Un file system (a volte scritto anche filesystem) è un metodo di strutturazione dei dati che un sistema operativo utilizza per controllare il modo in cui i dati vengono archiviati e recuperati. Organizza file ed directory per garantire un'adeguata allocazione dello spazio sul dispositivo.
Un file system organizza i dati in una struttura gerarchica e consente la creazione, lo spostamento, la modifica e l'eliminazione di file e directory. I file system sono essenziali per ottimizzare le prestazioni, garantendo l'integrità dei datie facilitare la gestione dei dati e backups.
Come funzionano i file system?
Un file system gestisce l'archiviazione e il recupero dei dati su un dispositivo di archiviazione, come un disco rigido, SSDo archiviazione di rete. Ecco come funziona un file system:
- Allocazione dello spazio di archiviazione. Il file system divide lo spazio di archiviazione disponibile su un dispositivo nelle più piccole unità gestibili, chiamate blocchi o settori.
- Archiviazione di file. Quando un file viene salvato, il file system alloca queste unità per memorizzare i dati del file. I file più grandi sono divisi in segmenti più piccoli, distribuiti su più unità non contigue.
- Gestione dei metadati. Il file system conserva i metadati su ciascun file e directory, inclusi nome, dimensione, date di creazione e modifica, autorizzazioni, ecc.
- Struttura della directory. Il file system organizza i file in una struttura di directory gerarchica, consentendo agli utenti e applicazioni per navigare e individuare facilmente i file.
- Controllo di accesso. I file system gestiscono l'accesso e le autorizzazioni per file e directory per controllare quali utenti possono leggere, scrivere ed eseguire i file.
- Operazioni sui file. Il file system fornisce meccanismi per eseguire operazioni su file e directory. Queste operazioni comportano l'aggiornamento dei metadati secondo necessità.
- Coerenza e integrità. I file system avanzati implementano misure per garantire la coerenza e l'integrità dei dati e il rilevamento e la correzione degli errori in caso di guasto del sistema.
- Ottimizzazione. I file system utilizzano vari meccanismi per migliorare le prestazioni. Ad esempio, possono eseguire la memorizzazione nella cache per accelerare l'accesso ai dati utilizzati di frequente o organizzare i dati in modo da ridurre al minimo i tempi di ricerca del disco.
Ciascun tipo di file system implementa in modo univoco questi principi, garantendo che i requisiti di prestazioni e affidabilità corrispondano ai vari tipi di storage e hardware configurazioni.
Tipi di file system
I file system sono progettati tenendo conto di esigenze di archiviazione e ambienti informatici specifici. Ecco un elenco dei diversi tipi di file system:
File system su disco
I file system su disco sono progettati per l'uso su unità disco fisiche, come unità disco rigido (HDD) or unità a stato solido (SSD). Gestiscono l'allocazione dello spazio su disco, mantengono i file metadatie garantire l'integrità e la sicurezza dei dati. I file system su disco sono essenziali per le prestazioni e l'affidabilità dei sistemi informatici poiché influenzano direttamente la velocità di accesso ai dati, l'utilizzo della capacità di archiviazione e i meccanismi di ripristino in caso di errori o guasti del sistema.
I file system su disco soddisfano vari requisiti di archiviazione, inclusa la necessità di file di grandi dimensioni, elevate capacità di archiviazione e robuste funzionalità di ripristino dei dati. Questi file system includono funzionalità per gestire lo spazio su disco in modo efficiente, come il supporto per blocchi di grandi dimensioni, che riduce il sovraccarico, e compressione, che sfrutta meglio lo spazio disponibile.
Alcuni esempi di file system su disco sono:
- NTFS (New Technology File System) per Windows.
- Ext4 (quarto file system esteso) per Linux.
- HFS + (File System gerarchico Plus) per macOS.
- exFAT (Extended File Allocation Table) per compatibilità multipiattaforma.
File System Flash
I file system flash sono progettati per dispositivi di archiviazione di memoria flash, come unità a stato solido (SSD), USB unità flash e schede di memoria. Sono personalizzati per integrare le caratteristiche e le limitazioni specifiche di memoria flash, come l'assenza di parti mobili, tempi di accesso più rapidi e un numero finito di cicli di scrittura prima che le celle di memoria si consumino.
I file system flash sono progettati per mantenere le prestazioni e l'efficienza durante le operazioni di lettura/scrittura riducendo al minimo l'amplificazione della scrittura, ovvero la scrittura e la cancellazione non necessarie delle celle flash. Questi file system spesso incorporano anche codici di correzione degli errori (ECC) integrati, che rilevano e correggono corruzione dei dati.
