struktura ta jest jednopoziomowa, a logicznie dwupoziomowa, gdyż atrybutem każdego pliku jest kod użytkownika. Każdy użytkownik widzi więc tylko swoje pliki. Rozróżnienie plików poprzez kod użytkownika umożliwia zatem nadawanie im tych samych nazw.

System plików CP/M projektowany był na potrzeby obsługi dyskietek o stosunkowo niewielkich rozmiarach (180 KB). Dane (zawartość pliku) znajdują się w 128-bajtowych sektorach, jednostką alokacji jest jednak blok o rozmiarze 1KB (8 sektorów). Do zarządzania wolną przestrzenią używany jest wektor bitowy, przechowywany w pamięci, zajmujący 23 bajty, wyliczany każdorazowo po restarcie lub zmianie nośnika.

Systemy operacyjne

System plików (7)

CP/M — struktura wpisu katalogowego

kodużytkownika (1 bajt)

nazwapliku (8 bajtów)

typ(3) (1 bajt)extent

numery bloków(16 × 1 bajt)

liczba sektorów128 bajtowych objętych wpisem(1 bajt)

Jak wynika ze struktury wpisu katalogowego, nazwa pliku składa się z 8 znaków, oraz 3 znaków rozszerzenia, kojarzonych z typem pliku. Jeden taki wpis identyfikuje 16 jednostek alokacji, czyli maksymalnie 16 KB. Rzeczywisty rozmiar obszaru danych, objętych wpisem, podany jest z dokładnością do 128 bajtów (liczba sektorów). Jeśli rozmiar pliku nie jest wielokrotnością 128 bajtów, wymagany jest jakiś specjalny bajt w zawartości pliku, sygnalizujący jego koniec.

Systemy operacyjne

System plików (8)

CP/M — reprezentacja dużych plików

list txt n

kodużytkownika

nazwapliku typ extent

numery bloków

128 bajtowychliczba bloków objętych wpisem

list txt 1 list txt (^2) M

W przypadku plików większych niż 16 KB konieczne jest opisanie ich za pomocą większej liczby jednostek katalogowych. Dla tego samego pliku istnieje zatem kilka wpisów, w których jest ten sam kod użytkownika oraz nazwa wraz z rozszerzeniem. Każdy wpis identyfikuje inny zakres bloków z danymi, a właściwa kolejność wpisów określona jest przez wartość pola extent.

Koncepcje przydziału kilku pozycji do opisu jednego pliku wykorzystano również na potrzeby przechowywania długich nazw plików w systemach MS Windows 95/98 oraz na potrzeby pomieszczenia dużej liczby atrybutów w systemie plików NTFS.

Systemy operacyjne

System plików (10)

MS DOS — format partycji

blok nadrzędny

kopia tablicy FAT

i podkatalogówbloki danych

katalog główny

tablica FAT

Na etapie formatowani logicznego definiowany jest podział partycji, z którego wynika między innymi rozmiar tablicy FAT oraz katalogu głównego. Rozmiar tablicy FAT określa liczbę jednostek alokacji, pośrednio zatem również rozmiar jednostki alokacji, gdyż wielkość obszaru danych też jest ustalona przy formatowaniu. Oczywiście liczba jednostek alokacji nie może być większa, niż wynika to z rozmiaru elementu tablicy FAT. Element tablicy FAT musi po prostu „pomieścić” numer dowolnego bloku. Przykładowo, w przypadku 16-bitowej struktury FAT do dyspozycji jest 2 16 =65536 numerów jednostek (w praktyce kilka numerów mniej, ze względu na kody specjalne). Przeznaczanie zatem więcej niż 128 KB (65536·16 bitów) na tę strukturę nie ma sensu, bo większej liczy jednostek i tak nie da się obsłużyć.

Ze struktury partycji wynika też, że ustalony jest rozmiar katalogu głównego. Liczba wpisów w katalogu głównym ma zatem górne ograniczenia, a w przypadku nie wykorzystania tych wpisów miejsce jest marnowane. Jeśli chodzi rozmiar podkatalogu, jest on ustalany dynamicznie z dokładnością do jednostki alokacji w miarę zwiększania lub zmniejszania liczby wpisów.

