windows文件系统

1、Windows 文件系统调研报告马振磊计算机科学技术 NTFS内部格局 恢复 安全 卷管理和容量 压缩与加密 安装点 变更日志 卷影子副本 什么是文件系统什么是文件系统文件系统又被称作文件管理系统，它是指操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构。文件系统由与文件管理有关的软件、被管理的文件以及实施文件管理所需的数据结构这三部分构成。 常见的文件系统类型常见的文件系统类型 Microsoft Windows系列操作系统中共使用了5种不同的文件系统，它们分别是：FAt12、FAT16、FAT32、NTFS和HPFS。 下面将对这5种文件系统的特点做简单介绍，其中FAt12、FAT16、FAT32

2、均是Fat文件系统，是File Allocation Table的简称。 FAT12文件系统的特点文件系统的特点采用12位文件分配表，使用在DOS3.0以前，并因此而得名。目前这种文件系统仍然在软盘驱动器中使用，其他介质中基本已经不再使用这种文件系统了。Fat12文件系统可管理的磁盘容量是8M，在当时没有硬盘的情况下，这个磁盘管理能力是非常大的。 FAT16文件系统的特点文件系统的特点FAT16文件系统采用16位字长的分区表，可使用的簇的总数增加到2的16次幂（65536）个。Fat16文件系统在刚推出时可管理磁盘的能力为32M。随着硬盘技术的发展，DOS 4.0之后的Fat16文件系统可管理

3、128M的磁盘。这个数字不断的发展，直至发展至2G。 FAT32文件系统的特点文件系统的特点 FAT32文件系统可支持的磁盘分区的大小最大为32GB，但不支持小512MB的分区；支持的最大单个文件的大小为4GB； FAT32文件系统采用大小为4KB的簇，磁盘利用效率高，可更有效地保存信息； FAT32文件系统的启动记录被包含在一个含有关键数据的结构中，减少了计算机文件系统崩溃的可能性； HPFS文件系统文件系统 HPFS（High Performance File System）高性能文件系统是 OS/2操作系统的一种文件系统。 HPFS文件系统用来在多个硬盘（最大支持2T）间处理大文件（最大

4、支持2G），同时支持长文件名（多达256个比特）。HPFS应用一个中央定位的根目录以及B树来增加文件访问速度，可以与MS-DOS、FAT同时运行或者各自独立运行。 NTFS文件系统的特点文件系统的特点NTFS可以支持的分区(如果采用动态磁盘则称为卷)最大大小可以达到2TB；NTFS是一个可恢复的文件系统。NTFS支持对分区、文件夹和文件的压缩。 NTFS采用了更小的簇，可以更有效率地管理磁盘空间。基于Win 2000,XP的NTFS文件系统下可以进行磁盘配额管理。 NTFS内部格局内部格局 NTFS 文件系统与以前的FAT 文件系统完全不同， 他采取了不同的方式对文件系统的数据及进行管理，甚至

5、包括文件系统管理数据本身； 因此在NTFS 中引入了一些全新的 概念和结构。 1、 MFT (Master File Table) MFT(Master File Table)主文件表 的简称， 它是 NTFS 文件系统的核心； MFT 表由 若干个“(1024字节大小的)MFT 项” 构成。 大小： 系统刚刚创建时， 内部只包含17个 MFT 项， MFT 文件 大小为 32Kb MFT 项：项： 大小：大小： 1024 字节 ； 每个MFT 项 最多包含最多包含 65536 个属性。个属性。 作用：作用： 描述所对应的文件或目录的信息(每个文件或目录都会有一个与之对应的MFT 项)。 结构

