NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CƠ CHẾ QUẢN LÝ FILE VÀ THƯ MỤC HĐH WINDOWS

Nghiên cứu tìm hiểu về Master boot sector trên đĩa cứng, boot sector trong một đĩa logic cài đặt hệ điều hành Windows (NTFS) Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc quản lý file và thư mục trong một đĩa logic cài đặt hệ điều hành Windows (NTFS): bảng quản lý file chính (MFT – Master File Table): để thấy rõ được vết lưu trữ của một thư mục, tập tin trên đĩa cứng cài HĐH Windows với hệ thống file NTFS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - - BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CƠ CHẾ QUẢN LÝ FILE VÀ THƯ MỤC HĐH WINDOWS Sinh viên thực hiện: Lớp: Giáo viên hướng dẫn: La Văn Kiên Khoa học máy tính 1– Khóa TS VƯƠNG QUỐC DŨNG Hà Nội 02/2017 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG Bảng 1:Ý nghĩa nội dung trường bảng Partition (Giá trị điển hình bảng cho phân hoạch 1) Bảng 2:Các giá trị trường System ID Bảng 3:Dung lượng lớn volume FAT theo chế độ translation Bảng 4:NTFS Boot Sector Bảng 5:Mô tả trường BPB BPB mở rộng phân vùng NTFS LỜI MỞ ĐẦU Lời em xin gửi lời cảm ơn trân thành đến thầy Vương Quốc Dũng , người giúp đỡ em nhiều định hướng nghiên cứu, hướng dẫn cho em suốt thời gian thực đề tài Từ buổi đầu người tạo máy tính hệ hàng có thiết bị lưu trữ với dung lượng lưu trữ tương đối thấp, vấn đề quản lý quản lý thông tin cho nhớ mẻ đơn giản Nhưng với phát triển bùng nổ công nghệ, dung lượng lưu trữ nhớ ngày mở rộng gia tăng nhanh chóng Theo việc quản lý thông tin thư mục đòi hỏi người cần có giải pháp công nghệ nhằm quản lý cách chuyên nghiệp hiệu Là sinh viên công nghệ,với đam mê, tò mò, muốn tìm hiểu để hiểu rõ cách thức quản lý tập tin thư mục của hệ hành đời sớm thực phát triển hệ hành Windows Chính em chọn đề tài quản lý tập tin thư mục hệ hành Windows để nghiên cứu giải pháp công nghệ cho vấn đề quản lý thư mục tập tin Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc quản lý file thư mục đĩa logic cài đặt hệ điều hành Windows Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giảng dạy chúng em, đặc biệt thầy cô giáo khoa Công Nghệ Thông Tin Mặc dù cố gắng hoàn thành đồ án song cung không tránh khỏi sai sót, mong thầy cô bạn đóng góp ý kiến quí báu để đề tài thành công Sinh viên thực hiện: - La Văn Kiên Chương 1: Đĩa cứng phân hoạch ổ đĩa HĐH Windows Ổ Đĩa cứng 1.1.1 Tổng quan - Ổ đĩa cứng, hay gọi ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt: HDD) thiết bị dùng để lưu trữ liệu bề mặt đĩa hình tròn (bằng nhôm, thủy tinh hay gốm) phủ vật liệu từ tính Ổ đĩa cứng loại nhớ “không thay đổi” (non-volatile), có nghĩa chúng không bị liệu ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng - Về mặt kỹ thuật ổ đĩa cứng khối nhất, phiến đĩa lắp ráp cố định ổ từ sản xuất nên thay “đĩa cứng” cách hiểu ổ đĩa mềm ổ đĩa quang (CD/DVD) - Bên ổ đĩa cứng phận chính: Cơ cấu truyền động đầu từ (actuator) điều khiển cánh tay đầu từ (actuator arm) đọc thông tin từ phiến đĩa (plater) quay liên tục nhờ gắn “chết” vào trục quay động liền trục (spindle motor) Dữ liệu truyền nhờ cáp nối có dạng dãi băng mềm (ribbon cable) Vỏ ổ đĩa (chassis) bao giữ tất phận đĩa cứng - Ổ đĩa