Виртуальная Файловая система VFS

Виртуальная Файловая система VFS

Глава I. Хранение данных

Хранение информации в персональном компьютере

• Оперативная память – память, предназначенная для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций.
• Статическая память компьютера – ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство) – это хранилище информации, рассчитанное на неизменное и долговременное хранение файлов, которые должны находиться в памяти компьютера, после того как компьютер будет отключен от электропитания.
• Внешняя (долговременная) память –  это место длительного хранения данных (программ, результатов расчётов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера.
• Жёсткие магнитные диски или НЖМД, винчестер, – основное хранилище информации больших объёмов, основанное на принципе магнитной записи, скрыт внутри корпуса системного блока. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

• Flash-память – это энергонезависимый тип памяти. Она представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB-порт.
• CompactFlash – пожалуй, самая древняя флеш-память: первый экземпляр был выпущен еще в далеком 1994 году компанией SanDisk. Всего существует два типа карт CompactFlash: CF Type I, CF Type II, причем отличаются они лишь толщиной корпуса.
• SD (SecureDigital) – также был создан усилиями компаний SanDisk, Panasonic и Toshiba. В этих картах используются криптограммы (шифрование данных), что обеспечивает защиту данных от несанкционированного копирования или перезаписи.
• MMC (MultiMediaCard) – является плодом работы компаний SanDisk и Siemens. В каждой MMC есть собственный контроллер памяти. При этом толщина мультимедийных карт почти на треть меньше, чем у «шпионского» брата, что позволяет использовать MMC-накопители в различных миниатюрных устройствах.
• RS-MMС (ReducedSize MMC) – также известны как MMCmobile. Они отличаются от MMC лишь уменьшенными размерами и используются в основном в мобильных телефонах.
• Memory Stick Duo – является эволюцией самих Memory Stick. Уменьшились размеры и энергопотребление карт, но вместе с тем уменьшилась и максимальная емкость. В остальном полностью аналогична обычной MS.
• SmartMedia – стандарт, который был разработан Toshiba в далеком 1995 году. Особенностями данного стандарта можно считать очень низкое энергопотребление и отсутствие собственного контроллера, скорость работы крайне низка и максимальный объем памяти составляет всего-навсего 256 Мб, что ничтожно мало по сегодняшним меркам, особенно учитывая размеры карты
• ХDPicture (ExtremeDigital) – были созданы компаниями FujiFilm и Olympus для замены порядком устаревшего формата SmartMedia. Применяются данные карты преимущественно в цифровых фотоаппаратах этих компаний.

Лазерные диски и дисководы

• Оптические дисководы и диски.   Собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения.
• Лазерные дисководы и диски.   Лазерные дисководы (CD-ROM и DVD-ROM) используют оптический принцип чтения информации. На лазерных CD-ROM (CD – CompactDisk, компакт-диск) и DVD-ROM (DVD – Digital Video Disk, цифровой видеодиск) дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий: ROM (ReadOnlyMemory – только чтение).

• Первое поколение оптических дисков: лазерный диск, компакт-диск, магнитооптический диск.
• Второе поколение оптических дисков: DVD, MiniDisc, Digital Multilayer Disk, DataPlay, Fluorescent Multilayer Disc, GD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory), Universal Media Disc.
• Третье поколение оптических дисков: Blu-rayDisc, HDDVD, Forward Versatile Disc, Ultra Density Optical, Professional Disc for DATA, Versatile Multilayer Disc.
• Четвертое поколение оптических дисков: HolographicVersatileDisc, SuperRensDisc.

Хранение информации в Интернете

• Интернет – это объединение компьютеров по всему миру в единую информационную сеть. По-другому Интернет называют мировой компьютерной сетью.
• Для соединения компьютеров используют обычные телефонные линии и прибор модем. Модем преобразует информацию к виду, пригодному для передачи по телефону.
• Таким образом, информация, хранящаяся по всему миру, становится доступна каждому, кто имеет компьютер, телефон и модем.

• Мы знаем, что программы и данные в компьютере хранятся на жестком диске в виде файлов.
• Файл – это определенное количество информации, имеющее имя и хранящееся в долговременной (внешней) памяти.
• Имя файла – последовательность символов, позволяющая пользователю ориентироваться в файловой системе. Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственное имя файла и расширение, определяющее его тип. Собственное имя файла может содержать от 1 до 255 символов. Кроме латинского допускается применение русского алфавита.
• Расширение – это сочетание букв и чисел длиной от одного до трёх символов, который дополняет само имя, но чаще указывает на формат и тип хранящихся в файле данных.
• Расширение принято указывать в виде *.rar, т.е. перед символами расширения добавляют звездочку и точку, где звездочка символизирует любое имя файла.
• Существуют файлы, не имеющие расширения, обычно это системные файлы.
• Файл открывается той программой, в которой был создан, или универсальной программой.

