Logická struktura disku Logická struktura disku se vytváří pomocí vysokoúrovňového formátování. Slouží k organizaci dat uložených na pevném disku. Umožňuje jeden fyzický disk rozdělit na více oddílů, které se v operačním systému tváří jako samostatné disky. Informace o tom, na kolik oddílů je disk rozdělen a jak jsou data organizována (kde jsou na disku umístěna), jsou uloženy v tabulkách (resp. relační databázi), které tvoří logickou strukturu disku (tzv. souborový systém disku). Rozdělení pevného disku na oddíly (partitions) se provádí v případě, kdy chce uživatel nainstalovat na jeden disk několik různých operačních systémů, ale důvodem může být i prosté oddělení uložených dat. Každý oddíl lze naformátovat jiným souborovým systémem (viz kapitola Souborové systémy ). Rozdělení disku na oddíly provádí uživatel pomocí programů FDISK (DOS, Win9x), DISKPART (WinXP), PARTITION MAGIC a jiných. Jde o rozdělení jednoho disku na několik částí, tzv. logických svazků, neboli oddílů. Každému oddílu je přiřazeno jedinečné písmeno v rozmezí C až Z (nepoužívají se písmena s diakritikou!) a v operačním systému se pak každý jeví jako samostatný pevný disk. Na pevném disku musí být alespoň jeden oddíl.
Souborový systém Souborový systém (angl. filesystem) je datová struktura vytvořená vysokoúrovňovým formátováním pevného disku, která slouží k organizaci souborů a tedy i adresářů na pevném disku tak, aby je bylo možné snadno najít a přistupovat k nim. Souborové systémy používají paměťová média jako pevný disk nebo optické paměti (CD, DVD, Blu-Ray), popřípadě poskytují přístup k datům uloženým na serveru (síťové souborové systémy). Souborový systém umožňuje ukládat data do souborů, které jsou označeny názvem a příponou. Umožňuje vytvářet také adresáře (resp. složky), pomocí kterých lze soubory organizovat do stromové struktury. Informace uložené v systému souborů dělíme na METADATA a DATA. Metadata (tedy informace o datech uložených na disku) popisují strukturu systému souborů a nesou doplňující informace, jako jsou např.: a. velikost souboru b. čas poslední změny souboru c. čas posledního přístupu k souboru d. vlastník souboru e. oprávnění uživatelů f. seznam (adresy) bloků dat, které tvoří vlastní soubor atd. Pod pojmem data pak rozumíme vlastní obsah souboru, který lze přečíst po otevření (resp. načtení) souboru. Software, který realizuje souborový systém, bývá obvykle součástí operačního systému. Většina operačních systémů podporuje několik různých souborových systémů, např.: a. Microsoft Windows - podpora pro souborové systémy FAT, NTFS a ISO 9660 pro ukládání souborů na CD a DVD. b. Linux - kromě již zmíněných také ext2, ext3, ext4, ReiserFS, JFS, XFS a mnoho dalších c. DOS - podpora souborových systémů FAT, po instalaci CD/DVD ovladače také ISO 9660. Základní části logické struktury disku 1. Master Boot Record (MBR) První důležitou tabulkou souborového systému je MBR. Tvoří základ logické struktury. Záznam je umístěn na začátku disku (nultá stopa, první sektor). Má dvě části - zaváděcí záznam a tabulku oblastí. Zaváděcí záznam obsahuje krátký program spuštěný při startu počítače BlOSem. Jeho úkolem je načíst tabulku oblastí a najít aktivní oblast, ze které se načte operační systém. Partition table (tabulka oblastí) obsahuje informace o dělení disku na oblasti (partitions).
