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Systeme 1 Kapitel 3 Dateisysteme. Hauptaufgaben: – Organisation programmexterner Daten Progamminterne Daten werden direkt von Anwendungsprogrammen im.

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1 Systeme 1 Kapitel 3 Dateisysteme

2 Hauptaufgaben: – Organisation programmexterner Daten Progamminterne Daten werden direkt von Anwendungsprogrammen im zur Verfügung stehenden Arbeitsspeicher verwaltet. – Definiert ein Ordnungs- und Zugriffssystem – Erlaubt den (gleichzeitigen) Zugriff mehrerer Programme Beispiel für ein einfaches Dateisytem: – RamFS / TempFS (Linux): Bereiche des Arbeitsspeichers werden als logisches Ordnungssystem genutzt.

3 Dateisysteme Persistente Dateisysteme – Daten werden persistent gesichert Daten sind von Lebensdauer von Programmen unabhängig. – Nutzung von externen Medien z.B. Platten, CD-ROM, Bänder – Erlaubt die Organisation von großen Datenmengen Daten müssen nicht vollständig in den Arbeitsspeicher geladen werden. Beispiele: – (V)FAT, NTFS (MS-DOS / Windows) – ext3, XFS, ReiserFS (Linux) – ISO 9660 (CD-ROM), UDF (ISO 13346) (DVD)

4 Dateien – Kleinste logische Einheit eines Dateisystems – Aus Sicht des Betriebssystems eine Sequenz von Daten einer gegebenen Länge – Zugriff über Namen (Dateiname) Regeln variieren von System zu System – Beispiel: MS-DOS (FAT): » Name: maximal 8 Zeichen » Dateierweiterung: maximal 3 Zeichen » Keine Unterscheidung zwischen Groß- und Kleinbuchstaben – Beispiel: Linux (ext3) » Unterscheidung zwischen Groß- und Kleinbuchstaben » 255 Zeichen (ohne '/' und NUL ('\0'))

5 Dateitypen Reguläre Dateien – beinhalten Benutzerdaten Verzeichnisse (Directory) – Systemdatei zur hierarchischen Organisation – beinhalten reguläre Dateien Gerätedateien – Blockbasiert Lesen und schreiben in Blöcken z.B. Platten, Diskettenlaufwerke,... – Zeichenbasiert Modellierung von Seriellen- und E/A-Geräten z.B. Maus, Tastatur, Modem Symbolische Links Pipes, Sockets...

6 Dateiattribute Dateiattribute speichern Metadaten über Dateien Beispiele: – Entstehungszeitpunkt (Datum, Uhrzeit) – Dateigröße – Zugriffsrechte: Wer darf in welcher Weise auf die Datei zugreifen? Zugriffsarten: – Lesender Zugriff – Schreibender Zugriff – Ausführung Zugreifender – Dateieigentümer – Benutzergruppe des Dateieigentümers

7 Beispiel: Dateiattribute unter Linux $ ls –l drwxr-x--- 6 admin users 4096 Dec 02 08:10 verzeichnis -rw-r ann users 1804 Dec 05 19:30 datei1 -rwxr--r-- 1 bob users 1804 Dec 01 20:22 datei2 Bedeutung der Felder: – Typ des Eintrags: Datei, Verzeichnis – Rechte für Besitzer, Gruppenbesitzer, alle anderen – Anzahl Einträge (Verzeichnis), Anzahl Referenzen (Datei) – Besitzer, Gruppenbesitzer – Speicherplatzverbrauch – Datum der letzten Modifikation – Name

8 Dateiattribute (Beispiele)

9 Exkurs: Rechteverwaltung unter UNIX Standardrechte für Verzeichnisse und Dateien: – Dateien r: Datei darf gelesen werden w: Datei darf geändert werden x: Datei darf als Programm ausgeführt werden – Verzeichnisse r: Der Inhalt des Verzeichnisses darf gelesen werden w: Der Inhalt des Verzeichnisses darf geändert werden: Dateien anlegen, umbenennen, löschen x: Man darf in das Verzeichnis wechseln und seine Objekte benutzen

10 Exkurs: Rechteverwaltung unter UNIX Sonderrechte: Optische Notation bei ls : -rwsr-s--- und drwxrwxrwt – Dateien: SUID-Prozess läuft unter der UID des Programmbesitzers SGID-Prozess läuft mit der GID des Programmgruppenbesitzers – Verzeichnisse: SUID: Ohne Verwendung SGID: Neu angelegte Dateien gehören der Gruppe, der auch das Verzeichnis gehört SVTX: Jeder darf nur löschen, was ihm gehört

11 Exkurs: Rechteverwaltung unter UNIX Beispiel SUID: -r-s--x--x … root root … /usr/bin/passwd – Beim Aufruf von 'passwd' läuft das Programm mit der UID des Besitzers (in dem Fall root). – SUID-root-Programme sind sicherheitskritisch! Beispiel SVTX: drwxrwxrwt … root root … /tmp – SVTX verhindert, dass jeder alles löschen darf.

