Физическая структура NTFS

Максимальный размер раздела NTFS в данный момент ограничен лишь размерами жестких дисков.

Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт. Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону - пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место - незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая таким образом место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Жизнь продолжается... Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.

Файловая система NTFS представляет собой выдающееся достижение структуризации: каждый элемент системы представляет собой файл - даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table - общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности (они очень важны) хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска - восстановить его положение можно с помощью его самого, "зацепившись" за самую основу - за первый элемент MFT.

Первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Преимущество настолько модульного подхода заключается в поразительной гибкости - например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности - кроме первых 16 элементов MFT.

Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска - они начинаются с символа имени "$", хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Любопытно, что и для этих файлов указан вполне реальный размер - можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию всего вашего диска, посмотрев размер файла $MFT.

Итак, у системы есть файлы - и ничего кроме файлов. Что включает в себя это понятие на NTFS?

Прежде всего, обязательный элемент - запись в MFT, ведь, как было сказано ранее, все файлы диска упоминаются в MFT. В этом месте хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используются несколько, причем не обязательно подряд.

Довольно интересно обстоит дело и с данными файла. Каждый файл на NTFS, в общем-то, имеет несколько абстрактное строение - у него нет как таковых данных, а есть потоки (streams). Один из потоков и носит привычный нам смысл - данные файла. Но большинство атрибутов файла - тоже потоки! Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT. Имя файла может содержать любые символы, включая полый набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла - 255 символов.

Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево.

Какую информацию можно получить, просто прочитав файл каталога? Ровно то, что выдает команда dir. Для выполнения простейшей навигации по диску не нужно лазить в MFT за каждым файлом, надо лишь читать самую общую информацию о файлах из файлов каталогов. Главный каталог диска - корневой - ничем не отличается об обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

NTFS - отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция - действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных (ошибочных или некорректных) состояний - квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разрушения и путаницу - он либо совершен, либо отменен.

Пример 1: осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось - физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком - система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место - начинается новая транзакция.

Пример 2: более сложный случай - идет запись данных на диск. Вдруг, бах - отключается питание и система перезагружается. На какой фазе остановилась запись, где есть данные, а где чушь? На помощь приходит другой механизм системы - журнал транзакций. Дело в том, что система, осознав свое желание писать на диск, пометила в метафайле $LogFile это свое состояние. При перезагрузке это файл изучается на предмет наличия незавершенных транзакций, которые были прерваны аварией и результат которых непредсказуем - все эти транзакции отменяются: место, в которое осуществлялась запись, помечается снова как свободное, индексы и элементы MFT приводятся в с состояние, в котором они были до сбоя, и система в целом остается стабильна. Ну а если ошибка произошла при записи в журнал? Тоже ничего страшного: транзакция либо еще и не начиналась (идет только попытка записать намерения её произвести), либо уже закончилась - то есть идет попытка записать, что транзакция на самом деле уже выполнена. В последнем случае при следующей загрузке система сама вполне разберется, что на самом деле всё и так записано корректно, и не обратит внимания на "незаконченную" транзакцию.

И все-таки журналирование - не абсолютная панацея, а лишь средство существенно сократить число ошибок и сбоев системы. Важно понимать, однако, что система восстановления NTFS гарантирует корректность файловой системы, а не данных. Если вы производили запись на диск и получили аварию - ваши данные могут и не записаться.

Журналирование NTFS, как уже указывалось ранее, ни в коей мере не гарантирует от сбоев с потерей пользовательской информации. Между тем, NT предлагает несколько вариантов создания систем, где, в разумных условиях, гарантируется абсолютно всё. Можно также использовать большее число дисков для обеспечения не повышенной надежности, а, наоборот, повышенной скорости - или того и другого одновременно. О таких конфигурациях и пойдет речь в этой части статьи.

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) - избыточный массив недорогих дисков. Технология, заключающаяся в одновременном использовании нескольких дисковых устройств для обеспечения характеристик надежности или скорости, отсутствующих у накопителей в отдельности.