cứng thiết bị quan trọng hệ thống chúng chứa liệu thành trình làm việc người sử dụng máy tính Những hư hỏng thiết bị khác hệ thống máy tính sửa chữa thay được, liệu bị yếu tố hư hỏng phần cứng ổ đĩa cứng thường khó lấy lại Hình 1:Ổ đĩa SCSI 1.1.2 Các loại ổ đĩa chuẩn điều khiển - Dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với thời gian Đối với máy PC hệ đầu, ổ đĩa dung lượng 20 megabyteđược coi lớn Cuối thập niên 1990 có ổ đĩa cứng với dung lượng gigabyte Vào thời điểm đầu năm 2005, ổ đĩa cứng có dung lượng khiêm tốn cho máy tính để bàn sản xuất có dung lượng lên tới 40 gigabyte ổ đĩa lắp có dung lượng lớn lên tới nửa terabyte (500 GB), ổ đĩa lắp đạt xấp xỉ terabyte Cùng với lịch sử phát triển PC, họ ổ đĩa cứng lớn MFM, RLL, ESDI, SCSI, IDE EIDE, SATA Ổ đĩa MFM đòi hỏi mạch điều khiển phải tương thích với phần điện ổ đĩa cứng hay nói cách khác ổ đĩa mạch điều khiền phải tương thích RLL (Run Length Limited) phương pháp mã hóa bit đĩa giúp làm tăng mật độ bit Phần lớn ổ đĩa RLL cần phải tương thích với điều khiển làm việc với ESDI giao diện phát triển Maxtor làm tăng tốc trao đổi thông tin PC đĩa cứng.SCSI (tên cũ SASI dành cho Shugart (sic) Associates), viết tắt cho Small Computer System Interface, đối thủ cạnh tranh ban đầu ESDI Khi giá linh kiện điện tử giảm (do nhu cầu tăng lên) chi tiết điện tử trước đặt cạc điều khiển đặt lên ổ đĩa cứng Cải tiến gọi ổ đĩa cứng tích hợp linh kiện điện tử (Integrated Drive Electronics hay IDE) Các nhà sản xuất IDE mong muốn tốc độ IDE tiếp cận tới tốc độ SCSI Các ổ đĩa IDE chậm nhớ đệm lớn ổ đĩa SCSI khả ghi trực tiếp lên RAM Các công ty chế tạo IDE cố gắng khắc phục khoảng cách tốc độ phương pháp đánh địa logic khối (Logical Block Addressing - LBA) Các ổ đĩa gọi EIDE Cùng lúc với đời EIDE, nhà sản xuất SCSI tiếp tục cải tiến tốc độ SCSI Những cải tiến đồng thời khiến cho giá thành giao tiếp SCSI cao thêm Để vừa nâng cao hiệu suất EIDE vừa không làm tăng chi phí cho linh kiện điện tử cách khác phải thay giao diện kiểu "song song" kiểu "nối tiếp", kết đời giao diện SATA Tuy nhiên, hiệu suất làm việc ổ đĩa cứng SATA hệ đầu ổ đĩa PATA khác biệt đáng kể 1.1.3 Cấu trúc vật lý đĩa cứng - Một đĩa cứng hộp kín bên có nhiều đĩa tròn, xếp chồng đồng tâm Một đĩa cứng lắp đặt theo vị trí nằm ngang thẳng đứng Trong phần mô tả đĩa cứng lắp đặt theo vị trí nằm ngang - Các đầu đọc/ ghi điện từ bố trí mặt đĩa gọi đầu từ Các đầu từ di chuyển vào theo phương hướng tâm với đĩa tròn xoay Các đĩa quay quanh trục cố định Do đầu từ vươn tới vị trí bề mặt đĩa - Đĩa cứng thường làm kim loại Để tăng dung lượng cho đĩa cứng người ta cấu tạo nhiều đĩa xếp chồng lên gắn chặt vào trục môtor - Đường kính đĩa cứng thường 3,5 inchs, Big Foot - Cấu tạo mặt đĩa cứng gồm: (Side -Track – Sector) - Side, Trackđánh số từ 0, Sectorđánh số từ - Cylinder:Là tập hợp Track có số hiệu - Heads: Được gắn cần Môtor bước Trên mặt - đĩa cứng số đầu từ >1 Hình 2:Sơ đồ đĩa cứng 1.1.3.1 Các rãnh từ (tracks) - Trên đĩa cứng, liệu lưu trữ rãnh tròn đồng tâm mảnh Một đầu từ vị trí đọc ghi vòng tròn rãnh gọi rãnh từ (track) Có thể có 1000 tracks đĩa cứng 3,5 inch Một track chia làm nhiều phần nhau, phần gọi sector Một sector đơn vị lưu