Εισαγωγή στους Η/Υ Ενότητα 5: Δημήτρης Σαραβάνος, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών
Σκοποί ενότητας Περιγραφή της δομής και της λειτουργίας των Σκληρών Δίσκων Απόδοση του ορισμού του Αρχείου και πώς αυτό αποθηκεύεται στον υπολογιστή Πώς γίνεται και για ποιους λόγους ο διαμερισμός των Σκληρού Δίσκου Αναφορά στα επίπεδα ασφαλείας των αρχείων 2
Περιεχόμενα ενότητας Λειτουργία Σκληρών Δίσκων Τι είναι το Αρχείο και το File System Διαμερισμός Σκληρού Δίσκου Ασφάλεια αρχείων 3
Μέρος 1 ο Λειτουργία Σκληρών Δίσκων
Λειτουργία Σκληρών Δίσκων Το εσωτερικό των Σκληρών Δίσκων
Λειτουργία σκληρών δίσκων Εικόνα 1: Εσωτερικό σκληρού δίσκου Εικόνα 2: Κεφαλές εγγραφής σκληρού δίσκου Εικόνα 3: Εξαρτήματα σκληρού δίσκου 6
Τι γίνεται αν μπει σκόνη; Οι σκληροί δίσκοι κατασκευάζονται σε χώρους με ΠΟΛΥ καθαρή ατμόσφαιρα. Εικόνα 4: Σύγκριση του κενού κεφαλήςδίσκου σε σχέση με άλλα αντικείμενα, όπως τρίχα ανθρώπου, σκόνη Απότομες κινήσεις μπορεί να φέρουν σε επαφή την κεφαλή με την περιστρεφόμενη πλάκα, με αποτέλεσμα αυτή να καταστραφεί. Εικόνα 5: Κατεστραμμένος σκληρός δίσκος 7
Λειτουργία σκληρών δίσκων Η μαγνητική πλάκα αποτελείται από πολλές μαγνητικές κυψελίδες. Η φορά του μαγνητικού πεδίου των κυψελίδων καθορίζει έμμεσα αυτό που λέμε στην Επιστήμη των Υπολογιστών «0/1». Εικόνα 6: Κεφαλή σκληρού δίσκου Εικόνα 7: Μηχανικά μέρη σκληρού δίσκου 8
Λειτουργία σκληρών δίσκων Για πρακτικούς λόγους, το «0/1» δεν το καθορίζει η φορά του πεδίου, αλλά η εναλλαγή. Όταν στο καλώδιο του πηνίου περνάει ρεύμα, αυτό μαγνητίζει τις κυψελίδες από κάτω του (γράφει στο δίσκο). Όταν στο καλώδιο του πηνίου ΔΕΝ περνάει ρεύμα, λόγω επαγωγής δημιουργούνται ρεύματα από το πεδίο των κυψελίδων (διαβάζει από το δίσκο). Εικόνα 8: Εφαρμογή του μαγνητικού πεδίου πάνω στο σκληρό δίσκο 9
Μέρος 2 ο Τι είναι το Αρχείο και το File System
Τι είναι το Αρχείο και το FS Οι τύποι των Αρχείων και τα Συστήματα αποθήκευσής τους
Αρχείο (File) Ορισμός Αρχείο είναι μια συλλογή πληροφοριών που είναι αποθηκευμένη σε κάποιο μέσο και προορίζεται για χρήση από κάποιο πρόγραμμα. Απλά αρχεία Κατάλογοι Folder / Directory Εικόνα 9: Εικόνα που χρησιμοποιείται για τα έγγραφα Εικόνα 10: Εικόνα που χρησιμοποιείται για τους φακέλους Από πρακτικής απόψεως, φάκελος (folder) και κατάλογος (directory) είναι ακριβώς το ίδιο πράγμα. Τα συστήματα Unix χρησιμοποιούν το directory, ενώ τα windows το folder. Σύνδεσμοι Windows Shortcut // Unix Link 12
Φάκελοι / Κατάλογοι Κάθε κατάλογος μπορεί να περιέχει αρχεία και άλλους καταλόγους. Εικόνα 11: Διάγραμμα γονικού καταλόγου με υποκαταλόγους Ο κατάλογος που περιέχει κάποιον άλλο λέγεται Parent Directory (Γονικός). Ο κατάλογος που περιέχεται σε κάποιον άλλο λέγεται Subdirectory (Υποκατάλογος). 13
Απλά Αρχεία Εικόνα 12: Διαχωρισμός των αρχείων σε 1. Text files (περιέχουν χαρακτήρες ASCII / Unicode) 2. Binary files (χρειάζονται ειδική επεξεργασία) 14