Rozdělení oddílů (partitions) je stejné u operačního systému DOS, Windows i Linux a jsou to: Primární oddíly (Primary partitions) - Každý disk může mít nejvýše čtyři tyto oddíly, které obsahují systémové soubory. Z nich se načítá operační systém. Ve Windows je možný nejvýše jeden a je povinný. Linux může používat všechny čtyři primární oddíly. Rozšířený oddíl (Extended partition) - Tento oddíl musíme vytvořit jako druhý, když chceme disk rozdělit a vytvořit v něm více logických disků. Logické oddíly (Logical partitions) - V nich se pak vytvářejí samostatné logické disky, označené logickou jednotkou (D:, E:, F:,..). 2. Alokační tabulka Alokační tabulka popisuje každý cluster logického oddílu. Lze si ji představit jako velkou tabulku, v níž je každá buňka přiřazena jednomu clusteru. Hodnota v buňce určuje, zda je cluster využíván nějakým souborem, zda je volný, popř. poškozený, zda obsahuje konec souboru apod. Pokud je cluster obsazený souborem, je v buňce alokační tabulky uvedeno také číslo dalšího clusteru, ve kterém soubor pokračuje. U nových operačních systémů se souborovým systémem NTFS se alokační tabulka souborů odlišuje od klasických. Obsahuje více podrobnějších údajů o souborech a celá organizace disku i uložení dat se v různých ohledech liší. Podporovány jsou také nové funkce, jako je například protokolování (žurnálování), šifrování dat, přiřazení uživatelských práv, přidělování diskových kvót a další. Protokolování - Zápis dat a metadat do souborového systému probíhá v několika krocích. Dojde-li během zápisu dat nebo metadat k havárii počítače (např. výpadek elektrického proudu, chyba hardware, software apod.), zůstane souborový systém v nekonzistentním stavu (nedokončený zápis dat). Z tohoto důvodu je při dalším startu operačního systému vhodné, aby byla provedena kontrola a nekonzistentní data byla opravena. K tomu může dojít automaticky (např. v Linuxu, Windows 95 a novějších) nebo je nutné spustit kontrolu ručně (operační systém DOS). Celková kontrola systému souborů a všech vazeb mezi daty a metadaty je časově velmi náročná operace, při které navíc může dojít ke zbytečné ztrátě již částečně zapsaných informací. Proto jsou moderní systémy souborů rozšířeny o techniku protokolování (žurnálování).
Protokolování je technologie, která při zápisu dat na disk zapisuje zároveň do speciálního souboru (záznamu, žurnálu) informace o průběhu zápisu souboru a pokud systém havaruje (např. výpadek napájení během zápisu dat), může se zápis dat za pomoci těchto informací dokončit nebo stornovat. Moderní souborové systémy jsou tedy založeny na koncepci transakcí - akce je provedena zcela a správně nebo vůbec neprovedena. Diskové kvóty Kvóty (angl. quota) jsou limity nastavené správcem systému, které se používají především pro omezení: - velikosti využitelného místa na disku uživatelem - počtu souborů Správce (administrátor) systému může nastavit varování, které uživatele informuje v případě, že se blíží ke svému limitu. Oprávnění jedná se o pravidla spojená s určitým objektem (složka, soubor, tiskárna), která upravují, jací uživatelé (resp. skupina uživatelů) a jakým způsobem mohou přistupovat k daným objektům. Mezi základní druhy oprávnění řadíme: 1. úplné řízení: maximální možnosti + změny oprávnění 2. měnit: mazáni a provedení změn ve složkách a souborech 3. číst a spouštět 4. zobrazovat obsah složky 5. čtení: zobrazení složek a souborů, zobrazení obsahu, atributů a oprávnění 6. zapisovat: vytváření nových složek a souborů, provádění změn v souboru 