trữ vật lý nhỏ đĩa, 512 bytes (0.5 KB) - Hình cho thấy đĩa cứng với đĩa Hình 3:Các phần đĩa cứng - Cấu trúc đĩa cứng trước (tức trước có Windows 95) đề cập tới ký hiệu cylinder/ head/ sector Một cylinder tập hợp bao gồm tất tracks có bán kính mặt đĩa khác nhau, với cách tổ chức đĩa cứng đọc/ ghi liệu chậm so với đĩa cứng ngày Tất đĩa cứng ngày liên tục cải tiến hệ điều hành Windows 95 đời để làm việc phù hợp với hệ điều hành - Để phù hợp với hệ điều hành hành: o Các tracks tổ chức theo cấu trúc logic cấu trúc vật lý, thiết lập đĩa định dạng cấp thấp Các tracks đánh số (kể từ cạnh phía đĩa) tăng dần số hiệu lên đến số cao nhất, điển hình 1023 (gần tâm đĩa nhất) o Tương tự có 1024 cylinder đánh số từ đến 1023 đĩa cứng o Các Heads (đầu từ ) đánh số từ đến 255 (thông thường đầu từ 255 không dùng cho việc truy xuất liệu người sử dụng) đĩa cứng o Các sectors track đánh số từ đến 63 - Các đĩa quay tròn đồng tâm theo tốc độ không đổi Do quãng đường đầu từ bề mặt đĩa đầu từ gần tâm đĩa nhỏ đầu từ gần cạnh đĩa đơn vị thời gian Tức số lượng liệu đọc/ ghi đầu từ gần tâm đĩa gần cạnh đĩa đơn vị thời gian Để bù lại, tức đảm bảo số lượng liệu đọc/ ghi đơn vị thời gian đầu từ vị trí bề mặt đĩa mật độ cư trú liệu track gần phía cạnh đĩa nhỏ track gần tâm đĩa (tăng dần theo hướng hướng tâm đĩa) - Không gian nhớ đĩa điền đầy theo sơ đồ chuẩn Một mặt đĩa chứa khoảng không dành riêng cho việc ghi thông tin vị trí track phần cứng (track – positioning data) không dành cho hệ điều hành Như vậy, việc lắp đặt đĩa gồm đĩa có mặt đĩa dành cho việc ghi liệu Thông tin vị trí track ghi vào đĩa trình lắp đặt nhà máy Bộ điều khiển đĩa đọc thông tin để đặt đầu từ vào vị trí sector xác 1.1.3.2 - Sectors and Clusters Một sector đơn vị lưu trữ vật lý nhỏ đĩa, có dung lượng 512 bytes 512 số lũy thừa (29) - Mỗi sector đĩa gán nhãn nhà máy qua track – positioning data Dữ liệu nhận biết sector ghi vị trí sector, trước vùng dành để chứa liệu sector cho biết địa bắt đầu sector - Phương pháp tối ưu lưu trữ file đĩa lưu trữ theo chuỗi cluster liền kề Có nhiều file có dung lượng lớn 512 bytes hệ thống quản lý file định rõ số sectors lưu trữ liệu file Ví dụ dung lượng file 800 bytes có sectors (mỗi sector có dung lượng 512 bytes) định cho file Thông thường cluster có dung lượng sector, trường hợp file có dung lượng 800 bytes lưu trữ cluster - Chúng gọi cluster đơn vị không gian nhớ cấp phát cho việc lưu trữ nội dung liệu file, điều bảo vệ liệu lưu không bị ghi đè Về sau liệu ghi nối thêm vào file giả sử dung lượng tăng lên 1030 bytes, có thêm cluster định cho việc lưu trữ file, tức toàn file lưu trữ cluster Hình 4:Sectors and Clusters - Nếu đĩa sẵn cluster trống (chưa lưu trữ liệu) liền kề nhau, cluster sau định cho việc lưu trữ file nằm ổ đĩa (có thể cylinder cylinder khác – nơi mà hệ thống quản lý file tìm sectors trống Một file lưu trữ clusters không liền kề gọi bị phân mảnh Sự phân mảnh liệu file làm giảm hiệu hệ thống hệ thống quản lý file phải điều khiển đầu từ tới số địa khác để tìm tất liệu file mà ta muốn đọc Thời gian tăng thêm để đầu từ tới số địa nguyên nhân gây nên độ trễ (làm chậm) trước đọc toàn nội dung file - Dung lượng cluster thay đổi để phù hợp với