Вырезка произвольных форм. Отличный пример!

Описание: Компонент Дельфи отрисовки произвольных фигур по точкам, заданным пользователем. Расширяет стандартный компонент TShape. Есть справка и пример.

В этой статье я попытаюсь дать оценку быстродействию файловых систем, используемых в операционных системах WindowsNT/2000. Статья не содержит графиков и результатов тестирований, так как эти результаты слишком сильно зависят от случая, методик тестирования и конкретных систем, и не имеют почти никакой связи с реальным положением дел. В этом материале я вместо этого постараюсь описать общие тенденции и соображения, связанные с производительностью файловых систем. Прочитав данный материал, вы получите информацию для размышлений и сможете сами сделать выводы, понять, какая система будет быстрее в ваших условиях, и почему. Возможно, некоторые факты помогут вам также оптимизировать быстродействие своей машины с точки зрения файловых систем, подскажут какие-то решения, которые приведут к повышению скорости работы всего компьютера.

В данном обзоре упоминаются три системы - FAT (далее FAT16), FAT32 и NTFS, так как основной вопрос, стоящий перед пользователями Windows2000 - это выбор между этими вариантами. Я приношу извинение пользователям других файловых систем, но проблема выбора между двумя, внешне совершенно равнозначными, вариантами со всей остротой стоит сейчас только в среде Windows2000. Я надеюсь, всё же, что изложенные соображения покажутся вам любопытными, и вы сможете сделать какие-то выводы и о тех системах, с которыми вам приходится работать.

Данная статья состоит из множества разделов, каждый из которых посвящен какому-то одному вопросу быстродействия. Многие из этих разделов в определенных местах тесно переплетаются между собой. Тем не менее, чтобы не превращать статью в кашу, в соответствующем разделе я буду писать только о том, что имеет отношение к обсуждаемый в данный момент теме, и ни о чем более. Если вы не нашли каких-то важных фактов в тексте - не спешите удивляться: скорее всего, вы встретите их позже. Прошу вас также не делать никаких поспешных выводов о недостатках и преимуществах той или иной системы, так как противоречий и подводных камней в этих рассуждениях очень и очень много. В конце я попытаюсь собрать воедино всё, что можно сказать о быстродействии систем в реальных условиях.

Теория

Самое фундаментальное свойство любой файловой системы, влияющее на быстродействие всех дисковых операций - структура организации и хранения информации, т.е. то, как, собственно, устроена сама файловая система. Первый раздел - попытка анализа именно этого аспекта работы, т.е. физической работы со структурами и данными файловой системы. Теоретические рассуждения, в принципе, могут быть пропущены - те, кто интересуется лишь чисто практическими аспектами быстродействия файловых систем, могут обратиться сразу ко второй части статьи.

Для начала хотелось бы заметить, что любая файловая система так или иначе хранит файлы. Доступ к данным файлов - основная и неотъемлемая часть работы с файловой системой, и поэтому прежде всего нужно сказать пару слов об этом. Любая файловая система хранит данные файлов в неких объемах - секторах, которые используются аппаратурой и драйвером как самая маленькая единица полезной информации диска. Размер сектора в подавляющем числе современных систем составляет 512 байт, и все файловые системы просто читают эту информацию и передают её без какой либо обработки приложениям. Есть ли тут какие-то исключения? Практически нет. Если файл хранится в сжатом или закодированном виде - как это возможно, к примеру, в системе NTFS - то, конечно, на восстановление или расшифровку информации тратится время и ресурсы процессора. В остальных случаях чтение и запись самих данных файла осуществляется с одинаковой скоростью, какую файловую систему вы не использовали бы.

Обратим внимание на основные процессы, осуществляемые системой для доступа к файлам:

Поиск данных файла

Выяснение того, в каких областях диска хранится тот или иной фрагмент файла - процесс, который имеет принципиально разное воплощение в различных файловых системах. Имейте в виду, что это лишь поиск информации о местоположении файла - доступ к самим данным, фрагментированы они или нет, здесь уже не рассматривается, так как этот процесс совершенно одинаков для всех систем. Речь идет о тех "лишних" действиях, которые приходится выполнять системе перед доступом к реальным данным файлов.

На что влияет этот параметр: на скорость навигации по файлу (доступ к произвольному фрагменту файла). Любая работа с большими файлами данных и документов, если их размер - несколько мегабайт и более. Этот параметр показывает, насколько сильно сама файловая система страдает от фрагментации файлов.

