windows 文件系統(tǒng)

1、Windows 文件系統(tǒng)調研報告馬振磊計算機科學技術 NTFS內部格局 恢復 安全 卷管理和容量 壓縮與加密 安裝點 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)又被稱作文件管理系統(tǒng)，它是指操作系統(tǒng)中負責管理和存儲文件信息的軟件機構。文件系統(tǒng)由與文件管理有關的軟件、被管理的文件以及實施文件管理所需的數(shù)據(jù)結構這三部分構成。 常見的文件系統(tǒng)類型常見的文件系統(tǒng)類型 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。 下面將對這5種文件系統(tǒng)的特點做簡單介紹，其中FAt12、FAT16、FAT32

2、均是Fat文件系統(tǒng)，是File Allocation Table的簡稱。 FAT12文件系統(tǒng)的特點文件系統(tǒng)的特點采用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)仍然在軟盤驅動器中使用，其他介質中基本已經(jīng)不再使用這種文件系統(tǒng)了。Fat12文件系統(tǒng)可管理的磁盤容量是8M，在當時沒有硬盤的情況下，這個磁盤管理能力是非常大的。 FAT16文件系統(tǒng)的特點文件系統(tǒng)的特點FAT16文件系統(tǒng)采用16位字長的分區(qū)表，可使用的簇的總數(shù)增加到2的16次冪（65536）個。Fat16文件系統(tǒng)在剛推出時可管理磁盤的能力為32M。隨著硬盤技術的發(fā)展，DOS 4.0之后的Fat16文件系統(tǒng)可管理

3、128M的磁盤。這個數(shù)字不斷的發(fā)展，直至發(fā)展至2G。 FAT32文件系統(tǒng)的特點文件系統(tǒng)的特點 FAT32文件系統(tǒng)可支持的磁盤分區(qū)的大小最大為32GB，但不支持小512MB的分區(qū)；支持的最大單個文件的大小為4GB； FAT32文件系統(tǒng)采用大小為4KB的簇，磁盤利用效率高，可更有效地保存信息； FAT32文件系統(tǒng)的啟動記錄被包含在一個含有關鍵數(shù)據(jù)的結構中，減少了計算機文件系統(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)用來在多個硬盤（最大支持2T）間處理大文件（最大

4、支持2G），同時支持長文件名（多達256個比特）。HPFS應用一個中央定位的根目錄以及B樹來增加文件訪問速度，可以與MS-DOS、FAT同時運行或者各自獨立運行。 NTFS文件系統(tǒng)的特點文件系統(tǒng)的特點NTFS可以支持的分區(qū)(如果采用動態(tài)磁盤則稱為卷)最大大小可以達到2TB；NTFS是一個可恢復的文件系統(tǒng)。NTFS支持對分區(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空間?；赪in 2000,XP的NTFS文件系統(tǒng)下可以進行磁盤配額管理。 NTFS內部格局內部格局 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文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及進行管理，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 概念和結構。 1、 MFT (Master File Table) MFT(Master File Table)主文件表 的簡稱， 它是 NTFS 文件系統(tǒng)的核心； MFT 表由 若干個“(1024字節(jié)大小的)MFT 項” 構成。 大?。?系統(tǒng)剛剛創(chuàng)建時， 內部只包含17個 MFT 項， MFT 文件 大小為 32Kb MFT 項：項： 大?。捍笮。?1024 字節(jié) ； 每個MFT 項 最多包含最多包含 65536 個屬性。個屬性。 作用：作用： 描述所對應的文件或目錄的信息(每個文件或目錄都會有一個與之對應的MFT 項)。 結構

6、：結構： MFT 項分為2部分(MFT 頭 、 MFT 屬性(MFT 屬性又分為：MFT 屬性頭、屬性內容)） MFT 頭：頭： 大?。捍笮。?MFT 項中的前 “數(shù)十字節(jié)” 為MFT 頭。 作用：作用： 描述該MFT 項的類型(即指明其所擁有者的類型，目錄后者文件類型)、文件起始簇號、大小等等信息。 注意：注意： 每個文件或目錄都必須至少有一個MFT 項， 而MFT 項是在查找文件/目錄時，除了引導扇區(qū)外 必須首先查找的。通過MFT 表獲取目標的對應MFT 項， 便可通過MFT 項獲取數(shù)據(jù)。 NTFS卷總體結構 NTFS卷的元數(shù)據(jù)均保存在文件中。第一個文件是MFT。第二個文件，用于MFT文件

7、遭破壞時的恢復，包括了MFT前16項的一個副本。 可恢復性可恢復性 文件系統(tǒng)的可恢復性是NTFS設計的目標之一 ，對許多簡單文件系統(tǒng)，非正常時間掉電會導致文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構遭到極其嚴重的破壞，甚至能把整個卷搞亂。恢復這些數(shù)據(jù)經(jīng)常會刪除損壞了的文件和釋放數(shù)據(jù)簇，這種檢查是一個很緩慢的過程，并且會丟失相當數(shù)量的數(shù)據(jù)。 文件系統(tǒng)的可恢復性取決于文件系統(tǒng)的寫入操作方式： 謹慎寫（謹慎寫（careful write）文件系統(tǒng)）文件系統(tǒng)例如FAT文件系統(tǒng)的“寫通”技術 。速度性能差 延遲寫（延遲寫（lazy-write）文件系統(tǒng)）文件系統(tǒng)例如UNIX文件系統(tǒng)的 “寫回”高速緩存技術。可恢復性差 事務日志（

8、事務日志（transaction log）文件系統(tǒng)）文件系統(tǒng) 試圖既超越謹慎寫文件系統(tǒng)的安全性，也達到延遲寫文件系統(tǒng)的速度性能。 例如NTFS通過基于事務處理模式的日志記錄技術，成功保證了NTFS卷的一致性，實現(xiàn)了文件系統(tǒng)的可恢復性。 NTFS的可恢復性依賴于NTFS在內存中維護的兩張表：n事務表（transaction table）n記錄已啟動但尚未提交的事務，以便在恢復過程中從磁盤刪除這些活動事務的子操作。n臟頁表（dirty page table）n記錄緩存中包含已對文件系統(tǒng)結構進行了修改但尚未寫回磁盤的頁面，以便在恢復過程中將這些數(shù)據(jù)刷新到磁盤。 應當注意的是： NTFS保證恢復過程會

9、使卷回到原先的某個一致的狀態(tài)，但不能保證剛好是系統(tǒng)崩潰之前的狀態(tài)。 恢復過程產(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設計的目標之一，主要包括： 一是對文件和目錄的進行權限設置一是對文件和目錄的進行權限設置 只有用戶在被賦予權限或是屬于擁有這種權限的組，才能對文件或目錄進行訪問。 權限是累積的。當組A用戶對一個文件擁有“寫入“權限，而組B用戶則只有“讀取”權限。用戶C同屬兩個組，則C也將獲得“寫入”權限。 拒絕訪問”權限優(yōu)先級高于其他所有權限。如果組A的權限是“寫入”，而組B則是“拒絕訪問”，那么同屬兩個組的用戶C也不能讀寫該文件。 文件權限始終優(yōu)先于目錄權限。 當用戶在相

10、應權限的目錄中創(chuàng)建新的文件和子目錄時，創(chuàng)建的文件和子目錄繼承該目錄的權限。 創(chuàng)建文件或目錄的擁有者，總是可以隨時更改對文件或目錄的權限設置來控制其他用戶對該文件或目錄的訪問。 二是對文件和目錄進行加密。二是對文件和目錄進行加密。文件加密是對文件中的內容，按照一定的變換規(guī)則進行重新編碼，從而得到新的無法正?？勺x的加密文件。 當今流行的加密算法有置換表算法、對稱密鑰算法、以及非對稱密鑰算法等 卷管理和容量卷管理和容量 NTFS是以卷為基礎的。卷建立在磁盤分區(qū)之上。分區(qū)是磁盤的基本組成部分，是一個能夠被格式化和單獨使用的邏輯單元。當以NTFS格式來格式化磁盤分區(qū)時就創(chuàng)建了NTFS卷。一個磁盤可以有多

11、個卷，一個卷也可以由多個磁盤組成。Windows 2000/XP常使用FAT卷和NTFS卷。一個36GB硬盤的三種磁盤配置的實例如下： 壓縮與加密壓縮與加密 對稀疏文件解壓縮對稀疏文件解壓縮：NTFS只給那些包含非零數(shù)據(jù)的運行分配磁盤空間 當程序從壓縮文件中讀取數(shù)據(jù)時，NTFS通過檢測該位置是否有VCN(虛擬簇號)到LCN(邏輯簇號)的映射來決定該數(shù)據(jù)是不是零數(shù)據(jù)。若有映射，則為非零數(shù)據(jù)，需要從磁盤上讀??；若沒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)。 對非稀疏文件的解壓縮對非稀疏文件的解壓縮NTFS是以16個簇為壓縮單元來進行一般文件的

12、壓縮的。 當NTFS向壓縮文件寫數(shù)據(jù)時，它確保每個運行都以一個虛擬16簇邊界開始。因此每個運行中VCN都是以16的倍數(shù)開始的，并且運行的長度不大于16。 加密加密 NTFS文件權限許可并不能完全保護數(shù)據(jù)。 NTFS包含有一個稱為EFS（Encrpyting File System）的工具，可以用來加密數(shù)據(jù)。EFS操作如同文件壓縮一樣，對應用程序而言是透明的。也就是說，當受權用戶的程序需要讀數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)自動解密；當需要改變數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)自動加密。 EFS依賴于Windows 2000/XP所提供的處于用戶態(tài)的加密服務。安全驗證子系統(tǒng)）通信的DLL和加密DLL 加密文件只能通過一個賬號的EFS私有/

13、公共密鑰對的私有密鑰來訪問，而私有密鑰用賬號的口令加鎖。因此，沒有受權賬號的口令，不能用其他方法訪問EFS加密文件。 應用程序可以用Win32 API EncryptFile和DecryptFile來加密或解密文件，可以用FileEncrpytionStatus來獲得有關文件和目錄的EFS有關屬性，如文件和目錄是否已加密。 安裝點安裝點 安裝點是NTFS目錄特有的一種符號鏈接。他們提供了更加靈活的機制，以便管理員不僅僅提供符號鏈接（如驅動器字母），而且還能更好地組織磁盤卷。安裝點以符號連接的形式實現(xiàn)，與其相關聯(lián)的數(shù)據(jù)包含其真正的文件名。最終安裝點可完全取代驅動器字母，雖然這一轉換過程會比較長，

14、因為許多程序使用驅動器字母方案。 Windows根文件系統(tǒng)的安裝是系統(tǒng)初始化的關鍵部分。這是一個相當復雜的過程，因為windows內核允許根文件系統(tǒng)存放在很多不同的地方，比如硬盤分區(qū)、軟盤、通過NFS共享的遠程文件系統(tǒng) 安裝根文件系統(tǒng)分兩個階段： （1）內核安裝特殊rootfs文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)僅提供一個作為初始安裝點的空目錄。 （2）內核在空目錄上安裝實際根文件系統(tǒng)。 變更日志變更日志 NTFS使用一個日志描述對文件系統(tǒng)所做的所有使用一個日志描述對文件系統(tǒng)所做的所有修改。修改。 許多類型的應用需要監(jiān)視卷上文件或目錄的改變。許多類型的應用需要監(jiān)視卷上文件或目錄的改變。 方法一：對卷進行掃描以

15、記錄文件和目錄的狀態(tài)，在以后的掃描時記錄變化情況。 方法二：讓應用程序通過Win32函數(shù)FindFirstChangeNotification或ReadDirectoryChangesW來注冊目錄通知。 方法三：應用程序可以向函數(shù)DeviceIOControl傳遞文件系統(tǒng)控制代碼FSCTL_CREATE_USN_JOURNAL，來配置NTFS日志記錄，這樣NTFS將文件和目錄改變記錄到一個內部日志文件中。日志文件足夠大，幾乎可以保證應用程序能有機會來處理記錄。應用程序可以使用FSCTL_QUERY_USN_JOURNAL文件控制代碼來讀日志文件，也可以指定只有新記錄時DeviceIOControl才完成。 卷影子副本卷影子副本 卷影副本，也稱為快照，是存儲在 Data Protection Manager (DPM) 服務器上的副本的時間點副本。副本是文件服務器上單個卷的受保護共享、文件夾和文件的完整時間點副本。 啟用卷影副本服務啟用卷影副本服務“卷影副本”只能針對磁盤分區(qū)或卷進行設置，而不能針對特定的文件夾來設置。該服務支持文檔、表格、圖形圖像以及數(shù)據(jù)庫文件副本的創(chuàng)建，但不支持應用程序的升級前版本以及E-mail數(shù)據(jù)副本的創(chuàng)建。以在Windows Serv