Windows NT поддерживает на программном уровне три уровня RAID (так называются стратегии работы дисковых массивов), краткие характеристики которых сведены в следующую таблицу.

	Быстродействие, по сравнению с обычными дисками	Надежность	Общее дисковое пространство
RAID 0 Параллельные диски Существенное повышение производительности за счет дублирования дисков.	Теоретически, в условиях некоторых (например, линейных) операций скорость чтения/записи, повышается во столько раз, сколько дисков задействовано в системе. Реально увеличение быстродействия меньше - процентов 50%-90% от этого числа, что всё равно очень существенно.	Понижается - фатальный сбой одного из дисков вызовет потерю данных.	Равно сумме объемов составляющих массив дисков
RAID 1 Зеркальные диски Повышение надежности за счет дублирования информации.	Скорость чтения теоретически повышается в число раз, соответствующее числу дисков. Реализованный в NT алгоритм не оптимален и приводит к гораздо более скромному увеличению быстродействия. Скорость записи снижается, особенно в случае не до конца многозадачных дисковых контроллеров.	Потеря данных возможна лишь в случае отказа сразу всех дисков или повреждения одного и того же участка информации на всех дисках.	Остается неизменным (увеличение доступного дискового пространства за счет добавочных дисков не происходит).
RAID 5 Параллельные диски с четностьюКомбинация RAID 1 и RAID 0 - более эффективное использование дополнительных дисков.	Скорость чтения повышается аналогичным RAID 0 образом, но число дисков, влияющих на быстродействие, следует уменьшить на один. Т.е. три диска RAID 5 обладают примерно такой же скоростью чтения, как и два диска RAID 0. Скорость записи больше, чем у каждого диска в отдельности, но в целом невысока.	Потеря данных возможна при выходе из строя двух дисков набора. Выход из строя одного из дисков существенно снижает скорость работы всего массива и является, по сути, аварийной ситуацией, хоть и без потери данных.	Увеличивается. Потеря от суммарного дискового объема составляет объем одного диска. Например, пять дисков по 10 Гб дают RAID 5 объемом 40 Гб.

Остановимся подробнее на каждом из типов RAID-а.

Данная стратегия направлена исключительно на повышение производительности. Несколько дисков хранят части дисковой структуры, которые собираются в один том лишь при наличии всех дисков массива.

Простейшая реализация RAID 0 из двух, например, дисков - указание на то, что каждый первый сектор тома (или любой другой объем информации) расположен на физическом диске A, а каждый второй - на диске B. Такая жесткая стратегия дает возможность избежать каких-либо дополнительных структур для хранения информации о том, где находятся какие данные. Скорость чтения, как и записи равны и зависят от числа дисков.

Надежность RAID 0 низка - отказ каждого диска является фатальным сбоем, точно так же, как и отказ накопителя в случае работы с обычными разделами.

Самый простой способ обеспечения безопасности данных - создать копию двух дисков. Запись осуществляется на оба диска сразу, что приводит к замедлению этого процесса, тогда как чтение - с того диска, который в данный момент свободен.

В любом случае, даже полный отказ одного из дисков не приводит к потере данных, так как диски полностью зеркальны.

Данная стратегия представляется в настоящее время наиболее удачной и эффективной схемой работы RAID, состоящих из трех и более дисков. Информация дополняется так называемыми данными четности (parity), которые размещаются на другом физическом диске, нежели реальные данные, контролируемые этой информацией.

Концепцию четности можно понять, например, так: допустим, у нас есть пять бит - например, набор {0, 1, 1, 0, 1}. Мы формируем еще бит - бит четности, шестой, по такому правилу - если число единиц в предыдущих пяти битах четно, он будет равен 1, если нет - 0. В нашем случае число единиц равняется трем, т.е. нечетному числу - наш набор дополнился числом 0 и превратился в {0, 1, 1, 0, 1, <0>}.