windows 文件系統(tǒng)

1、Windows 文件系統(tǒng)調(diào)研報(bào)告馬振磊計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù) NTFS內(nèi)部格局 恢復(fù) 安全 卷管理和容量 壓縮與加密 安裝點(diǎn) 變更日志 卷影子副本 什么是文件系統(tǒng)什么是文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)又被稱(chēng)作文件管理系統(tǒng)，它是指操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的軟件機(jī)構(gòu)。文件系統(tǒng)由與文件管理有關(guān)的軟件、被管理的文件以及實(shí)施文件管理所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這三部分構(gòu)成。 常見(jiàn)的文件系統(tǒng)類(lèi)型常見(jiàn)的文件系統(tǒng)類(lèi)型 Microsoft Windows系列操作系統(tǒng)中共使用了5種不同的文件系統(tǒng)，它們分別是：FAt12、FAT16、FAT32、NTFS和HPFS。 下面將對(duì)這5種文件系統(tǒng)的特點(diǎn)做簡(jiǎn)單介紹，其中FAt12、FAT16、FAT32

2、均是Fat文件系統(tǒng)，是File Allocation Table的簡(jiǎn)稱(chēng)。 FAT12文件系統(tǒng)的特點(diǎn)文件系統(tǒng)的特點(diǎn)采用12位文件分配表，使用在DOS3.0以前，并因此而得名。目前這種文件系統(tǒng)仍然在軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中使用，其他介質(zhì)中基本已經(jīng)不再使用這種文件系統(tǒng)了。Fat12文件系統(tǒng)可管理的磁盤(pán)容量是8M，在當(dāng)時(shí)沒(méi)有硬盤(pán)的情況下，這個(gè)磁盤(pán)管理能力是非常大的。 FAT16文件系統(tǒng)的特點(diǎn)文件系統(tǒng)的特點(diǎn)FAT16文件系統(tǒng)采用16位字長(zhǎng)的分區(qū)表，可使用的簇的總數(shù)增加到2的16次冪（65536）個(gè)。Fat16文件系統(tǒng)在剛推出時(shí)可管理磁盤(pán)的能力為32M。隨著硬盤(pán)技術(shù)的發(fā)展，DOS 4.0之后的Fat16文件系統(tǒng)可管理

3、128M的磁盤(pán)。這個(gè)數(shù)字不斷的發(fā)展，直至發(fā)展至2G。 FAT32文件系統(tǒng)的特點(diǎn)文件系統(tǒng)的特點(diǎn) FAT32文件系統(tǒng)可支持的磁盤(pán)分區(qū)的大小最大為32GB，但不支持小512MB的分區(qū)；支持的最大單個(gè)文件的大小為4GB； FAT32文件系統(tǒng)采用大小為4KB的簇，磁盤(pán)利用效率高，可更有效地保存信息； FAT32文件系統(tǒng)的啟動(dòng)記錄被包含在一個(gè)含有關(guān)鍵數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)中，減少了計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)崩潰的可能性； HPFS文件系統(tǒng)文件系統(tǒng) HPFS（High Performance File System）高性能文件系統(tǒng)是 OS/2操作系統(tǒng)的一種文件系統(tǒng)。 HPFS文件系統(tǒng)用來(lái)在多個(gè)硬盤(pán)（最大支持2T）間處理大文件（最大

4、支持2G），同時(shí)支持長(zhǎng)文件名（多達(dá)256個(gè)比特）。HPFS應(yīng)用一個(gè)中央定位的根目錄以及B樹(shù)來(lái)增加文件訪問(wèn)速度，可以與MS-DOS、FAT同時(shí)運(yùn)行或者各自獨(dú)立運(yùn)行。 NTFS文件系統(tǒng)的特點(diǎn)文件系統(tǒng)的特點(diǎn)NTFS可以支持的分區(qū)(如果采用動(dòng)態(tài)磁盤(pán)則稱(chēng)為卷)最大大小可以達(dá)到2TB；NTFS是一個(gè)可恢復(fù)的文件系統(tǒng)。NTFS支持對(duì)分區(qū)、文件夾和文件的壓縮。 NTFS采用了更小的簇，可以更有效率地管理磁盤(pán)空間?；赪in 2000,XP的NTFS文件系統(tǒng)下可以進(jìn)行磁盤(pán)配額管理。 NTFS內(nèi)部格局內(nèi)部格局 NTFS 文件系統(tǒng)與以前的FAT 文件系統(tǒng)完全不同， 他采取了不同的方式對(duì)文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及進(jìn)行管理，甚至

