Микроядерная структура Windows NT

При разработке структуры Windows NT была использована концепция микроядра. В соответствии с этой идеей ОС делится на несколько подсистем – серверов, каждая из которых выполняет отдельный набор сервисных функций – например, сервис памяти, сервис по созданию процессов или сервис по планированию процессов. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме, выполняя циклическую проверку, не появился ли запрос от клиента на одну из его сервисных функций. Клиент, которым может быть либо другая компонента ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Этот запрос перехватывается ядром, которое из-за ограниченности выполняемых функций в случае такой организации называется микроядром. Ядро ОС, работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу. Сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения (см. рис. 5.1). Микроядро играет роль регулировщика – оно проверяет сообщения, пересылает их между серверами и клиентами и предоставляет доступ к аппаратуре.

Использование концепции микроядра способствует переносимости операционных систем, поскольку весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, а значит для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений, и все они логически сгруппированы вместе. Операционная система Windows NT может работать на компьютерах, построенных на базе процессоров Intel, PowerPC, DEC Alpha, MIPS.

Технология микроядер является основой построения множественных прикладных сред, которые обеспечивают совместимость программ, написанных для разных ОС. В среде Windows NT, кроме 32-битовых приложений, могут выполняться приложения MS-DOS, 16-битовые Windows-приложения, Posix- и OS/2-приложения.

Поскольку пересылка сообщений не так быстра, как обычные вызовы функций, разработчики Windows NT отказались от модели микроядра в ее чистом виде. Кроме собственно микроядра, в привилегированном режиме работает часть Windows NT, называемая executive – исполнительная подсистема. Она включает ряд компонентов, которые управляют виртуальной памятью, объектами, вводом-выводом и файловой системой (включая сетевые драйверы), взаимодействием процессов и, частично, системой безопасности. Часть Windows NT, работающая в пользовательском режиме состоит из серверов Windows NT, называемых также защищенными подсистемами (рис. 5.2).

Так как защищенные подсистемы автоматически не могут совместно использовать память, они общаются друг с другом посредством посылки сообщений. Сообщения могут передаваться как между клиентом и сервером, так и между двумя серверами. Все сообщения проходят через executive. Защищенные подсистемы Windows NT работают в пользовательском режиме и создаются Windows NT во время загрузки операционной системы. Сразу после создания они начинают бесконечный цикл своего выполнения, отвечая на сообщения, поступающие к ним от прикладных процессов и других подсистем. Для упрощения на рисунке взаимодействие приложений с защищенными подсистемами иллюстрируется стрелками, соединяющими их напрямую, однако в действительности взаимодействие приложений с защищенными подсистемами реализуется через ядро путем обмена сообщениями.

Поддержку защищенных подсистем обеспечивает исполнительная подсистема Windows NT - executive, которая работает в пространстве ядра и никогда не сбрасывается на диск. Ее составными частями являются:

- Менеджер объектов. Создает, удаляет и управляет объектами NT executive – абстрактными типами данных, используемыми для представления ресурсов системы.

- Монитор безопасности. Устанавливает правила защиты на локальном компьютере.

- Менеджер процессов. Создает и завершает, приостанавливает и возобновляет процессы и нити, а также хранит о них информацию.

- Менеджер виртуальной памяти. Управляет распределением памяти между процессами, а также средствами виртуальной памяти.

- Средства локального вызова процедур. Передают сообщения между клиентскими и серверными процессами одного и того же компьютера.

- Подсистема ввода-вывода. Включает в себя следующие компоненты: 1) менеджер ввода-вывода предоставляет средства ввода-вывода, независимые от устройств; 2) файловые системы, это NT-драйверы, выполняющие файл-ориентированные запросы к локальным устройствам и к удаленным файловым системам; 5) менеджер кэша, реализующий кэширование диска; 4) драйверы устройств NT executive, низкоуровневые драйверы, которые непосредственно управляют устройством.