Tablica FAT jest newralgicznym elementem systemu plików. Jej uszkodzenie może spowodować całkowita utratę powiązań bloków i tym samym praktycznie zniszczyć system plików. Dlatego utrzymywana jest również kopia tej tablicy. Wątpliwości może budzić lokalizacja takiej kopii. Jeśli tablice sąsiadują ze sobą, to w przypadku zarysowania dysku przez głowicę istnieje ryzyko uszkodzenia obu tablic.

Systemy operacyjne

System plików (11)

MS DOS — struktura wpisu katalogowego

nazwapliku (8 bajtów)

typ(3) (1 bajt)flagi pierwszegonumer (2 bajty)bloku

rozmiarw ostatniegoczasdata (4 bajty)bajtach zapis (4B) FAT 12/16 bit.

Podobnie, jak w systemie CP/M, nazwa składa się maksymalnie z 8 znaków, oraz 3 znaków rozszerzenia. Flagi są bitami, określającymi specjalne atrybuty pliku: plik ukryty, plik systemowy, plik tylko do odczytu, podkatalog, plik archiwalny, etykieta. W katalogu przechowany jest numer pierwszego bloku, czyli początek listy w tablicy FAT. Przeznaczone jest na to maksymalnie 16 bitów, a wiec taka struktura jest właściwa dla rozwiązań opartych najwyżej na 16-bitowej tablicy FAT.

Systemy operacyjne

System plików (13)

ISO 9660 — informacje ogólne

• Dane na płycie CD nie są rozkładane w cylindrach, lecz tworzą układ spiralny.
• Spirala dzielona jest na bloki logiczne (sektory) o rozmiarze 2352 bajtów (w tym preambuły, kody korekcyjne itp.), z czego na dane pozostaje 2048 bajtów.
• Binarne pola numeryczne są reprezentowane podwójnie: zgodnie z uporządkowaniem grubokońcówkowym oraz cienkokońcówkowym.
• Maksymalny poziom zagnieżdż. katalogów — 8.

ISO 9660 jest standardem systemu plików dla płyt CD (również DVD), wykorzystującym wszystkie udogodnienia, które wynikają z faktu niezmienności zapisanych danych, takie jak sortowanie katalogów, czy przydział ciągły. Jego powszechnie znanymi rozszerzeniami są standardy Rock Ridge oraz Joliet.

Ciekawostką jest podwójne (grubo- i cienkokońcówkowe) reprezentowanie wszystkich liczb całkowitych — chodziło o to, aby nie dyskryminować jednego czy drugiego uporządkowania, ponieważ mogłoby to utrudnić zaakceptowanie standardu.

Systemy operacyjne

System plików (14)

ISO 9660 — format partycji

dowolnego wykorzystania16 bloków do

bloki danychi katalogów

deskryptor głównegowolumenu wpis katalog. korzeniadrzewa katalogów

Standard nie definiuje przeznaczenia pierwszych 16 bloków. Obszar ten jest do dyspozycji twórcy, może np. służyć do umieszczenia programu rozruchowego w przypadku ładowania systemu operacyjnego z płyty.

Uwzględniając różnorodność zastosowań płyt kompaktowych, w deskryptorze głównego wolumenu znajduje się mnóstwo informacji o jej zawartości, autorze, wytwórcy, prawach autorskich itd. Można tam umieścić dowolne informacje, przydatne raczej tylko dla użytkownika, zapisane z użyciem dużych liter, cyfr i wybranych znaków interpunkcyjnych.

Z zakresu metadanych w deskryptorze znajduje się rozmiar bloku logicznego (2048, ale dopuszcza się więcej, np. 4096, 8192 itd.), liczba bloków na płycie, czas utworzenia i przeterminowania zawartości płyty. Jedną z najważniejszych informacji jest opis katalogu głównego, tzn. blok początkowy i rozmiar, zgodnie z zasadą przydziału ciągłego.

Systemy operacyjne

System plików (16)

UNIX — informacje ogólne

• Z każdym plikiem związany jest i-węzeł, który przechowuje wszystkie atrybuty pliku z wyjątkiem nazwy.
• Nazwa znajduje się w katalogu obok numeru i-węzła danego pliku.
• Katalogi tworzą strukturę wielopoziomową (katalog zawiera wpis specyfikujący inny katalog).
• Dane (zawartość pliku) znajdują się w blokach (jednostkach alokacji) o ustalonym rozmiarze.
• Bloki danych identyfikowane są za pośrednictwem indeksu kombinowanego.
• Wolne bloki zorganizowane są zgodnie z zasadą grupowania.