6、：结构： MFT 项分为2部分(MFT 头 、 MFT 属性(MFT 属性又分为：MFT 属性头、属性内容)） MFT 头：头： 大小：大小： MFT 项中的前 “数十字节” 为MFT 头。 作用：作用： 描述该MFT 项的类型(即指明其所拥有者的类型，目录后者文件类型)、文件起始簇号、大小等等信息。 注意：注意： 每个文件或目录都必须至少有一个MFT 项， 而MFT 项是在查找文件/目录时，除了引导扇区外 必须首先查找的。通过MFT 表获取目标的对应MFT 项， 便可通过MFT 项获取数据。 NTFS卷总体结构 NTFS卷的元数据均保存在文件中。第一个文件是MFT。第二个文件，用于MFT文件

7、遭破坏时的恢复，包括了MFT前16项的一个副本。 可恢复性可恢复性 文件系统的可恢复性是NTFS设计的目标之一 ，对许多简单文件系统，非正常时间掉电会导致文件系统的数据结构遭到极其严重的破坏，甚至能把整个卷搞乱。恢复这些数据经常会删除损坏了的文件和释放数据簇，这种检查是一个很缓慢的过程，并且会丢失相当数量的数据。 文件系统的可恢复性取决于文件系统的写入操作方式： 谨慎写（谨慎写（careful write）文件系统）文件系统例如FAT文件系统的“写通”技术 。速度性能差 延迟写（延迟写（lazy-write）文件系统）文件系统例如UNIX文件系统的 “写回”高速缓存技术。可恢复性差 事务日志（

8、事务日志（transaction log）文件系统）文件系统 试图既超越谨慎写文件系统的安全性，也达到延迟写文件系统的速度性能。 例如NTFS通过基于事务处理模式的日志记录技术，成功保证了NTFS卷的一致性，实现了文件系统的可恢复性。 NTFS的可恢复性依赖于NTFS在内存中维护的两张表：n事务表（transaction table）n记录已启动但尚未提交的事务，以便在恢复过程中从磁盘删除这些活动事务的子操作。n脏页表（dirty page table）n记录缓存中包含已对文件系统结构进行了修改但尚未写回磁盘的页面，以便在恢复过程中将这些数据刷新到磁盘。 应当注意的是： NTFS保证恢复过程会

9、使卷回到原先的某个一致的状态，但不能保证刚好是系统崩溃之前的状态。 恢复过程产生的卷是一致的。 安全性安全性 文件系统的安全性也是NTFS设计的目标之一，主要包括： 一是对文件和目录的进行权限设置一是对文件和目录的进行权限设置 只有用户在被赋予权限或是属于拥有这种权限的组，才能对文件或目录进行访问。 权限是累积的。当组A用户对一个文件拥有“写入“权限，而组B用户则只有“读取”权限。用户C同属两个组，则C也将获得“写入”权限。 拒绝访问”权限优先级高于其他所有权限。如果组A的权限是“写入”，而组B则是“拒绝访问”，那么同属两个组的用户C也不能读写该文件。 文件权限始终优先于目录权限。 当用户在相

10、应权限的目录中创建新的文件和子目录时，创建的文件和子目录继承该目录的权限。 创建文件或目录的拥有者，总是可以随时更改对文件或目录的权限设置来控制其他用户对该文件或目录的访问。 二是对文件和目录进行加密。二是对文件和目录进行加密。文件加密是对文件中的内容，按照一定的变换规则进行重新编码，从而得到新的无法正常可读的加密文件。 当今流行的加密算法有置换表算法、对称密钥算法、以及非对称密钥算法等 卷管理和容量卷管理和容量 NTFS是以卷为基础的。卷建立在磁盘分区之上。分区是磁盘的基本组成部分，是一个能够被格式化和单独使用的逻辑单元。当以NTFS格式来格式化磁盘分区时就创建了NTFS卷。一个磁盘可以有多