Исполнительная подсистема (NT-executive) в свою очередь основывается на службах нижнего уровня, предоставляемых ядром (его можно назвать и микроядром) NT. В функции ядра входит:

- планирование нитей,

- обработка прерываний и исключительных ситуаций,

- синхронизация процессоров для мультипроцессорных систем,

- восстановление системы после сбоев.

Обратиться к ядру можно только посредством прерывания. Ядро расположено над уровнем аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Level HAL), который концентрирует в одном месте основную часть машинно-зависимых процедур. Располагается HAL между NT executive, ядром и аппаратным обеспечением и скрывает от системы такие детали, как контроллеры прерываний, интерфейсы ввода/вывода и механизмы взаимодействия между процессорами. Такое решение позволяет легко переносить Windows NT с одной платформы на другую путем замены только слоя HAL.

Среди всех защищенных подсистем можно выделить так называемые подсистемы окружения - Win32, 16-битный Windows, DOS, OS/2, Posix. Каждая из этих подсистем реализует соответствующий прикладной программный интерфейс. Windows NT использует подсистемы окружения со следующими целями:

- обеспечить несколько программных интерфейсов (APIs), сохраняя как можно более простым базовый программный код (NT executive);

- экранировать базовую операционную систему от изменений или расширений в поддерживаемых API;

- объединить часть глобальных данных, требуемых всем API, и в то же время отделить данные, требуемые одному API от данных, требуемых другим API;

- защитить окружение каждого API от приложений, а также от окружений других API и защитить базовую операционную систему от различных окружений;

- позволить операционной системе расширяться в будущем за счет новых API.

Планирование процессов и нитей

В отличие от Windows, в которой реализована многозадачность без вытеснения (non-preemptive multitasking), в Windows NT используется механизм многозадачности с вытеснением (preemptive multitasking).

Windows NT поддерживает симметричную мультипроцессорную организацию вычислительного процесса, в соответствии с которой ОС может выполняться на любом свободном процессоре или на всех процессорах одновременно. Так как многозадачность реализуется на уровне нитей, разные части одного и того же процесса могут выполняться параллельно. Следовательно, многонитевые серверы могут одновременно обслуживать более одного клиента.

Для того, чтобы прикладная программа могла использовать несколько нитей, не нужно предусматривать этого в ее алгоритме. Отдельная нить создается для каждой операции. Каждая из этих нитей работает на отдельном процессоре, не требуя никаких управляющих вмешательств со стороны приложения. Нити внутри процесса используют общую область памяти и, следовательно, могут очень просто обмениваться данными.

Для управления нитями Windows NT использует механизм приоритетов. В определенные моменты производятся оценка приоритетов и перераспределение нитей по процессорам, в результате чего последовательные стадии одной нити программы могут выполняться разными процессорами или откладываться до высвобождения очередного процессора.

Каждой нити присваивается число – приоритет, и нити с более высоким приоритетом выполняются раньше нитей с меньшим приоритетом. В самом начале нить получает приоритет от процесса, который создает ее. В свою очередь и процесс получает приоритет в тот момент, когда его создает подсистема среды. Значение базового приоритета процесса присваивается ему системой по умолчанию или системным администратором. Нить наследует этот базовый приоритет и может изменить его, немного увеличив или уменьшив. На основании получившегося в результате приоритета, называемого приоритетом планирования, начинается выполнение нити. В ходе выполнения приоритет планирования может меняться.

Windows NT поддерживает 32 уровня приоритетов, разделенных на два класса – класс реального времени и класс переменных приоритетов. Нити реального времени, приоритеты которых находятся в диапазоне от 16 до 31, являются более приоритетными процессами и используются для выполнения задач, критичных ко времени.

В Windows NT определено 4 класса приоритетов процессов:

- IDLE_PRIORITY_CLASS – уровень 4;

- NORMAL_PRIORITY_CLASS – уровень 9 при интерактивной работе процесса (forground) и уровень 7 при работе в фоновом режиме (background);

- HIGH_PRIORITY_CLASS – уровень 13;

- REALTIME_PRIORITY_CLASS – уровень 24.

