Metody alokace bloků diskového zařízení - eAMOS

Systém souborů
1. Metody alokace bloků diskového zařízení
2. Sdílení složek a souboru více uživateli
3. Obvyklé souborové systémy ve Windows a v Linuxu
Metody alokace bloků diskového zařízení
• Blok: jednotka I/O přenosu mezi diskem a pamětí a představuje jeden nebo více diskových sektorů.
• Tři hlavní metody alokace:
Souvislá (contignous) alokace
• Každý soubor obsazuje sled za sebou jdoucích diskových bloků => adresování disku je tedy pak lineární.
• Vždy, když se posouvá disková hlava, jde o posun o jednu stopu.
• Počet nutných vyhledávání k alokování souboru je minimální.
• Souvislá alokace podporuje jak sekvenční, tak i přímý přístup k souboru.
• Souvislá alokace souboru je dána diskovou adresou prvního bloku a délkou soboru v blocích. Jestliže je soubor
dlouhý n bloků a adresa prvního bloku je b, potom tento soubor zabírá bloky b, b + 1, b + 2, ..., b + n - 1.
Adresářová položka každého souboru potom obsahuje adresu prvního bloku a délku prostoru alokovaného tomuto
souboru
• Operační systémy IBM, nebo ve starších OS u disket.
Problémy:
• Problém nalezení dostatečně velké souvislé oblasti k alokaci.
• Značná vnější fragmentace disku (Jak se soubory mažou, kopírují a mění, tak se disk rozpadá do malých
souvislých oblastí. Nakonec nebude možno najít žádnou dostatečně velkou souvislou oblast.) => Některé systémy
prováděly realokaci, ale její časová náročnost byla dosti značná.
• Při vytváření souboru nevíme předem jeho konečnou velikost (přidáváme do něj data)

Spojová (linked) alokace
• Tato metoda řeší všechny problémy souvislé alokace: Každý soubor je zde reprezentován spojovým seznamem
diskových bloků, které mohou být rozmístěny kdekoliv na disku.
• Každý blok ukazuje na ten následující. Každá adresářová položka ukazuje na první a poslední blok souboru.
• Zápis způsobí prosté vložení položky do spojového seznamu a přepsání ukazatele. Čtení je pak jednoduché
načítání bloků a tedy pohyb po spojovém seznamu.
• Nedochází tu k žádné vnější fragmentaci, neboť k vyplnění žádosti o nový blok může být použit kterýkoli z
volných. Není nutné deklarovat dopředu velikost souboru a není třeba provádět žádné zhušťování.
Problémy:
• Není vhodná pro přímý přístup k souborům. Další nevýhodou je neefektivní využití disku, protože část disku se
využije pro ukládání ukazatelů.
• Často se tento problém řeší tak, že se bloky seskupí do clusterů a alokují se clustery, nikoliv bloky. Cluster
se pak nadefinuje, jako jednotka práce s diskem. Ukazatele pak zaberou mnohem méně místa na disku.
Tato metoda však vede k nárůstu vnitřní fragmentace.
• Dalším problémem je spolehlivost (Co se stane v případě, že je jeden ukazatel poškozen Můžeme zdvojit
ukazatele, nebo uložit ještě další informace. To však vede k velké režii.)
• Přijatelným řešením je užití tabulky alokace souboru (FAT: file-allocation table), jejíž další výhodou je
možnost přistupovat k souborům přímo.

