Вопрос 10. Файловая система NTFS : структура системных файлов, их назначение. Файловый дескриптор, анализ его структуры для резидентного и нерезидентного файла.

MFT и его структура

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 себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу. 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 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.

Дескриптор MFT можно определить как набор атрибутов, включая атрибут - имя файла, атрибут - дескриптор защиты и атрибут – данные. NTFS обозначает ат­рибут его именем, записанным прописными буквами, перед которым стоит знак доллара ($) например: $FILENAME или $ DA ' I ' A . Однако на самом деле эти имена атрибутов соответствуют числовым кодам типа, которые NTFS использует для упорядочения атрибутов внутри дескриптора.

Каждым атрибут хранится и файле как отдельный поток байтов. NTFS не выполняет чтения и записи файлов — она читает и записывает потоки, соответствующие атрибутам. Возможны следующие операции над атри­бутами: создание, удаление, чтение (диапазона байтов) и запись (диапазона бан­тов). Операции чтения и записи обычно работают над безымянным атрибутом данных файла. Однако можно указать другой атрибут данных при помощи синтаксиса именованных потоков данных .

Структура тома NTFS определяет для файлов набор стандартных атрибу­тов. Эти системные атрибуты имеют фиксированные имена и коды типа, и фор­мат их значений определяется NTFS .

Метафайлы

Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска - они начинаются с символа имени "$". Метафайлы и их назначение:

$MFT сам MFT

$ MFTmirr копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска

$ LogFile файл поддержки журналирования (см. ниже)

$ Volume служебная информация - метка тома, версия файловой системы, т.д.

$ AttrDef список стандартных атрибутов файлов на томе

$. корневой каталог

$ Bitmap карта свободного места тома

$ Boot загрузочный сектор (если раздел загрузочный)

$ Quota файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (начал работать лишь в NT5)

$ Upcase файл - таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode , что составляет 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.

Файловая запись MFT содержит либо все атрибу­ты данного файла, либо отображения VCN - LCN , которые определяют, где на диске расположены значения нерезидентных атрибутов файла.

В процессе работы NTFS записывает информацию в еще один важный файл метаданных — журнал транзакций ( log file ). В журнале транзакций ре­гистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файла и любые команды, изменяющие структуру каталогов. Журнал транзакций применяется для восстановления тома NTFS после сбоя системы.

Еще одна запись MFT зарезервирована для корневого каталога (известного также как "\"). Эта запись содержит индекс файлов и каталогов, хранящихся в корне структуры каталогов NTFS. Получив первый запрос на открытие некото­рого файла, NTFS начинает поиск этого файла с файловой записи корневого каталога. После того как файл открыт, NTFS запоминает его файловую ссылку, чтобы при последующих операциях ввода-вывода обращаться к записи MFT этого файла напрямую.

Схема распределения пространства на томе хранится NTFS в файле бито­вой карты ( bitmap file ). Атрибут данных этого файла содержит битовую карту, каждый бит которой представляет один кластер тома и указывает, свободен ли данный кластер или занят некоторым файлом.

Другой важный системный файл — загрузочный файл ( boot file ), в котором хранится код начального загрузчика Windows NT . Для того чтобы можно было загрузить ОС, код начальной загрузки должен располагаться в определенном ме­сте диска. Однако при форматировании утилита Format определяет эту область как файл, создавая для нее файловую запись. Благодаря созданию загрузочного файла NTFS может придерживаться своего правила рассматривать все, находя­щееся в томе, как файлы. Загрузочный файл, как и файлы метаданных NTFS , имеет отдельную защиту при помощи дескрипторов защиты, которые применяются к любым объектам Windows NT . Модель "нее, что находится на диске, есть файл" означает также, что начальный загрузчик можно модифицировать путем обычных операций файлового ввода-вывода, хотя н настоящее время загрузоч­ный файл защищен от редактирования.

Дескриптор файла в NTFS

Вся информа­ция файла хранится в его атрибутах, и таким образом, ряды и колонки MFT описывают всю информацию, хранящуюся на томе NTFS. Размер дескриптора (записи) в MFT для тома — минимум 1 Кбайт и максимум 4 Кбайт — определяется во время его форматирования.

Атрибуты файла в записях (дескрипторах) MFT расположены в порядке возрастания чис­ловых значений кодов типа, некоторые типы атрибутов могут встре­чаться в записи более одного раза. Атрибуты, которые обя­зательны для каждого файла: атрибут стандартной информации, атрибут имени файла, атрибут дескриптора защиты и атрибут данных. В записи MFT могут встре­чаться и другие атрибуты, если они необходимы для данного файла.

