Systèmes de fichiers, implantation et mémoire

• Le chapitre traite des systèmes et des fichiers de fichiers.

Fichiers et Implantation

• Supports et fichiers.
• Implantation des systèmes de fichiers sur le disque.
• Répertoires et liens.

Exemples de Systèmes de Fichiers

• Ext2.
• NTFS.

La Mémoire

• La mémoire est un moyen électrotechnique de stockage d’information.

Les Supports

• Semi-conducteur: RAM, flash (clés USB, SSD).
• Magnétique: disque dur, bande magnétique, disquette.
• Optique: CD-ROM, DVD-ROM, Blu-ray.
• Papier: cartes perforées.
• Hybride: disque dur SSHD (SSD + HDD).

Les Niveaux de Stockage

• Primaire: accessible directement par le CPU (mémoire RAM).
• Secondaire: utilise des canaux spéciaux pour le transfert vers le stockage primaire.
• Tertiaire: utilisation d'un mécanisme robotique pour monter et démonter le support.
• Hors-ligne (ou amovible): nécessite l'insertion manuelle d'un support.

Caractéristiques de la Mémoire

• Volatilité:
  • Volatile: perdue lors de la mise hors tension.
  • Rémanente: conservée lors de la mise hors tension.
• DRAM vs SRAM (mémoires volatiles):
  • DRAM: Nécessite un rafraîchissement périodique.
  • SRAM: Pas besoin de rafraîchissement.
• Accès:
  • Lecture et écriture.
  • Lecture seule.
  • Lecture rapide et écriture lente (exemple CD-ROM).
• Type d’accès:
  • Accès aléatoire (RAM).
  • Accès séquentiel (CD-ROM, DVD).

Les Types de Mémoire

• La mémoire vive (RAM):
  • Modifiable et consultable en tout temps.
• La mémoire morte (ROM):
  • Les informations ne peuvent pas être modifiées.
• La mémoire de masse:
  • Accès plus lent mais quantité supérieure.
• La mémoire cache:
  • A court terme.
  • Accélère les performances matérielles.
• La mémoire flash:
  • Peut être effacée intégralement en une seule opération.

Fichier Logique

• Représente la vision des données par l'utilisateur et les programmes.
• Identifié par un nom.
• Opérations possibles incluent la création/destruction (liaison logique/physique) et l'ouverture/fermeture (rupture de la liaison).
• Correspond à une unité logique de traitement et est accessible via des fonctions de lecture/écriture.

Types de Fichiers

• Ordinaires: contiennent des informations (données, programmes, bibliothèques).
• Répertoires: conservent la structure du système de fichiers.
• Spéciaux caractère: liés aux entrées/sorties avec transfert de données via périphériques.
  • Pas de temporisation (envoi caractère par caractère).
• Spéciaux bloc: liés aux entrées/sorties avec transfert de données via disques durs, clés, CD-ROM.
  • Utilisation de tampons pour accélérer les transferts.

Fichiers Ordinaires

• Textes/ASCII: contiennent des lignes de texte lisibles et imprimables directement.
• Binaires: suite d’octets incompréhensibles (sauf pour les applications).
• Le type de fichier peut être déterminé par extension, attribut, ou rester indéfini, reconnu uniquement par l'application.

Attributs de Fichier

• Informations complémentaires concernant un fichier.
• Le nombre d'attributs varie selon le système.
• Exemples: indicateurs de lecture, écriture et exécution (r, w, x sous Unix), créateur/propriétaire, type (ASCII ou binaire), heure et date de création.

Fichier Logique: Mode d’Accès

• Séquentiel:

  • Traitement des enregistrements les uns après les autres en utilisant un « pointeur ».
  • La lecture donne l'enregistrement courant et avance, l'écriture se fait à la fin.
  • Accès en lecture seule ou en écriture seule.

• Indexé/aléatoire:

  • Accès direct via une clé et un index maintenu.
  • Accès en lecture seule, écriture seule, ou lecture/écriture.

• Direct/relatif: accès basé sur la position relative.

• Entité allouée et contenant les données physiques sur le support.