Indexová (indexed) alokace
• Sekvenční přístup k souboru.
• Všechny ukazatele uloží do jednoho zvláštního bloku – bloku indexů.
• Každý soubor má svůj vlastní indexový blok. I-tá položka v indexovém bloku ukazuje na i-tý blok
souboru. Adresářová položka pak obsahuje adresu indexového bloku. Tato metoda podporuje tedy i přímý
přístup k souborům.
• Pravděpodobná interní fragmentace, protože diskový prostor pro indexový blok je většinou větší, než prostor
potřebný pro ukazatele při spojové alokaci. Proto chceme, aby byl indexový blok co nejmenší.
• V případě velkého souboru, který vyžaduje mnoho ukazatelů se dá postupovat následujícími způsoby:
spojová struktura.
➔ indexový blok je běžně jeden diskový blok.
➔ pro umožnění existence velkých souborů je možno spojit několik diskových bloků dohromady.
➔ indexový blik může obsahovat např. malou hlavičku, kde je zaznamenáno jméno souboru a pak následuje seznam
prvních 100 ukazatelů na diskové bloky.
➔ následující adresa (poslední slovo v indexovém bloku) je nil pro malý soubor nebo ukazatel na další indexový blok
(u velkého souboru).
víceúrovňový index
➔ variantou spojové struktury je užít indexový blok pouze jako seznam odkazu na další indexové bloky, které potom
ukazují na diskové bloky souboru.
➔ při odkazu na nějaký blok souboru OS užije index první úrovně k tomu, aby nalezl index druhé úrovně, kde pak
najde adresu požadovaného bloku dat.
➔
➔ tento přístup může potom pokračovat indexem trojúrovňovým, čtyřúrovňovým atd. podle toho, jak maximálně
veliký soubor se může na disku objevit.
kombinovaný přístup
➔ Indexový blok (nebo inode) obsahuje řekněme 15 ukazatelů. Z nich prvních 12 ukazuje přímo na prvních 12 bloků
souboru.
Z toho plyne, že malé soubory nepotřebují vlastní indexový blok a vystačí si s inodem. Inody všech souborů jsou uchovávány ve
vyhrazené oblasti na disku.

Sdílení složek a souborů; více uživateli
Microsoft
Klasické MS sdílení
FTP (File Transfer Protocol)
Linux – Samba, NFS
Obvyklé souborové systémy ve Windows a v Linuxu
Souborový systém (anglicky filesystem) = označení pro způsob organizace dat ve formě souborů (a většinou i adresářů) tak,
aby k nim bylo možné snadno přistupovat. Základní ideou souborového systému je tedy zpřístupnění a ukládání dat pomocí
hierarchicky organizovaného systému adresářů a souborů. Souborové systémy jsou uloženy na vhodném typu elektronické
paměti, která je umístěna přímo v počítači (pevný disk nebo CD…) nebo může být zpřístupněna pomocí počítačové sítě
(NFS, SMB, AppleTalk…).
Různé souborové systémy mohou mít různá omezení, například:
• velikost paměťového média kterou je daný systém schopen pokrýt
• délka souboru
• délka jména souboru
• počet zanořených podadresářů
• podporovaná znaková sada
OS (původní)
Souborový systém
QDOS
FAT12
MS-DOS v2
FAT16
Windows 95c
FAT32
Windows NT
NTFS
Linux
ext2, ext3, ext4, reiserfs, reiser4
CD-ROM iso9660 (9660)
Pozn.: ext3, ext4, reiserfs, reiser4 a NTFS jsou žurnálovací systémy
FAT12
Princip systému FAT je velmi jednoduchý. V tabulce FAT (ze které je také odvozen název systému) je zaznamenáno
umístění všech souborů na disku. Při požadavku na přečtení souboru je nejdříve v tabulce zjištěno fyzické umístění souboru
na disku, a poté je soubor přečten.
Do verze MS-DOS 4.0 bylo pro alokaci místa používáno pouze 12 bitů, což omezovalo velikost oddílu na 32 MB. Tento
systém se používá pro jednotky FAT, které mají méně než 4096 clusterů (2 12 bitů). V současné době je nalezneme pouze na
pružných discích.
FAT16
S rostoucí kapacitou pevných disků rostla i potřeba tyto kapacity účelně spravovat. Souborový systém FAT12 brzy narazil
na meze svých možností, a proto bylo nutné provést změnu. Zvýšil se počet bitů určený pro adresaci. Nyní byl systém
FAT16 schopen adresovat až 65536 clusterů (2 16 bitů). Libovolně velký disk je tedy při formátování rozdělen na maximálně
65536 částí, velikost jedné části se pohybuje od 512 B do 32 kB (ve Windows NT 4.0 lze použít ještě 4 GB oddíl s velikostí
clusteru 64 kB). S rostoucí kapacitou disku roste i podíl nevyužitého místa, protože i ten nejmenší soubor (např. o velikosti
1 kB) zabere celý cluster, což v případě 32 kB clusteru znamená ztrátu 31 kB. Dalším problémem je fragmentace obsahu
disku. Při zápisu souboru na disk je využito první volné místo bez ohledu na to, jestli jeho velikost dostačuje zápisu celého
souboru. Často dochází k situaci, kdy jsou jednotlivé části jednoho souboru uloženy na různých místech disku. Během čtení
takového souboru vznikají relativně dlouhé časové prodlevy nutné k mechanickému posunutí čtecích hlaviček z místa na
místo. Pro tyto případy obsahují operační systémy nástroje pro defragmentaci, která provede opětovné seskupení
jednotlivých částí na jedno místo.
FAT32
Další rozšíření systému FAT přinesl Service Pack 2 pro Windows 95 (OSR2). Nová verze vyřešila dva hlavní problémy
FAT16. Za prvé používá 32 bitovou alokační tabulku, která umožňuje adresovat vyšší počet clusterů a tím posouvá hranici