Примеры расширений файлов разных типов

• *doc, *, xdoc, *.rtf, *.txt, *.pdf – текстовые документы (содержимое таких файлов текст и открываются они в программе для работы с текстом – Письмо.doc, Каталог.xls, текст.txt).
• *.jpg, *.gif, *.jpeg, *.bmp, *.raw, *.png, *.emf, *.ico, *tif, *.tiff, *.jp2, *.pcx, *.tga, *.wbmp – графическое изображение (фотографии и картинки – Рисунок.gif, Природа.tif, Фото.jpg, Рисунок.bmp).
• *.html, *.htm, *.xhtm – интернет-страница (Книга.htm, Windows.hlp, Книга.html).
• *.exe, * – исполняемый файл (содержат программы, готовые к выполнению – ACDSee9.exe, Command).
• *.rar, *.zip, *.7z – заархивированный файл (Реферат.zip, Реферат.rar).
• *.avi, *.mpeg, *.mpg, *.mkv, *.3gp, *.mp4, *.wmf – расширения видеофайлов (содержимое таких файлов видео и открываются они в проигрывателях – Клип.avi, Фильм.mpeg).
• *.mp3, *.mp2, *.wave, *.wav, *.amr, *.wma, *.aac, *.ogg, *.midi, *.mid, *.kar – расширения аудиофайлов (музыкальный файл и открывать его необходимо в программе-проигрывателе – Песня.mp3).

Файловая система – часть операционной системы для хранения файлов и организации каталогов, которая необходима для упорядоченного размещения данных и программ во внешней памяти.

Многоуровневая файловая структура

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом

Пример иерархической файловой структуры

Глава II. Файловые системы

Общие сведения о файловых системах

• Файловая система — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации ИТ-оборудования (использующего для многократной записи и хранения информации портативные флеш-карты памяти в портативных электронных устройствах: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. д) и компьютерной техники.

Файловая система

Задачи файловой системы

• именование файлов;
• программный интерфейс работы с файлами для приложений;
• отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
• организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
• содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).
• ФС позволяет оперировать не нулями и единицами, а более удобными и понятными объектами —  файлами . Ради удобства пользователей (программе удобнее работать с числовыми индексами, но программы, как известно, пишутся людьми) в работе с файлами используются их символьные идентификаторы —  имена . Содержимое же файлов (0 и 1) записано в  кластеры  — мельчайшие единицы данных, которыми оперирует файловая система, размер их кратен 512 байтам. Для организации информации кроме имени файла используются также  каталоги , как некая абстракция, позволяющая группировать файлы по определенному критерию. По сути, каталог — это файл, содержащий информацию о «вложенных» в него каталогах и файлах.

Классификация файловых систем

Список файловых систем

• Дисковые файловые системы
• Файловые системы для флеш-дисков / твердотельных носителей
• Запись-ориентированные файловые системы
• Файловые системы для сетевых хранилищ
• Распределённые файловые системы
• Распределенные параллельные файловые системы с защитой от сбоев
• Файловые системы точка-точка
• Файловые системы специального назначения
• Псевдо - и виртуальные файловые системы
• Шифрованные файловые системы
• Файловые системы с защитой от сбоев

По предназначению файловые системы можно классифицировать на нижеследующие категории

• Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates — в BSD системах.
• Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.
• Для оптических носителей — CD и DVD: ISO9660, HFS, UDF и др.
• Виртуальные файловые системы: AEFS и др.
• Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.
• Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.
• Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т. н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.

Система организации информации в файловой системе

• Вся информация о файлах хранится в особой области раздела —  таблице файлов .
• Таблица файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы файлов и дополнительную информацию о них (дата изменения, права доступа, имя и т. д.) с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.
• Раздел  — это определенная область диска, созданная во время операции разметки диска. Каждый раздел содержит один (редко — несколько) отформатированный  том .
• Том — область раздела со своей файловой системой, своей таблицей файлов и областью данных. Один или несколько разделов составляют  диск .