Каждый атрибут в файловой записи имеет имя (необязательное) и значе­ние. Имена используются в основном с атрибутами данных для идентификации второго или третьего потока данных в файле. Значение атрибута — это поток байтов, составляющих его. Для маленького файла все его атрибуты и их значения (например, данные файла) умещаются в файловой записи. Если значе­ние атрибута хранится непосредственно в MFT, он называется резидентным атрибутом ( resident attribute ).

В начале каждого атрибута расположен стандартный заголовок, содержа­щий информацию о данном атрибуте, которую NTFS использует для стандарт­ной обработки всех типов атрибутов. Заголовок, который всегда является рези­дентным, содержит информацию о том, является ли атрибут резидентным или нерезидентным. В случае резидентного атрибута заголовок содержит также смещение значения атрибута относительно заголовка и длину этого значения для атрибута-имени файла.

Если значение атрибута хранится непосредственно в MFT, время, необхо­димое NTFS для доступа к нему, значительно сокращается.

Атрибуты, значения которых хранятся не в MET, а в отрезках, называют­ся нерезидентными атрибутами ( nonresident attributes ). ФС определяет, являет­ся ли данный атрибут резидентным или нерезидентным; способ размещения дан­ных прозрачен для программы, осуществляющей доступ к ним.

В случае нерезидентного атрибута, такого, каким должен быть атрибут дан­ных большого файла, его заголовок содержит информацию, необходимую NTFS для поиска значения атрибута на диске.

Только те из стандартных атрибутов, размер которых может возрастать, бывают нерезидентными. Для файла такие атрибуты — это дескриптор защиты, данные, список атрибутов и расширенные атрибуты HPFS. Атрибуты стандартной информации и имени файла всегда резидентные.

Пример (фрагмент, процедура) определяющая номера кластеров расположения нерезидентрого файла на диске на основе анализа цепочки данных файлового дескриптора. Функция печатает список кластеров:

Код на C++
void GetFileClusters(
                    PCHAR lpFileName, //имя файла
                    ULONG ClusterSize //размер кластера на диске
                    )
{
    HANDLE  hFile; //хэндл нерезидентного файла
    ULONG   OutSize; //размер буфера OutBuf
	ULONG FileSize; //размер файла
    ULONG   Bytes, //количество байт. возвращаемых DeviceIoControl
	ClCount, //количество кластеров в файле
		r, //счетчики
		CnCount; //количество кластеров в файле
    LARGE_INTEGER PrevVCN, Lcn;
    STARTING_VCN_INPUT_BUFFER InBuf; //номер начального виртуального кластера
    PRETRIEVAL_POINTERS_BUFFER OutBuf; 
//буфер структуры, описывающей размещение файла на диске
 
    hFile = CreateFile(lpFileName, FILE_READ_ATTRIBUTES,
                       FILE_SHARE_READ,
                       NULL, OPEN_EXISTING, 0, 0); //открываем нерезидентный файл
 
    if (hFile != INVALID_HANDLE_VALUE)
    {
        FileSize = GetFileSize(hFile, NULL); //определяем размер файла
		//определяем размер буфера OutBuf
        OutSize = sizeof(RETRIEVAL_POINTERS_BUFFER) + (FileSize / ClusterSize) 
* sizeof(OutBuf->Extents);
		//выделяем память для структуры
        OutBuf = (PRETRIEVAL_POINTERS_BUFFER)malloc(OutSize);
        InBuf.StartingVcn.QuadPart = 0; //номер VCN начального экстента файла
		
		//заполняем структуру, описывающую размещение файла
        if (DeviceIoControl(hFile, FSCTL_GET_RETRIEVAL_POINTERS, &InBuf, 
                            sizeof(InBuf), OutBuf, OutSize, &Bytes, NULL))
        {
			//количество кластеров в файле
            ClCount = (FileSize + ClusterSize - 1) / ClusterSize;
            PrevVCN = OutBuf->StartingVcn; //начальный VCN экстента (равен 0)
 
			//цикл перемещения по экстентам файла
            for (r = 0; r < OutBuf->ExtentCount; r++)
            {
                Lcn = OutBuf->Extents[r].Lcn; //LCN кластера начала экстента
				//количество кластеров в текущем экстенте:
	                for(CnCount=OutBuf->Extents[r].NextVcn.QuadPart-PrevVCN.QuadPart;
					//печатаем номер кластера	
                     CnCount; CnCount--, Lcn.QuadPart++) printf("%I64x ",Lcn.QuadPart);
					//переходим к следующему экстенту
		             PrevVCN = OutBuf->Extents[r].NextVcn;
            }
        }
        free(OutBuf);	
        CloseHandle(hFile);
    }
}
При использовании обязательна ссылка на http://DMTSoft.ru