maximální teoret. velikosti oddílu na 2 TB. Prakticky je díky omezení BIOSu velikost oddílu omezena přibližně na 8GB. Za
druhé je zvýšením počtu clusterů možné zachovat jejich malou velikost i u velmi velkých disků. Do velikosti 8 GB je
velikost clusteru 4 kB, což značně redukuje podíl nevyužitého místa. V neposlední řadě je systém FAT32 méně náchylný k
selhání kritických částí souborového systému. FAT32 obsahují záložní kopii FAT tabulky pro případ poškození. Také
spouštěcí záznam (boot record) doznal několika změn. Kořenová složka (root directory) je nyní standardní složka, omezení
počtu záznamů je minulostí. Všechny tyto změny umožňují dynamicky měnit velikost oddílu. Tyto nové vlastnosti jsou sice
velmi užitečné, ale ostatní nedostatky systému FAT však neodstraňují. Jedná se především o absenci komprese, šifrování a
bezpečnostních vlastností složek a souborů na úrovni souborového systému.
NTFS
Systém NTFS používá pro alokaci clusterů 64 bitů. Počet adresovatelných jednotek je tedy 2 64
(18 446 744 073 709 551 616), každá z nich může být až 4 kB velká. Jméno souboru nebo složky v systému NTFS může
být složeno až z 255 znaků, díky kódování v 16 bitovém Unicode není problém se specifickými národními znaky. Filozofie
systému NTFS je odlišná od filozofie FAT. Srdcem systému je jediný soubor zvaný Master File Table (MFT). Logicky je
soubor MFT rozdělen tak, že pro každý soubor či složku je vyhrazen jeden řádek (v případě velkého souboru je použito
několik řádků), kde je soubor nebo složka uložena. Záznam obsahuje i všechny ostatní atributy - jméno a typ souboru,
bezpečnostní informace apod. Prvních 16 záznamů je systémových (pro uživatele systému zcela skrytých), ostatní záznamy
jsou uživatelské. Systém NTFS má v sobě již zabudovánu kompresi, která se odehrává v reálném čase. Nevýhodou tohoto
systému je, že je podporován pouze ve Windows NT (z čehož i název NT File System).
Jak velké clustery (v kB)
Velikost disku FAT16 FAT32
512-1023 MB 16 4
1024-2048 MB 32 4
2-8 GB - 4
8-16 GB - 8