Физическая организация файловых систем ext2, ext3, ext4

Как и в любой файловой системе UNIX, в составе ext2 можно выделить следующие составляющие:

− блоки и группы блоков;

− индексный дескриптор;

− суперблок.

Всё пространство раздела диска разбивается на блоки фиксированного размера, кратные размеру сектора: 1024, 2048, 4096 или 8192 байт. Размер блока указывается при создании файловой системы на разделе диска. Меньший размер блока позволяет сэкономить место на жёстком диске, но также ограничивает максимальный размер файловой системы. Все блоки имеют порядковые номера. С целью уменьшения фрагментации и количества перемещений головок жёсткого диска при чтении больших массивов данных блоки объединяются в группы блоков.

Базовым понятием файловой системы является индексный дескриптор, или inode (англ. information node). Это специальная структура, которая содержит информацию об атрибутах и физическом расположении файла. Индексные дескрипторы объединены в таблицу, которая содержится в начале каждой группы блоков.

Суперблок (Superblock)

Описание группы блоков (Group Description)

Битовая карта блоков (Block Bitmap)

Битовая карта индексных дескрипторов (Inode Bitmap)

Таблица индексных дескрипторов (Inode Table)

Данные (Data)

 

Суперблок (Superblock)

Описание группы блоков (Group Description)

Битовая карта блоков (Block Bitmap)

Битовая карта индексных дескрипторов (Inode Bitmap)

Таблица индексных дескрипторов (Inode Table)

Данные (Data)

Рисунок 15 - Обобщенная структурная схема ФС ext2

 

Суперблок - основной элемент файловой системы ext2. Он содержит общую информацию о файловой системе:

общее число блоков и индексных дескрипторов в файловой системе,

число свободных блоков и индексных дескрипторов в файловой системе,

размер блока файловой системы,

количество блоков и индексных дескрипторов в группе блоков,

размер индексного дескриптора,

идентификатор файловой системы.

Суперблок находится в 1024 байтах от начала раздела. От целостности суперблока напрямую зависит работоспособность файловой системы. Операционная система создаёт несколько резервных копий суперблока на случай повреждения раздела. В следующем блоке после суперблока располагается глобальная дескрипторная таблица - описание групп блоков, представляющее собой массив, содержащий общую информацию обо всех группах блоков раздела.

Все блоки раздела ext2 разбиваются на группы блоков. Для каждой группы создаётся отдельная запись в глобальной дескрипторной таблице, в которой хранятся основные параметры:

номер блока в битовой карте блоков,

номер блока в битовой карте inode,

номер блока в таблице inode,

число свободных блоков в группе,

число индексных дескрипторов, содержащих каталоги.

Битовая карта блоков - это структура, каждый бит которой показывает, отведён ли соответствующий ему блок какому-либо файлу. Если бит равен 1, то блок занят. Аналогичную функцию выполняет битовая карта индексных дескрипторов, которая показывает, какие именно индексные дескрипторы заняты, а какие нет. Ядро Linux, используя число индексных дескрипторов, содержащих каталоги, пытается равномерно распределить inode каталогов по группам, а inode файлов старается по возможности переместить в группу с родительским каталогом. Все оставшееся место, обозначенное в таблице как данные, отводится для хранения файлов.

Файловая система ext2 использует следующую схему адресации блоков файла. Для хранения адреса файла выделено 15 полей, каждое из которых состоит из 4 байт. Если файл умещается в 12 блоков, то номера соответствующих кластеров непосредственно перечисляются в первых двенадцати полях адреса. Если размер файла превышает 12 блоков, то следующее поле содержит адрес кластера, в котором могут быть расположены номера следующих блоков файла. Таким образом, 13-е поле используется для косвенной адресации.

При максимальном размере блока в 4096 байт кластер, соответствующий 13-му полю, может содержать до 1024 номеров следующих блоков файла. Если размер файла превышает 12+1024 блоков, то используется 14-е поле, в котором находится адрес кластера, содержащего 1024 номеров кластеров, каждый из которых ссылается на 1024 блока файла. Здесь применяется уже двойная косвенная адресация. И наконец, если файл включает более 12+1024+1048576 блоков, то используется последнее 15-е поле для тройной косвенной адресации.

Данная система адресации позволяет при максимальном размере блока в 4096 байт иметь файлы, размер которых превышает 2 ТБ.

ext3 или ext3fs - журналируемая файловая система, используемая в операционных системах на ядре Linux. Основана на ФС ext2.

Основное отличие от ext2 состоит в том, что ext3 журналируема, то есть в ней предусмотрена запись некоторых данных, позволяющих восстановить файловую систему при сбоях в работе компьютера.