NTFS способна обеспечить быстрый поиск фрагментов, поскольку вся информация хранится в нескольких очень компактных записях (типичный размер - несколько килобайт). Если файл очень сильно фрагментирован (содержит большое число фрагментов) - NTFS придется использовать много записей, что часто заставит хранить их в разных местах. Лишние движения головок при поиске этих данных, в таком случае, приведут к сильному замедлению процесса поиска данных о местоположении файла.

FAT32, из-за большой области самой таблицы размещения будет испытывать огромные трудности, если фрагменты файла разбросаны по всему диску. Дело в том, что FAT (File Allocation Table, таблица размещения файлов) представляет собой мини-образ диска, куда включен каждый его кластер. Для доступа к фрагменту файла в системе FAT16 и FAT32 приходится обращаться к соответствующей частичке FAT. Если файл, к примеру, расположен в трех фрагментах - в начале диска, в середине, и в конце - то в системе FAT нам придется обратиться к фрагменту FAT также в его начале, в середине и в конце. В системе FAT16, где максимальный размер области FAT составляет 128 Кбайт, это не составит проблемы - вся область FAT просто хранится в памяти, или же считывается с диска целиком за один проход и буферизируется. FAT32 же, напротив, имеет типичный размер области FAT порядка сотен килобайт, а на больших дисках - даже несколько мегабайт. Если файл расположен в разных частях диска - это вынуждает систему совершать движения головок винчестера столько раз, сколько групп фрагментов в разных областях имеет файл, а это очень и очень сильно замедляет процесс поиска фрагментов файла.

Вывод: Абсолютный лидер - FAT16, он никогда не заставит систему делать лишние дисковые операции для данной цели. Затем идет NTFS - эта система также не требует чтения лишней информации, по крайней мере, до того момента, пока файл имеет разумное число фрагментов. FAT32 испытывает огромные трудности, вплоть до чтения лишних сотен килобайт из области FAT, если файл разбросан разным областям диска. Работа с внушительными по размеру файлами на FAT32 в любом случае сопряжена с огромными трудностями - понять, в каком месте на диске расположен тот или иной фрагмент файла, можно лишь изучив всю последовательность кластеров файла с самого начала, обрабатывая за один раз один кластер (через каждые 4 Кбайт файла в типичной системе). Стоит отметить, что если файл фрагментирован, но лежит компактной кучей фрагментов - FAT32 всё же не испытывает больших трудностей, так как физический доступ к области FAT будет также компактен и буферизован.

Поиск свободного места

Данная операция производится в том случае, если файл нужно создать с нуля или скопировать на диск. Поиск места под физические данные файла зависит от того, как хранится информация о занятых участках диска.

На что влияет этот параметр: на скорость создания файлов, особенно больших. Сохранение или создание в реальном времени больших мультимедийных файлов (.wav, к примеру), копирование больших объемов информации, т.д. Этот параметр показывает, насколько быстро система сможет найти место для записи на диск новых данных, и какие операции ей придется для этого проделать.

Для определения того, свободен ли данный кластер или нет, системы на основе FAT должны просмотреть одну запись FAT, соответствующую этому кластеру. Размер одной записи FAT16 составляет 16 бит, одной записи FAT32 - 32 бита. Для поиска свободного места на диске может потребоваться просмотреть почти всего FAT - это 128 Кбайт (максимум) для FAT16 и до нескольких мегабайт (!) - в FAT32. Для того, чтобы не превращать поиск свободного места в катастрофу (для FAT32), операционной системе приходится идти на различные ухищрения.

NTFS имеет битовую карту свободного места, одному кластеру соответствует 1 бит. Для поиска свободного места на диске приходится оценивать объемы в десятки раз меньшие, чем в системах FAT и FAT32.

Вывод: NTFS имеет наиболее эффективную систему нахождения свободного места. Стоит отметить, что действовать "в лоб" на FAT16 или FAT32 очень медленно, поэтому для нахождения свободного места в этих системах применяются различные методы оптимизации, в результате чего и там достигается приемлемая скорость. (Одно можно сказать наверняка - поиск свободного места при работе в DOS на FAT32 - катастрофический по скорости процесс, поскольку никакая оптимизация невозможна без поддержки хоть сколь серьезной операционной системы).

Работа с каталогами и файлами

Каждая файловая система выполняет элементарные операции с файлами - доступ, удаление, создание, перемещение и т.д. Скорость работы этих операций зависит от принципов организации хранения данных об отдельных файлах и от устройства структур каталогов.

На что влияет этот параметр: на скорость осуществления любых операций с файлом, в том числе - на скорость любой операции доступа к файлу, особенно - в каталогах с большим числом файлов (тысячи).