История развития файловых систем

• Файловые системы прошли очень долгий по компьютерным меркам путь, усложняясь параллельно с развитием операционных систем и аппаратного обеспечения компьютеров.
• Так, используемая в MS DOS 1.0 (1981 г.) FAT (или FAT12) изначально предназначалась для работы с гибкими дисками. Свое название она получила от наименования таблицы размещения файлов — File Allocation Table. Благодаря 12-битной адресации и кластеру в 4 Кбайта она, однако, поддерживала разделы до 16 Мбайт. В целом же это была простая файловая система, обеспечивавшая основные функции — имя файла в формате 8.3, каталоги, атрибут файла, время создания (изменения).
• Чуть позже с добавлением 16-битной адресации и максимального размера кластера в 32 Кбайта появилась FAT16, поддерживавшая разделы до 2 Гбайт. В первой версии Windows 95 была реализована поддержка длинных имен файлов (до 255 символов) и сохранение регистра символов в названии. Эта модификация получила название VFAT.
• В Windows 95 OSR2 появилась файловая система, которую и сейчас можно встретить на многих домашних компьютерах (в офисах все-таки больше думают о сохранности данных) — FAT32. В целях обратной совместимости в FAT32 были введены незначительные изменения по сравнению с VFAT.
• Файловая система NTFS (New Technology File System) была разработана еще для Windows NT 3.1, однако долго находилась в тени мейнстрима того времени — FAT, которому Microsoft в каждой новой версии «подкрашивала фасад» для соответствия запросам времени. Основным недостатком NTFS была большая требовательность к системным ресурсам, компьютеры просто не могли извлечь преимуществ из NTFS, зато замедление работы было очень заметно.

Дисковые файловые системы

• Дисковые файловые системы обычно являются поток-ориентированными. Файлы в поток-ориентированных файловых системах представляются последовательностью битов, часто предоставляющие такие функции, как  чтение ,  запись ,  изменение данных   и  произвольный доступ .

Название

Дата представления, платформа

1983

Разработчик

1993

Acer Fast File System   (AFFS)

Комментарий

Digital UNIX   /  Tru64 UNIX

1989 (SCO Unix/Xenix Release 3.2) [~ 1] [ уточнить ]

Amiga Fast File System   ( англ . ) (FFS)

1990-е

SCO OpenServer , SCO Unix/Xenix

Является преемником  DFS .

—

1988 [~ 2]

AthFS   ( англ. )

Apple File System   ( англ . )

Не путать с Andrew File System

???

???

BeFS   (Be File System, BFS)

2016

(APFS)

Коммерческая  ФС . Структурно совместима с  PFS .

???

Не путать с Berkley Fast File System. Поддерживается  MorphOS . На данный момент считается устаревшей. Имеет расширения FFS1, FFS Intl, FFS DCache, FFS2.

???

1997

64-битная  журналируемая  ФС. Используется в ОС  Syllable

64-битная файловая система для  IOS ,  MacOS ,  tvOS  и  watchOS  оптимизированная для  SSD .

—

2007

???

Commodore 64   ( FDD )

2006 [~ 3]

???

ФC, основанная на структурах  двоичных деревьев  ( B-Tree )

???

Cramfs   (Compressed ROM file system)

???

???

—

ChaN

—

???

Свободно распространяемая версия FAT для микроконтроллеров с поддержкой  NAND ,  NOR , а также длинных имен и коротких имен.

Расширение ФС  CMBFS , добавленное  Creative Micro Designs  для использования своих  3.5" флоппи дисководов ,  RAM-дисков  и контроллеров жестких дисков.

???

---

???

Desktop File System   (DTFS)

???

???

???

Использовалась на  БК  в ОС CSI-DOS

???

ФС, специализирующаяся на сжатии

2000 [~ 4]

exFAT   (FAT64)

ноябрь 2006

Extended Acer Fast Filesystem, обычно используется для хранения начального загрузчика и ядра в семействе  UNIX ‐овых  ОС   SCO  OpenServer и монтируется как /boot.

Устаревшая поблочная система для ОС  IRIX

Windows ,  Mac OS X

Расширение для ФС  NTFS , реализующее шифрование на уровне файлов.

—

1992 ( Linux 0.96c )

1993 ( Linux )

2001 ( Linux 2.4.15 ) [~ 5]

2003

Расширенная ФС, разработанная для ОС на ядре  Linux

Вторая версия  Расширенной файловой системы  для  Linux

2008 ( Linux )

1976-1977

Zachary Peterson ,  Стивен Твиди ,  Реми Кард ,  Theodore Ts'o ,  Andreas Gruenbacher ,  Andreas Dilger , et al.

Журналируемая   версия  ext2

FATX   ( англ. )

???

Mingming Cao, Andreas Dilger, Alex Zhuravlev (Tomas), Dave Kleikamp,  Theodore Ts'o , Eric Sandeen, и др.