Απλά Αρχεία Ένα όνομα που αποδίδεται σε ένα αρχείο, ώστε να δεσμευτεί ένας χώρος σε κάποιο μέσο αποθήκευσης. Σε κάποια ΛΣ το όνομα αρχείου είναι συνδεδεμένο με τον τύπο του ή την έκδοση, ενώ σε άλλα είναι απλώς λέξεις. Πίνακας 1: Παραδείγματα τύπων αρχείων και συμβολισμοί τους Extensions File Type txt Text data file mp3, au, wav Audio file gif, tiff, jpg Image file doc, wp3 Word processing document java, c, cpp Program source files Εικόνα 13: Όνομα αρχείου και τύπος αρχείου 15
Απλά Αρχεία Είναι όλα εκείνα τα στοιχεία που αφορούν την ύπαρξη του αρχείου μέσα στο αποθηκευτικό μέσο, π.χ. ώρα δημιουργίας και τελευταίας τροποποίησης μέγεθος δημιουργός, ιδιοκτήτης κτλ Θυμηθείτε το Εργ. 1: Κατά τον υπολογισμό του μεγέθους εικόνας, υπολογίζαμε πάντα μέγεθος μικρότερο από το πραγματικό. Εικόνα 14: Μεταδεδομένα ενός αρχείου γραφικών 16
File System (FS) Ορισμός Το FS είναι μια μέθοδος για την αποθήκευση και οργάνωση των αρχείων ενός υπολογιστή, ώστε να μπορούμε να τα βρούμε και να τα επεξεργαστούμε εύκολα. FS έχουν όλα τα μέσα αποθήκευσης Εικόνα 15: Εσωτερικό σκληρού δίσκου Εικόνα 16: Floppy Disks Εικόνα 17: Σχέδιο διαδικτύου Εικόνα 18: Δίσκος CD 17
File System :: Τύποι Ένα DFS είναι ένα σύστημα αρχείων που προορίζεται για αποθήκευση αρχείων σε δίσκους. πχ 1. File Allocation Table (FAT): FAT12, FAT16, FAT32, exfat 2. New Technology FileSystem (NTFS) 3. Hierarchical FS (HFS, HFS+) 4. High Performance FS (HPFS) 5. Linux FSs: ext2, ext3, ext4, Reizer, SWAP κτλ 6. CDROM FS: ISO 9660, Universal Disk Format (UDF) 7. κτλ Εικόνα 19: Δίσκος CD 18
File System Η αποθήκευση των αρχείων μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Συνεχής Αποθήκευση Συνδεδεμένη Αποθήκευση Υπέρ: Το αρχείο είναι «μαζεμένο» σε ένα μέρος και μπορεί να προσπελαστεί γρήγορα. Υπέρ: Δεν απαιτείται συνεχής ελεύθερος χώρος για την αποθήκευση. Κατά: Για ένα μεγάλο αρχείο, μπορεί να μην υπάρχει διαθέσιμο συνεχές κομμάτι στο δίσκο. Κατά: Για ένα μεγάλο αρχείο, θα χρειαστούν πολλές «μεταπηδήσεις» (καθυστέρηση). 19
File System Η αποθήκευση των αρχείων μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Συνεχής Αποθήκευση Συνδεδεμένη Αποθήκευση Εικόνα 20: Διάγραμμα συνεχούς αποθήκευσης Εικόνα 21: Διάγραμμα συνδεδεμένης αποθήκευσης 20
File System / File Allocation Table (FAT) Βασικό «συστατικό» κάθε FS είναι ο «Πίνακας Περιεχομένων» του. Δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο εντοπίζει σε ποια θέση θα βρει τα δεδομένα. Ανάλογα με τον αριθμό των bit που χρησιμοποιούνται για τη διευθυνσιοδότηση των στοιχείων του πίνακα, καθορίζονται οι διάφορες εκδόσεις του FAT: FAT12, FAT16, FAT32 21
File System / File Allocation Table (FAT) Εικόνα 22: Πίνακας κατανομής αρχείων 22
File System / EXT4 Κάθε «block» συνδέεται με ένα ή περισσότερα block, μέχρι να καταλήξουμε στη «φυσική» θέση των αρχείων πάνω στο δίσκο. Εικόνα 23: Δομής αποθήκευσης φακέλων και αρχείων (EXT 4) 23
File System / EXT4 Η οργάνωση ακολουθεί μια δομή δέντρου. Εικόνα 24: Δομής αποθήκευσης φακέλων και αρχείων 24
File System / NTFS Κάθε αρχείο προσδιορίζεται από μια εγγραφή στον MFT. Οι 16 πρώτες εγγραφές αφορούν ειδικές πληροφορίες (δηλ, όχι αρχεία) Η πρώτη εγγραφή περιγράφει τον ίδιο τον πίνακα και ακολουθεί ένα ακριβές αντίγραφο (mirror record) για λόγους ασφαλείας. Εικόνα 25: Διάγραμμα συστήματος καταχώρισης NTFS 25