FAT16 и FAT32 имеют очень компактные каталоги, размер каждой записи которых предельно мал. Более того, из-за сложившейся исторически системы хранения длинных имен файлов (более 11 символов), в каталогах систем FAT используется не очень эффективная и на первый взгляд неудачная, но зато очень экономная структура хранения этих самих длинных имен файлов. Работа с каталогами FAT производится достаточно быстро, так как в подавляющем числе случаев каталог (файл данных каталога) не фрагментирован и находится на диске в одном месте.
Единственная проблема, которая может существенно понизить скорость работы каталогов FAT - большое количество файлов в одном каталоге (порядка тысячи или более). Система хранения данных - линейный массив - не позволяет организовать эффективный поиск файлов в таком каталоге, и для нахождения данного файла приходится перебирать большой объем данных (в среднем - половину файла каталога).

NTFS использует гораздо более эффективный способ адресации - бинарное дерево, о принципе работы которого можно прочесть в другой статье (Файловая система NTFS). Эта организация позволяет эффективно работать с каталогами любого размера - каталогам NTFS не страшно увеличение количества файлов в одном каталоге и до десятков тысяч.
Стоит заметить, однако, что сам каталог NTFS представляет собой гораздо менее компактную структуру, нежели каталог FAT - это связано с гораздо большим (в несколько раз) размером одной записи каталога. Данное обстоятельство приводит к тому, что каталоги на томе NTFS в подавляющем числе случаев сильно фрагментированы. Размер типичного каталога на FAT-е укладывается в один кластер, тогда как сотня файлов (и даже меньше) в каталоге на NTFS уже приводит к размеру файла каталога, превышающему типичный размер одного кластера. Это, в свою очередь, почти гарантирует фрагментацию файла каталога, что, к сожалению, довольно часто сводит на нет все преимущества гораздо более эффективной организации самих данных.

Вывод: структура каталогов на NTFS теоретически гораздо эффективнее, но при размере каталога в несколько сотен файлов это практически не имеет значения. Фрагментация каталогов NTFS, однако, уверенно наступает уже при таком размере каталога. Для малых и средних каталогов NTFS, как это не печально, имеет на практике меньшее быстродействие.

Преимущества каталогов NTFS становятся реальными и неоспоримыми только в том случае, если в одно каталоге присутствуют тысячи файлов - в этом случае быстродействие компенсирует фрагментированность самого каталога и трудности с физическим обращением к данным (в первый раз - далее каталог кэшируется). Напряженная работа с каталогами, содержащими порядка тысячи и более файлов, проходит на NTFS буквально в несколько раз быстрее, а иногда выигрыш в скорости по сравнению с FAT и FAT32 достигает десятков раз.

Практика

К сожалению, как это часто бывает во всевозможных компьютерных вопросах, практика не очень хорошо согласуется с теорией. NTFS, имеющая, казалось бы, очевидные преимущества в структуре, показывает не настолько уж фантастические результаты, как можно было бы ожидать. Какие еще соображения влияют на быстродействие файловой системы? Каждый из рассматриваемых далее вопросов вносит свой вклад в итоговое быстродействие. Помните, однако, что реальное быстродействие - результат действия сразу всех факторов, поэтому и в этой части статьи не стоит делать поспешных выводов.

Объем оперативной памяти (кэширование)

Очень многие данные современных файловых систем кэшируются или буферизируются в памяти компьютера, что позволяет избежать лишних операций физического чтения данных с диска. Для нормальной (высокопроизводительной) работы системы в кэше приходится хранить следующие типы информации:

Данные о физическом местоположении всех открытых файлов. Это, прежде всего, позволит обращаться к системным файлам и библиотекам, доступ к которым идет буквально постоянно, без чтения служебной (не относящейся к самим файлам) информации с диска. Это же относится к тем файлам, которые исполняются в данный момент - т.е. к выполняемым модулям (.exe и .dll) активных процессов в системе. В эту категорию попадают также файлы системы, с которыми производится работа (прежде всего реестр и виртуальная память, различные .ini файлы, а также файлы документов и приложений).

Наиболее часто используемые каталоги. К таковым можно отнести рабочий стол, меню "пуск", системные каталоги, каталоги кэша интернета, и т.п.

Данные о свободном месте диска - т.е. та информация, которая позволит найти место для сохранения на диск новых данных.

В случае, если этот базовый объем информации не будет доступен прямо в оперативной памяти, системе придется совершать множество ненужных операций еще до того, как она начнет работу с реальными данными. Что входит в эти объемы в разных файловых системах? Или, вопрос в более практической плоскости - каким объемом свободной оперативной памяти надо располагать, чтобы эффективно работать с той или иной файловой системой?

FAT16 имеет очень мало данных, отвечающих за организацию файловой системы. Из служебных областей можно выделить только саму область FAT, которая не может превышать 128 Кбайт (!) - эта область отвечает и за поиск фрагментов файлов, и за поиск свободного места на томе. Каталоги системы FAT также очень компактны. Общий объем памяти, необходимый для предельно эффективной работы с FAT-ом, может колебаться от сотни килобайт и до мегабайта-другого - при условии огромного числа и размера каталогов, с которыми ведется работа.

FAT32 отличается от FAT16 лишь тем, что сама область FAT может иметь более внушительные размеры. На томах порядка 5 - 10 Гбайт область FAT может занимать объем в несколько Мбайт, и это уже очень внушительный объем, надежно кэшировать который не представляется возможным. Тем не менее, область FAT, а вернее те фрагменты, которые отвечают за местоположение рабочих файлов, в подавляющем большинстве систем находятся в памяти машины - на это расходуется порядка нескольких Мбайт оперативной памяти.

NTFS, к сожалению, имеет гораздо большие требования к памяти, необходимой для работы системы. Прежде всего, кэширование сильно затрудняет большие размеры каталогов. Размер одних только каталогов, с которыми активно ведет работу система, может запросто доходить до нескольких Мбайт и даже десятков Мбайт! Добавьте к этому необходимость кэшировать карту свободного места тома (сотни Кбайт) и записи MFT для файлов, с которыми осуществляется работа (в типичной системе - по 1 Кбайт на каждый файл). К счастью, NTFS имеет удачную систему хранения данных, которая не приводит к увеличению каких-либо фиксированных областей при увеличении объема диска. Количество данных, с которым оперирует система на основе NTFS, практически не зависит от объема тома, и основной вклад в объемы данных, которые необходимо кэшировать, вносят каталоги. Тем не менее, уже этого вполне достаточно для того, чтобы только минимальный объем данных, необходимых для кэширования базовых областей NTFS, доходил до 5 - 8 Мбайт.

[pagebreak]

К сожалению, можно с уверенностью сказать: NTFS теряет огромное количество своего теоретического быстродействия из-за недостаточного кэширования. На системах, имеющих менее 64 Мбайт памяти, NTFS просто не может оказаться быстрее FAT16 или FAT32. Единственное исключение из этого правила - диски FAT32, имеющие объем десятки Гбайт (я бы лично серьезно опасался дисков FAT32 объемом свыше, скажем, 30 Гбайт). В остальных же случаях - системы с менее чем 64 мегабайтами памяти просто обязаны работать с FAT32 быстрее.

Типичный в настоящее время объем памяти в 64 Мбайта, к сожалению, также не дает возможности организовать эффективную работу с NTFS. На малых и средних дисках (до 10 Гбайт) в типичных системах FAT32 будет работать, пожалуй, немного быстрее. Единственное, что можно сказать по поводу быстродействия систем с таким объемом оперативной памяти - системы, работающие с FAT32, будут гораздо сильнее страдать от фрагментации, чем системы на NTFS. Но если хотя бы изредка дефрагментировать диски, то FAT32, с точки зрения быстродействия, является предпочтительным вариантом. Многие люди, тем не менее, выбирают в таких системах NTFS - просто из-за того, что это даст некоторые довольно важные преимущества, тогда как типичная потеря быстродействия не очень велика.

Системы с более чем 64 Мбайтами, а особенно - со 128 Мбайт и более памяти, смогут уверенно кэшировать абсолютно всё, что необходимо для работы систем, и вот на таких компьютерах NTFS, скорее всего, покажет более высокое быстродействие из-за более продуманной организации данных. В наше время этим показателям соответствует практически любой компьютер.

Быстродействие накопителя

Влияют ли физические параметры жесткого диска на быстродействие файловой системы? Да, хоть и не сильно, но влияют. Можно выделить следующие параметры физической дисковой системы, которые по-разному влияют на разные типы файловых систем:

Время случайного доступа (random seek time). К сожалению, для доступа к системным областям на типичном диске более сложной файловой системы (NTFS) приходится совершать, в среднем, больше движений головками диска, чем в более простых системах (FAT16 и FAT32). Гораздо большая фрагментация каталогов, возможность фрагментации системных областей - всё это делает диски NTFS гораздо более чувствительными к скорости считывания произвольных (случайных) областей диска. По этой причине использовать NTFS на медленных (старых) дисках не рекомендуется, так как высокое (худшее) время поиска дорожки дает еще один плюс в пользу систем FAT.

Наличие Bus Mastering. Bus Mastering - специальный режим работы драйвера и контроллера, при использовании которого обмен с диском производится без участия процессора. Стоит отметить, что система запаздывающего кэширования NTFS сможет действовать гораздо более эффективно при наличии Bus Mastering, т.к. NTFS производит отложенную запись гораздо большего числа данных. Системы без Bus Mastering в настоящее время встречаются достаточно редко (обычно это накопители или контроллеры, работающие в режиме PIO3 или PIO4), и если вы работаете с таким диском - то, скорее всего, NTFS потеряет еще пару очков быстродействия, особенно при операциях модификации каталогов (например, активная работа в интернете - работа с кэшем интернета).

Кэширование как чтения, так и записи на уровне жестких дисков (объем буфера HDD - от 128 Кбайт до 1-2 Мбайт в современных дорогих дисках) - фактор, который будет более полезен системам на основе FAT. NTFS из соображений надежности хранения информации осуществляет модификацию системных областей с флагом "не кэшировать запись", поэтому быстродействие системы NTFS слабо зависит от возможности кэширования самого HDD. Системы FAT, напротив, получат некоторый плюс от кэширования записи на физическом уровне. Стоит отметить, что, вообще говоря, всерьез принимать в расчет размер буфера HDD при оценке быстродействия тех или иных файловых систем не стоит.

Подводя краткий итог влиянию быстродействия диска и контроллера на быстродействия системы в целом, можно сказать так: NTFS страдает от медленных дисков гораздо сильнее, чем FAT.

Размер кластера

Хотелось бы сказать пару слов о размере кластера - тот параметр, который в файловых системах FAT32 и NTFS можно задавать при форматировании практически произвольно. Прежде всего, надо сказать, что больший размер кластера - это практически всегда большее быстродействие. Размер кластера на томе NTFS, однако, имеет меньшее влияние на быстродействие, чем размер кластера для системы FAT32.

Типичный размер кластера для NTFS - 4 Кбайта. Стоит отметить, что при большем размере кластера отключается встроенная в файловую систему возможность сжатия индивидуальных файлов, а также перестает работать стандартный API дефрагментации - т.е. подавляющее число дефрагментаторов, в том числе встроенный в Windows 2000, будут неспособны дефрагментировать этот диск. SpeedDisk, впрочем, сможет - он работает без использования данного API. Оптимальным с точки зрения быстродействия, по крайней мере, для средних и больших файлов, считается (самой Microsoft) размер 16 Кбайт. Увеличивать размер далее неразумно из-за слишком больших расходов на неэффективность хранения данных и из-за мизерного дальнейшего увеличения быстродействия. Если вы хотите повысить быстродействие NTFS ценой потери возможности сжатия - задумайтесь о форматировании диска с размером кластера, большим чем 4 Кбайта. Но имейте в виду, что это даст довольно скромный прирост быстродействия, который часто не стоит даже уменьшения эффективности размещения файлов на диске.

Быстродействие системы FAT32, напротив, можно довольно существенно повысить, увеличив размер кластера. Если в NTFS размер кластера почти не влияет на размер и характер данных системных областей, то в системе FAT увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT в те же два раза. Вспомните, что в типичной системе FAT32 эта очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократиться - уменьшается и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов, и объем оперативной памяти, необходимый для буферизирования этой информации. Типичный объем кластера для систем FAT32 составляет тоже 4 Кбайт, и увеличение его до 8 или даже до 16 Кбайт - особенно для больших (десяток и более гигабайт) дисков - достаточно разумный шаг.

Другие соображения

NTFS является достаточно сложной системой, поэтому, в отличие от FAT16 и FAT32, имеются и другие факторы, которые могут привести к существенному замедлению работы NTFS:

Диск NTFS был получен преобразованием раздела FAT16 или FAT32 (команда convert). Данная процедура в большинстве случаев представляет собой тяжелый случай для быстродействия, так как структура служебных областей NTFS, скорее всего, получится очень фрагментированной. Если есть возможность - избегайте преобразования других систем в NTFS, так как это приведет к созданию очень неудачного диска, которому не поможет даже типичный (неспециализированный) дефрагментатор, типа Diskeeper-а или встроенного в Windows 2000.

Активная работа с диском, заполненным более чем на 80% - 90%, представляет собой катастрофический для быстродействия NTFS случай, так как фрагментация файлов и, самое главное, служебных областей, будет расти фантастически быстро. Если ваш диск используется в таком режиме - FAT32 будет более удачным выбором при любых других условиях.

Выводы

В данной заключительной части "одной строчкой" собраны ключевые особенности быстродействия этих трех файловых систем.

FAT - плюсы:

Для эффективной работы требуется немного оперативной памяти.

Быстрая работа с малыми и средними каталогами.

Диск совершает в среднем меньшее количество движений головок (в сравнении с NTFS).

Эффективная работа на медленных дисках.

FAT - минусы:

Катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков (только FAT32).

Сложности с произвольным доступом к большим (скажем, 10% и более от размера диска) файлам.

Очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов.

NTFS - плюсы:

Фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы - работа фрагментированной системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов.

Сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию.

Быстрый доступ к произвольному фрагменту файла (например, редактирование больших .wav файлов).

Очень быстрый доступ к маленьким файлам (несколько сотен байт) - весь файл находится в том же месте, где и системные данные (запись MFT).

NTFS - минусы:

Существенные требования к памяти системы (64 Мбайт - абсолютный минимум, лучше - больше).

Медленные диски и контроллеры без Bus Mastering сильно снижают быстродействие NTFS.

Работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы.

Диск, долго работающий в заполненном на 80% - 90% состоянии, будет показывать крайне низкое быстродействие.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что на практике основной фактор, от которого зависит быстродействие файловой системы - это, как ни странно, объем памяти машины. Системы с памятью 64-96 Мбайт - некий рубеж, на котором быстродействие NTFS и FAT32 примерно эквивалентно. Обратите внимание также на сложность организации данных на вашей машине. Если вы не используете ничего, кроме простейших приложений и самой операционной системы - может случиться так, что FAT32 сможет показать более высокое быстродействие и на машинах с большим количеством памяти.

NTFS - система, которая закладывалась на будущее, и это будущее для большинства реальных применений сегодняшнего дня еще, к сожалению, видимо не наступило. На данный момент NTFS обеспечивает стабильное и равнодушное к целому ряду факторов, но, пожалуй, всё же невысокое - на типичной "игровой" домашней системе - быстродействие. Основное преимущество NTFS с точки зрения быстродействия заключается в том, что этой системе безразличны такие параметры, как сложность каталогов (число файлов в одном каталоге), размер диска, фрагментация и т.д. В системах FAT же, напротив, каждый из этих факторов приведет к существенному снижению скорости работы.

Только в сложных высокопроизводительных системах - например, на графических станциях или просто на серьезных офисных компьютерах с тысячами документов, или, тем более, на файл-серверах - преимущества структуры NTFS смогут дать реальный выигрыш быстродействия, который порой заметен невооруженным глазом. Пользователям, не имеющим большие диски, забитые информацией, и не пользующимся сложными программами, не стоит ждать от NTFS чудес скорости - с точки зрения быстродействия на простых домашних системах гораздо лучше покажет себя FAT32.

Сетевой уровень в первую очередь должен предоставлять средства для решения следующих задач:

* доставки пакетов в сети с произвольной топологией,
* структуризации сети путем надежной локализации трафика,
* согласования различных протоколов канального уровня.

---

Локализация трафика и изоляция сетей

Трафик в сети складывается случайным образом, однако в нем отражены и некоторые закономерности. Как правило, некоторые пользователи, работающие над общей задачей, (например, сотрудники одного отдела) чаще всего обращаются с запросами либо друг к другу, либо к общему серверу, и только иногда они испытывают необходимость доступа к ресурсам компьютеров другого отдела.

Желательно, чтобы структура сети соответствовала структуре информационных потоков. В зависимости от сетевого трафика компьютеры в сети могут быть разделены на группы (сегменты сети). Компьютеры объединяются в группу, если большая часть порождаемых ими сообщений, адресована компьютерам этой же группы.

Для разделения сети на сегменты используются мосты и коммутаторы. Они экранируют локальный трафик внутри сегмента, не передавая за его пределы никаких кадров, кроме тех, которые адресованы компьютерам, находящимся в других сегментах. Тем самым, сеть распадается на отдельные подсети. Это позволяет более рационально выбирать пропускную способность имеющихся линий связи, учитывая интенсивность трафика внутри каждой группы, а также активность обмена данными между группами.

Однако локализация трафика средствами мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения.

С одной стороны, логические сегменты сети, расположенные между мостами, недостаточно изолированы друг от друга, а именно, они не защищены от, так называемых, широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Защита от широковещательных штормов в сетях, построенных на основе мостов, имеет количественный, а не качественный характер: администратор просто ограничивает количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу.

С другой стороны, использование механизма виртуальных сегментов, реализованного в коммутаторах локальных сетей, приводит к полной локализации трафика - такие сегменты полностью изолированы друг от друга, даже в отношении широковещательных кадров. Поэтому в сетях, построенных только на мостах и коммутаторах, компьютеры, принадлежащие разным виртуальным сегментам, не образуют единой сети.

Приведенные недостатки мостов и коммутаторов связаны с тем, что они работают по протоколам канального уровня, в которых в явном виде не определяется понятие части сети (или подсети, или сегмента), которое можно было бы использовать при структуризации большой сети. Вместо того, чтобы усовершенствовать канальный уровень, разработчики сетевых технологий решили поручить задачу построения составной сети новому уровню - сетевому.

Согласование протоколов канального уровня

Современные вычислительные сети часто строятся с использованием нескольких различных базовых технологий - Ethernet, Token Ring или FDDI. Такая неоднородность возникает либо при объединении уже существовавших ранее сетей, использующих в своих транспортных подсистемах различные протоколы канального уровня, либо при переходе к новым технологиям, таким, как Fast Ethernet или 100VG-AnyLAN.

Именно для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами, и служит сетевой уровень. Когда две или более сетей организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking). Для обозначения составной сети в англоязычной литературе часто также используется термин интерсеть (internetwork или internet).

Создание сложной структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Однако возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же возможности эти ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимальные размеры полей данных в кадрах, так как канальные протоколы, как правило, не поддерживают функции фрагментации пакетов.

Маршрутизация в сетях с произвольной топологией

Среди протоколов канального уровня некоторые обеспечивают доставку данных в сетях с произвольной топологией, но только между парой соседних узлов (например, протокол PPP), а некоторые - между любыми узлами (например, Ethernet), но при этом сеть должна иметь топологию определенного и весьма простого типа, например, древовидную.

При объединении в сеть нескольких сегментов с помощью мотов или коммутаторов продолжают действовать ограничения на ее топологию: в получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост или его функциональный аналог - коммутатор - могут решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет существования альтернативного маршрута в дополнение к основному.

Сетевой уровень позволяет передавать данные между любыми, произвольно связанными узлами сети.

Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства - маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть. Внутренняя структура каждой сети не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две).

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрутов из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы.

Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения.

Маршрутизатор выбирает маршрут на основании своего представления о текущей конфигурации сети и соответствующего критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает время прохождения маршрута, которое в локальных сетях совпадает с длиной маршрута, измеряемой в количестве пройденных узлов маршрутизации (в глобальных сетях принимается в расчет и время передачи пакета по каждой линии связи).

[pagebreak]

Сетевой уровень и модель OSI

В модели OSI, называемой также моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI) и разработанной Международной Организацией по Стандартам (International Organization for Standardization - ISO), средства сетевого взаимодействия делятся на семь уровней, для которых определены стандартные названия и функции.

Сетевой уровень занимает в модели OSI промежуточное положение: к его услугам обращаются протоколы прикладного уровня, сеансового уровня и уровня представления. Для выполнения своих функций сетевой уровень вызывает функции канального уровня, который в свою очередь обращается к средствам физического уровня.

Рассмотрим коротко основные функции уровней модели OSI.

Физический уровень выполняет передачу битов по физическим каналам, таким, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. На этом уровне определяются характеристики физических сред передачи данных и параметров электрических сигналов.

Канальный уровень обеспечивает передачу кадра данных между любыми узлами в сетях с типовой топологией либо между двумя соседними узлами в сетях с произвольной топологией. В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Адреса, используемые на канальном уровне в локальных сетях, часто называют МАС-адресами.

Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных.

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между любыми узлами сети с требуемым уровнем надежности. Для этого на транспортном уровне имеются средства установления соединения, нумерации, буферизации и упорядочивания пакетов.

Сеансовый уровень предоставляет средства управления диалогом, позволяющие фиксировать, какая из взаимодействующих сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации в рамках процедуры обмена сообщениями.

Уровень представления. В отличии от нижележащих уровней, которые имеют дело с надежной и эффективной передачей битов от отправителя к получателю, уровень представления имеет дело с внешним представлением данных. На этом уровне могут выполняться различные виды преобразования данных, такие как компрессия и декомпрессия, шифровка и дешифровка данных.