thiết bị lưu trữ file Một cluster có dung lượng lớn làm giảm khả phân mảnh liệu file, lại tăng khả lãng phí vùng nhớ không sử dụng hết 10 ta muốn sử dụng phân hoạch chạy Windows NT, cách thực phân hoạch lại đĩa - Các phiên OEM (Original Equipment Manufacturer) Windows 95 hỗ trợ bốn kiểu phân hoạch cho hệ thống FAT mà Windows NT nhận biết, kiểu tương ứng với giá trị 0Bh, 0Ch, 0Eh, 0Fh trường System ID - Khi ta tạo tập volume tập stripe, người quản trị đĩa đặt bit cao (bit 7) trường System ID cho phân hoạch mở rộng cho đĩa logic thành viên tập hợp Ví dụ, phân hoạch FAT đĩa logic FAT thành viên tập volume tập stripe giá trị trường System ID phần tử tương ứng với volume stripe có giá trị 0x86 Một phân hoạch NTFS đĩa logic NTFS thành viên tập volume tập stripe giá trị trường System ID phần tử tương ứng với volume stripe có giá trị 0x87 Bit Windows NT cần sử dụng khóa HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\DISK Registry để xác định mối quan hệ thành viên với tập volume tập stripe (xác định thứ tự đọc/ ghi volume stripe) Các volume có bit cao đặt truy nhập Windows NT - Khi phân hoạch đĩa logic thành viên tập volume tập stripe có hạn chế việc ghi không phép truy cập, bit trường System ID thiết lập Giá trị trường System ID C6 cho phân hoạch FAT, C7 cho phân hoạch NTFS - Nếu ta khởi động MS-DOS, truy cập phân hoạch đĩa logic mà trường System ID phần tử tương ứng bảng Partition có giá trị 0x01, 0x04, 0x05 0x06 Tuy vậy, ta xóa volume có giá trị khác Nếu ta sử dụng trình biên tập đĩa cấp thấp, ta đọc ghi đến sector nào, kể sector thuộc volume NTFS - Trong Windows Server, tập mirror tập stripe với parity yêu cầu sử dụng khóa HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\DISK Registry để xác định truy cập đĩa (xác định thứ tự đọc/ghi đĩa) - Trên máy tính với vi xử lý x86, trường Starting and Ending Head, Cylinder, and Sector quan trọng với việc khởi động máy tính Đoạn mã Master Boot Record sử dụng trường để tìm nạp Partition boot sector 17 - Trường Ending Cylinder bảng Partition chiếm 10 bít, số lượng cylinder lớn biểu diễn bảng Partition 1024 cylinder Các trường Starting and Ending Head chiếm byte giá trị trường từ đến 255 Các trường Starting and Ending Sector chiếm bits, giá trị trường từ đến 63 Tuy nhiên, sector đánh số từ nên số sector track lớn 63 sectors - Từ đĩa cứng định dạng cấp thấp (low-level formatted) theo chuẩn công nghiệp với 512 bytes sector, dung lượng lớn đĩa cứng diễn tả bảng Partition tính theo công thức sau: MaxCapacity = (sector size) x (sectors per track) x (cylinders) x (heads) - Thay giá trị lớn trường, ta có: 512 x 63 x 1024 x 256 = 8,455,716,864 bytes or 7.8 GB - Như dung lượng định dạng lớn nhỏ GB - Dung lượng lớn volume FAT16 phụ thuộc vào cấu trúc vật lý cứng, dung lượng lớn đạt giá trị trường trình bày nhận giá trị lớn Bảng 1-4 cho ta thấy dung lượng điển hình volume FAT16 đặt chế độ chuyển đổi khác nhau, số cylinder trường hợp 1024 cylinders 18 Translation mode Disabled Enabled Số lượng đầu từ 64 255 Số sector track 32 63 Dung lượng lớn mà hệ thống nhận GB cho phân hoạch khởi động GB Bảng 3:Dung lượng lớn volume FAT theo chế độ translation - Lưu ý rằng, máy tính dựa RISC giới hạn dung