File System / NTFS Πίνακας 2: Η δομή του σκληρού δίσκου κατά την αποθήκευση Standard information File or directory name Security descriptor Data or index Για μεγάλα αρχεία ή καταλόγους, αναφέρεται ένας «δείκτης» προς το μέρος του δίσκου που βρίσκονται. Τα μικρά αρχεία, αποθηκεύονται μέσα στον MFT. 26
File System / Flash Ένα FFS είναι ένα σύστημα αρχείων που προορίζεται για αποθήκευση αρχείων σε μνήμες τύπου Flash. Ιδιαιτερότητες: 1. Κάθε block μνήμης πρέπει να σβηστεί πριν γραφτεί (χρόνος) 2. Ταχεία τυχαία προσπέλαση (δε γίνεται αναζήτηση, άρα ταχύτητα) 3. Φθορά: ένα block που χρησιμοποιείται συνέχεια, φθείρεται Εικόνα 26: φορητή συσκευή αποθήκευσης (USB stick) 27
File System / Tape Ένα TFS είναι ένα σύστημα αρχείων που προορίζεται για αποθήκευση αρχείων σε μαγνητικές ταινίες. Η μαγνητική ταινία δεν μπορεί να προσπελαστεί τυχαία, παρά μόνο σειριακά. Ένα τέτοιο σύστημα είναι το IBM Linear Tape File system (IBM LTFS) Εικόνα 27: IBM Linear Tape File system (IBM LTFS) 28
File System / Network Ένα NFS είναι ένα σύστημα αρχείων που προορίζεται για αποθήκευση αρχείων σε δικτυακές συσκευές παραδείγματα: 1. Network File System (NFS) 2. Apple File System (AFS) 3. Samba Server File System (SMB) 4. Web Authoring and Development protocol (WebDAV) ** Εικόνα 28: Σχέδιο διαδικτύου 29
Μέρος 3 ο Διαμέριση Σκληρού Δίσκου
Διαμέριση Σκληρού Δίσκου Βασικές Έννοιες της Διαμέρισης
Διαχωρισμός σκληρού δίσκου Ο διαχωρισμός του σκληρού δίσκου σε περισσότερες «λογικές» μονάδες αποθήκευσης που λέγονται: partitions ή διαμερίσματα δίσκου ή κατατμήσεις δίσκου. Εικόνα 29: Δημιουργία partitions σε σκληρό δίσκο 32
Οφέλη του διαχωρισμού 1. Διαχωρισμός του ΛΣ από τα προγράμματα και τα δεδομένα => Image Backups & Cloning 2. Δημιουργία ειδικού χώρου για «εικονική μνήμη» 3. Τα προγράμματα και τα δεδομένα τους βρίσκονται συγκεντρωμένα στην ίδια περιοχή 4. Ύπαρξη πολλών ΛΣ στον ίδιο δίσκο κτλ Εικόνα 30: Πρόγραμμα δημιουργίας Partitions 33
Είδη διαχωρισμού σε PC Ένας δίσκος μπορεί να έχει το πολύ: 1. 4 primary partitions 2. 3 primary partitions & 1 extended partition Primary Partition: Μπορεί να περιέχει μόνο ένα σύστημα αρχείων. Όλα τα ΛΣ Windows απαιτούν να είναι εγκατεστημένα σε primary partition. Άλλα ΛΣ δεν το απαιτούν. Extended Partition: Είναι ένα ειδικό partition που διαχωρίζεται σε επιμέρους λογικές μονάδες (logical drives ή logical partitions). Κάθε partition εμφανίζεται στο ΛΣ και λειτουργεί σαν αυτόνομος δίσκος σαν να ήταν ξεχωριστή συσκευή Οι πληροφορίες για κάθε partition είναι αποθηκευμένες στη Master Boot Record (MBR) 34
Μέρος 4 ο Ασφάλεια Αρχείων
Ασφάλεια Αρχείων Χρήστες και Δικαιώματα
Προστασία - Δικαιώματα Στα αρχεία έχει πρόσβαση μόνο ο ιδιοκτήτης τους, εκτός αν δίνεται ρητά άδεια σε κάποιον άλλο. Τα επίπεδα ασφάλειας εξαρτώνται από το ΛΣ. Στα συστήματα Windows, οι διάφοροι χρήστες και ομάδες χρηστών, αλλάζουν ανάλογα με την έκδοση. Στα συστήματα Unix δομές ασφαλείας είναι σταθερές. 37
Προστασία - Δικαιώματα Στο UNIX υπάρχουν τρεις κατηγορίες: 1. Ο ιδιοκτήτης (User u) 2. Η ομάδα (Group g) 3. Ο υπόλοιπος κόσμος (Others o) Πίνακας 3: Επίπεδο ασφαλείας αρχείου Read Write/Delete Execute Owner Yes Yes No Group Yes No No World Yes No No 38
