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Che cosa è un file system?

Un file system è un metodo per l'organizzazione dei dati che devono essere conservati dopo la fine dell'esecuzione di un programma che fornisce le procedure per memorizzare, recuperare ed archiviare i dati, nonchè gestire lo spazio disponibile sui dispositivi che li contengono. I formati di file system definiscono il modo in cui i file di dati sono memorizzati sui dispositivi di archiviazione ed influenzano la struttura di un file system. Un file system organizza i dati in modo efficiente ed è tarato sulle specifiche caratteristiche del dispositivo. I file systems allocano lo spazio in maniera granulare, solitamente nella misura di multipli di unità fisiche sul dispositivo. Il file system è responsabile dell'organizzazione dei file e delle directory e di tenere traccia delle aree del dispositivo che appartengono ad un file e di quali non sono utilizzate.

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I formati di file system di Windows


CD-ROM File System (CDFS)

Il CD-ROM File System (implementato nel file \Windows\System32\Drivers\Cdfs.sys), o CDFS, è un driver di file system di sola lettura che supporta un superset del formato ISO-9660 come anche un superset del formato di disco Joliet. Mentre il formato ISO-9660 è relativamente semplice e presenta delle limitazioni come i nomi con caratteri maiuscoli in formato ASCII con una lunghezza massima di 32 caratteri, Joliet è più flessibile e supporta nomi in formato Unicode di lunghezza arbitratria. Se le strutture di entrambi i formati sono presenti su un disco (per poter offrire la massima compatibilità), CDFS utilizza il formato Joliet. CDFS ha un paio di restrizioni: una dimensione massima di file pari a 4 GB ed un massimo di 65535 directory. CDFS è un formato relativamente semplice definito nel 1988 come lo standard di formattazione per sola lettura per i dispositivi CD-ROM. CDFS è considerato un formato legacy dal momento che l'industria ha adottato lo Universal Disk Format (UDF) come standard per i dispositivi ottici.

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Universal Disk Format (UDF)

Lo Universal Disk Format (o UDF) è un'implementazione delle specifiche ISO/IEC 13346 e ECMA-167 è un file system aperto ed indipendente per la memorizzazione dei dati dei computer su un'ampia varietà di dispositivi. In pratica, è stato ampiamente utilizzato per i DVD e per i più recenti formati di dischi ottici, soppiantando il formato ISO 9660. Grazie al modo in cui è progettato, è molto adatto per gli aggiornamenti incrementali sia sui dischi ottici registrabili che su quelli riscrivibili. UDF è sviluppato e mantenuto dalla Optical Storage Technology Association (OSTA). Il driver UDF di Windows (implementato nel file \Windows\System32\Drivers\Udfs.sys) supporta le versioni di UDF fino alla 2.60, fornendo il supporto per la lettura e scrittura di dischi DVD-RAM, CD-R/RW e DVD +-R/RW quando si utilizza UDF 2.50 ed il supporto per la sola lettura quando si utilizza UDF 2.60.

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File Allocation Table (FAT)

Il file system File Allocation Table (FAT) è supportato principalmente per consentire l'aggiornamento dalle versioni precedenti di Windows, per la compatibilità con gli altri sistemi operativi nei sistemi ad avvio multiplo e come formato per i dischi flash o per le schede di memoria. Il nome di ogni formato di FAT include un numero che indica il numero di bit che il formato utilizza per identificare i cluster su un disco. Il driver per il file system FAT di Windows è implementato nel file \Windows\System32\Drivers\Fastfat.sys.
FAT12 utilizza un identificatore di cluster a 12 bit che consente ad una partizione di memorizzare un massimo di 2^12 (4096) cluster; Windows utilizza dimensioni di cluster da 512 bytes a 8 KB, il che limita a 32 MB la dimensione di un volume formattato con FAT12 (tutti i tipi di file system FAT riservano i primi due cluster e gli ultimi 16 cluster di un volume, quindi il numero di cluster utilizzabili per un volume FAT12, ad esempio, è leggermente inferiore a 4096).
FAT16, con un identificatore di cluster a 16 bit, puoi indirizzare fino a 2^16 (65536) cluster. In Windows, FAT16 la dimensione dei cluster varia da 512 bytes (pari alla dimensione di un settore) a 64 KB, il che limita a 4 GB la dimensione di un volume formattato con FAT16. La dimensione di cluster utilizzata da Windows dipende dalla dimensione del volume. Se si esegue la formattazione in FAT di un volume di dimensione inferiore a 16 MB utilizzando il comando format o lo snap-in Gestione disco della Microsoft Management Console, Windows utilizza il formato FAT12 al posto del FAT16. Un volume FAT è suddiviso in diverse regioni. La tabella di allocazione dei file (che da il nome al file system FAT) contiene una voce per ogni cluster presente sul volume; poichè la tabella di allocazione dei file è critica per la corretta interpretazione dei contenuti di un volume, FAT mantiene due copie della tabella in modo che se un driver del file system o un programma di controllo della consistenza (come Chkdsk) non può accedere ad una copia (per esempio, a causa di un settore difettoso sul disco), può leggere dall'altra. FAT16 è un file system vecchio. E' stato ampiamente utilizzato su Windows NT 4.0 e fornisce prestazione ottimale su volumi di dimensione inferiore ai 2 gigabytes.
Nella Tabella 1 è possibile vedere la dimensione predefinita dei cluster in FAT16 corrispondente ad ogni dimensione del volume.

Dimensione volume

Dimensione cluster

0 - 32 MB 512 bytes
32 - 64 MB 1 KB
64 - 128 MB 2 KB
128 - 256 MB 4 KB
256 - 512 MB 8 KB
512 - 1024 MB 16 KB
1024 - 2048 MB 32 KB
2048 - 4096 MB 64 KB
Tabella 1: Dimensioni dei cluster FAT16 in Windows.

FAT32 è la versione di FAT introdotta con la Service Release 2 di Windows 95 OEM (OSR2) e con Windows 98. FAT32 supporta una tabella di allocazione a 32 bit e dimensioni di cluster inferiori rispetto a FAT16, in modo da poter allocare lo spazio in maniera più efficiente. FAT32 utilizza identificatori di cluster a 32-bit ma riserva i 4 bit più elevati, quindi, in pratica, gli identificatori di cluster sono lunghi 28-bit. Poichè in FAT32 le dimensioni dei cluster possono essere pari a 32 KB, FAT32 ha una capacità teorica di indirizzare volumi da 8 terabyte. Sebbene Windows possa lavorare con gli esistenti volumi FAT32 di dimensioni più grandi (creati con altri sistemi operativi), limita i nuovi volumi FAT32 ad una dimensione massima di 32 gigabyte. Il numero di cluster potenzialmente maggiore permette a FAT32 di gestire i dischi più efficientemente di FAT16: può gestire volumi con dimensione fino a 128 gigabyte e con cluster da 512 byte. Oltre al limite più elevato sul numero di cluster, gli altri vantaggi di FAT32 rispetto a FAT12 ed a FAT16 includono il fatto che la directory radice di FAT32 non è memorizzata ad una locazione predefinita sul volume, che non ha un limite superiore sulla sua dimensione e che FAT32 memorizza una seconda copia del settore di boot per ragioni di affidabilità. Una limitazione che FAT32 condivide con FAT16 è che la dimensione massima di un file è pari a 4 gigabyte poichè le directory memorizzano le dimensioni dei file come valori a 32 bit.
Nella Tabella 2 è possibile vedere la dimensione predefinitia dei cluster in FAT32 corrispondente ad ogni dimensione del volume.

Dimensione volume

Dimensione cluster

32 MB - 8 GB 4 KB
8 GB - 16 GB 8 KB
16 GB - 32 GB 16 KB
32 GB 32 KB
Tabella 2: Dimensione dei cluster FAT 32 in Windows.

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Extended File Allocation Table (exFAT)

Progettato da Microsoft, il file system Extended File Allocation Table (exFAT, chiamato anche FAT64) è un miglioramento dei tradizionali file system FAT progettato specificamente per i dischi flash. Lo scopo principale di exFAT è fornire alcune delle funzionalità avanzate offerte da NTFS, ma senza il sovraccarico reappresentato dalla struttura dei metadati e dal logging degli stessi che creano degli schemi di scrittura non adatti a molti dispositivi flash. Come lo stesso nome FAT64 implica, il limite sulla dimensione dei file è innalzato a 2^64, permettendo di avere file di dimensione fino a 16 exabyte; a questa modifica corrisponde anche un incremento nella dimensione massima dei cluster, che è attualmente implementata a 32 MB ma può essere grande fino a 2^255 settori. exFAT aggiunge anche una bitmap che tiene traccia dei cluster liberi, il che migliora le prestazioni delle operazioni di allocazione e cancellazione. Infine, exFAT consente di avere più di 1000 files in una singola directory; questa caratteristiche hanno come risultato una maggiore scalabilità ed un migliore supporto per i dischi di grandi dimensioni. Inoltre, exFAT implementa alcune caratteristiche precedentemente diponibili in NTFS, come il supporto per le liste di controllo degli accessi (Access Control Lists, ACLs) e per le transazioni (chiamato Transaction-Safe FAT o TFAT).
Il file system exFAT è implementato nel file \Windows\System32\Drivers\exfat.sys.

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New Technology File System (NTFS)

Il New Technology File System (implementato nel file \Windows\System32\Drivers\Ntfs.sys), o NTFS, è il formato di file system nativo di Windows: NTFS utilizza numeri di cluster a 64 bit e può indirizzare volumi formati da 16 exacluster; comunque, Windows limita la dimensione di un volume NTFS  a quella indirizzabile con cluster da 32 bit, leggermente inferiore a 256 terabyte (utilizzando cluster da 64 kilobyte; è possibile ridefinire il valore predefinito quando si formatta un volume NTFS). NTFS support anche 2^32–1 files per volume. Il formato NTFS permette di avere file di dimensione fino a 16 exabytes, ma l'implementazione limita la dimensione massima di un file a 16 TB. NTFS include un insieme di caratteristiche avanzate, come la sicurezza di file e directory, gli streams di dati alternativi, le quote disco, i file sparsi, la compressione dei file, link simbolici (soft) e fissi, il supporto per le semantiche transazionali e la crittografia. Una delle sue caratteristiche più significative è la capacità di recupero: se un sistema è bloccato in modo imprevisto, i metadati di un volume FAT possono essere lasciati in uno stato inconsistente, portando alla corruzione di grandi quantità di dati di file e directory; NTFS registra le modifiche ai metadati in maniera transazionale in modo che le strutture del sile system possano essere ricondotte ad uno stato consistente senza perdite di informazioni relative alla struttura dei file o delle directory (i dati dei file possono, comunque, essere persi). Inoltre, il driver NTFS presente in Windows implementa anche il self-healing, un meccanismo tramite il quale esegue molte piccole correzioni alla corruzione delle strutture del file system sul disco mentre Windows è in esecuzione e senza richiedere un riavvio.
Nella Tabella 3 è possibile vedere la dimensione predefinita dei cluster in NTFS corrispondente ad ogni dimensione del volume.

Dimensione volume

Dimensione cluster

512 MB o inferiore 512 bytes
512 MB - 1024 MB 1 KB
1024 MB - 2048 MB 2 KB
Maggiore di 2048 MB 4 KB
Tabella 3: Dimensione dei Cluster NTFS in Windows.

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Protogon

Questo nuovo file system è stato visto nella release Alfa di Windows 7 e nuovamente nelle prime versioni Alfa di Windows 8, ma è stato rimosso prima del rilascio della versione Beta.

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WinFS

WinFS è il nome in codice di un progetto annullato (come si può leggere nel post intitolato "WinFS Update", scritto sul Blog MSDN da Quentin Clark, Program Manager di WinFS) per un sistema di memorizzazione e gestione dei dati basato su database relazionali, sviluppato da Microsoft e dimostrato per la prima volta nel 2003 come sotto-sistema di memorizzazione avanzato per il sistema operativo Microsoft Windows, progettato per la persistenza e la gestione di dati strutturati, semi-strutturati e non strutturati. WinFS comprende un database relazionale per la memorizzazione dell'informazione e permette la memorizzazione di qualsiasi tipo di informazione, premesso che esista uno schema ben definito per il tipo di dato. I singoli dati potrebbero, quindi, essere correlati insieme da relazioni, siano esse dedotte dal sistema sulla base di certi attributi o esplicitamente dichierate dall'utente. Poichè i dati hanno uno schema ben definito, qualsiasi applicazione può riutilizzarli; e, utilizzando le relazioni, i dati correlati posso essere efficacemente organizzati e recuperati. Poichè il sistema conosce la struttura e lo scopo delle informazioni, può utilizzarle per eseguire delle interrogazioni complesse che permettono di eseguire ricerche avanzate tra i dati e di aggregare vari elementi di dati esplicitando le relazioni esistenti tra di essi.

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Resilient File System (ReFS)

La futura versione di Windows (Windows 8) introdurrà un file system appena progettato, chiamato ReFS, che sta per Resilient File System. ReFS è costruito sulle fondamenta di NTFS, in modo da mantenere la compatibilità pur essendo stato, allo stesso tempo, progettato e realizzato per una nuova generazione di tecnologie e scenari di memorizzazione. In Windows 8, ReFS sarà introdotto solo come parte di Windows Server 8.
Nel post "Building the next generation file system for Windows: ReFS" scritto da Steven Sinofsky sul Blog MSDN "Building Windows 8" è possibile leggere informazioni relative allo stato attuale dell'evoluzione di ReFS insieme ad una descrizione dei suoi obiettivi principali e delle sue caratteristiche chiave.

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Documenti

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