lượng hệ thống phân hoạch khởi động - Nếu phân hoạch đĩa logic mở rộng vượt 1023 cylinders tất các giá trị trường giá trị lớn 1.4 Boot sector bảo vệ boot sector đĩa logic cài đặt hệ điều hành Windows(NTFS) Boot sector đĩa logic cài đặt hệ điều hành Windows(NTFS) - Boot sector: phần chứa đoạn chương trình khởi động cho ổ đĩa - Trên đĩa cứng: sector primary partition (còn gọi phân vùng chính) - Bảng mô tả sector khởi động khối lượng định dạng với NTFS Khi bạn định dạng ổ đĩa NTFS, chương trình định dạng phân bổ 16 sector cho tập tin siêu liệu $ Boot Sector đầu tiên, thực tế, sector khởi động với "bootstrap" mã 15 sector sau IPL boot sector (chương trình ban đầu loader) Để tăng độ tin cậy hệ thống tập tin sector cuối phân vùng NTFS chứa thu nhỏ boot sector byte offset Thời lượng trường Tên trường 0x00 byte Lệnh nhảy 0x03 LONG LONG OEM ID 0x0B 25 byte BPB 0x24 48 byte BPB Mở rộng 0x54 426 byte Mã bootstrap 19 0x01FE WORD Đánh dấu kết thúc Sector Bảng 4:NTFS Boot Sector - Về khối lượng NTFS, trường liệu theo mẫu BPB BPB mở rộng Các liệu lĩnh vực cho phép Ntldr (Chương trình tải NT) để tìm bảng master file (MFT) trình khởi động Về khối lượng NTFS, MFT không nằm khu vực xác định trước, FAT16 FAT32 khối lượng Vì lý này, MFT di chuyển có khu vực xấu vị trí bình thường Tuy nhiên, liệu bị hỏng, MFT không đặt, Windows NT / 2000 giả định khối lượng chưa định dạng - Ví dụ sau minh họa sector khởi động khối lượng định dạng NTFS chạy Windows 2000 Các in định dạng ba phần: o Bytes 0x00- 0x0A lệnh nhảy OEM ID (hiển thị in đậm) o Bytes 0x0B-0x53 BPB BPB mở rộng o Các mã lại mã bootstrap kết thúc đánh dấu sector Sector vật lý:Cyl 0, Side 1, Sector 00000000:EB 52 90 4E 54 46 53 20 -20 20 20 00 02 08 00 00 R.NTFS 00000010:00 00 00 00 00 F8 00 00 -3F 00 FF 00 3F 00 00 00 ? ? 00000020:00 00 00 00 80 00 80 00 -4A F5 7F 00 00 00 00 00 J 00000030:04 00 00 00 00 00 00 00 -54 FF 07 00 00 00 00 00 T 00000040:F6 00 00 00 01 00 00 00 -14 A5 1B 74 C9 1B 74 1C t t 00000050:00 00 00 00 FA 33 C0 8E -D0 BC 00 7C FB B8 C0 07 .3 | 00000060:8E D8 E8 16 00 B8 00 0D -8E C0 33 DB C6 06 0E 00 00000070:10 E8 53 00 68 00 0D 68 -6A 02 CB 8A 16 24 00 B4 S.h hj $ 00000080:08 CD 13 73 05 B9 FF FF -8A F1 66 0F B6 C6 40 66 s f @f 00000090:0F B6 D1 80 E2 3F F7 E2 -86 CD C0 ED 06 41 66 0F .? .Af 000000A0:B7 C9 66 F7 E1 66 A3 20 -00 C3 B4 41 BB AA 55 8A f f A U 000000B0:16 24 00 CD 13 72 0F 81 -FB 55 AA 75 09 F6 C1 01 $ r U.u 000000C0:74 04 FE 06 14 00 C3 66 -60 1E 06 66 A1 10 00 66 t f` f f 000000D0:03 06 1C 00 66 3B 06 20 -00 0F 82 3A 00 1E 66 6A f; : fj 000000E0:00 66 50 06 53 66 68 10 -00 01 00 80 3E 14 00 00 fP.Sfh > 000000F0:0F 85 0C 00 E8 B3 FF 80 -3E 14 00 00 0F 84 61 00 > a 00000100:B4 42 8A 16 24 00 16 1F -8B F4 CD 13 66 58 5B 07 B $ fX [ 00000110:66 58 66 58 1F EB 2D 66 -33 D2 66 0F B7 0E 18 00 fXfX.-f3.f 00000120:66 F7 F1 FE C2 8A CA 66 -8B D0 66 C1 EA 10 F7 36 f f f 00000130:1A 00 86 D6 8A 16 24 00 -8A E8 C0 E4 06 0A CC B8 $ 20 00000140:01 02 CD 13 0F 82 19 00 -8C C0 05 20 00 8E C0 66 f 00000150:FF 06 10 00 FF 0E 0E 00 -0F 85 6F FF 07 1F 66 61 o fa 00000160:C3 A0 F8 01 E8 09 00 A0 -FB 01 E8 03 00 FB EB FE 00000170:B4 01 8B F0 AC 3C 00 74 -09 B4 0E BB 07 00 CD 10 .