5、包括文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)本身； 因此在NTFS 中引入了一些全新的 概念和結(jié)構(gòu)。 1、 MFT (Master File Table) MFT(Master File Table)主文件表 的簡(jiǎn)稱(chēng)， 它是 NTFS 文件系統(tǒng)的核心； MFT 表由 若干個(gè)“(1024字節(jié)大小的)MFT 項(xiàng)” 構(gòu)成。 大?。?系統(tǒng)剛剛創(chuàng)建時(shí)， 內(nèi)部只包含17個(gè) MFT 項(xiàng)， MFT 文件 大小為 32Kb MFT 項(xiàng)：項(xiàng)： 大?。捍笮。?1024 字節(jié) ； 每個(gè)MFT 項(xiàng) 最多包含最多包含 65536 個(gè)屬性。個(gè)屬性。 作用：作用： 描述所對(duì)應(yīng)的文件或目錄的信息(每個(gè)文件或目錄都會(huì)有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的MFT 項(xiàng))。 結(jié)構(gòu)

6、：結(jié)構(gòu)： MFT 項(xiàng)分為2部分(MFT 頭 、 MFT 屬性(MFT 屬性又分為：MFT 屬性頭、屬性?xún)?nèi)容)） MFT 頭：頭： 大?。捍笮。?MFT 項(xiàng)中的前 “數(shù)十字節(jié)” 為MFT 頭。 作用：作用： 描述該MFT 項(xiàng)的類(lèi)型(即指明其所擁有者的類(lèi)型，目錄后者文件類(lèi)型)、文件起始簇號(hào)、大小等等信息。 注意：注意： 每個(gè)文件或目錄都必須至少有一個(gè)MFT 項(xiàng)， 而MFT 項(xiàng)是在查找文件/目錄時(shí)，除了引導(dǎo)扇區(qū)外 必須首先查找的。通過(guò)MFT 表獲取目標(biāo)的對(duì)應(yīng)MFT 項(xiàng)， 便可通過(guò)MFT 項(xiàng)獲取數(shù)據(jù)。 NTFS卷總體結(jié)構(gòu) NTFS卷的元數(shù)據(jù)均保存在文件中。第一個(gè)文件是MFT。第二個(gè)文件，用于MFT文件

7、遭破壞時(shí)的恢復(fù)，包括了MFT前16項(xiàng)的一個(gè)副本。 可恢復(fù)性可恢復(fù)性 文件系統(tǒng)的可恢復(fù)性是NTFS設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一 ，對(duì)許多簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)，非正常時(shí)間掉電會(huì)導(dǎo)致文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遭到極其嚴(yán)重的破壞，甚至能把整個(gè)卷搞亂?；謴?fù)這些數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)刪除損壞了的文件和釋放數(shù)據(jù)簇，這種檢查是一個(gè)很緩慢的過(guò)程，并且會(huì)丟失相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)。 文件系統(tǒng)的可恢復(fù)性取決于文件系統(tǒng)的寫(xiě)入操作方式： 謹(jǐn)慎寫(xiě)（謹(jǐn)慎寫(xiě)（careful write）文件系統(tǒng)）文件系統(tǒng)例如FAT文件系統(tǒng)的“寫(xiě)通”技術(shù) 。速度性能差 延遲寫(xiě)（延遲寫(xiě)（lazy-write）文件系統(tǒng)）文件系統(tǒng)例如UNIX文件系統(tǒng)的 “寫(xiě)回”高速緩存技術(shù)?？苫謴?fù)性差 事務(wù)日志（

8、事務(wù)日志（transaction log）文件系統(tǒng)）文件系統(tǒng) 試圖既超越謹(jǐn)慎寫(xiě)文件系統(tǒng)的安全性，也達(dá)到延遲寫(xiě)文件系統(tǒng)的速度性能。 例如NTFS通過(guò)基于事務(wù)處理模式的日志記錄技術(shù)，成功保證了NTFS卷的一致性，實(shí)現(xiàn)了文件系統(tǒng)的可恢復(fù)性。 NTFS的可恢復(fù)性依賴(lài)于NTFS在內(nèi)存中維護(hù)的兩張表：n事務(wù)表（transaction table）n記錄已啟動(dòng)但尚未提交的事務(wù)，以便在恢復(fù)過(guò)程中從磁盤(pán)刪除這些活動(dòng)事務(wù)的子操作。n臟頁(yè)表（dirty page table）n記錄緩存中包含已對(duì)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改但尚未寫(xiě)回磁盤(pán)的頁(yè)面，以便在恢復(fù)過(guò)程中將這些數(shù)據(jù)刷新到磁盤(pán)。 應(yīng)當(dāng)注意的是： NTFS保證恢復(fù)過(guò)程會(huì)