• Les problématiques concernent le placement, l'emplacement et la méthode de récupération des fichiers.

Structure d'un Disque Dur

• Plateaux: jusqu’à 20 par disque dur.
• Faces: 2 par plateau.
• Pistes: de 10 à plus de 1000 par face.
• Cylindres: 1 par piste.
• Secteurs: 4 à 32 par piste.
• Exemple: 3 plateaux donc 6 faces et 6 têtes de lecture, 512 octets par secteur, premier secteur adressable en cylindre 0, tête 0, secteur 0.

Les Blocs

• Optimisation des opérations de lecture/écriture par regroupement de secteurs consécutifs.
• Unité d’échange entre le disque et la mémoire.

Les Partitions 1/2

• Secteur 0 contient le MBR (Master Boot Record) pour « booter » la machine.
• La table des partitions suit le MBR : adresses de début et de fin.
• Chaque partition contient un bloc de boot et un superbloc (informations du système de fichiers).

Les Partitions 2/2

• Au démarrage, le MBR est consulté pour la partition active.
• Le premier bloc de cette partition (bloc de boot) est lu.
• Le programme dans le bloc de boot est chargé.

Implantation des Fichiers: Contiguë

• Les fichiers sont stockés dans des blocs consécutifs.
• Simplicité et excellentes performances grâce à un seul déplacement au début du fichier.
• L’inconvénient est la fragmentation de l’espace libre.
• Utilisée avec les DVD et CD-Rom.

Illustration de l’Implantation Contiguë

• Comment choisir la position d'un fichier.
• Stratégies: first-fit, next-fit, best-fit, worst-fit.

Algorithme First-Fit

• La recherche du segment libre commence au début.
• L'algorithme avance jusqu'au prochain segment libre.
• Si ce segment est insuffisant, il avance à nouveau.
• Sinon, le segment actuel est utilisé.
• L'algorithme est rapide car les recherches sont limitées.

Algorithme Next-Fit

• Similaire à First-Fit, mais la recherche débute à partir de la position trouvée précédemment.
• Cette stratégie est plus rapide par simulation.

Algorithme Best-Fit

• Le fichier est placé dans l'emplacement libre le plus petit possible.
• Cette stratégie est plus lente que les deux précédentes.
• Peut entraîner une perte de place due à l’utilisation des emplacements libres très petits.

Algorithme Worst-Fit

• Identique à Best-Fit, mais le fichier est placé dans l’emplacement le plus grand.
• Par simulation, cet algorithme est moins performant.

Implantation par Liste Chaînée

• Chaque fichier est une liste chaînée de blocs répartis sur le disque.
• Avantage: pas de fragmentation de l'espace libre.
• Inconvénients: lecture plus lente/complexe, utilisation d'octets pour indiquer le prochain bloc.

Implantation par Liste Chaînée et FAT

• Les pointeurs vers les blocs sont stockés dans une table: la FAT (File Allocation Table).
• La table est complètement chargée en mémoire.
• Avantage: chaque bloc physique est entièrement disponible pour les données.
• Inconvénients: la taille de la table peut être considérable.

Implantation Indexée

• Chaque fichier est associé à une structure de données appelée i-node contenant les attributs et adresses des blocs du fichier.
• Avantage: seuls les i-nodes des fichiers ouverts sont chargés en mémoire.

Gestion de L'espace Libre: Tableaux / Chaîne de Bits

• Chaque bloc correspond à un bit dans le tableau/chaîne (0 pour libre, 1 sinon).
• Problème: taille du tableau/de la chaîne.

Gestion de L'espace Libre: Listes Chaînées

• La table est remplacée par une liste chaînée.
• Chaque entrée indique l’état (libre/occupé), l’adresse de début du segment et sa taille.

Les Répertoires (1/2)

• Correspondance entre fichiers logiques et physiques via une table appelée répertoire.
• Un répertoire est constitué d’entrées, chacune représentant un fichier et contenant son nom, type, localisation physique, taille, propriétaire et protections.