Esempi di file system flash includono:
- F2FS (file system compatibile con Flash)
- JFFS (Journaling Flash File System)
Sistemi di file su nastro
I file system su nastro sono progettati per gestire i dati nell'archiviazione su nastro magnetico. Questa tecnologia viene utilizzata principalmente per backup, archiviazione e recupero dati grazie alla sua efficienza in termini di costi. I file system su nastro sono ottimizzati per trasferimenti di dati sequenziali di grandi dimensioni e incorporano robusti meccanismi di correzione degli errori per garantire l'integrità dei dati nel tempo.
I moderni file system su nastro, come il Linear Tape File System (LTFS), consentono agli utenti di interagire con l'archiviazione su nastro in modo simile ad altri supporti rimovibili, come le unità USB, consentendo il trascinamento dei file. Questa funzionalità migliora significativamente l'usabilità dello storage su nastro, rendendolo adatto a un'ampia gamma di applicazioni e utenti.
File system di database
I file system di database memorizzano i file e i relativi metadati banche dati, consentendo relazioni più complesse tra i dati e attributi di metadati più ricchi. Questo approccio abilita funzionalità di query avanzate, fornisce supporto transazionale e migliora l'integrità e la sicurezza dei dati. I file system di database incorporano meccanismi efficienti di indicizzazione, controllo della concorrenza e ripristino, fondamentali per la gestione di grandi volumi di file.
I file system di database consentono ricerche e operazioni complesse sui file in base ai loro metadati o contenuto. Questa funzionalità migliora l'efficienza del recupero e della manipolazione dei dati, soprattutto in ambienti altamente dinamici. Questi file system garantiscono inoltre integrità e coerenza dei dati garantendo che le modifiche ai file e ai metadati aderiscano alle proprietà ACID:
- Atomicita. Ogni transazione viene trattata come una singola unità, che può essere completata interamente o non essere completata affatto.
- Consistenza. Ogni transazione porta il sistema da uno stato valido ad un altro, mantenendo le regole predefinite del database.
- Isolamento. Garantisce che le transazioni avvengano in modo indipendente, impedendo che transazioni simultanee interferiscano tra loro.
- Durevolezza. Garantisce che una volta eseguita una transazione, rimanga tale, anche in caso di guasto del sistema.
File system transazionali
I file system transazionali garantiscono l'integrità e la coerenza dei dati applicando principi simili a quelli presenti nei database transazionali. Raggruppano una serie di operazioni sui file in un'unica transazione. Le operazioni riescono o falliscono nel loro complesso, portando il sistema da uno stato coerente a un altro. Questa atomicità impedisce aggiornamenti parziali e garantisce che il file system rimanga coerente anche in caso di interruzioni o guasti del sistema. Queste funzionalità rendono i file system transazionali particolarmente preziosi per applicazioni critiche, come i sistemi di elaborazione dati finanziari o in tempo reale.
I file system transazionali utilizzano journaling, registrazione write-ahead e snapshot per tenere traccia delle modifiche e consentire il rollback o il ripristino se la transazione non viene completata correttamente. Automatizzando la gestione della coerenza tramite questi meccanismi, i file system transazionali riducono la complessità dello sviluppo delle applicazioni. Gli sviluppatori possono concentrarsi sulle proprie attività senza preoccuparsi di operazioni parzialmente completate o di danneggiamento dei dati. I file system transazionali migliorano inoltre il ripristino del sistema e aiutano le organizzazioni a ripristinare rapidamente le normali operazioni senza intervento manuale o controlli approfonditi.
File system di rete
I file system di rete consentono a più utenti e sistemi di condividere file su una rete di computer anziché su un archivio locale. Astraendo le complessità della rete, questi sistemi forniscono un'interfaccia perfetta per leggere, scrivere ed eseguire file. Questi tipi di file system sono essenziali negli ambienti collaborativi poiché facilitano la condivisione e la gestione efficiente delle risorse su diversi sistemi e piattaforme.
I protocolli comuni per i file system di rete includono:
- File System di rete (NFS) per Unix e Linux.
- Server Blocco messaggi (SMB) per Windows.
- Protocollo di riempimento Apple (AFP) per macOS.