Opis implementacji uniksowego systemu plików ograniczony zostanie do najważniejszych koncepcji, na których opierają się różne odmiany tego systemu, stosowane w rodzinie systemów uniksowych. Podstawą implementacji jest i- węzeł, grupujący wszystkie atrybuty pliku z wyjątkiem nazwy. I-węzły tworzą tablicę, której rozmiar limituje liczbę plików w systemie. I-węzeł pośrednio lub bezpośrednio identyfikuje bloki danych pliku. Wolna przestrzeń jest identyfikowana przez grupowanie, przy czym pierwszy węzeł (blok) z indeksami wolnych bloków zlokalizowany jest w całości w bloku nadrzędnym. W pewnych odmianach stosowany jest wektor bitowy. Wektor bitowy w tych odmianach używany jest również do identyfikacji wolnych i-węzłów.

Systemy operacyjne

System plików (17)

UNIX — format partycji

blok nadrzędny

bloki danych

tablica i-węzłów

Dwa główne element partycji stanowią: tablica i-węzłów oraz bloki danych. W niektórych odmianach na jednej partycji wyodrębnia się kilka sekcji, z których każda ma strukturę zbliżoną do przedstawionej na slajdzie. Celem takiego rozdystrybuowania jest zmniejszenie strat w wyniku potencjalnych awarii oraz poprawa efektywności poprzez skrócenie czasu wyszukiwania dla głowic dyskowych.

Jak wynika ze struktury partycji, liczba i-węzłów jest ustalona, podobnie jak liczba bloków danych. Zawartość systemu plików podlega zatem takim samym ograniczeniom, jak w systemie CP/M, ale istnieje hierarchiczna struktura katalogów (drzewo katalogów, a uwzględniając pliki — graf acykliczny).

Ograniczenia na rozmiar katalogu wynikają wyłącznie z dostępności bloków danych, gdyż katalog zajmuje przestrzeń dyskową na takich samych zasadach, jak plik. Jego zawartość jest jednak interpretowana przez system zgodnie z zasadami budowy katalogów w danej implementacji. Jeden, ustalony i-węzeł opisuje korzeń drzewa katalogów.

Systemy operacyjne

System plików (19)

UNIX — struktura wpisu katalogowego

numeri-węzła (2 bajty)

nazwa pliku(14 bajtów)

Katalog składa się z wpisów, kojarzących nazwę z i-węzłem. W tradycyjnym podejściu nazwa ograniczona była do 14 znaków, ale oczywiście w toku rozwoju systemów uniksowych wielkość tę zwiększano i współcześnie dopuszcza się nawet 256 znaków.

W katalogu istnieją też wpisy specjalne o nazwie. (kropka) i .. (dwie kropki), skojarzone z numerem i-węzła odpowiednio katalogu bieżącego i nadrzędnego. Wyjątkiem w tym zakresie jest korzeń drzewa katalogów, który nie ma nadkatalogu.

Systemy operacyjne

System plików (20)

NTFS — informacje ogólne

• Plik jest zbiorem atrybutów, obejmującym w szczególności atrybut dane.
• Każdy plik ma swój wpis (rekord) w głównej tablicy plików (MFT), a indeks w tej tablicy jest składnikiem identyfikatora wewnętrznego (referencji pliku).
• Tablica MFT sama jest plikiem, podobnie jak każdy inny obiekt w obrębie systemu plików.
• Wolne bloki identyfikowane są przez wektor bitowy, przechowywany w jednym z plików.

W projekcie systemu NTFS uwzględniono różne cele projektowe, związane głównie z efektywnością i bezpieczeństwem, takie jak obsługa dużych wolumenów, tolerancja na awarie, kryptograficzne zabezpieczenie danych, czy kompresja danych.

Plik w modelu NTFS jest zbiorem atrybutów, w szczególności atrybutu dane. Wartość każdego atrybutu traktowana jest jako strumień bajtów. Potencjalnie w pliku może być kilka strumieni danych.

Podstawową strukturą w implementacji jest główna tablica plików (MFT – master file table)