Les Répertoires (2/2)

• Différents niveaux de répertoires:
  • Systèmes à un seul niveau: tous les fichiers sont dans le même répertoire.
  • Systèmes à deux niveaux: un répertoire racine contient un répertoire par utilisateur.
  • Systèmes hiérarchiques: organisation en arbre (arborescence).
• La majorité des systèmes d’exploitation actuels utilisent les répertoires hiérarchiques.
• Attention à la taille maximum du chemin absolu.

Les Liens

• Utilisés pour partager des fichiers entre plusieurs utilisateurs.
• Lien physique/matériel: un nouveau nom pointe vers le même i-node.
  • L'i-node contient un compteur de liens (visible avec la commande ls -l).
• Lien symbolique: fichier texte contenant le chemin et le nom du fichier cible.
  • Apparaît avec un @ à la fin sous Linux et est associé à un raccourci.

Le Système Ext2

• Ext2 (Extended File System version 2).
• Le premier bloc est le boot.
• Groupes de blocs suivants: super bloc (taille/nombre de blocs et i-nodes), descripteur de groupe, table des i-nodes, blocs de données (512o à 4096o).

Les I-nodes

• Chaque i-node fait 128 octets et contient: nom du fichier, type, droits, heures d’accès/modification, nombre de liens, taille, liste de contrôle d’accès, table d’adresses.

Table d'Adresses

• Adresses de 4 octets.
• Contient 15 entrées.
  • Les 12 premières entrées: blocs logiques contenant des données.
  • Les 3 dernières: différents niveaux d’indirection pour adresser des fichiers plus volumineux que ce que les 12 premières adresses peuvent couvrir.
• Taille maximale d’un fichier: 12 fois la taille d'un bloc.
  • Si le fichier est plus grand, l’indirection est utilisée (adresse d’un bloc contenant d’autres adresses).

La Journalisation

• En cas d’arrêt brutal, la structure des données peut être instable.
• Des outils de vérification sont nécessaires au démarrage, ce qui peut prendre du temps.
• Pour éviter cela, une structure de données supplémentaire appelée journal est ajoutée.
  • Toutes les actions sont stockées.
  • En cas de problème, il suffit de reprendre le journal.

Ext3 et Evolution

• Propose pour apporter le principe de la "journalisation" au système ext2.
• Il existe une compatibilité entre ces deux systèmes.
• Assez bon pour un poste utilisateur, pas pour des hébergeurs ou des serveurs.

Ext4

• Gestion de disques jusqu’à 1024 × 250 octets.
• Allocation contiguë des fichiers afin de minimiser la fragmentation.
• Compatibilité limitée entre Ext3 et Ext4.

NT File System (NTFS)

• Développé pour Windows NT (New Technology File System).
• Adresses disques sur 64 bits.
• Noms de fichiers limités à 255 caractères et chemin complet à 32767 caractères.
• Supporte l’Unicode avec le respect de la case (sauf via l’API Win32).
• Blocs de 512Ko à 64Ko (généralement 4Ko).
• Correspondance fichiers/répertoires à des enregistrements dans une table: la MFT.

MFT (Master File Table)

• Chaque entrée de fichier/répertoire fait 1 Ko et est vue comme une suite d’attributs.
• Si un attribut peut être stocké dans la MFT, il est dit résident (date de création, nom, etc.).
• Les attributs non-résidents sont stockés ailleurs sur le disque.
• Si petit, le fichier est stocké intégralement dans la MFT.
• La MFT est un fichier qui peut croître jusqu'à 248 enregistrements et peut être placée n'importe où sur le disque.

NTFS Fonctionnalités Avancées

• Support de la compression de fichiers, de répertoires et de volume.
  • Lecture/écriture par n’importe quelle application sans décompression par un autre programme .
• Algorithme de compression supportant des blocs de 4Ko maximum .
• EFS (Encrypting File System) : NTFS5, permet de protéger l’accès aux fichiers grâce à une clé symétrique et des clés publiques.

Ce chapitre explore les systèmes de fichiers, leur implantation sur disque, et les répertoires. Il aborde les types de mémoire (RAM, flash, magnétique, optique) et les niveaux de stockage (primaire, secondaire, tertiaire). Découvrez les caractéristiques de la mémoire et leur fonctionnement.