I file system di rete si basano su robuste misure di sicurezza, come autenticazione ed crittografia. Questi protocolli proteggono i dati sensibili durante la trasmissione e garantiscono che solo le persone autorizzate possano accedervi. Migliorare latenza di rete ed larghezza di banda, i file system di rete applicano tecniche come la memorizzazione nella cache e la compressione dei file, che migliorano la reattività e riducono i tempi di trasferimento dei dati. Inoltre, meccanismi come il blocco dei file e il controllo della versione aiutano a prevenire la corruzione dei dati dovuta all'accesso e alla modifica dei file da parte di più utenti.
File system su disco condiviso
I file system del disco condiviso, noti anche come file system del cluster, forniscono l'accesso simultaneo a una porzione di spazio di archiviazione su disco da più file system servers o nodi. Consentono un elevato livello di condivisione dei dati e collaborazione tra sistemi in cluster, adatto per ambienti che richiedono elevata disponibilità, scalabilità e prestazioni, come cluster di database e sistemi di storage aziendali.
I file system su disco condiviso si basano su un'infrastruttura di archiviazione di rete, come SAN (Storage Area Network). Le SAN forniscono una rete ad alta velocità che connette più reti servers, consentendo in modo efficace la distribuzione del carico di lavoro e migliorando la ridondanza del sistema. Funzionalità come journaling, snapshotting e replica supportano l'integrità dei dati, backupe ripristino, rendendo i file system dei dischi rigidi una soluzione solida per la gestione dei dati critici in ambienti informatici complessi.
File system minimi
I file system minimi sono progettati per occupare una quantità minima di spazio di archiviazione e richiedono risorse di elaborazione minime. Questo approccio progettuale li rende adatti a sistemi embedded, bootloader e a basso consumo Dispositivi IoT (Internet delle cose)., che hanno requisiti operativi ben definiti e capacità informatiche limitate.
I file system minimi offrono in genere una struttura di base per l'archiviazione di file senza funzionalità avanzate, come NTFS, ext4 o HFS+. Il loro obiettivo principale è invece fornire funzionalità sufficienti per gestire i file in modo efficiente entro i limiti delle risorse del dispositivo.
Sistemi di file flat
I file system flat rappresentano un approccio semplicistico all'archiviazione dei file che non utilizza directory o cartelle per l'archiviazione dei file. Tutti i file vengono invece archiviati sullo stesso livello o in un'unica directory, semplificando la gestione e l'accesso ai file. I file system flat sono particolarmente adatti per sistemi con spazio di archiviazione limitato o applicazioni che non possono permettersi il sovraccarico di una struttura gerarchica.
Tuttavia, senza directory, i file system flat non possono gestire in modo efficiente un numero elevato o crescente di file. Per questo motivo sono più adatti per sistemi specializzati o integrati con un ambito ristretto.
Esempi di file system
Ecco gli esempi di file system più comuni:
- Tabella di allocazione file (FAT). FAT è compatibile con molti sistemi operativi, come DOS, Windows, Mac OS e Sistema basato su UnixS. Viene comunemente utilizzato per supporti rimovibili come unità flash USB o schede SD. La variante FAT32 è limitata alla dimensione massima del file di 4 GB e al volume di 2 TB.
- Tabella di allocazione file estesa (exFAT). Questa è una versione aggiornata del sistema FAT che ne espande le dimensioni fino a 16EB e il volume fino a 128PB.
- Quarto file system esteso (Ext4). Questo file system è utilizzato da Linux e supporta file e volumi più grandi (fino a 1 EB per i file e da 16 TB a 1 EB per i volumi).
- File system globale (GFS). GFS è un file system su disco condiviso per cluster di computer Linux. Consente l'accesso simultaneo allo stesso archivio di blocchi condiviso a tutti i nodi.
- File system gerarchico (HFS). HFS è un file system sviluppato da Apple per l'utilizzo su computer Macintosh. È stato sostituito da HFS+, che offre prestazioni migliori e supporta file e volumi più grandi.
- Formato disco universale (UDF). UDF è uno standard di file system per supporti ottici, come CD, DVD e dischi Blu-ray. Supporta file e volumi più grandi rispetto al suo predecessore, ISO9660.
- Nuovo file system tecnologico (NTFS). NTFS è un file system sviluppato da Microsoft per il sistema operativo Windows. A partire da Windows NT, NTFS offre supporto per file e volumi di grandi dimensioni, funzionalità avanzate di protezione e ripristino dei dati e sicurezza a livello di file.
- File system Apple (APFS). APF è un file system sviluppato da Apple in sostituzione di HFS+. Migliora l'efficienza, l'affidabilità e la sicurezza per l'archiviazione flash/SSD. Dispone inoltre di crittografia avanzata, condivisione dello spazio e ridimensionamento rapido delle directory.