Directory Tree Η ιεραρχική δομή των directory και subdirectory ονομάζεται Directory Tree Ο κατάλογος στο ανώτερο σημείο λέγεται Ριζικός Κατάλογος ή Root \ στα windows και / στο UNIX Εικόνα 31: Δομή καταχώρισης φακέλων και αρχείων σε windows Εικόνα 32: Δομή καταχώρισης φακέλων και αρχείων σε UNIX 39
Διαδρομή (Path) Διαδρομή ή Path ονομάζεται ο καθορισμός της θέσης ενός αρχείου ή καταλόγου μέσα στο File System. Απόλυτη Διαδρομή ή Absolute Path Μια διαδρομή που ξεκινάει από το Root και περιλαμβάνει όλα τα διαδοχικά subdirectories. Σχετική Διαδρομή ή Relative Path Μια διαδρομή που ξεκινάει από το τυχαίο Directory (συνήθως το τρέχον). 40
Τέλος Ενότητας
Ανάπτυξη Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό αναπτύχθηκε από την Ερευνητική Ομάδα Δομικής Ανάλυσης και Ευφυών Υλικών του Εργαστηρίου Τεχνικής Μηχανικής και Ταλαντώσεων. http://saam.mech.upatras.gr 42
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στο πλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 43
Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών, Δημήτρης Σαραβάνος. Δημήτρης Σαραβάνος. «Εισαγωγή στους Η/Υ.». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/mech1203/ 44
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 45
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 46
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (1/3) Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνα 1: σελ. 6, CC BY-SA 3.0, http://en.wikipedia.org/wiki/file:apertura_hard_disk_04.jpg Εικόνα 2: σελ. 6, CC BY-SA 3.0, http://commons.wikimedia.org/wiki/file:ibm_0665-30_hdd_1.jpg Εικόνα 3: σελ. 6, CC BY-SA 3.0, http://lnx.cx/docs/vdg/output/virtual-disk- Operations.html Εικόνα 5: σελ. 7, CC BY-SA 3.0, https://en.wikipedia.org/wiki/file:hard_disk_head_crash.jpg 47
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (2/3) Εικόνα 6: σελ. 8, CC BY 2.0, http://en.wikipedia.org/wiki/file:hard_disk_head.jpg Εικόνα 7: σελ. 8, CC BY-NC-SA 3.0, http://en.kioskea.net/contents/385-hard-drive Εικόνα 8: σελ. 9, public domain, http://en.wikipedia.org/wiki/file:perpendicular_recording_diagram.svg Εικόνα 15: σελ. 17, CC BY-SA 3.0, http://en.wikipedia.org/wiki/file:apertura_hard_disk_04.jpg Εικόνα 16: σελ. 17, public domain, http://el.wikipedia.org/wiki/%ce%91%cf%81%cf%87%ce%b5%ce%af%ce%bf:flo ppy_disk_2009_g1.jpg Εικόνα 23: σελ. 23, ελεύθερο λογισμικό 3.0, http://en.wikipedia.org/wiki/file:ext2- inode.gif 48
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (3/3) Εικόνα 26: σελ. 27, public domain, http://en.wikipedia.org/wiki/file:sandisk_cruzer_micro.png Εικόνα 27: σελ. 28, CC BY-NC-SA 2.5, http://www.lionswing.net/lessons/hardware/hard.html#tabletsec Εικόνα 29: σελ. 32, ελεύθερο λογισμικό 3.0, http://en.wikipedia.org/wiki/file:gparted.png Εικόνα 30: σελ. 33, CC BY-NC-SA 3.0, http://en.kioskea.net/download/download- 4046-paragon-partition-manager Οποιοδήποτε έργο δεν αναφέρεται, έχει δημιουργηθεί από το διδάσκοντα του μαθήματος ή/και την Τμηματική Ομάδα Εργασίας και παρέχεται με την ίδια άδεια CC BY-NC-SA 4.0 49