12 Verzeichnisbaum Baumartige hierarchische Strukturierung Ausgangspunkt Wurzelverzeichnis (UNIX: '/') Restliche Verzeichnisse baumartig angehängt Absolute Pfade beginnen mit '/', z.B. '/home/meier' Relative Pfade beginnen nicht mit '/', z.B. 'schulze' Relative Pfade beziehen sich auf ein aktuelles Arbeitsverzeichnis (working directory).

13 Dateizugriff Sequentieller Zugriff: – Alle Bytes einer Datei können nur nacheinander vom Anfang beginnend gelesen werden. – Kein Überspringen – Zurückspulen möglich – Beispiel: (serielle) E/A-Gerätedateien, Bandlaufwerke Random-Access-Dateien (Dateien mit wahlfreiem Zugriff): – Lesen erfolgt von der gerade aktuellen Position – Beliebiges Festlegen der aktuellen Position durch Seek- Operation möglich – Beispiel: Dateien auf Festplatten

14 Dateienoperationen Operationen entsprechen Systemaufrufen – Create : Erzeugen – Delete : Löschen – Open : Öffnen – Close : Schließen – Read : Lesen von aktueller Position – Write : Schreiben an aktuelle Position – Append : Anhängen an Dateiende – Seek : Bei Random-Access-Dateien aktuelle Position bestimmen – Get attributes : Lesen der Dateiattribute – Set attributes : Verändern der Dateiattribute – Rename : Umbenennen

15 Verzeichnisoperationen Operationen entsprechen Systemaufrufen – Create : Erzeugen – Delete : Löschen – Opendir : Öffnen – Closedir : Schließen – Readdir : Nächsten Verzeichniseintrag lesen – Get attributes : Lesen der Verzeichnisattribute – Set attributes : Verändern der Verzeichnisattribute – Rename : Umbenennen Aber: kein Write! – Verzeichniseinträge werden nur geschrieben bei Create etc. auf Dateien.

16 Systeme 1 Kapitel 3.1 Implementierung von Dateisystemen

17 Festplatten Dateisystem z.B. auf Festplatten Festplatten bestehen aus mehreren Platten Platte ist eingeteilt in Sektoren

18 Festplatten Layout Sektor 0 der Platte enthält MBR (Master Boot Record). – Verwendet beim Booten – Partitionstabelle mit Anfangs- und Endadresse jeder Partition – Eine aktive Partition Bootvorgang: – BIOS liest MBR ein. – Lokalisierung der aktiven Partition – Einlesen und Ausführen des Bootblocks der aktiven Partition – Bootblock enthält den Bootloader, dieser lädt das Betriebssystem (-> hat Kenntnis über Dateisystem).

19 Festplatten Layout Bootblock lädt Dateisystem der Partition. Superblock des Dateisystems enthält Schlüsselparameter des Dateisystems (z.B. Schreibschutzmarkierung, Name des Dateisystemtyps etc.). Freispeicherverwaltung: Informationen über freie Blöcke im Dateisystem I-Nodes: – Liste von Datenstrukturen – Eine Datenstruktur pro Datei mit wesentlichen Informationen über Datei Datenblöcke: Eigentliche Inhalte der Dateien.

20 Realisierung von Dateien 3 verschiedene Alternativen zur Realisierung von Dateien: – Zusammenhängende Belegung – Belegung durch verkettete Listen – I-Nodes

21 Realisierung von Dateien Abspeicherung von Dateien als zusammen- hängende Menge von Plattenblöcken:

22 Realisierung von Dateien Abspeicherung von Dateien als zusammenhängende Menge von Plattenblöcken: Vorteil: schnelles sequentielles Lesen einfache Implementierung

23 Realisierung von Dateien Abspeicherung von Dateien als zusammenhängende Menge von Plattenblöcken: Problem: Löschen von Dateien D und F Fragmentierung der Platte! Verschiebung der Blöcke? Verwaltung der entstehenden Löcher in Freilisten? Was passiert, wenn man eine Datei erzeugt, deren Größe aber noch unbekannt ist? Zusammenhängende Belegung im Allgemeinen - keine gute Idee! Aber: Wird benutzt in Spezialfällen wie Dateisysteme für CD-ROMs.