9、使卷回到原先的某個(gè)一致的狀態(tài)，但不能保證剛好是系統(tǒng)崩潰之前的狀態(tài)。 恢復(fù)過(guò)程產(chǎn)生的卷是一致的。 安全性安全性 文件系統(tǒng)的安全性也是NTFS設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一，主要包括： 一是對(duì)文件和目錄的進(jìn)行權(quán)限設(shè)置一是對(duì)文件和目錄的進(jìn)行權(quán)限設(shè)置 只有用戶(hù)在被賦予權(quán)限或是屬于擁有這種權(quán)限的組，才能對(duì)文件或目錄進(jìn)行訪問(wèn)。 權(quán)限是累積的。當(dāng)組A用戶(hù)對(duì)一個(gè)文件擁有“寫(xiě)入“權(quán)限，而組B用戶(hù)則只有“讀取”權(quán)限。用戶(hù)C同屬兩個(gè)組，則C也將獲得“寫(xiě)入”權(quán)限。 拒絕訪問(wèn)”權(quán)限優(yōu)先級(jí)高于其他所有權(quán)限。如果組A的權(quán)限是“寫(xiě)入”，而組B則是“拒絕訪問(wèn)”，那么同屬兩個(gè)組的用戶(hù)C也不能讀寫(xiě)該文件。 文件權(quán)限始終優(yōu)先于目錄權(quán)限。 當(dāng)用戶(hù)在相

10、應(yīng)權(quán)限的目錄中創(chuàng)建新的文件和子目錄時(shí)，創(chuàng)建的文件和子目錄繼承該目錄的權(quán)限。 創(chuàng)建文件或目錄的擁有者，總是可以隨時(shí)更改對(duì)文件或目錄的權(quán)限設(shè)置來(lái)控制其他用戶(hù)對(duì)該文件或目錄的訪問(wèn)。 二是對(duì)文件和目錄進(jìn)行加密。二是對(duì)文件和目錄進(jìn)行加密。文件加密是對(duì)文件中的內(nèi)容，按照一定的變換規(guī)則進(jìn)行重新編碼，從而得到新的無(wú)法正?？勺x的加密文件。 當(dāng)今流行的加密算法有置換表算法、對(duì)稱(chēng)密鑰算法、以及非對(duì)稱(chēng)密鑰算法等 卷管理和容量卷管理和容量 NTFS是以卷為基礎(chǔ)的。卷建立在磁盤(pán)分區(qū)之上。分區(qū)是磁盤(pán)的基本組成部分，是一個(gè)能夠被格式化和單獨(dú)使用的邏輯單元。當(dāng)以NTFS格式來(lái)格式化磁盤(pán)分區(qū)時(shí)就創(chuàng)建了NTFS卷。一個(gè)磁盤(pán)可以有多

11、個(gè)卷，一個(gè)卷也可以由多個(gè)磁盤(pán)組成。Windows 2000/XP常使用FAT卷和NTFS卷。一個(gè)36GB硬盤(pán)的三種磁盤(pán)配置的實(shí)例如下： 壓縮與加密壓縮與加密 對(duì)稀疏文件解壓縮對(duì)稀疏文件解壓縮：NTFS只給那些包含非零數(shù)據(jù)的運(yùn)行分配磁盤(pán)空間 當(dāng)程序從壓縮文件中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，NTFS通過(guò)檢測(cè)該位置是否有VCN(虛擬簇號(hào))到LCN(邏輯簇號(hào))的映射來(lái)決定該數(shù)據(jù)是不是零數(shù)據(jù)。若有映射，則為非零數(shù)據(jù)，需要從磁盤(pán)上讀?。蝗魶](méi)有映射即存在尚未分配的“空洞”（unallocated hole），則為零數(shù)據(jù)，就直接返回零數(shù)據(jù)。 對(duì)非稀疏文件的解壓縮對(duì)非稀疏文件的解壓縮NTFS是以16個(gè)簇為壓縮單元來(lái)進(jìn)行一般文件的

12、壓縮的。 當(dāng)NTFS向壓縮文件寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，它確保每個(gè)運(yùn)行都以一個(gè)虛擬16簇邊界開(kāi)始。因此每個(gè)運(yùn)行中VCN都是以16的倍數(shù)開(kāi)始的，并且運(yùn)行的長(zhǎng)度不大于16。 加密加密 NTFS文件權(quán)限許可并不能完全保護(hù)數(shù)據(jù)。 NTFS包含有一個(gè)稱(chēng)為EFS（Encrpyting File System）的工具，可以用來(lái)加密數(shù)據(jù)。EFS操作如同文件壓縮一樣，對(duì)應(yīng)用程序而言是透明的。也就是說(shuō)，當(dāng)受權(quán)用戶(hù)的程序需要讀數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)自動(dòng)解密；當(dāng)需要改變數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)自動(dòng)加密。 EFS依賴(lài)于Windows 2000/XP所提供的處于用戶(hù)態(tài)的加密服務(wù)。安全驗(yàn)證子系統(tǒng)）通信的DLL和加密DLL 加密文件只能通過(guò)一個(gè)賬號(hào)的EFS私有/

13、公共密鑰對(duì)的私有密鑰來(lái)訪問(wèn)，而私有密鑰用賬號(hào)的口令加鎖。因此，沒(méi)有受權(quán)賬號(hào)的口令，不能用其他方法訪問(wèn)EFS加密文件。 應(yīng)用程序可以用Win32 API EncryptFile和DecryptFile來(lái)加密或解密文件，可以用FileEncrpytionStatus來(lái)獲得有關(guān)文件和目錄的EFS有關(guān)屬性，如文件和目錄是否已加密。 安裝點(diǎn)安裝點(diǎn) 安裝點(diǎn)是NTFS目錄特有的一種符號(hào)鏈接。他們提供了更加靈活的機(jī)制，以便管理員不僅僅提供符號(hào)鏈接（如驅(qū)動(dòng)器字母），而且還能更好地組織磁盤(pán)卷。安裝點(diǎn)以符號(hào)連接的形式實(shí)現(xiàn)，與其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包含其真正的文件名。最終安裝點(diǎn)可完全取代驅(qū)動(dòng)器字母，雖然這一轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)比較長(zhǎng)，

14、因?yàn)樵S多程序使用驅(qū)動(dòng)器字母方案。 Windows根文件系統(tǒng)的安裝是系統(tǒng)初始化的關(guān)鍵部分。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)閣indows內(nèi)核允許根文件系統(tǒng)存放在很多不同的地方，比如硬盤(pán)分區(qū)、軟盤(pán)、通過(guò)NFS共享的遠(yuǎn)程文件系統(tǒng) 安裝根文件系統(tǒng)分兩個(gè)階段： （1）內(nèi)核安裝特殊rootfs文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)僅提供一個(gè)作為初始安裝點(diǎn)的空目錄。 （2）內(nèi)核在空目錄上安裝實(shí)際根文件系統(tǒng)。 變更日志變更日志 NTFS使用一個(gè)日志描述對(duì)文件系統(tǒng)所做的所有使用一個(gè)日志描述對(duì)文件系統(tǒng)所做的所有修改。修改。 許多類(lèi)型的應(yīng)用需要監(jiān)視卷上文件或目錄的改變。許多類(lèi)型的應(yīng)用需要監(jiān)視卷上文件或目錄的改變。 方法一：對(duì)卷進(jìn)行掃描以

15、記錄文件和目錄的狀態(tài)，在以后的掃描時(shí)記錄變化情況。 方法二：讓?xiě)?yīng)用程序通過(guò)Win32函數(shù)FindFirstChangeNotification或ReadDirectoryChangesW來(lái)注冊(cè)目錄通知。 方法三：應(yīng)用程序可以向函數(shù)DeviceIOControl傳遞文件系統(tǒng)控制代碼FSCTL_CREATE_USN_JOURNAL，來(lái)配置NTFS日志記錄，這樣NTFS將文件和目錄改變記錄到一個(gè)內(nèi)部日志文件中。日志文件足夠大，幾乎可以保證應(yīng)用程序能有機(jī)會(huì)來(lái)處理記錄。應(yīng)用程序可以使用FSCTL_QUERY_USN_JOURNAL文件控制代碼來(lái)讀日志文件，也可以指定只有新記錄時(shí)DeviceIOControl才完成。 卷影子副本卷影子副本 卷影副本，也稱(chēng)為快照，是存儲(chǔ)在 Data Protection Manager (DPM) 服務(wù)器上的副本的時(shí)間點(diǎn)副本。副本是文件服務(wù)器上單個(gè)卷的受保護(hù)共享、文件夾和文件的完整時(shí)間點(diǎn)副本。 啟用卷影副本服務(wù)啟用卷影副本服務(wù)“卷影副本”只能針對(duì)磁盤(pán)分區(qū)或卷進(jìn)行設(shè)置，而不能針對(duì)特定的文件夾來(lái)設(shè)置。該服務(wù)支持文檔、表格、圖形圖像以及數(shù)據(jù)庫(kù)文件副本的創(chuàng)建，但不支持應(yīng)用程序的升級(jí)前版本以及E-mail數(shù)據(jù)副本的創(chuàng)建。以在Windows Serv