（系统工程专业论文）新型文件存储系统设计与实现研究.pdf

摘要 关键词: 文件存储系统 备份 恢复 文件系统 x f s 文件系 统 n t f s 文件系统 w i n f s 文件系统 ab s t r a c t .口网.，. ab s t r a c t t h e m a n a g e me n t o f i n f o r ma t i o n r e s o u r c e s i s f a c i n g g r e a t c h a l l e n g e s a s c o m p u t e r s t o r a g e t e c h n o l o g y d e v e l o p s w i t h t h e h e l p o f r a p i d ly i n c r e a s i n g d a t a . s t o r a g e s e c u r i ty i s s u e s h a v e , p a rt i c u l a r l y , a t t r a c t e d a l o t o f a t t e n t i o n i n t h e fi e l d o f s t o r a g e re l a t e d r e s e a r c h e s . d a t a b a c k u p a n d re c o v e r t e c h n o l o g y h a s b e c o m e a n i m p o rt a n t f a c t o r i n t h e c o r e s t r u c t u r e o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n d p l a y s a n i m p o rt a n t r o l e i n d a t a p r o t e c t i o n . b a c k i n g u p a n d r e c o v e r i n g s t o r a g e s y s t e m s i s n o t o n l y b e n e f i c i al t o t h e r e c o n s t r u c t i o n o f s e r v e r s a f t e r t h e y b r e a k d o w n , i t c a n al s o l i m it t h e d a m a g e c a u s e d b y t e r m i n a l o p e r a t i n g s y s t e m s t h a t f a i l a n d l o s e d a t a . t h e t h e s i s i n t r o d u c e s s o me b a c k g r o u n d k n o w l e d g e o n d a t a b a c k u p a n d r e c o v e r y f i r s t l y , a n d t h e n e x p o u n d s t h r e e fi l e s y s t e m s : n t f s , w i fs a n d x f s . i t t h o r o u g h l y a n al y z e s t h e p h y s i c al s t o r a g e s t r u c t u r e o f t h e t h r e e s y s t e m s a n d d e m o n s t r a t e s t h e d e s i g n s o f t h e n t f s b a c k u p r e c o v e r s o l u t i o n a n d t h e x f s b a c k u p re c o v e r s o l u t i o n t h e w i n f s fi l e s y s t e m i s a re l a t i o n a l f i l e s y s t e m r e c e n t l y b r o u g h t t o l i g h t b y m i c r o s o f t . i t i s a f i l e s y s t e m ai d e d b y d a t a b a s e m a n a g e m e n t t e c h n o l o g y a n d e n a b l e s u s e r s t o l o o k t h r o u g h l o c al a n d n e t w o r k r e s o u r c e s q u i c k l y a n d c o n v e n i e n t l y . w i t h t h e h e l p o f o p e n s o u r c e c o d e s p r o v i d e d妙 l i n u x , wm f s f i l e s y s t e m i s a n a l y z e d d e t a i l e d l y i n t h i s t h e s i s a n d a g r e a t d e al o f e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e f u n d a me n t a l s t o r a g e s t r u c t u re o f i t s c u r r e n t v e r s i o n s o l e ly d e p e n d s o n t h e n t f s f i l e s y s t e m . s o n t f s b a c k u p a n d r e c o v e r s y s t e m c a n b e u s e d t o b a c k u p a n d r e c o v e r wmf s f i l e s y s t e m . t h e nt f s b a c k u p a n d r e c o v e r s o l u t i o n i s t h e n p r o p o s e d b a s i n g o n t h i s c o n c l u s i o n l i n u x i s t h e m o s t w i d e l y u s e d o p e r a t i n g s y s t e m i n t h e u n i x f a m i l y . l i n u x i s q u i t e s u i t a b l e f o r s e r v e r a p p l i c a ti o n s b e c a u s e o f i t s a d v a n t a g e s s u c h a s h i g h e ff i c i e n c y , h i g h r e l i a b i l i ty a n d g o o d h a r d w a r e s u p p o rt . t h e x f s s u p e r l o g s y s t e m i s t h e b e s t c h o i c e f o r s e r v e r s y s t e m i n s t a l l a t i o n . s o t h e s t o r a g e s t ru c t u r e o f t h e x f s f i l e s y s t e m i s a n a l y z e d i n t h i s t h e s i s u s i n g l i n u x p l a t f o r m a n d i t s o p e n s o u r c e c o d e s , a n d t h e n a b a c k u p r e c o v e r s o l u t i o n f o r t h e x f s f i l e s y s t e m i s p r o p o s e d . i i i ab s t r a c t t h e m a i n c o n t r i b u t i o n o f t h i s t h e s i s c o u l d b e c o n c l u d e d i n t o t h e f o l l o w i n g t w o p o i n t s : ( 1 ) t h e f i l e b a c k u p r e c o v e r s o ft w a re i m p l e m e n t e d i n t h i s t h e s i s d o e s n o t r e l y o n t h e s u p p o rt o f t h e o s f i l e s y s t e m勿t r a n s p l a n t i n g s o u r c e c o d e s r e l a t e d t o x f s a n d n t f s i n t h e c o r e o f l i n u x k e rne l 2 . 6 . 8 . ( 2 ) t h e f e a s i b i l i t y o f b a c k i n g u p a n d r e c o v e r i n g t h e c u r r e n t v e r s i o n o f wi n f s u s i n g n t f s b a c k u p r e c o v e r s y s t e m i s p r o v e d b y t h o r o u g h l y a n a l y z i n g t h e wi n f s f i l e s y s t e m. a n e w f i l e s b a c k u p a n d r e c o v e r me t h o d i s p r o p o s e d i n t h i s t h e s i s , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g s o ft w a r e s a r e d e v e l o p e d f o r n t f s , wi n f s a n d x f s f i l e s ， s y s t e m s . t h e s e s o ft w a r e s a r e a b l e t o a c h i e v e t h e d a t a o r f i l e s b a c k u p a n d r e c o v e r i n t h e l i n u x o r w i n d o w s o p e r a t 吨 s y s t e m , a n d t h u s t h i s w o r k w i l l b e a g r e a t h e lp t o r e c o v e r d a t a fr o m d i s a s t e r e ff e c t i v e l y a n d r e d u c e t h e l o s s . ke y wo r d s : b a c k u p , r e c o v e r , f i l e s y t e m s , x f s , n t f s , wi n f s 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、 保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以 赢利为目的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 著 79 叫 年朋z-9 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密* 2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已 经注明引用的内容外， 本学位论文 的 研究成果不包含任何他人创作的、 己 公开发表或者没有公开发表的 作品的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已 在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的 法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 著 砍 2- - l 年夕月 3 日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 研究背景与现状分析 1 . 1 . 1研究意义 伴随着计算机技术的高 速发展， 计算 机的 应用也变得越来越广泛。 不仅需要 利用计算机的运算功能完成复杂的计算 任务，更多的是 利用计算机存储和管理 各种庞大而复杂的信息。随着时间的 推移， 存储 数据的 规模也 越来越大，内、 外部数据也随之快速增 长， 统计显示全球每年的 数据存储量以8 0 % 的速度增长， 各种有用数据己 成为社 会最有价值的资 产。电 子政务文件、银行的 账户交易、 医院的病人记录、 工资 记录、销售记录、 新产品 开发设计记录等， 这些数据己 成为国家、 企业和个人的宝贵财产， 一旦毁坏或者丢失就会给用户带 来不可 估 量的 损失。 然而， 病毒 入侵、硬件故障、 软件崩溃等难以 预侧的意外问 题或 者 是误操作等人为因 素都时 刻威胁着用户数据的安全，因而如何保证数据的完 整 性和安全性便成了 每个用户都必需考 虑的问题 1 -3 1 在w e s t w o r l d公司的调查中 指出 ， 每5 0 0 个数据中心每年就有一 个要经历 一次灾难。除 去人为的非法破坏， 可以 导致数 据丢失与数据变更的因素 有很多， 如硬件故障、 软件故障、网络故障、 天灾 人祸等都可以造成数据丢失 ( 4 许多专业的技术部门 对数据丢失的原因 进行过统计，分析结果如下: c b l 数据修复 公司国 际服务中 心在承接的 数据修复业务中， 对数据丢失的原 因统计如下:硬盘或系 统故障占4 4 % ， 人为因 素占3 2 % ，软件故障占1 4 % ， 病 毒 7 %，自然损坏 3 %. 美国a p c 公司调查的结论: 数据丢失的 原因依次为: 电 源故障 / 浪涌4 5 . 3 % , 暴风雨9 . 4 %， 火灾 或爆炸8 . 2 %， 软件或 硬件错误8 .2 % ， 水灾6 .7 %， 地震5 . 5 %, 网络停用 4 . 5 %，其他9 0/ a . 上海盘夫数据恢复中心 对数据丢失的原因的 统计结果如下: 物理故障科% ， 误操作2 6 %，软件问 题1 8 %， 病毒感染1 0 % ，自 然灾害及其他2 %. 数据丢失分为两种，一种是用户无法接触或使用数据，但是数据尚存;另一 种是数据永久性损坏。前 一类数据的 丢失 可以 通过专业的 数据修复技术，重新 找回 这类数据; 后一种数 据的丢失是无法修复的， 例如严重的介质损坏。 数据 第一章 绪论 丢失造成的损失是巨大的，主要有以下三个方面: ( 1 )恢复数 据的巨 额资金 恢复 数据的费用 大多数以 小时计 算， 数据恢复的时间随 着修复的 难度变化， 如果平均每次 恢复 数据要花6 小时，按 照美国1 9 9 8 年的 标准， 平均每次恢复数 据要付1 9 0 美 元。 ( 2 ) 用 户停工导 致的 损失 在恢复过 程中， 用户不能使用计算 机处理公务， 必然降 低生产效率导致经济 损失。国外 有关资 料显示:网 上银行运 转中 断每分钟造 成的损失为7 0 0 0 美金， 企业资源管理系统中断 每分钟造成的 损失 是 1 3 0 0 0美元，而呼叫中心中断每分 钟的损失高 达2 7 0 0 0 美元。 ( 3 ) 带 来负面的社会 影响 数据流失 将给企 业和部门 带来一系列负 面影响， 如导致客户大量流失等。 统 计显示， 美国在 1 9 9 0 年到2 0 0 0 年的 十年间，发生 数据灾 难的公司中，有5 5 % 的当时倒闭，剩下的4 5 % 中因 为数据丢 失有2 9 %的 在两年后倒闭。 由 此可见，无论是在线数据中断还是数据丢失， 产生的后果都不仅仅是数据 本身，因 此在提高技 术措施的同时， 还要加强管理 制度的完善。防 止数据丢失 的第一道防线是实行 数据备份 5 1 。 无论是在 线数据还是离线数据， 备份都是减少 数据损失不可缺少的重 要措施 6 7 1 。 本 文通过对文 件系统结构进行深入 分析后， 设计了文件系统备份恢复方案，实现了大型 服务器的文件系统备 份和恢复， 为 服务器的灾后重建提供方便，节省服务器重建的时间及劳动量，减少灾难带来 的经济损失。 1 . 1 . 2数据备份和恢复知识 备份是指用户为应用系统产生的重要数据或者原有的 重要数据信息制作一 份或者多份拷贝，以 增强数据的安全性。备份关注的是数据的安全， 我们可以 把备 份称作是 “ 数据 保护” 。 备份最 多表现为 通过备份软件使用磁带机或者磁带 库将数据进行拷贝， 也有用户使用磁盘、 光盘作为 存储介质。数 据备份作为存 储领域的一个重要组 成部分，其在存储系统中的地 位和作用都是不容忽视的。 对一个完整的企业i t 系统而言， 备份工作 是其中 必不可少的 组成部分。 其意义 不仅在于防范意外事 件的 破坏， 而且还是历史数据保存归档的最佳方式。换言 之，即便系统正常 工作， 没有任何数据丢失或破坏发生， 备份工作仍然具有非 第一章 绪论 常大的意义 为我们进行历史数据查询、统计和分析，以 及重要信息归档 保 存提供了可能。 按照备份操作的 方式 可以将备份分为完全备份和 增量备份8 。 完全备份，即 将整个磁盘卷或 逻辑磁盘的内 容拷贝 到另一个存储系统，它适用于服务器 存储 系统的备 份。执 行完全备份的主要目的 是为了提供更快的磁盘卷恢复，即 将整 个磁盘或 逻辑 磁盘的内容拷贝到单一磁带或是一组磁带上，这样灾难 恢复 将是 一个十分简单和 容易的 过程， 其主要缺点是: 对一个大的文件系统进行备 份时， 可能重复 备份这个文件中大量为修改信息，浪费大量的备份介质。 增量备份指 备份从上次备份 操作以 后新产生的数据。 增量备份的优点是备份所需时间 较短， 但是增量备份一个文件系统时速度较慢，因为在恢复过程中要检测文件系统的 整个备份记录， 即从最近一次完全备份文 件到目 前增量 备份文件的 所有变化记 录。本文介绍的 文件系统备份属于完全备 份，即 将整个 磁盘的文件系统数据按 照设计规则， 采取一定的 措施复制到指定的目 标地点， 并对复制后的 数据进行 组织管理。 文件系统 备份主要涉及的 技术是镜 像技术。 镜像是 将特定 格式的 文件按照一 定的格式制作成单一的文件 ( 我们称为 镜像文件) 进行存储的 过程。 在镜像文 件中 可以 包含更多的信息，比如说系统文件、引 导文件、 分区 表信息等，这 样 镜像文件就可以 包含一个分区 甚至是一块硬盘的 所有信息。 简单的说镜像文 件 相当 于一个文件 数据存储的中 转，我们首先读出 源文件数据写入镜像中， 然后 再从镜像中 读出 数据用来恢复目 标盘。镜像 文件是 文件系统备份/ 还原必不可少 的部分， 不同的 文件系 统镜像文件的 组织结构也不同。 对于 本文所研究的n i t s , x f s 文件系统 ， 其镜像文件的 组织结构分别 在第三章、第四 章中进 行介绍。 数据备份的根 本目 的是 重新利用 在系统遭受破坏或其他特定情况下， 把 保留在介质上的 数据重新恢复。因此说， 备份工作的核心 是恢复，一个无法恢 复的备份，对任何系统来说都是毫无意义的。 数 据恢复是 指对突发的数据灾难进行 恢复， 如由 于病 毒、 系统故障 等逻辑损 坏造成的数据丢失，或者是由意外事故、电 击、 水淹、 火烧、震荡、撞击、机 械故 障等硬 件原因 造成的数据丢失9 。 恢 复技术一般可以 分为 两大类， 一类是从 损坏的数据载体和被损坏或者是删除的 文件的集合中 获得有用数据的过程。这 种数据的丢失是突 然发生的， 用户并没有提前做好备份， 在恢复的时候需要精 密的 仪器及 工作室， 通过解读数据载体来还原数据。数据载体包括:磁带、 磁 第一章 绪论 盘光盘和半 导体存 储器等。一般将这 类数据恢复技术分为物理 和逻辑 数据恢复: 物理数据恢复是指从损坏的介质里提取原始数据;逻辑数据恢复是指重构文件。 我们经常会遇到 纯粹的 逻辑数据丢失， 例如， 文件误删除、误分区、 误格式 化 或病毒破坏， 这些 仅需要逻辑重构; 有些情况 下的硬盘机械损坏可能只需要物 理恢复就能 解决， 而不需要逻辑 重构d o g 。 另一类数据恢复技术是指通过数据备 份还原丢失数 据的 过程。 本文所 研究的 就是后 面这一类数据恢复技术， 通过对 磁盘文件系统进行备份，然后由镜像文件中的备份数据对原文件进行恢复还原。 1 . 1 . 3研究背景 论文中 关于x f s 文件系统备 份/ 恢复系统和wi n f s 文件系统备份 / 恢复系统的 研究来源于 某国 际 软件公司的合 作研发课题。由 于微软 停止 w i n f s 文件系统的 开发， 我 们只对w i n f s b e t a l 版文件系统的 进行研究， 结果 显示该文件系统存储 结构是基于n t f s 文件系统的， 对n t f s 文 件系统备份/ 恢复 可以 完成对 w i n f s 文件系统的 备份 / 恢复，因 此我们设计了n t f s 文件系统备份/ 恢复。 系统参照l i n u x k e me l 2 .6 .8 内 核中x f s . n t f s 两部分 源码完成代码编写任 务。 文中 提到的两种 系统开 发中都 严格遵守了软件 工程开 发原则， 主要经历以 下 几 个 开 发阶 段 u 几 ( 1 ) 软件定义阶段: 此期间 主要的工 作是确定软件开 发工程必须完 成的总目 标， 对系统的 技术可 行性、经济可 行性、 操作可行性等进行分析:经过前期调研确定软件系统的功 能需求、 性能需求 和运行环境的 约束， 编写软件需求规 格说明 书。 ( 2 ) 软件开发阶段: 软件开发阶段主 要完成软件的 设计与实现， 包 括以 下几步: 首 先在软件需求 规格说明书的 基础上， 完成系统概要设计报告: 第二步对概要设计产生的功能 模块逐步 细化， 将模块内 部细节转化为可编程的程序过程性描述，编写系统详 细设计报告;第三 步编写代码， 把详细设计转化为能 在计算机 上运行的 程序。 ( 3 )软件测试阶段: 该阶段主要是 编写测试脚本， 按照测试案 例对系 统进行单 元测试、 集成测试、 系统测试。 ( 4 )软件运行和维护阶段: 第一章 绪论 此阶段将软件移交给公司使用， 根据公司的测试结果及需求变化对软件进行 必要的修改。 第二节 本文结构安排 本文第一章为绪论部分， 简单的阐 述了 研究 背景， 对备份和恢复的 概念及 数 据备份/ 恢复的意义与重要性进行了介绍。 第二章分别就本文所研究的n t f s , wi n f s 及 x f s三种文件系统及相关基本 概念进行了介绍，并对它们的系统结构进行分析。 第三章首先通过对 wi n f s文件系统进行相关实验， 验证了使用 n t f s文件系 统 备份/ 恢复w m f s 文件系统的正确性， 然后 介绍了n t f s 文件系统备份 准 复 的 设计与实现，并对系统中遇到的主要问题进行了分析。 第四章 讲述x f s 文件系统备份/ 恢复的 设计与实 现及设计中 遇到的 难点。 第五章 总结了 系统设计的 思路及部分模块设 计心得。 第二章 文件系统结 构研究 第二章 文件系统结构研究 文 件系统是操作系统的重要组成部分， 它是系 统中的 数据信息的管理 组织 形 式。文件 系统管 理和组织保存在磁盘驱动器上的数据， 实现数据完整性，即 保 证写入磁 盘的 数据和随后读出的内容的一致性。 除了保存以文件方式存储的 数 据以外， 文件系统同样存储和管理关于文件 和文件系统自 身的一些重要信息， 这些信息被称为元 数据 ( m e t a d a t a ) o 具体分析 起来， 文件系统的 含义又比 较模糊。 首先， 文件含义就有狭义与广 义之分。狭义地说，文件是指磁盘文件，进而可以是有组织有次序地存储于任 何介质 ( 包括内 存) 中的一组信息。 广 义地讲， l i n u x 从开始时 就把外部设备都 当 成 “ 文件” 。 从这个意义上讲，凡是可以 产生或消耗信息的 都是文件.以 在网 络环境中 来收发报文的 “ 套接口” 机制来说， 它就不代表存储着的信息， 但套 接口 的发送端 “ 消耗” 信息，而接收端则 “ 产出” 信息，所以 把套接口 看成文 件是合乎逻辑的。 即 使抛开文件定义的模糊性不说， 文件系统又 进一步 有几种不同的 含义， 要 根据上下文才能加以区分: ( 1 ) 指一 种特定的文件格式。 例如，我 们说 l i n u x的 文件 系统是e x t 2 . ms d o s 的文件系统是f a t 1 6 ， 而wi n d o w s n t / 2 0 0 0 的文件系统是n t f s 或f a t 3 2 就是指这个意思。 c 2 ) 指 按特定 格式进行了“ 格式化” 的块 存储介质。 我们说“ 安装” 或 “ 拆 卸”一个文件系统时指的就是这个意思。 c 3 ) 指操作系统中 ( 通常在内 核中) 用来管理文件系统以 及对文件 进行 操 作的 机制及其实现 1 2 1 本文中 所提到的文件系 统是指 ( 1 )中 提定义的文件系统。我 们研究的 文件 系统包括nt f s 文件系统、wi n f s 文件系统和 x f s文件系统，下面的三节中将 对这三种文件系统分别进行详细的介绍。 第二章 文件系 统结构研究 第一节 n t f s 文件系统 2 . 1 .1 n t f s 文 件系统 介绍 1 9 8 8 年， m i c r o s o ft 就己 经支 持两种文 件系统用 于m s - d o s 和m i c r o s o ft w i n d o w s 的f a t文件系统以 及用于o s / 2 操作系统的 高性能文件系统 ( h p f s : h ig h p e rf o rm a n c e f ile s s y s t e m ) 。 但 是 ， 这两 种 文 件 系 统中 都 有 一 些 限 制 ， f a 7 ， 文 件系统最适用于大约 2 0 0 mb以下的驱动器和/ 或分区，当卷容量增大时，f a t 的 性能会快速降低， 而且 在f a 7 ， 分区中 不能对文 件设置权限; h p f s 文件 系统对 2 0 0 - 4 0 0 m b大小的 驱动 器是最 好的， 对小于2 0 0 m b或是大于4 0 0 m b的 卷，就 会有一些性能上的退化， 而且用 户不可以 在w i n d o w s n t 下的h p f s 中设 置安全 性. 这 就使得他们与 将要 用于w i n d o w s n t 的文件系统比 较起来可靠性 不足， 或 是他 们不能处理希望运行在 w i n d o w s n t操作系统的大的系统配置。 因此， win d o w s n t 小组决定创建一个新的 文件系统 n t f s 1 3 1 o n t f s ， 即n e w t e c h n o lo g y f ile s y st e m 141 ， 是 专 用 于w in d o w s n t / 2 0 0 0 操 作 系统的高级 文件系统， 它支持 文件系统故障恢复， 尤其是大 存储 媒体、 长文件 名和p o s i x子系统。 该文件系统 建立在保护 文件和目 录数据 基础 上，同 时照顾 节省 存储资 源、减少磁盘占 用率的一 种先进的文件系统 1 5 1 。 它的 优点是安全性 和稳定性及其出色， 在使用中 不易 产生文件碎片，同时还提供了容 错结构日 志， 可以 将用户的全部操作记录下来， 从而保证了系统的安全性。 n t f s 通过将所有的文件看 作具有用户定 义和系 统定义 属性的 对象 1 6 1 ， 来支 持面向 对象的应用程序。 n t f s 文件系 统具有如下特性: ( 1 )可恢复性:为了 满足用于可靠的 数据存储和数据访问的 要求， n t f s 提供了基于事务处理模式的文件系统恢复。 ( 2 ) 安全性: n t f s 的安全 性直接源于wi n d o w s n t 的 对象 模式， 一个打开 的 文件是 作为一个文件对象来实现的，描述文件安全性的安全描述符，作为该 文件的一部分存储在磁盘上。 ( 3 ) 数据容错: n t f s 使用事务登陆的 技术来跟踪对磁盘的 修改， 因 此n t f s 可以在几秒钟内恢复错误。 ( 4 ) 大磁盘和大文件: n t f s采用 6 4位寻址方式， 理论上 使每个文件可 拥有2 的6 4 次字节， 这样可以 满足大文件的 存储。 ( 5 ) 多数据流: 在 n t f s中， 每个与文 件有关的信息单元， 包括文件名、 第二章 文件系统结构研究 文件所有者、 文件的内 容等，都作为文 件属性 来执行。 每个属性由 单个的 “ 流” 组成， 即简 单的 文字队列。这种实现方 式很容易为每 个文件添加更多的 属性。 ( 6 ) 基于u n i c o d e 的名称: n t f s 完全启 用u n i c o d e ， 使用u n i c o d e 字符来 存储文件名、目 录和卷。 ( 7 ) 通 用的 索引结构: n t f s 的体 系结构被组织成允许在一个磁盘 卷中索引 文件属性，使得文件系统能有效地定位匹配某种标准的文件。 ( 8 ) n t f s 采用更小的簇， 可以 更有效的管理磁 盘空间 1 7 1 ( 9 ) 动 态坏簇重映射: w i n d o w s n t 容错驱动程序可以动态的 恢复 保存在坏 扇区上的数据的好的副本， 然后给n t f s发出该扇区是坏的通知， n t f s 将分配 一个新 簇来取代坏扇区中的 簇， 并 将数 据复制到新簇中。 n t f s 将标记该 坏扇区 并不再用它。 ( 1 0 ) p o s i x支持: n t f s 完全支持p o s i x 1 标准。 ( p o s i x子系统是指定 于了 一组操作系统服务的“ 电 器和电 子工程师协会” i e e e 标准， 支持p o s i x标 准的 程序可以很容易的地从一个系统转向另一个系统， p o s i x建 立在u n i x系 统服务的基础上， 但它是按允许其它操作系统执行的方 式创建的 1 8 1 ) n t f s 引入了新型的日志文件系统， 与原有的f a t l 6 . f a t 3 2相比， 在容错性、 安全性、稳 定性等 方面，都有极大的提高。其主要优点 体现在以 下几个 方面: ( 1 ) 容 错 性 191 n t f s可以自 动地修复磁盘错误而不会显示出错信息。w i n d o w s 2 0 0 0向 n t f s 分区中写文件时， 会在内 存中 保留 文件的 一份拷贝， 然后检查向 磁盘中所 写的文 件是 否与内 存中的一致。 如果两者不一致， w i n d o w s就把 相应的 扇区标 为 坏扇区而不再使用它 ( 簇重映 射) ， 然后用内 存中保留 的文件拷贝 重新向磁盘 上写 文件。 如果在读文件时出 现错误， n t f s 则 返回 一个读错误信息， 并告知相 应的 应用程序数据己 经丢失。 ( 2 ) 本 地安全性2 0 1 本地安 全性是指在n t f s 文件系 统中的 所有数 据都具有n t f s 权限 ， 因 此管 理员可以对 每一个用户分配到每一个n t f s 文件的 不同 权限， 用户必须获 得明 确 的授权才能访问资源，如果用户没有被授予权限，它就不能访问相应的文件或 文件夹。 n t f s 还支持加密文件系统 ( e f s : e n c ry p t f i l e s y s t e m) ，可以 阻止没 有授权的用户访问文件。 ( 3 )文件压缩 第二章 文件系统结构研究 n t f s 文件系统带来的另一 个好处是支持文件压缩功能， 用户可以 选择压缩 单个 文件或整个文件夹。这 种压缩不同 于 f a 7 ， 结构中， 对驱动器卷的压 缩， 其 可控性和速度都要比f a i ， 的磁盘压缩要好的多。 ( 4 ) 配额管理2 1 1 所谓磁盘限额就是管理员可以为用户所能使用的磁盘空间进行配额限制， 每 位用 户只能使用最大配额范围内 的磁盘空间。设置磁盘配额，可以 对每一用户 的磁 盘使用情况进行跟踪和控制， 通过监测可以标识出超过 配额 报警闽 值和配 额限 制的用户，从而采取相应的 措施。 磁盘配额管理功能的提供， 使得 管理员 可以 方 便合理地为用户分配存储资源， 避免由于磁盘空间使用的失 控可能 造成 的系 统崩溃， 提高了 系统的安全性。 n t f s 5 中的q u o t a s 可以 以 用户或者卷为单 位， 提供硬性限制和警告两 种类型的功能. 磁盘限 额可以 在n t f s 分区的“ 属性” 中进 行设置。 打开一 个n t f s 分区的 属性对话框， 可以 看到一 个叫“ 定额” 的标 签， 在这个标签下可以设置磁盘配额的报警阐值、磁盘限额的最大空间及对每 个用户的 配额限 制。 2 . 1 . 2 n t f s 文件系统结构分析 2 . 1 . 2 . 1 n t f s 文件系统基本概 念 簇2 2 1 ( c lu s t e r ) :簇是指可 分配的 用来保存文件的最小磁 盘空间， 计算机中 所有的 信息 都保存 在簇中。 在n t f s 中， 文 件系统不需要 考虑扇区的大小， 文件 存取都是以 簇为单位进行分配， 簇的 大小是在格式化时由 格式化程序根据卷大 小自 动的进行分配。 表 2 . 1 n t f s簇大小 卷容量缺省的簇大小每簇的扇区 小于或等于5 1 2 m 5 1 2 b1 5 1 3 m - - 1 0 2 4 m1 k b 2 1 0 2 5 m- 2 0 4 8 m 2 kb4 大于或等于2 0 4 9 m4 kb8 主 控 文 件 表124 1 ( m f t : m a s t e r f il e t a b le ) : 是n t f s 卷 结 构的 核 心 2 31 ， 组织 和管 理磁盘上的 所有文件， m f t表是 一个对应的数 据库，由 一系列的文 件记录 组成。卷中每一个文件都 有一个文件记录 ( 对于大型文件还可能 有多 个记录与 一一一一一一一一一一 m - * jz 4t- * f_ 之相对应) 。主文件表本身也有它自 己的文 件记录。 m f t由 一些长度固 定的记 录以 列表形式组成， ，不管簇的 大小是多少， 记录的 大小均为 1 k b ，每个 记录具 有一系列属性， 分别唯 一标识对应文件或目 录的内容。 文件记录在m f t 文件 记 录数组中物 理上是 连续的， 且从0 开始编号，所以， n t f s 是 预定 义文件系统。 m f t仅供系统本身组织、架构文件系统使用，这在 n t f s中称为元数据 me t a d a t a ， 是存储在卷上支 持文件系统格式管理的数据。 它不能 被应用程序访 问， 只能为系统提供服务) 。 其中最基本的前 1 6个记录是操作系 统使用的非常 重要的 元数据件， 这些元数据文件是系统驱 动程序管理 卷所必 需的。 在表2 . 2 中 列出n t f s 中 所有的 元文 件: 表 2 .2 me t结构 序号文 件 名 功能 0 $ mf t 主文件表本身 1 $ mf tmi r r 主文件表的部分镜像 2 $ l o g f i l e日志文件 3 $ vo l u me 卷文件 4 $ a tt r de f 属性定义列表 5 $ r o o t 文件系统的根 目 录 6 $ b i t m a p位图文件 7 $ bo o t 引导文件 8 $ b a d c l u s 坏簇文件 9 $ s e c u r e 安全文件 1 0 $ u p c a s e 大写文件 1 1 $ e x t e n t me t a d a t a d i r e c t o ry 扩展元数据 目录 1 2 $ e x t e n t / $ r e p a r s e 重解析点文件 1 3 $ e x t e n t / $ us n j m 变更日志文件 1 4 $ e x t e n t / $ q u o t a 配额管理文件 1 5 $ e x t e n t / $ o b j l d对象 i d 文件 1 6 2 3 保留 属性 2 s 1 : n t f s 将文件 作为 属性/ 属性值的 集合来处 理， 这一点与其他文件系 统不一 样。文件数据就是未 命名属性的值， 其他文件属性包括文件名、 文件拥 第二章 文件系 统结 构研究 有者、 文件时间标记等。 每个属性由单个的流 ( s t r e a m ) 组 成，即 简单的 字符队 列。 严格地说， n t f s 并不对文 件进行操作， 而只是 对属性 流进行读写。 每个文 件记录都有多个属性，他们是相对独立的，各 自有各 自的类型和名称，不同的 属性及其结构和含义各不相同，表2 . 3为属性类型及其含义 ( 并不是所有的文件 都包含这些属性) 。 表2 . 3 n t f s 属性类型表 属性名属性描述 s v o l u h 企 i n f o r ma t i o n 卜 信 息 : 。 在 于 $v o lu me 元 数 据 文 件 中 $ v o l ua 正 n ame 卜 名 称 或 卷 标 识 : 仅 存 在 于 $v ol ume 元 数 据 文 件 中 $ f il e n am e 文件名:以u n i c o d 字符表示的，一个 文件可有多种文件属性 s s t a n d a r d i n f o r ma t i o n 示 准信息:这包括基本文件属性，如只读、存档: 有多少目 录指向本文 件 等。 $ s e c u r i t y d e s c r i p t o r 安全描述符:这是为了向后兼容而保留的，主要用于保护文件以防止未授 权访问，但是，wi n d o ws 2 0 0 0 / x p 己 将所有文件的安全描述符存放在了 $ s e c u r e 元数据文件中，以便共享. $ d a t a 文件数据 :这是 文件 的内容 。 $ i n d e x r o o t 索弓 i 根 s i n dex all oc ati on 索引分配 犯 it ma p位 图 弘 了 t ri b u t e l i s t 属性列表:当一个文件需要使用多个wt 文件记录时，用这个来表示文件 的属性列表 $ o b j e c t 拍 卜 象 id % 64字 节 的 标 识 符 ， 其 中 ， 低 的 16个 字 节 对 卷 来 说 是 唯 一 的 s r e p a r s e p o i n t 重解析点:存储文件的重解析点数据. s e a 卜 充 属 性 : 主 要 是 为 于 o s/20 4$ , 现 在 使 用 不 多 s e a i n f o r m a t io n 扩充属性信息:主要是为于o s / 2 兼容，现在使用不多。 $ l o g g e d u t i l i t y s t r e a m e f s 加密属性:主要是实现e f s ( e n c r y p e df i l e s y s t e m) 常驻属性 ( r e s i d e n t a t t r i b u t e ) : 当一个文件很小时， 其所有属性和属 性值可 存放在m f t的文件记录中 ，该 属性就成为常驻属性。 有 些属性总是常驻的， 这 样n t f s 才能确定其他非 常驻属 性. 例如， 标准信息属性 和根索引属性就总是常 第二章 文件系统结构研究 驻属性。 非常驻属性 ( n o n r e s i d e n t a t t r i b u t e ) : 如果一 个属 性， 例如文件的 数据属性， 太大而不能存放在只有1 k b 的m f t 文件记录中，那么n t f s 将从m f t 表之外 的 磁盘空间为其分配区域， 这些区域通常 称为一个运行 ( r u n ) 。 如果属 性值是不 连续的， n t f s 将分配多个运 行，以 便来管 理不连续的 数据。 存 储在运