Большинство приложений либо не определяет класс приоритета процесса при его создании, либо устанавливает его в значение NORMAL. Класс IDLE – самый низкоприоритетный – хорошо использовать для работ, некритичных к скорости их выполнения, например, при наблюдении за состоянием системы или же при резервном копировании на ленту. Высокий приоритет (HIGH) следует использовать только тогда, когда это абсолютно необходимо, так как нити такого процесса будут выполняться всегда перед нитями процесса с нормальным приоритетом. В Windows NT с приоритетом HIGH работает процесс Task Manager. Обычно он находится в состоянии ожидания, но при нажатии комбинации клавиш Ctrl+Esc нить Task Manager пробуждается и немедленно вытесняет любые нити обычных приложений. Приоритеты реального времени системными процессами Windows NT (и тем более офисными приложениями) не используются. Этот класс приоритетов нужно использовать только для систем реального времени, например, сбора данных от промышленных установок, управления движущимися объектами и т.п.

Все нити, созданные процессом определенного класса, имеют сначала приоритет процесса. Но в ходе своего выполнения нить может изменить свой приоритет относительного базового приоритета процесса с помощью системного вызова SetThreadPriority. Этот вызов имеет параметр, который может принимать 5 относительных значений, понижая приоритет относительно базового на 2 или 1 единицу, повышая его на 2 или 1 единицу или делая его равным базовому. Имеется еще 2 абсолютных значения этого параметра - IDLE и CRITICAL. Значение IDLE делает приоритет нити равным 1 независимо от его базового приоритета (для процессов REALTIME приоритет становится равным 16), а значение CRITICAL повышает приоритет до 15 для всех процессов (для процессов REALTIME приоритет повышается до 31).

На выполнение всегда выбирается нить с самым высоким приоритетом. Каждый раз, когда необходимо выбрать нить для выполнения, диспетчер прежде всего просматривает очередь готовых нитей реального времени и обращается к другим нитям, только когда очередь нитей реального времени пуста. Обычно большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15. Этот класс имеет название «переменные приоритеты» потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса.

Для выполнения нити отводится квант времени, по истечении которого она должна освободить процессор. Если нить полностью использовала выделенный ей квант, то она переводится в очередь готовых нитей, а ее приоритет понижается. Если же ее выполнение было прервано появлением в очереди готовых нитей с более высоким приоритетом, то она также возвращается в очередь готовых нитей, а ее приоритет остается неизменным. В случае же перехода нити по собственной инициативе в состояние ожидания некоторого события, ее приоритет повышается на некоторую величину, компенсируя этой нити недоиспользованную ею часть кванта.

Таким образом, нить освобождает процессор, если:

- нить блокируется, уходя в ожидание;

- нить завершается;

- нить исчерпала квант;

- нить вытеснена более приоритетной нитью.

Таким образом, при планировании нитей в Windows NT используются концепции квантования, абсолютных приоритетов и динамических приоритетов:

- квантование – нитям отводится квант времени, по истечении которого выполнение нити прекращается;

- абсолютные приоритеты – при появлении в очереди нити с более высоким приоритетом, чем у активной в данный момент, выполнение последней немедленно прерывается;

- динамические приоритеты – приоритеты нитей могут изменяться системой: понижаются у нитей, исчерпавших квант, повышаются у нитей, недоиспользовавших квант из-за перехода в состояние ожидания.

Windows NT поддерживает симметричную мультипроцессорную обработку. Однако реализация симметричной мультипроцессорности в Windows NT нацелена на оптимизацию производительности и не обеспечивает резервирования в целях повышения отказоустойчивости. В случае выхода из строя одного из процессоров система останавливается. В Windows NT Server в полной мере реализован потенциал масштабируемости симметричной мультипроцессорной архитектуры. Однопроцессорную систему можно легко развивать, наращивая число процессоров, без замены версии ОС или приложений.

Управление памятью

Windows NT поддерживает сегментностраничную модель виртуальной памяти и использует для этих целей аппаратную поддержку таких процессоров как Intel 80386 и выше, MIPS R4000, DEC Alpha и Power PC. Для этого в NT executive имеется специальный компонент – менеджер виртуальной памяти.