3. Kořenový adresář Kořenový adresář je jednoduchá databáze, obsahující informace o uložených souborech (i adresářích), jako jsou názvy souborů, jejich atributy, datum vzniku, datum a čas poslední změny souboru, údaje o velikosti souborů a především odkaz na počáteční cluster (začátek dat souboru). Způsoby přidělování diskového prostoru souborům Přidělování souvislých oblastí Nejjednodušší způsob. U této metody zabírá konkrétní soubor množinu sousedních clusterů na disku. Výhodou je menší potřeba posunů diskové hlavy, nevýhodou však délka hledání volného prostoru, problémy s růstem souborů a častá potřeba reorganizace dat. Přidělování nesouvislých oblastí disku metodou zřetězení Ukládaný soubor je rozdělen na části (fragmenty), které jsou zapsány na různá místa disku, kdy každá část konkrétního souboru zná adresu další části téhož souboru. Jde o jednoduchý a rychlý princip, jelikož stačí uchovávat pouze počáteční adresu. Při vytváření není nutné udávat rozměr souboru, odpadají problémy spojené s růstem souboru, prostorová neúspornost je zanedbatelná. EOF = End Of File, neboli konec souboru
Přidělování nesouvislých oblastí s využitím mapy souboru I zde je soubor fragmentován, tedy rozdělen na určitý počet částí. Ke každému souboru existuje mapovací tabulka souboru MTS (hodnota 1 značí neobsazeno), v níž je zaznamenáno obsazení clusterů na disku jednotlivými částmi souboru. Fragmentace Z hlediska souborových systémů je fragmentace velmi důležitý pojem. Rozeznáváme dva druhy fragmentace vnitřní a vnější. Vnitřní fragmentace vzniká tehdy, zůstávají-li nevyužity větší části alokačních bloků (clusterů). Příklad 1: Má-li soubor velikost např. 1kB a velikost clusteru je nastavena na 4kB, zabere soubor na pevném disku 4kB (zbývající 3kB nebude možné dále využít!). Příklad 2: Souborový systém vyhradí při ukládání souboru na disk prostor rovnající se celočíselnému násobku velikosti sektoru. Poslední sektor v clusteru bývá většinou z větší části nevyužit. Vnější fragmentace vzniká tehdy, je-li jeden soubor rozdělen na více částí (fragmentován) a rozmístěn na více místech pevného disku, které na sebe přímo nenavazují. Tím se zpomaluje rychlost čtení a zápisu. Pro odstranění vnější fragmentace se používá proces defragmentace. Defragmentace je proces, který roztroušené kousky (fragmenty) souborů uspořádá tak, aby obsah jednotlivých souborů byl uložen co nejvíce pohromadě (např. po sobě jdoucích clusterech), čímž se urychlí práce s těmito soubory. Používají se k tomu specializované nástroje, které mohou být buď přímo součástí operačního systému (u Windows jde o aplikace Defragmentace disku, která je spustitelná také z příkazového řádku příkazem defrag), popřípadě se jedná o aplikaci (ať už freeware popř. komerční), která se do operačního systému instaluje dodatečně (např. aplikace O&O Defrag nebo Diskeeper).
Příklady současných souborových systémů Souborový systém FAT FAT je zkratka anglického názvu File Allocation Table. Jedná se o alokační tabulku obsahující informace o obsazení clusterů jednotlivými soubory a adresáři (adresář má na disku podobu souboru). Každý diskový oddíl má dvě tabulky, které se vzájemně zálohují FAT je jednoduchý souborový systém, proto je podporován prakticky všemi operačními systémy. Podporují jej MS-DOS, Windows až do verze XP, FreeDOS, OS/2, Linux a další. Kvůli jednoduchosti a rozšíření je velmi často používán na výměnných médiích, jako je disketa, USB flash disk nebo IOMEGA ZIP disk (optické disky jako CD, DVD apod. jej nepoužívají). FAT 12 Souborový systém FAT byl vytvořen v srpnu 1980 s první verzí QDOSu, předchůdce MS-DOSu. FAT 12 neuměl podadresáře (existoval pouze kořenový adresář) a pro alokaci (adresaci) místa na disku používal pouze 12 bitů, což omezovalo velikost oddílu na 32 MB. Tento souborový systém se používal u disků, které měly méně než 4096 clusterů (2 12 bitů), tedy nejstarší pevné disky a diskety. Dnes se nepoužívá a není podporován žádným současným operačním systémem. FAT 16 Souborový systém FAT 16 používal 16 bitové adresování. Byl tedy schopen adresovat až 65536 clusterů (2 16 bitů). Libovolně velký disk byl tedy při formátování rozdělen na maximálně 65536 clusterů, velikost jednoho clusteru se pohybovala od 512 B do 32 kb (2 16 * 32kB = 2 GB). Ve Windows NT 4.0 se používal cluster o velikosti 64 kb, tedy maximální velikost diskového oddílu vzrostla na 4 GB. 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. 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 (nutnost defragmentace, tedy opětovného seskupení jednotlivých částí souboru). FAT 32 FAT 32 používá 32 bitovou alokační tabulku, která umožňuje adresovat vyšší počet clusterů a tím posouvá hranici maximální teoretickou velikosti oddílu na 2 TB. Prakticky je díky omezení BIOSu velikost oddílu omezena přibližně na 8 GB. Do velikosti oddílu 8 GB je velikost clusteru 4 kb, což značně redukuje podíl nevyužitého místa. Tento souborový systém obsahuje záložní FAT a v případně poškození provede program Scandisk obnovu FAT ze zálohy.
Chyby FAT 1. Fragmentace souborů Je-li soubor rozdělen do více clusterů, které nenásledují hned za sebou, říkáme, že je soubor fragmentován. Fragmentace je nežádoucí, neboť zpomaluje práci disku, čtecí / zapisovací hlavy musí přeskakovat mezi stopami. Také je větší nebezpečí, že při poškození malé části FAT, bude poškozeno více souborů. K tomuto problému dochází poměrně často, jelikož ukládanému souboru nabídne FAT volné clustery včetně těch, jejichž velikost je menší než je velikost souboru. K odstranění používáme programy pro defragmentaci disku. 2. Ztracené fragmenty souborů Chyba, ke které dochází při ukládání dat do alokačních jednotek (clusterů). Nejprve se ukládají data a až nakonec se uloží jméno souboru a ostatní důležité údaje do kořenového adresáře a alokační tabulky FAT. Pokud během ukládání dojde k chybě, jsou data uložena do clusterů, ale nikde na ně není odkaz. 3. Překřížené soubory Chyba vzniká, pokud více záznamů tabulky FAT ukazuje na stejný cluster, tedy pokud jeden cluster patří více souborům. Tuto chybu lze opravit programem CHKDSK (z příkazového řádku). 4. Neplatná podsložka Složka je v kořenovém adresáři zapsána stejně jako soubor, má číslo ukazující na první cluster a navíc má atribut D (Directory = adresář). Pokud se číslo ztratí nebo neuloží, jsou veškerá data ve složce ztracena. 5. Poškození FAT K poškození FAT může dojít např. při použití software pro správu diskových oddílů (Partition Magic, Acronis Disk Manager atd.) chybou uživatele, popřípadě selháním daného programu, při pádu či nekorektní instalaci operačního systému, po nekorektním ukončení (odpojení) přenosného HDD z USB portu, virovou nákazou PC, atd. Častý příznak poškozeného souborového systému. Pokud je HDD zobrazen, nejsou mu v nabídce Tento počítač přiřazeny detailní informace. Souborové systémy FAT neumožňují zabezpečení souborů a složek (přístupová práva pro uživatele a skupiny uživatelů), šifrování, přidělování diskových kvót jednotlivým uživatelům, protokolování, atd.
Souborový systém NTFS NTFS (New Technology File Systém) je používán u operačních systémů firmy Microsoft řady NT a vyšší (Windows 2000, Windows XP, Vista, Windows 7). a. NTFS podporuje skoro všechny velikosti clusterů, tedy od 512 B až po 64 kb. 4 kb cluster je považován za standard (výhodný pro velkokapacitní disky). b. Používá 16 bitové kódování Unicode, což umožňuje pojmenovat soubor v libovolném jazyce (podpora např. diakritiky u českých Windows v názvu souboru). Název souboru může mít až 255 znaků c. Logické disky i soubory mohou být rozprostřeny přes více fyzických disků a poškozené soubory lze zrekonstruovat. d. Teoreticky je maximální velikost NTFS diskového oddílu 2 64 bajtů = 16 EB (exabajtů) neboli 18 446 744 073 709 551 616 bajtů. e. Oproti souborovému systému FAT nabízí např. zabezpečení (práva k objektům), protokolování (žurnálování), automatickou kompresi dat, podporu diskových kvót a šifrování. f. NTFS není vhodný pro disky menší než 400 MB. Struktura souborového systému NTFS Kromě uživatelských dat přidává NTFS na disk i tzv. METADATA. Ta jsou ukládána do 16 speciálních skrytých souborů (metasoubory). Jedním z nich je i Master File Table (MFT). MFT je v podstatě relační databáze, která uchovává informace o souborech na disku. Každý soubor (včetně souboru MFT a metasouborů) začíná záznamem atributu v MFT. MFT zabírá oblast začátku disku, přičemž si pro sebe vyhradí větší prostor (12% diskového oddílu), aby se mohla dále rozrůstat a zůstávala celistvá (nefragmentovaná). Nedostává-li se na disku místa pro soubory, volné místo určené MFT se na nějaký čas zredukuje. Uprostřed disku je záložní kopie nejdůležitějších metasouborů MFT.
Kontrola souborového systému V operačním systému Windows XP a vyšší lze použít z příkazového řádku nástroj CHKDSK, který zjišťuje kontrolu integrity souborového systému zvoleného disku (např. chkdsk c: provede kontrolu diskového oddílu C:). V případě zjištění chyb se nástroj pokusí o jejich opravu. Nástroj CHKDSK se pokusí opravit např. potíže týkající se vadných sektorů, ztracených clusterů, chyb adresáře a souborů s křížovými odkazy. CHKDSK je náhradou staršího programu ScanDisk, který se používal u operačního systému MS-DOS a Windows 9.x. Obnova smazaných souborů Dojde-li ke smazání dat (souborů) např. pomocí souborového manažeru (Průzkumník, Total Commander, atd.), jsou tyto soubory stále fyzicky uloženy na paměťovém médiu, pouze dojde k odstranění záznamu (ukazatele) na tyto soubory ve FAT nebo MFT. Místo (clustery), které smazané soubory stále zaujímají se jeví jako volné a může zde být kdykoliv zapsán jiný soubor. Obnovu takto odstraněných dat lze provést pomocí specializovaných programů, např. GetDataBack, Active@ File Recovery, Restoration (volně ke stažení), atd. Princip činnosti 1. Nejprve se provede analýza (skenování) vybraného diskového oddílu, přičemž se program snaží nalézt veškeré smazané soubory. Proces skenování trvá delší dobu, neboť soubory bývají většinou fragmentovány (části souborů jsou uloženy na různých částech diskového oddílu). 2. Po ukončení analýzy je zobrazen seznam smazaných souborů, uživatel si pak vybere soubory, které požaduje obnovit 3. Program se pokusí o obnovu smazaných souborů, přesněji se pokusí obnovit záznam o zvolených souborech ve FAT nebo MFT. Zásady úspěšné obnovy souborů Zásadní podmínkou pro zachování dobré šance na zpětnou obnovu odstraněného souboru je zamezení jakéhokoliv zápisu na oddíl disku, který odstraněný soubor obsahuje, neboť místo které obsazuje je označeno jako volné a kdykoliv může dojít k jeho přepsání jiným souborem. Je třeba si uvědomit, že již při spuštění (restartu) operačního systému dochází k zápisu značného množství dat (dočasné soubory, soubor virtuální operační paměti, defragmentace na pozadí, atd.) do oblastí pevného disku, která by mohla obsahovat hledané soubory.