Прикладной уровень - это в сущности набор разнообразных сетевых сервисов, предоставляемых конечным пользователям и приложениям. Примерами таких сервисов являются, например, электронная почта, передача файлов, подключение удаленных терминалов к компьютеру по сети.

При построении транспортной подсистемы наибольший интерес представляют функции физического, канального и сетевого уровней, тесно связанные с используемым в данной сети оборудованием: сетевыми адаптерами, концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. Функции прикладного и сеансового уровней, а также уровня представления реализуются операционными системами и системными приложениями конечных узлов. Транспортный уровень выступает посредником между этими двумя группами протоколов.

Функции сетевого уровня

Протоколы канального уровня не позволяют строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи пакетов для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.

Прежде, чем приступить к рассмотрению функций сетевого уровня , уточним, что понимается под термином "сеть". В протоколах сетевого уровня термин "сеть" означает совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи пакетов общую базовую сетевую технологию. Внутри сети сегменты не разделяются маршрутизаторами, иначе это была бы не одна сеть, а несколько сетей. Маршрутизатор соединят несколько сетей в интерсеть.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры канального уровня дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня, на основании которой можно было бы находить адресата в сети с любой базовой технологией. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть.

Заголовок сетевого уровня должен содержать адрес назначения и другую информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. К такой информации может относиться, например:

* номер фрагмента пакета, нужный для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами кадров канального уровня,
* время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения "заблудившихся" пакетов,
* информация о наличии и о состоянии связей между сетями, помогающая узлам сети и маршрутизаторам рационально выбирать межсетевые маршруты,
* информация о загруженности сетей, также помогающая согласовать темп посылки пакетов в сеть конечными узлами с реальными возможностями линий связи на пути следования пакетов,
* качество сервиса - критерий выбора маршрута при межсетевых передачах - например, узел-отправитель может потребовать передать пакет с максимальной надежностью, возможно в ущерб времени доставки.

В качестве адресов отправителя и получателя в составной сети используется не МАС-адрес, а пара чисел - номер сети и номер компьютера в данной сети. В канальных протоколах поле "номер сети" обычно отсутствует - предполагается, что все узлы принадлежат одной сети. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой их топологии, используя альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты.

Таким образом, внутри сети доставка сообщений регулируется канальным уровнем. А вот доставкой пакетов между сетями занимается сетевой уровень.

Существует два подхода к назначению номера узла в заголовке сетевого пакета. Первый основан на использовании для каждого узла нового адреса, отличного от того, который использовался на канальном уровне. Преимуществом такого подхода является его универсальность и гибкость - каков бы ни был формат адреса на канальном уровне, формат адреса узла на сетевом уровне выбирается единым. Однако, здесь имеются и некоторые неудобства, связанные с необходимостью заново нумеровать узлы, причем чаще всего вручную.

Второй подход состоит в использовании на сетевом уровне того же адреса узла, что был дан ему на канальном уровне. Это избавляет администратора от дополнительной работы по присвоению новых адресов, снимает необходимость в установлении соответствия между сетевым и канальным адресом одного и того же узла, но может породить сложную задачу интерпретации адреса узла при соединении сетей с разными форматами адресов.

Протоколы передачи данных и протоколы обмена маршрутной информацией

Для того, чтобы иметь информацию о текущей конфигурации сети, маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией между собой по специальному протоколу. Протоколы этого типа называются протоколами обмена маршрутной информацией (или протоколами маршрутизации). Протоколы обмена маршрутной информацией следует отличать от, собственно, протоколов сетевого уровня. В то время как первые несут чисто служебную информацию, вторые предназначены для передачи пользовательских данных, также, как это делают протоколы канального уровня.

Для того, чтобы доставить удаленному маршрутизатору пакет протокола обмена маршрутной информацией, используется протокол сетевого уровня, так как только он может передать информацию между маршрутизаторами, находящимися в разных сетях. Пакет протокола обмена маршрутной информацией помещается в поле данных пакета сетевого уровня, поэтому с точки зрения вложенности пакетов протоколы маршрутизации следует отнести к более высокому уровню, чем сетевой. Но функционально они решают общую задачу с пакетами сетевого уровня - доставляют кадры адресату через разнородную составную сеть.

С помощью протоколов обмена маршрутной информацией маршрутизаторы составляют карту межсетевых связей той или иной степени подробности и принимают решение о том, какому следующему маршрутизатору нужно передать пакет для образования рационального пути.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.