Стандартом предусмотрено три режима журналирования:

writeback: в журнал записываются только метаданные файловой системы, то есть информация о её изменении. Не может гарантировать целостности данных, но уже заметно сокращает время проверки по сравнению с ext2;

ordered: то же, что и writeback, но запись данных в файл производится гарантированно до записи информации о изменении этого файла. Немного снижает производительность, также не может гарантировать целостности данных (хотя и увеличивает вероятность их сохранности при дописывании в конец существующего файла);

journal: полное журналирование как метаданных ФС, так и пользовательских данных. Самый медленный, но и самый безопасный режим; может гарантировать целостность данных при хранении журнала на отдельном разделе (а лучше - на отдельном жёстком диске).

Файловая система ext3 может поддерживать файлы размером до 1 ТБ. С Linux-ядром 2.4 объём файловой системы ограничен максимальным размером блочного устройства, что составляет 2 терабайта. В Linux 2.6 (для 32-разрядных процессоров) максимальный размер блочных устройств составляет 16 ТБ, однако ext3 поддерживает только до 4 ТБ.

ext4 - файловая система, основанная на ext3 и совместимая с ней (прямо и обратно). Отличается от ext3 поддержкой extent'ов, групп смежных физических блоков, управляемых как единое целое; повышенной скоростью проверки целостности и рядом других усовершенствований.

Новые возможности ext4 (в сравнении с ext3):

Использование экстентов. В файловой системе ext3 адресация данных выполнялась традиционным образом, поблочно. Такой способ адресации становится менее эффективным с ростом размера файлов. Экстенты позволяют адресовать большое количество (до 128 MB) последовательно идущих блоков одним дескриптором. До 4х указателей на экстенты может размещаться непосредственно в inode, что достаточно для файлов маленького и среднего размера.

48-битные номера блоков. При размере блока 4K это позволяет адресовать до одного экзабайта (2⁴⁸*4KB = 2⁵⁰*1KB = 2⁶⁰ B = 1 EB).

Выделение блоков группами (multiblock allocation). Файловая система хранит не только информацию о местоположении свободных блоков, но и количество свободных блоков, идущих друг за другом. При выделении места файловая система находит такой фрагмент, в который данные могут быть записаны без фрагментации. Это снижает уровень фрагментации файловой системы в целом.

Отложенное выделение блоков (delayed allocation). Выделение блоков для хранения данных файла происходят непосредственно перед физической записью на диск (например, при вызове sync), а не при вызове write. В результате, операции выделения блоков можно делать не по одной, а группами, что в свою очередь минимизирует фрагментацию и ускоряет процесс выделения блоков. С другой стороны, увеличивает риск потери данных в случае внезапного пропадания питания.

Превышен лимит в 32000 каталогов.

Резервирование inode'ов при создании каталога (directory inodes reservation). При создании каталога резервируется несколько inode'ов. Впоследствии, при создании файлов в этом каталоге сначала используются зарезервированные inode'ы, и если таких не осталось, выполняется обычная процедура.

Размер inode. Размер inode (по умолчанию) увеличен с 128 до 256 байтов. Это дало возможность реализовать те преимущества, которые перечислены ниже.

Временные метки с наносекундной точностью (nanosecond timestamps). Более высокая точность времён, хранящихся в inode. Диапазон хранящихся времён тоже расширен: если раньше верхней границей хранимого времени было 18 января 2038 года, то теперь это 25 апреля 2514 года.

Версия inode. В inode появился номер, который увеличивается при каждом изменении inode файла.

Хранение расширенных атрибутов в inode (EA in inode). Хранение расширенных атрибутов, таких как ACL, атрибутов SELinux и прочих, позволяет повысить производительность. Атрибуты, для которых недостаточно места в inode, хранятся в отдельном блоке размером 4KB.

Контрольное суммирование в журнале (Journal checksumming). Контрольные суммы журнальных транзакций. Позволяют лучше найти и (иногда) исправить ошибки при проверке целостности системы после сбоя.

Предварительное выделение (persistent preallocation). Сейчас для того, чтобы приложению гарантированно занять место в файловой системе, оно заполняет его нулями. В ext4 появилась возможность зарезервировать множество блоков для записи и не тратить на инициализацию лишнее время. Если приложение попробует прочитать данные, оно получит сообщение о том, что они не проинициализированы. Таким образом, несанкционированно прочитать удалённые данные не получится.

Дефрагментация без размонтирования (online Defragmentation).

Неинициализированные блоки (uninitialised groups). Позволяет ускорить проверку файловой системы. Блоки, отмеченные как неиспользуемые, проверяются группами, и детальная проверка производится, только если проверка группы показала, что внутри есть повреждения.

3.