11、个卷，一个卷也可以由多个磁盘组成。Windows 2000/XP常使用FAT卷和NTFS卷。一个36GB硬盘的三种磁盘配置的实例如下： 压缩与加密压缩与加密 对稀疏文件解压缩对稀疏文件解压缩：NTFS只给那些包含非零数据的运行分配磁盘空间 当程序从压缩文件中读取数据时，NTFS通过检测该位置是否有VCN(虚拟簇号)到LCN(逻辑簇号)的映射来决定该数据是不是零数据。若有映射，则为非零数据，需要从磁盘上读取；若没有映射即存在尚未分配的“空洞”（unallocated hole），则为零数据，就直接返回零数据。 对非稀疏文件的解压缩对非稀疏文件的解压缩NTFS是以16个簇为压缩单元来进行一般文件的

12、压缩的。 当NTFS向压缩文件写数据时，它确保每个运行都以一个虚拟16簇边界开始。因此每个运行中VCN都是以16的倍数开始的，并且运行的长度不大于16。 加密加密 NTFS文件权限许可并不能完全保护数据。 NTFS包含有一个称为EFS（Encrpyting File System）的工具，可以用来加密数据。EFS操作如同文件压缩一样，对应用程序而言是透明的。也就是说，当受权用户的程序需要读数据时，数据自动解密；当需要改变数据时，数据自动加密。 EFS依赖于Windows 2000/XP所提供的处于用户态的加密服务。安全验证子系统）通信的DLL和加密DLL 加密文件只能通过一个账号的EFS私有/

13、公共密钥对的私有密钥来访问，而私有密钥用账号的口令加锁。因此，没有受权账号的口令，不能用其他方法访问EFS加密文件。 应用程序可以用Win32 API EncryptFile和DecryptFile来加密或解密文件，可以用FileEncrpytionStatus来获得有关文件和目录的EFS有关属性，如文件和目录是否已加密。 安装点安装点 安装点是NTFS目录特有的一种符号链接。他们提供了更加灵活的机制，以便管理员不仅仅提供符号链接（如驱动器字母），而且还能更好地组织磁盘卷。安装点以符号连接的形式实现，与其相关联的数据包含其真正的文件名。最终安装点可完全取代驱动器字母，虽然这一转换过程会比较长，

14、因为许多程序使用驱动器字母方案。 Windows根文件系统的安装是系统初始化的关键部分。这是一个相当复杂的过程，因为windows内核允许根文件系统存放在很多不同的地方，比如硬盘分区、软盘、通过NFS共享的远程文件系统 安装根文件系统分两个阶段： （1）内核安装特殊rootfs文件系统，该文件系统仅提供一个作为初始安装点的空目录。 （2）内核在空目录上安装实际根文件系统。 变更日志变更日志 NTFS使用一个日志描述对文件系统所做的所有使用一个日志描述对文件系统所做的所有修改。修改。 许多类型的应用需要监视卷上文件或目录的改变。许多类型的应用需要监视卷上文件或目录的改变。 方法一：对卷进行扫描以

15、记录文件和目录的状态，在以后的扫描时记录变化情况。 方法二：让应用程序通过Win32函数FindFirstChangeNotification或ReadDirectoryChangesW来注册目录通知。 方法三：应用程序可以向函数DeviceIOControl传递文件系统控制代码FSCTL_CREATE_USN_JOURNAL，来配置NTFS日志记录，这样NTFS将文件和目录改变记录到一个内部日志文件中。日志文件足够大，几乎可以保证应用程序能有机会来处理记录。应用程序可以使用FSCTL_QUERY_USN_JOURNAL文件控制代码来读日志文件，也可以指定只有新记录时DeviceIOControl才完成。 卷影子副本卷影子副本 卷影副本，也称为快照，是存储在 Data Protection Manager (DPM) 服务器上的副本的时间点副本。副本是文件服务器上单个卷的受保护共享、文件夹和文件的完整时间点副本。 启用卷影副本服务启用卷影副本服务“卷影副本”只能针对磁盘分区或卷进行设置，而不能针对特定的文件夹来设置。该服务支持文档、表格、图形图像以及数据库文件副本的创建，但不支持应用程序的升级前版本以及E-mail数据副本的创建。以在Windows Serv