DOS ,  Windows

Версия  ext3  с поддержкой  снимков файловой системы

Новая версия файловой системы ext3, с поддержкой  экстентов

—

Различается размером таблиц (12, 16 и  32  бит)

Microsoft

Закрытая [~ 6]  модифицированная версия FAT, используется в оригинальных игровых консолях  Xbox

???

Fossil (файловая система)   ( англ. )

???

???

???

???

Формат хранения данных на 5¼″ дискетах, использовавшихся 8‐ми битными  Apple II  и  Commodore Business Machines .

???

HFS Plus   (HFS+)

???

Архивная файловая система

2008

—

???

High Throughput File System   ( англ . ) (HTFS)

???

???

Hierarchical File System, использовалась в старых версиях ОС семейства  Mac OS

???

Обновлённая версия  HFS , используемая в последних версиях ОС семейства  Mac OS

???

???

SCO OpenServer   5

—

High Performance Filesystem, используется в ОС  OS/2

???

LFS   ( англ. )

???

Linux ,  OS/2 ,  AIX

High Throughput Filesystem, файловая система ОС  SCO  OpenServer 5.

???

Используется на  CD-ROM  и  DVD  дисках. Имеет расширения  Rock Ridge  и  Joliet .

Журналируемая файловая система , поддерживает  экстенты

???

—

Файловые системы для флеш-дисков / твердотельных носителей

• Твердотельные носители, такие, как флеш-диски, своим интерфейсом данных похожи на обычные жёсткие диски, но имеют свои проблемы и недостатки. Когда проходит время поиска они нуждаются в особой обработке такими алгоритмами как, Wear leveling и Error detection and correction.
• FAT — исходно дисковая файловая система — теперь часто используется на флеш-дисках. Имеет ограничение на размер файла в 4 гигабайта.
• exFAT — Расширенная версия FAT, используемая для флеш-дисков. Запатентована Microsoft, часто называется как FAT64 — ограничение 264 байт (16 эксабайт).
• TFAT (англ.) — Транзакционная версия FAT файловой системы.
• FFS2 — Продолжение файловой системы FFS1, Одна из ранних файловых систем для флеш-карт. Разработана и запатентована Microsoft в начале 1990х годов. U.S. Patent 5392427 (англ.)
• JFFS — Оригинальная лог-структурированная Linux файловая система для NOR-флеш-носителей.
• JFFS2 — Продолжение JFFS для NAND- и NOR-флеш-носителей.
• LogFS — Предназначена для замены JFFS2, лучшая расширяемость. Находится на ранней стадии разработки.
• Non-Volatile File System — файловая система для флеш-дисков, разработанная Palm, Inc..
• YAFFS — Лог структурированная файловая система, предназначенная для NAND-флеш, но может использоваться в NOR-флеш-дисках.

Глава III. Виртуальная файловая система VFS

VFS

Полное название

Virtual File System

Варианты

devfs, sysfs, specfs, /proc

Содержимое каталога

Дерево

Тип файлов

• обычные файлы
• каталоги
• специальные файлы
• именованные конвейеры
• символьные связи

Особенности

Другие

FreeBSD ,  OpenSolaris , Семейство Windows NT: (начиная с Windows NT 3.1 до Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows Server 2008, Windows 7, Windows Server 2008 R2, Windows 8, Windows Server 2012),  Mac OS X ,  Linux

• До сих пор наш рассказ о файловой системе касался только "статических", если можно так выразиться, составных частей файловой системы. Но, я думаю, вы понимаете, что все это хозяйство обслуживается какими-то программными модулями. Эти программные части можно разделить на две составных части. Одна часть входит в состав ядра и образует так называемую виртуальную файловую систему (VFS). VFS обеспечивает унифицированный программный интерфейс к услугам файловой системы, причем безотносительно к тому, какой тип файловой системы (vfat, ext2fs, nfs и т. д.) имеется на конкретном физическом носителе. 
• VFS ( англ.   V irtual  F ile  S ystem  — Виртуальная файловая система) или виртуальный коммутатор файловой системы ( англ.   V irtual  F ilesystem  S with ) — уровень абстракции поверх конкретной реализации файловой системы. Целью VFS является обеспечение единообразного доступа клиентских приложений к различным типам файловых систем.
• Виртуальная файловая система определяет интерфейс взаимодействия между ядром ОС и конкретной файловой системой, что упрощает поддержку новых типов файловых систем, просто дополняя интерфейс взаимодействия.

Структура виртуальной файловой системы