24 Realisierung von Dateien Speichere Dateien als verkettete Listen von Platten- blöcken – Dateiinhalt wird auf Blöcke gleicher Größer verteilt

25 Realisierung von Dateien Speichere Datei als verkettete Listen von Plattenblöcken – Dateiinhalt wird auf Blöcke gleicher Größer verteilt Vorteile – Keine Fragmentierung – Sequentielles Lesen Nachteile – Wahlfreier Zugriff Zugriff auf Block n: Starte bei Block 0 und verfolge alle Blöcke n-1 Blöcke => n-1 langsame Lesezugriffe auf die Platte

26 Realisierung von Dateien (FAT) Speichere Datei als verkettete Listen von Plattenblöcken Verbesserung: – Halte Information über Verkettung der Blöcke im Hauptspeicher – Ersetze bei wahlfreiem Zugriff Plattenzugriffe durch (schnellere) Hauptspeicherzugriffe Datei-Allokationstabelle bzw. FAT im Hauptspeicher Methode benutzt in – MS-DOS (FAT-12, FAT-16, FAT-32) – Windows 95, Windows 98 (FAT-32) – Windows 2000 (u.a. FAT-32)

27 Realisierung von Dateien (FAT)

28 Speichere Datei als verkettete Listen von Plattenblöcken Vorteil: – Da FAT im Hauptspeicher abgelegt, muss bei wahlfreiem Zugriff auf Block n nur eine Kette von Verweisen im Hauptspeicher verfolgt werden. Nachteil: – Größe der FAT im Speicher! – Anzahl der Einträge = Gesamtzahl der Plattenblöcke – Auch wenn Platte fast komplett unbelegt! Beobachtung: – Man braucht Verkettung der Plattenblöcke nur für aktuell bearbeitete Dateien! -> I-Node-Konzept (UNIX, LINUX)

29 Realisierung von Dateien (I-Node) Zu jeder Datei gehört eine Datenstruktur der sog. I-Node (Index-Node) I-Node ermöglicht Zugriff auf alle Blöcke der Datei. I-Node muss nur dann im Speicher sein, wenn eine Datei offen ist. – Wenn k Dateien offen und I-Node n Bytes benötigt, dann nur k * n Byte insgesamt.

30 Bsp.: UNIX System V I-Node einer Datei enthält – alle Attribute der Datei – m Adressen von Plattenblöcken – (UNIX System V: m = 10)

31 Realisierung von Dateien (I-Node) Kleine Dateien bis 10 x 1 KByte (bei Blockgröße 1 KByte):

32 Realisierung von Dateien (I-Node) Für größere Dateien werden Datenblöcke zur Speicherung von weiteren Plattenadressen genutzt Bsp.: – Blockgröße 1 KByte – Größe eines Zeigers auf Plattenblock: 4 Byte -> 256 Zeiger passen in einen Plattenblock – Nach 10 (direkten) Plattenadressen gibt es im I-Node Zeiger auf Block mit 256 weiteren Plattenadressen -> Insgesamt Dateien bis zu ( ) x 1 KByte = 266 KByte möglich.

33 Realisierung von Dateien (I-Node)

34 Noch größere Dateien.

35 Realisierung von Dateien (I-Node) Bei – Blockgröße 1 KB, – Zeigergröße 4 Byte – erhält man über doppelt indirekten Block 256 x 256 = Zeiger auf Datenblöcke. Zusätzlich noch dreifach indirekter Block … Frage: Wie groß ist mit diesen Parametern die maximale Dateigröße? Übung

36 Realisierung von Dateien (I-Node) Attribut-Informationen von I-Nodes * Hier 3-Bytes für eine Adresse *

37 Realisierung von Verzeichnissen Verzeichnisse sind ebenfalls Dateien! Sie liefern eine Abbildung von – Datei- bzw. Verzeichnisnamen – auf I-Node-Nummern. Jeder Verzeichniseintrag ist ein Paar aus Name und I- Node-Nummer. Über I-Nodes kommt man dann zu Dateiinhalten.

38 Realisierung von Verzeichnissen tmp etc var usr lib home bin man lib meier mueller schulze games mail news work /

39 Verwaltung freier Plattenblöcke Datenblöcke im Dateisystem an beliebigen Stellen genutzt. Nicht notwendigerweise aufeinander folgend. Verwaltung freier Blöcke: – Über Freibereichsliste als verkettete Liste: Speichere Nummern von freien Plattenblöcken Benutze zum Speichern der Nummern freie Plattenblöcke, die miteinander verkettet werden – Bitmap Bitmap mit 1 Bit für jeden Plattenblock Plattenblock frei, entsprechendes Bit = 1

40 Verwaltung freier Plattenblöcke

41 Belegung des Dateisystems Belegung gegeben durch Anzahl genutzter I-Nodes und Datenblöcke. Dateisystem voll, wenn – Keine I-Nodes mehr frei oder – Keine Datenblöcke mehr frei. Überprüfung mittels df: $ df -i Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on /dev/hda % / /dev/hda % /boot

42 Zusammenfassung Objekte zur Datenspeicherung werden meist in Verzeichnisbäumen in Form von Dateieinträgen verwaltet. Dateien und Verzeichnisse werden vom Dateisystem bereitgestellt. Der Verzeichnisbaum wird aus mehreren Dateisystemen zusammengebaut. Verschiedene Implementierungsvarianten für Dateisysteme Unterschiede liegen in Effizienz (Speicher und Laufzeit). Geeignete Wahl des Dateisystems wird bestimmt durch Eigenschaften des physikalischen Speichermediums.


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