Ֆայլային համակարգ

Ֆայլային համակարգը՝ հաշվիչ տեխնիկայում այն մեթոդն է, որի միջոցով պահվում և կազմակերպվում են համակարգչային ֆայլերը և նրանց պարունակած տվյալները և հեշտացվում է նրանց փնտրումը ու հասանելիությունը: Ֆայլային համակարգերը կարող են օգտագործել տվյալների կրիչներ, ինչպիսիք են կոշտ սկավառակը (HDD) կամ օպտիկական սկավառակը (CD-ROM) և ներառում են ֆայլերի գտնվելու ֆիզիկական դիրքը: Նրանք կարող են ապահովել հասանելիություն ֆայլային սերվերի վրա գտնվող տվյալներին` տանելով ցանցային արձանագրության (օրինակ` NFS, SNB կամ 9P) կլիենտի դեր կամ լինել վիրտուալ և հանդիսանալ միայն որպես վիրտուալ տվյալների հասանելիության մեթոդ:

Ընդհանուր առմամբ ֆայլային համակարգը հատուկ նպատակ ունեցող տվյալների բազա է տվյալների պահման, կազմակերպման, մշակման և ստացման համար:

Ֆայլային համակարգերի մեծ մասը օգտագործում են տվյալների պահպանման բլոկային մեխանիզմներ, որոնք երբեմն կոչվում են սեկտորներ` սովորաբար 2-ի աստիճան չափի (512 բայթ կամ 1, 2, 4 կիլոբայթ): Ֆայլային համակարգի ծրագրային ապահովումը պատասխանատու է այս սեկտորների վերածմանը ֆայլերի և պետք է իմանա, թե որ սեկտորը, որ ֆայլին է պատկանում և որ սկետորները չեն օգտագործվում: Շատ ֆայլային համակարգեր տվյալները հասցեավորում են ֆիքսած չափի միավորներով, որոնք կոչվում են կլաստերներ կամ բլոկեր, որոնք էլ պարունակում են որոշակի դիսկի սեկտորներ (սովորաբար 1-64):

Կլաստերը դիսկային տարածության ամենափոքր միավորն է, որը կարող է տրամադրվել ֆայլին:

Ֆայլային անուններ

Ֆայլային համակարգերը ունեն ֆոլդերային կառուցվածք, որոնք համապատասխանեցնում են ֆայլերի անունները ֆայլերի հետ` սովորաբար կապելով ֆայլի անունը որոշակի տիպի ֆայլային աղյուսակի ինդեքսի հետ, ինչպիսիք են, օրինակ, FAT-ը DOS ֆայլային համակարգում կամ inode-ը Unix-ականում: Ֆոլդերային կառուցվածքները կարող են լինել ողորկ, կամ ունենալ հիերարխիկ կառուցվածք, որտեղ ֆոլդերները կարող են պարունակել ենթաֆոլդերներ: Որոշ ֆայլային համակարգերում ֆայլերի անունները կազմվում են ընդլայնումներով և վերսիայի համարով: Այլ համակարգերում ֆայլերի անունները պարզ տողեր են, և յուրաքանչյուր ֆայլի մետադատան պահվում է այլ տեղում:

Մետադատա (Metadata)

Սովորաբար ֆայլային համակարգում ֆայլերի հետ ասոցացվում են լրացուցիչ տվյալներ, ինչպիսիք են, օրինակ, ֆայլին հատկացված բլոկերի թիվը կամ ուղղակիորեն բայթերի քանակությունը: Ֆայլի վերջին փոփոխության ամսաթիվը կարող է պահվել որպես ֆայլի timestamp: Որոշ ֆայլային համակարգեր կարող են պահել ֆայլի ստեղծման, վերջին դիմումի և մետադատայի փոփոխման ամսաթվերը: Այլ ինֆորմացիան կարող է իրենից ներկայացնել ֆայլի սարքավորման տիպը, user ID, group ID և հասանելիության թույլատվությունները:

Հարմարություններ

Ավանդական ֆայլային համակարգերը տրամադրում են ֆայլի ստեղծման, տեղափոխման, ջնջելու հարմարություներ: Դրանք չունեն ֆայլերին լրացուցիչ հղումներ ստեղծելու հարմարություններ: Ավանդական ֆայլային համակարգերը նույնպես տրամադրում են ֆայլը կրճատելու, լրացնելու և տեղում փոփոխելու հարմարություններ:

Ֆայլային համակարգերի տեսակները

Ֆայլային համակարգի ընդհանուր տեսակները հետևյալն են`

• դիսկային ֆայլային համակարգ
• ցանցային ֆայլային համակարգ
• հատուկ նշանակության ֆայլային համակարգ

Դիսկային ֆայլային համակարգ

Դիսկային ֆայլային համակարգը նախագծված է համակարգչին ուղղակիորեն կամ անուղղակիորեն միացված դիսկային սարքավորման վրա ֆայլերը պահելու համար: Օրինակներ կարող են հանդիսանալ FAT12, FAT16, FAT32 , NTFS, HFS+, ext2, ext3: Որոշակի դիսկային ֆայլային համակարգեր հանդիսանում են մատյանային, տարբերակային (versioning) ֆայլային համակարգեր:

Ֆլեշային ֆայլային համակարգ

Ֆլեշ ֆայլային համակարգը նախագծված է ֆլեշ հիշողության վրա ֆայլերը պահելու համար: Վերջիններիս դերը մեծանում է շարժական հիշող սարքերի քանակության մեծացման հետ մեկտեղ, որոնց ծավալները համեմատական են դառնում կոշտ սկավառակի ծավալներին: Մինչդեռ բլոկային սարքավորումը կարող է էմուլացնել դիսկային սարքավորում` թույլատրելով դիսկային ֆայլային համակարգի կիրառումը, սա այնքան էլ օպտիմալ չէ մի շարք պատճառներով`

• Բլոկերի ջնջում. ֆլեշ հիշողության վրա բլոկերը պետք է նախապես ջնջվեն, մինչդեռ դրանք կարող են նորից գրվել: Բլոկերի ջնջման վրա ծախսվող ժամանակը զգալի է, այդ պատճառով ձեռնտու է ջնջել բլոկերը, քանի դեռ սարքավորումը idle (չօգտագործվող) վիճակում է:
• Պատահական հասանելիություն. դիսկային ֆայլային համակարգերը օպտիմիզացված են դիսկի վրա հնարավորության դեպքում փնտրումից խուսափելու համար, մինչդեռ ֆլեշ հիշողության վրա փնտրման անհրաժեշտություն ընդհանրապես չկա:
• Մաշվածության կուտակում. ֆլեշ հիշողության սարքավորումները մաշվում են, երբ նույն բլոկը բազմակի անգամ վերագրանցվում է: Ֆլեշ ֆայլային համակարգերը նախատեսված են գրանցումները հավասարապես պլանավորելու համար:

Տվյալների բազաների ֆայլային համակարգ

Ֆայլային կառավարման նոր հասկացողությունը տվյալների բազաների վրա հիմնված ֆայլային համակարգերի հասկացողությունն է: Ֆայլերը իդենտիֆիկացվում են նրանց բնութագրերով, ինչպիսին են, օրինակ, ֆայլի տիպը, հեղինակը կամ մետադատան:

Տրանզակցիոն ֆայլային համակարգ

Դիսկի վրա յուրաքանչյուր գործողություն կարող է ներառել մի շարք ֆայլերի և կառուցվածքների փոփոխություն: Բազմաթիվ դեպքերում փոփոխությունները կապակցված են, այսինքն` կարևոր է, որ նրանք բոլորն իրականցվեն միաժամանակ: Օրիանակ, եթե մի բանկ մյուսին ուղարկում է որոշակի գումար: Այս դեպքում բանկի համակարգիչը կուղարկի փոխանցման հրահանգը մյուս բանկին և միաժամանակ կթարմացնի իր գրառումները, որպեսզի նշի փոխանցման մասին: Եթե որևէ պատճառով համակարգիչը խափանվի մինչ գրառումների թարմացումը, ապա արդյունքում բանկը կկորցնի որոշակի գումար:

Տրանզակցիոն մշակումը տրամադրում է երաշխիք, որ ընթացքի ցանկացած պահի տրանզակցիան կարող է կամ ամբողջովին ավարտվել կամ ամբողջովին վերադարձվել նախնական վիճակի: Սա նշանակում է, որ եթե տեղի ունենա խափանում կամ հզորության անկում, վերականգնումից հետո պահված վիճակը կլինի կայուն:

Ցանացային ֆայլային համակարգ

Ցանցային ֆայլային համակարգը հանդիսանում է կլիենտ հեռացված ֆայլերի դիմման արձանգրության համար` տրամադրելով սերվերի վրա գտնվող ֆայլերին հասանելիություն: Ցանցային ֆայլային համակարգի օրինակներ են NFS, AFS, SMB արձանգրությունների կլիենտները և FTP և WebDAV-ի ֆայլային համակարգատիպ կլիենտները:

Ցանցային ֆայլային համակարգի արդյունավետության հիմնական չափանիշն է ծառայության հարցման բավարման վրա ծախսվող ժամանակամիջոցը : Սովորական համակարգերում այս ժամանակը բաղկացած է դիսկի դիմման և պրոցեսորի կողմից մշակման չնչին ժամանակի գումարից: Սակայն ցանցային ֆայլային համակարգում հեռացված դիմումն (remote access) ունի լրացուցիչ ժամանակային ծախսեր բաշխված կառուցվածքի պատճառով: Սա ներառում է հարցման հասնելը սերվերին, պատասխանի հասնելը կլիենտին և երկու ուղղություններով էլ կապի արձանագրության ծրագրային ապահովման կատարման ժամանակածախսը: Իդեալական դեպքում ցանցային ֆայլային համակարգի արդյունավետությունը կլինի համեմատական սովորական ֆայլային համակարգի արդյունավետությանը:

Հատուկ նշանակության ֆայլային համակարգեր

Հատուկ նշանակության ֆայլային համակարգ կարող է կոչվել ցանկացած ֆայլային համակարգ, որը ցանցային կամ դիսկային չէ: Այս համակարգերը մեծամասամբ օգտագործվում են ֆայլակենտրոն օպերացիոն համակարգերի կողմից, ինչպիսին է, օրինակ, Unix-ը:

Ֆայլային և օպերացիոն համակարգեր

Որոշ հին օպերացիոն համակարգեր ունեին ֆայլային համակարգերը մշակելու համար առանձին բաղադրիչ, որը կոչվում էր DOS (Disk Operting System): Որոշ միկրոկոմպյուտերների վրա DOS-ը բեռնվում էր օպերացիոն համակարգից առանձին: Հին օպերացիոն համակարգերը սպասարկում էին միայն մեկ անանուն սեփական ֆայլային համակարգ: Այս պատճառով առաջացավ օգտագործողի և ֆայլային համակարգի միջև օպերացիոն համակարգի ծրագրային ապահովման կողմից տրամադրվող ինտերֆեյսի անհրաժեշտություն: Այս ինտերֆեյսը կարող է լինել տեքստային (օրինակ` Unix-ի Shell-ը) կամ գրաֆիկական (օրինակ File Browser): Գրաֆիկականի դեպքում օգտագործվում է ֆոլդերային մոդելը, որը պարունակում է փաստաթղթեր, այլ ֆայլեր և ներդրված ֆոլդերներ:

Ողորկ (flat) ֆայլային համակարգ

Ողորկ ֆայլային համակարգում չկան ֆայլային ենթաֆոլդերներ. ամեն ինչ պահվում է կրիչի նույն (root) մակարդակի վրա, լինի դա կոշտ սկավաոակ, floppy disk և այլն: Լինելով պարզ` այս համակարգը արագորեն դառում է անարդյունավետ, երբ ֆայլերի թիվը մեծանում է և օգտագործողների համար դժվար է դառնում դասակարգել տվյալները կապակցված խմբերում: Այսպիսի համակարգի մոդել էր Macintosh File System-ը, որտեղ դիսկի վրա յուրաքանչյուր ֆայլ պետք է ունենար իր եզակի անունը նույնիսկ, եթե այն առանձին ֆոլդերում էր: MFS-ը արագորեն փոխարինվեց հիերարխիկ ֆայլային համակարգով, որը տրամադրում էր իրական դիրեկտորիաներ:

Unix-ատիպ օպերացիոն համակարգերի ներքո ֆայլային համակարգեր

Unix-ատիպ օպերացիոն համակարգերը ստեղծում են վիրտուալ ֆայլային համակարգ, որում բոլոր սարքավորումների վրա գոյություն ունեցող ֆայլերը հայտնվում են մեկ հիերարխիկ ծառում: Սա նշանակում է որ այս համակարգերում կա մեկ root դիրեկտորիա, և համակարգում գոնություն ունեցող յուրաքանչյուր ֆայլ տեղադրված է դրանում ինչ-որ մի տեղ: Ավելին, պարտադրի չէ, որ root դիրեկտորիան գտնվի որևէ ֆիզիկական տեղում: Այն կարող է չլինել համակարգչի առաջին տրամաբանական սկավառակի վրա, այն կարող է նույնիսկ չլինել համակարգչի վրա: Unix-ատիպ համակարգերը կարող են օգտագործել ցանցային բաշխված ռեսուրսը որպես root դիրեկտորիա:

Unix-ատիպ համակարգերը յուրաքանչյուր սարքավորման վերագրում են անուն, բայց սա կախված չէ նրանից, թե ինչպես է իրականացվում այդ սարքավորման վրա գտնվող ֆայլերին հասանելիությունը: Այլ սարքավորման վրա ֆայլերին դիմելու համար պետք է նախապես տեղեկացնել օպերացիոն համակարգին, թե դիրեկտորիաների ծառում որտեղ ես ցանկանում տեսնել այդ ֆայլերը: Այս պրոցեսը կոչվում է ֆայլային համակարգի mounting: Օպերացիոն համակարգին տրվող դիրեկտորիան կոչվում է mount-ի կետ (mount point), օրինակ, /media: Այդ դիրեկտորիան գոյություն ունի շատ Unix համակարգերում, և օգտագործվում է որպես mount point այնպիսի շարժական կրիչների համար, ինչպիսիք են CD/DVD-ները և floppy-ատիպ դիսկերը: Այն կարող է լինել դատարկ կամ կարող է պարունակել ենթադիրեկտորիաներ առանձին սարքավորումների համար: Սովորաբար միայն ադմինիստրատորը իրավունք ունի mount անել ֆայլային համակարգեր:

Unix-ատիպ օպերացիոն համակարգերը հաճախ տրամադրում են ծրագրային ապահովում, որն աջակցում է mount-ի պրոցեսին և տրամադրում լրացուցիչ ֆունկցիոնալություն: Այսպիսի ռազմավարություններից մեկն է auto-mounting-ը:

Microsoft Windows օպերացիոն համակարգում mount-ին համարժեք գործողությունը հայտնի է որպես mapping a drive: Այս համակարգին հասանելի բոլոր ֆայլերը և դիրեկտորիաները պահվում են root դիրեկտորիայի (\) նկատմամբ, անկախ նրանից, թե այդ դիրեկտորիաները նույն մեքենայի վրա են, թե չէ:

Microsoft Windows օպերացիոն համակարգերի ներքո ֆայլային համակարգեր

Microsoft Windows օպերացիոն համակարգը օգտագործում է FAT և NTFS ֆայլային համակարգերը: FAT ֆայլային համակարգը, որն առկա է Windows-ի բոլոր տարբերակներում, ծնունդ է առել դեռևս MS-DOS պրոյեկտից: Տարիների ընթացքում այն ապրել է մեծ փոփոխություններ:

NTFS ֆայլային համակարգը ներկայացվել է Windows NT օպերացիոն համակարգի հետ: Այն տրամադրում է թույլատվությունների ղեկավարում, կոշտ հղումներ (hard link), բազմաթիվ ֆայլային հոսքեր, ատրիբուտների ինդեքսավորում, կոմպրեսիա և այլ համակարգերի mount point- եր:

Ի տարբերություն այլ օպերացիոն համակարգերի` Windows-ը օգտագործում է սարքավորման տառ աբստրակցիան օգտագործողի մակարդակում: C տառը սովորաբար օգտագործվում է կոշտ սկավառակի հիմանական բաժինը նշելու համար, որի վրա գրանցվում է Windows-ը և բեռնվում այնտեղից: C-ի վրա Windows տեղադրելը դարձել է ավանդույթ, որի հետ կապված կան հնագույն bug-եր:

Բաշխված ֆայլային համակարգեր

Բաշխված ֆայլային համակարգի նպատակն է օգտագործողից ամբողջովին թաքցնել տվյալների ֆիզիկական տեղը: Այլ կերպ` ֆայլային համակարգը տրամադրում է եզակի, կայուն անունների տարածություն: Սա նշանակում է, որ միայն ֆայլի pathname-ը բավարար է ֆայլին նկարագրելու համար: Օգտագործողին պետք չէ իմանալ ֆայլի ֆիզիկական տեղի մասին: Այս նպատակով բաշխված ֆայլային համակարգերը տրամադրում են առանձին client-side և server-side բաղադրիչներ ցանցային ֆայլային համակարգերի նման: Սակայն օգտագործողին տրամադրվող ինտերֆեյսը ղեկավարվում է հատուկ ծրագրային ապահովման կողմից, որը բացակայում է ցանցային ֆայլային համակարգում: Վերջինս ստեղծում է եզակի վիրտուալ root directory, որում mount է արվում ամբողջ ֆայլային հիերարխիան:

Բաշխված ֆայլային համակարգի օրինակ է IBM/Transarc-ի կողմից տրամադրված AFS-ը կամ DCE/DFS:

Բաշխված ֆայլային համակարգի հետաքրքիր օրինակ է Բերկլիի կողմից առաջարկված xFS ֆայլային համակարգը, որն առաջարկում է առանց սերվեր մոտեցում, որտեղ բոլոր ֆայլային ծառայությունները տրամադրվում են համագործակցող աշխատանքային կայանների կոմից: Համակարգում ցանկացած մեքենա կարող է քեշավորել կամ ղեկավարել տվյալի կամայական բլոկ:

Զարգացման չափանիշները

Կենտրոնացված ֆայլային համակարգերը թույլ են տալիս բազմաթիվ օգտագործողների պահել ֆայլերը լոկալ կրիչների վրա: Ցանցային և բաշխված ֆայլային համակարգերը ընդլայնում են լոկալի հնարավորություններրը՝ թույլատրելով օգտագործողներին բաշխել ֆայլերը որևէ հաղորդակցության կապով միացված մեքենաների միջև: Ցանցային և բաշխված ֆայլային համակարգերը կախված եմ հայտնի կլիենտ-սերվեր հասկացությունից: Տվյալ միջավայրում այս կամ այն ֆայլային համակարգի կարևորությունը գնահատելու համար ստեղծվել է հետևյալ ցանկը՝

• Ցանցային թափանցիկություն (Network transparency)՝ Կլիենտները պետք է հնարավորություն ունենան լոկալ գործողությունների միջոցով դիմել հեռացված ֆայլերի:
• Դիրքի թափանցիկություն (Location transparency)՝ Ֆայլի անունը չպետք է բացահայտի ֆայլի դիրքը ցանցում:
• Դիրքի անկախություն (Location independence)՝ Ֆայլի անունը չպետք է փոփոխվի նրա ֆիզիկական դիրքը փոխելուց:
• Օգտագործողների շարժունակություն (User mobility)՝ Օգտագործողները պետք է ի վիճակի լինեն դիմել բաշխված ֆայլերին ցանցի ցանկացած կետից:
• Խափանումների թույլատրելիություն (Fault tolerance)՝ Ֆայլային համակարգը պետք է մնա գործունյա որևէ բաղադրիչի խափանումից հետո:
• Ընդլայնվելու ընդունակություն (Scalability)՝ Համակարգը պետք է կարողանա ընդլայնվել իր ծանրաբեռնվածության մեծացմանը զուգահեռ: Պետք է նաև հնարավոր լինի ավելացնել նոր կոմպոնենտներ:
• Ֆայլերի տեղափոխելիություն (File Mobility)՝ Պետք է հնարավոր լինի տեղափոխել ֆայլերը մի ֆիզիկական դիքից մյուսը համակարգի աշխատանքի ընթացքում:

Վերը նշված բոլոր համակարգերում տվյալներ կրող սարքավորումները միշտ ուղղակիորեն են միացված սերվերին, որն իր մեջ արդեն պրոբլեմ ունի` կենտրոնական ղեկավարում նշանակում է խափանման մեկ աղբյուր: Հաջորդ քայլը կլինի կրիչի առանձնացումը սերվերից և նրա միացումը իրենց սեփական ցանցին, որը սովորաբար անվանվում է ֆաբրիկ: Սա բերում է Storage Area Network-ի գաղափարին: Բաշխվող ֆայլային համակարգերը, որոնք օգտագործում էին ցանցերին կից պահպանում, նոր չեն: Այս տեսակի տեխնոլոգիայի օրինակներից են Cray SFS, DEC Vaxcluster Oracle և Parallel Server: Սրանք բոլորն էլ մատակարարում են առանց սերվերի բաշխված ֆայլային համակարգեր: Այնուամենայնիվ, դրանք հիմնվում են ցանցին կից պահպանման կամ թանկ, հատուկ պատրաստված ինտերֆեյսների վրա, ինչպիսին է HiPPI-ը: Այն ամենը, որ անհրաժեշտ է իսկական Network Attached Storage-ի համար, առանց սերվեր ֆայլային համակարգն է, որն ամբողջովին օգտագործում է նոր ինտերֆեյսներ, ինչպիսին է Fibre Channel-ը: Այս մոտեցումը թույլ կտա բոլոր կլիենտ մեքենաներին ունենալ լրիվ հասանելիություն ցանցի բոլոր պահպանման սարքերին` դարձնելով հասանելիությունն ավելի հուսալի և արդյունավետ: Ճկուն ցանցային պահպանման ինտերֆեյսները, ինչպիսիններից է Fibre Channel-ը, թույլ կտա համակարգիչ ստեղծողներին նախագծել բազմաթիվ պահպանման բաշխված սարքավորումներով համակարգեր` մեծացնելով նախագծման արտադրողականությունը և հուսալիությունը:

Հաջորդ սերունդը

Այսպիսի լուծումներից մեկը գլոբալ ֆայլերի համակարգն է (Global File System - GFS)` ստեղծված GFS Group-ի կողմից և հովանավորված այնպիսի ընկերությունների կողմից, ինչպիսիք են Brocade Communication Systems, NASA, Seagate Technology և Veritas: GFS-ը նախապես նախագծված և իրագործված էր SGI hardware exploiting Fibre Channel-ի տեխնոլոգիայով մեծ գիտական տվյալները մշակելու համար: GFS Group-y ի վերջո որոշեց տեղադրել իրենց IRIX կոդը open source Linux-ում (IRIX-ը closed source է, և ավելի դժվար է դարնում GFS-ը ինտեգրել միջուկին): Բաշխված համակարգերում [Soltis, Ruwart, O’Keefe]- ի կողմից ստեղծված տարբերությունը մի կողմից հաղորդագրությունների վրա հիմնված բաշխումն է, մյուս կողմից` բաշխված պահպանումը: Ընդհանուր դեպքում տվյալները բաշխվում են ցանցում մեքենաների միջև հաղորդակցության միջոցով, ընդ որում` տվյալները պահվում են տեղայնորեն` յուրաքանչյուր մեքենայում: Սրա օրինակ է NFS-ը (RPC-ն UDP կամ TCP դեյտագրամների վերևում): Այս ճարտարագիտության ուժը կայանում է դրա ընդլայնվելու ունակության մեջ: Դրանք այնքան էլաստիկ են, որքան այն ցանցային արձանագրությունը, որը նրանք օգտագործում են: Ֆայլային համակարգերը և պահման տեխնոլոգիան շարժվում են Fibre Channel-ին և Gigabit Ethernet-ին միացված պահպանման սարքավորումների ուղղությամբ: Սա կարող է պահանջել գոյություն ունեցող տարբեր ֆայլային համակարգերի և պահպանման ձևերի վերադիտարկում: