Существует множество способов хранения информации и программ на жестком диске. Очень известна система, которая сохраняет различную информацию в виде файлов, группируя их в папки с присвоением уникального пути и имени. Однако, мало кто задумывался как на самом деле происходит физическое сохранение информации на носителе.
Для того, чтобы на физическом носителе можно было сохранить информацию, его нужно подготовить для использования в компьютерной операционной системе. Операционная система для сохранения информации выделяет свободную область диска. Для этого необходимо поделить диск на малые контейнеры – сектора. Форматирование диска на низком уровне выделяет для каждого сектора определенный размер. Операционная система группирует эти сектора в кластеры. Форматирование на высшем уровне задает всем кластерам одинаковый размер, обычно в интервале от 2 до 16 секторов. В дальнейшем на каждый файл выделяется по одному или несколько кластеров. Размер кластера зависит от операционной системы, ёмкости диска, а также требуемой скорости работы.
Помимо области для хранения файлов на диске имеются области, необходимые для работы операционной системы. Эти области предназначены для хранения загрузочной информации и информации для сопоставления адресов файлов с физическим положением на диске. Загрузочная область используется для запуска операционной системы. После загрузки BIOS происходит считывание и выполнение загрузочной области диска для запуска операционной системы.
Файловая система FAT
Файловая система FAT появилась вместе с операционной системой Microsoft DOS, после чего была несколько раз усовершенствована. У нее есть версии FAT12, FAT16 и FAT32. Само название FAT происходит от использования файловой системой своеобразной базы данных в виде «таблицы размещения файлов» (File Allocation Table), которая содержит запись для каждого кластера на диске. Номера версий ссылаются на количество бит, используемых в номерах элементов в таблице. Таким образом файловая система имеет ограничение на поддерживаемый размер диска. В 1987 году она не поддерживала диске размером свыше 32 Мб. С появлением Windows 95 вышла новая версия файловой системы FAT32 с теоретической поддержкой дисков емкостью до 2 ТБ. Постоянные проблемы с поддержкой дисков больших размеров появляются из-за фиксированного количества элементов, ограниченного количеством бит, используемых в определении положения кластера. Например, версия FAT16 не поддерживает более 216 или 65536 кластеров. Количество секторов в кластере тоже ограничено.
Еще одна проблема с большими дисками заключалась в невозможности использования огромного пространства, выделенного для мелких файлов. Из-за того, что количество кластеров ограничено, увеличивался их размер, чтобы можно было охватить всю емкость диска. Это приводит к неэффективному использованию пространства при хранении большинства файлов, размер которых не кратен размеру кластера. Например, FAT32 выделяет кластеры размером 16 Кб для разделов диска в интервале от 16 до 32 ГБ. Для хранения файла размером 20 Кб потребуется два кластера размером 16 Кб, которые займут на диске 32 Кб. Файлы размером 1 Кб занимают 16 Кб на диске. Таким образом в среднем 30-40% размера емкости диска пропадает для хранения мелких файлов. Разбиение диска на мелкие разделы позволяет уменьшить размер кластера, но для дисков емкостью более 200 Гб на практике не применяется.
Фрагментация файлов тоже не малая проблема файловой системы. Поскольку для размещения файла может потребоваться несколько кластеров, которые могут и не быть физически расположены последовательно друг за другом, время, которое требуется на считывание замедляет работу программ. Поэтому постоянно возникает необходимость в дефрагментации диска.
Файловая система NTFS
В начале 90-х Microsoft начала разработку совершенно нового ПО, предназначенного для окружения с большим потреблением ресурсов, чем обычные домашние пользователи. Для потребностей бизнеса и индустрии ресурсов, предоставляемых операционными системами Windows основанных на DOS, стало недостаточно. Корпорация Microsoft совместно с IBM работали над операционной системой OS/2 с файловой системой HPFS (High Performance File System – файловая система высокой эффективности). Корпоративная разработка не принесла успеха и в скором времени каждая компания вновь пошла своим путем. Microsoft разработала различные версии операционной системы Windows NT, на основе которых построены Windows 2000 и Windows XP. В каждой из них используется собственная версия файловой системы NTFS, которая продолжает развитие.
NTFS (New Technology File System – «файловая система новой технологии») является стандартной файловой системой для операционных систем на основе Windows NT. Она была разработана для замены FAT. NTFS наиболее гибкая по сравнению с FAT. В ее системных областях хранятся в основном файлы, а не фиксированные структуры как в FAT, что позволяет их изменять, расширять или перемещать в процессе использования. Простым примером является Master File Table (MFT) – «главная таблица файлов». MFT — это своеобразная база данных с различной информацией о файлах на диске. Файлы малого размера (1 Кб и менее) могут хранится непосредственно в MFT. Для больших файлов NTFS выделяет кластеры, но в отличие от FAT размер кластера обычно не превышает 4 Кб, а встроенный метод сжатия избавляет от проблем с неиспользованным местом, выделенным под файлы. А ещё в NTFS можно использовать файловые ссылки.
Файловая система NTFS разработана для многопользовательского окружения и имеет встроенные механизмы защиты и разграничения прав доступа. Например, операционные системы Windows 2000 и Windows XP (кроме «Домашней редакции») позволяют устанавливать разрешения доступа к отдельным файлам и шифровать их. Однако высокий уровень безопасности усложняет работу обычных пользователей с компьютером. Необходимо быть предельно осторожным при установке паролей и разрешений на файлы, чтобы не потерять важные данные.