Менеджер ВП обеспечивает для процессов следующие наборы функций:

- управление виртуальным адресным пространством процесса;

- разделение памяти между процессами;

- защита виртуальной памяти одного процесса от других процессов.

Средства защиты памяти в Windows NT существуют в четырех формах:

1. отдельное адресное пространство для каждого процесса. Аппаратура запрещает нити доступ к физическим адресам другого процесса;

2. два режима работы: режим ядра, в котором нитям разрешен доступ к системным данным, и пользовательский режим, в котором это запрещено;

3. страничный механизм защиты. Каждая виртуальная страница имеет набор признаков, который определяет разрешенные типы доступа в пользовательском режиме и в режиме ядра;

4. объектно-ориентированная защита памяти. При каждом открытии процессом указателя на секцию, монитор ссылок безопасности проверяет, разрешен ли доступ процесса к данному объекту.

Каждый раз, когда нить использует адрес, менеджер ВП вместе с аппаратными средствами транслирует виртуальный адрес в физический. Подсистема виртуальной памяти, управляя процессом трансляции виртуальных адресов, гарантирует, что нить одного процесса не сможет получить доступ к физической странице памяти, относящейся к другому процессу.

В дополнение к прямой защите, обеспечиваемой механизмом трансляции, каждый процессор, который поддерживает виртуальную память, реализует некоторую форму аппаратно-управляемой защиты памяти. Часто аппаратная защита бывает минимальной. Из-за этого менеджер виртуальной памяти Windows NT в гораздо большей степени зависит от аппаратуры, чем другие части операционной системы.

Каждый процесс NT executive имеет большое виртуальное адресное пространство размером в 4Гб, из которых 2 Гб резервируются для системных нужд. Младшие адреса виртуального адресного пространства доступны для нитей, работающих и в пользовательском, и в привилегированном режимах, они указывают на области памяти, уникальные для каждого процесса. Старшая часть адресов доступна для нитей только тогда, когда они выполняются в привилегированном режиме (см. рис. 5.3).

В нижней (младшей) части системной области памяти располагаются код и данные ядра, они никогда не вытесняются из памяти. Поскольку адреса из этого диапазона транслируются аппаратурой и всегда бывают действительными, доступ к этой области памяти осуществляется очень быстро. Она используется для тех частей ядра, от которых требуется максимальная производительность, например, для кода, который диспетчирует нити.

Верхняя часть системной памяти управляется менеджером виртуальной памяти и используется для хранения остальных системных данных и кода. Часть этой области резервируется для кода и данных, которые могут быть вытеснены на диск с помощью страничного механизма, а другая часть никогда не вытесняется из памяти (в ней, например, размещается код, который осуществляет страничный обмен).

В составе менеджера виртуальной памяти имеется такой компонент, как пейджер (pager). Этот код перемещает страницы между диском и памятью, представляя собой промежуточное звено между аппаратными механизмами и программно-реализуемыми стратегиями. В его функции входит:

- загрузка страницы в память при возникновении страничного прерывания,

- проверка прав доступа к отсутствующим страницам и дополнение аппаратных средств защиты страниц, загруженных в память,

- обновление структур данных подсистемы управления памятью.

Процесс принятия решения о замене страниц системой виртуальной памяти обычно включает три фазы: извлечение, размещение, замена.

Этап извлечения связан с выбором условия, при выполнении которого страница перемещается с диска в память. Существует два типа стратегий извлечения: с упреждением, когда страницы загружаются в память до того, как они оказываются необходимыми процессу, и стратегии загрузки по требованию, в соответствии с которыми страница перемещается в память только при наступлении страничного прерывания. При использовании стратегий «по требованию» при старте каждой нити происходит интенсивная загрузка страниц. Эти страницы называются начальным набором страниц. После загрузки начального набора интенсивность загрузки страниц заметно уменьшается.

Менеджер виртуальной памяти Windows NT использует стратегию «по требованию» с кластеризацией. При возникновении страничного прерывания менеджер виртуальной памяти загружает в память вызвавшую прерывание страницу, а также небольшое количество окружающих ее страниц. Эта стратегия пытается минимизировать количество страничных прерываний.

Этап размещения. Набор правил, используемых для определения места размещения новой страницы в памяти, называется стратегией размещения. В Windows NT менеджер виртуальной памяти просто выбирает первую страницу из списка свободных физических страниц.

Этап замещения. Если при возникновении страничного прерывания в физической памяти нет свободных страниц, то используется стратегия замещения, которая определяет, какую виртуальную страницу нужно удалить из памяти для освобождения места для размещения новой страницы. Менеджер виртуальной памяти Windows NT использует локальный алгоритм FIFO (First Input First Output). В соответствии с алгоритмом FIFO из памяти удаляется та страница, которая дольше всего там находится. Локальность в данном случае означает, что поиск страницы-кандидата на выгрузку осуществляется только среди страниц того процесса, который требует загрузки новой страницы.

При старте процесса, ему назначается минимальный рабочий набор страниц. Процесс может его увеличивать до некоторого максимального размера. Если процесс требует еще больше страниц, то менеджер виртуальной памяти удаляет из рабочего набора по одной странице при загрузке каждой новой страницы. Когда размер свободной физической памяти уменьшается до некоторой критической границы, то менеджер виртуальной памяти использует прием, называемый автоматическим триммингом рабочего набора. Он просматривает страницы каждого процесса, находящиеся в памяти, сравнивает их количество с минимальным размером рабочего набора и удаляет избыточные страницы из памяти.

Поскольку в Windows NT реализована сегментно-страничная модель распределения памяти, то для хранения информации о состоянии виртуальных сегментов используется набор структур, называемых дескрипторами виртуальных адресов. Когда процессу назначается новая область памяти, менеджер виртуальной памяти создает дескриптор, в котором хранится вся информация, связанная с этой областью, такая как диапазон адресов, признаки того, является ли память разделяемой или частной, будет ли процесс-потомок наследовать содержимое этой области, признаки защиты. Затем дескриптор встраивается в двоичное дерево дескрипторов данного процесса, используемое для ускорения поиска.

Для снижения объема вычислений, затрачиваемых на работу менеджера виртуальной памяти, в Windows NT минимизируется количество страничных прерываний. Для этого предпринимаются следующие меры:

- каждому процессу предоставляется рабочий набор страниц достаточно большого размера, чтобы избежать частых страничных отказов;

- менеджер виртуальной памяти производит автоматический тримминг рабочего набора каждого процесса, чтобы сделать доступными для других процессов области памяти, занимаемые редко используемыми страницами.

Файловые системы Windows NT

Windows NT 4.0 поддерживает файловые системы:

- существовавшую ранее файловую систему FAT

- собственную, новую файловую систему NTFS.

Windows NT 5 поддерживает файловые системы:

- FAT;

- FAT32;

- NTFS.

Предыдущие версии Windows NT поддерживали также файловую систему HPFS, разработанную для операционной системы OS/2.

FAT применяется для дисков малой емкости. К основным недостаткам FAT могут быть отнесены следующие:

- ограничения, налагаемые на размер файлов и дискового пространства;

- ограничение длины имени файла;

- фрагментация файлов, приводящая к снижению быстродействия системы и износу оборудования;

- непроизводительные затраты памяти, вызванные большими размерами кластеров;

- подверженность потерям данных.

Файловая система FAT в Windows NT функционирует так же, как если бы она работала в среде MS-DOS или Windows. Файлы из разделов FAT могут безболезненно копироваться в разделы NTFS, но при выполнении обратной операции будет потеряна информация о правах доступа и об альтернативных связях файла.

Windows NT допускает преобразование FAT в NTFS без потери информацию на диске. Обратное преобразование невозможно.

Файловая система FAT32 аналогичная по своей структуре система FAT, но накладывает менее жесткие требования на объем диска и длину имени файла.

Файловая система FAT

После форматирования диска в FAT на него наносится следующая служебная информация:

- ЗАПИСЬ СТАРТА СИСТЕМЫ (начиная с первого сектора нулевого цилиндра, состоит из таблицы, содержащей информацию о диске; машинного кода, загружающего файлы IO.SYS и MSDOS.SYS;

- ТАБЛИЦУ РАЗМЕЩЕНИЯ ФАЙЛОВ;

- КОРНЕВОЙ КАТАЛОГ.

Корневой каталог – это таблица-описание содержимого диска. Каждому файлу в таблице соответствует одна запись. Запись занимает 32 байта, разбитых на 8 полей (см. рис. 4.11.а).

Корневой каталог занимает непрерывную область фиксированного размера. Размер корневого каталога задается при форматировании и определяет максимальное количество файлов и каталогов, которые могут быть описаны в корневом каталоге.

Таблица размещения файлов FAT представляет собой карту с адресами файлов на диске. Каждому файлу в таблице соответствует группа записей, описывающих его физическое расположение на диске. При форматировании диск разбивается на сектора, сектора объединяются в кластеры. Кластерам присваиваются номера в соответствии с их физическим расположением на диске. Первый кластер расположен непосредственно за корневым каталогом, второй – непосредственно за первым кластером и т.д. Для каждого кластера таблица FAT имеет свою индивидуальную ячейку, в которой хранится информация об использовании данного кластера.

При размещении нового файла или каталога (каталог – это файл специального вида, содержащий записи аналогичные корневому каталогу) ему отводятся последовательно или непоследовательно размещенные кластеры и производится модифицирование FAT. При этом в дескрипторе данного файла или каталога указывается номер первого занятого кластера, а в соответствующей ячейке FAT номер следующего кластера и т.д. (см. рис. 4.13. в).

Эти ячейки могут содержать следующие значения:

- 0000h – свободный кластер;

- 0FFF0h … 0FFF6h – зарезервированный кластер;

- 0FFF7h – плохой кластер;

- 0FFF8h … 0FFFFh – последний кластер в списке (признак конца файла);

- 0002h … 0FFEFh – номер следующего кластера в списке.

При этом для чтения файла с логического диска необходимо произвести следующие действия:

- чтение дескриптора файла и определение номера первого кластера;

- чтение кластера;

- использование номера прочитанного кластера в качестве индекса в таблице FAT для извлечения номера следующего кластера;

- чтение кластера;

- повторение действий, начиная с п.3 до тех пор, пока извлеченное из таблицы FAT значение не будет соответствовать концу файла.

В зависимости от размера ячейки в таблице FAT различают FAT12, FAT16 и FAT32, что определяет максимальный размер логического диска отформатированного в данной файловой системе. При использовании FAT16 максимальный размер составляет около 2ГБ. При использовании FAT32 можно контролировать более 4 млрд. кластеров, что при использовании кластеров размер в 32 Кб, позволяет использовать диски размером около 4 млн. Гбайт

Файловая система NTFS

Структура NTFS

Новая файловая система NTFS обладает лучшими показателями производительности и надежности по сравнению с FAT.

Эта файловая система поддерживает объектно-ориентированные приложения, обрабатывая все файлы как объекты, которые имеют определяемые пользователем и системой атрибуты. NTFS позволяет задавать права доступа к отдельному файлу, а не к каталогу в целом.

Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле, называемом Главной таблицей файлов (Master File Table, MFT).

В отличие от разделов FAT и HPFS все пространство тома NTFS представляет собой либо файл, либо часть файла. Основой структуры тома NTFS является Главная таблица файлов (Master File Table, MFT), которая содержит по крайней мере одну запись для каждого файла тома, включая одну запись для самой себя. Каждая запись имеет длину 2К.

Все файлы на томе NTFS идентифицируются номером файла, который определяется позицией файла в MFT. Каждый файл и каталог на томе NTFS состоит из набора атрибутов.

Базовая единица распределения дискового пространства для файловой системы NTFS – кластер. Размер кластера выражается в байтах и всегда равен целому количеству физических секторов. В качестве адреса файла NTFS использует номер кластера, а не физическое смещение в секторах или байтах.

Загрузочный сектор тома NTFS располагается в начале тома, а его копия – в середине тома. Загрузочный сектор состоит из стандартного блока параметров BIOS, количества секторов в томе, а также начального логического номера кластера основной копии MFT и зеркальной копии MFT.

Файлы NTFS состоят по крайней мере из следующих атрибутов:

- заголовок (H - header);

- стандартная информация (SI - standard information);

- имя файла ( FN - file name);

- данные (data);

- дескриптор безопасности (SD - security descriptor).

Небольшие файлы (small). Если файл имеет небольшой размер, то он может целиком располагаться внутри одной записи MFT размером 2К (рис. 5.4). Из-за того, что файл может иметь переменное количество атрибутов, а также из-за переменного размера атрибутов нельзя наверняка утверждать, что файл уместится внутри записи. Однако, обычно файлы размером менее 1500 байт помещаются внутри записи MFT.

Большие файлы (Large). Если файл не вмещается в одну запись MFT, то этот факт отображается в значении атрибута «данные», который содержит признак того, что файл является нерезидентным, то есть, что файл находится вне таблицы MFT. В этом случае атрибут «данные» содержит виртуальный номер кластера для первого кластера каждого фрагмента данных (data run), а также количество непрерывных кластеров в каждом фрагменте (рис. 5.5).

Очень большие файлы (huge). Если файл настолько велик, что его атрибут данных не помещается в одной записи, то этот атрибут становится нерезидентным, то есть он находится в другой записи таблицы MFT, ссылка на которую помещена в исходной записи о файле (рис. 5.6.). Эта ссылка называется внешним атрибутом (external attribute). Нерезидентный атрибут содержит указатели на фрагменты данных.

Сверхбольшие файлы (extremely huge). Для сверхбольших файлов внешний атрибут может указывать на несколько нерезидентных атрибутов (рис. 5.7). Кроме того, внешний атрибут, как и любой другой атрибут может храниться в нерезидентной форме, поэтому в NTFS не может быть атрибутов слишком большой длины, которые система не может обработать.

Каждый каталог NTFS представляет собой один вход в таблицу MFT, который содержит список файлов специальной формы, называемый индексом (index). Индексы позволяют сортировать файлы для ускорения поиска, основанного на значении определенного атрибута. Обычно в файловых системах FAT и HPFS используется сортировка файлов по имени. NTFS позволяет использовать для сортировки любой атрибут, если он хранится в резидентной форме.

Имеется две формы списка файлов.

Небольшие списки файлов (small indexes). Если количество файлов в каталоге невелико, то список файлов может быть резидентным в записи в MFT, являющейся каталогом (рис. 5.8). В этом случае он называется небольшим каталогом. Небольшой список файлов содержит значения атрибутов файла. По умолчанию это имя файла, а также номер записи MTF, содержащей начальную запись файла.

Большие списки файлов (large index). По мере того, как каталог растет, список файлов может потребовать нерезидентной формы хранения. Однако начальная часть списка всегда остается резидентной в корневой записи каталога в таблице MFT (рис. 5.9). Имена файлов резидентной части списка файлов являются узлами B-дерева. Остальные части списка файлов размещаются вне MFT. Для их поиска используется специальный атрибут «размещение списка» (Index Allocation - IA), представляющий собой набор номеров кластеров, которые указывают на остальные части списка. Одни части списков являются листьями дерева, а другие являются промежуточными узлами, то есть содержат наряду с именами файлов атрибут Index Allocation, указывающий на списки файлов более низких уровней.

Каждый атрибут файла или каталога NTFS состоит из полей: тип атрибута, длина атрибута, значение атрибута и, возможно, имя атрибута.

Имеется системный набор атрибутов (c фиксированными именами и кодами их типа) и атрибуты, определяемые пользователями. Существует два способа хранения атрибутов файла – резидентное хранение в записях таблицы MFT и нерезидентное хранение вне ее. Сортировка может осуществляться только по резидентным атрибутам.

Ниже приведены некоторые атрибуты.

- Attribute List – определяет список атрибутов, которые являются допустимыми для данного конкретного файла;

- File Name – содержит длинное имя файла, а также номер входа в MFT для родительского каталога; если этот файл содержится в нескольких каталогах, то у него будет несколько атрибутов типа «File Name»; этот атрибут всегда должен быть резидентным;

- MS-DOS Name – содержит имя файла в формате 8.3;

- Version – содержит номер последней версии файла;

- Security Descriptor – содержит информацию о защите файла: список прав доступа ACL и поле аудита (определяет регистрируемые операции);

- Data – содержит обычные данные файла;

- Standard Information – хранит всю остальную стандартную информацию о файле, например, время создания файла, время обновления и т.д.

- и др. атрибуты

Короткие имена

NTFS поддерживает имена файлов длиной до 255 символов. Имена файлов NTFS используют набор символов UNICODE с 16-битовыми символами. NTFS автоматически генерирует MS-DOS имя для каждого файла.

Использование набора символов UNICODE дает возможность использования некоторых запрещенных в MS-DOS символов в именах.

Надежность NTFS

NTFS является восстанавливаемой (recoverable) файловой системой. Она гарантирует согласованность данных тома, используя стандартную процедуру регистрации транзакций. Каждая операция ввода-вывода, которая изменяет файл на томе NTFS, рассматривается файловой системой как транзакция.

При модификации файла специальная компонента файловой системы – сервис регистрации файлов (Log File Service) – фиксирует всю информацию, необходимую для повторения (redo) или отката (undo) транзакции в специальном файле с именем $LogFile. Если транзакция не завершается нормально, то NTFS пытается закончить транзакцию (повторить) или производит ее откат. Этот метод обеспечивает минимальное время восстановления, однако восстанавливаются только системные данные (метаданные), пользовательские же данные могут быть утеряны.

Для обеспечения сохранности пользовательских данных используется программная поддержка массивов RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks). В сочетании с поддержкой зеркализации дисков или расщепления с контролем четности (RAID 5) NTFS может выдержать любой одиночный сбой. В Windows NT поддерживаются уровни 0, 1 и 5.

В RAID 0 данные расщепляются на блоки по 64К, поддерживается от 2 до 32 дисков.

RAID 1 осуществляется на уровне разделов, то есть зеркализируются именно разделы. При отказе зеркализованного раздела администратор должен отменить отношения зеркализации, чтобы использовать оставшийся раздел как отдельный том. Затем можно использовать свободный раздел на другом диске, чтобы вновь установить зеркальные отношения. Зеркализации может быть подвергнут любой раздел, включая загрузочный (Boot Partition). В принципе зеркализация является более дорогим способом, чем другие, так как коэффициент использования дискового пространства составляет только 50%, с другой стороны, для небольших сетей это весьма приемлемый вариант, так как для его реализации достаточно только двух дисков.

RAID 5 требует минимум трех дисков (максимум 32 диска), поддерживает файловые системы FAT, NTFS, причем загрузочный раздел не может быть расщеплен. Если отказывает диск, входящий в состав массива RAID 5, то компьютер может продолжать работу и получать доступ к данным. Однако данные отказавшего диска будут в течение всего времени регенерироваться на основании данных других дисков, и производительность системы может упасть. Можно воссоздать данные отказавшего диска на новом диске. Для этого нужно иметь свободный раздел на каком-либо работоспособном диске равного или большего размера, чем отказавший. Затем запускается процедура восстановления данных из пункта Regenerate меню Fault Tolerance утилиты Disk Manager.

NTFS поддерживает также горячее переназначение секторов, когда при возникновении ошибки из-за наличия плохого сектора данные переписываются в новый хороший сектор, а сбойный исключается из работы. Администратор уведомляется с помощью утилиты просмотра событий Event Viewer о всех событиях, связанных с обработкой сбойных секторов, а также о потенциальной угрозе потери данных, если избыточная копия также отказывает.