O que é um sistema de arquivos?

Um sistema de arquivos (às vezes também um sistema de arquivos escrito) é um método de estruturação de dados que um sistema operativo usa para controlar como os dados são armazenados e recuperados. Ele organiza arquivos e diretórios para garantir a alocação adequada de espaço no dispositivo.

Um sistema de arquivos organiza dados em uma estrutura hierárquica e permite a criação, movimentação, modificação e exclusão de arquivos e diretórios. Os sistemas de arquivos são essenciais para otimizar o desempenho, garantindo integridade de dadose facilitando o gerenciamento de dados e backups.

Como funcionam os sistemas de arquivos?

Um sistema de arquivos gerencia o armazenamento e a recuperação de dados em um dispositivo de armazenamento, como um disco rígido, SSDou armazenamento em rede. Veja como funciona um sistema de arquivos:

1. Alocação de armazenamento. O sistema de arquivos divide o espaço de armazenamento disponível em um dispositivo nas menores unidades gerenciáveis, chamadas blocos ou setores.
2. Armazenamento de arquivo. Quando um arquivo é salvo, o sistema de arquivos aloca essas unidades para armazenar os dados do arquivo. Arquivos maiores são divididos em segmentos menores, que estão espalhados por diversas unidades não contíguas.
3. Gerenciamento de metadados. O sistema de arquivos mantém metadados sobre cada arquivo e diretório, incluindo nome, tamanho, datas de criação e modificação, permissões, etc.
4. Estrutura de diretórios. O sistema de arquivos organiza os arquivos em uma estrutura de diretórios hierárquica, permitindo que usuários e aplicações para navegar e localizar facilmente os arquivos.
5. Controle de acesso. Os sistemas de arquivos gerenciam o acesso e as permissões para arquivos e diretórios para controlar quais usuários podem ler, gravar e executar os arquivos.
6. Operações de arquivo. O sistema de arquivos fornece mecanismos para executar operações em arquivos e diretórios. Estas operações implicam a atualização dos metadados conforme necessário.
7. Consistência e integridade. Sistemas de arquivos avançados implementam medidas para garantir a consistência e integridade dos dados e detecção e correção de erros em caso de falha do sistema.
8. Otimização. Os sistemas de arquivos usam vários mecanismos para melhorar o desempenho. Por exemplo, eles podem realizar o cache para acelerar o acesso a dados usados ​​com frequência ou organizar os dados de uma forma que minimize o tempo de busca no disco.

Cada tipo de sistema de arquivos implementa exclusivamente esses princípios, garantindo que os requisitos de desempenho e confiabilidade correspondam a vários armazenamentos e Hardwares configurações.

Tipos de sistema de arquivos

Os sistemas de arquivos são projetados tendo em mente necessidades específicas de armazenamento e ambientes de computação. Aqui está uma lista de diferentes tipos de sistemas de arquivos:

Sistemas de arquivos em disco

Os sistemas de arquivos em disco são projetados para uso em unidades de disco físico, como unidades de disco rígido (HDDs) or unidades de estado sólido (SSDs). Eles gerenciam a alocação de espaço em disco, mantêm arquivos metadadose garantir a integridade e segurança dos dados. Os sistemas de arquivos em disco são essenciais para o desempenho e a confiabilidade dos sistemas computacionais, pois influenciam diretamente a velocidade de acesso aos dados, a utilização da capacidade de armazenamento e os mecanismos de recuperação em caso de erros ou falhas do sistema.

Os sistemas de arquivos em disco atendem a vários requisitos de armazenamento, incluindo a necessidade de arquivos grandes, altas capacidades de armazenamento e recursos robustos de recuperação de dados. Esses sistemas de arquivos incluem recursos para gerenciar o espaço em disco de forma eficiente, como suporte para blocos grandes, o que reduz a sobrecarga, e compressão, o que aproveita melhor o espaço disponível.

Alguns exemplos de sistemas de arquivos em disco são:

• NTFS (Sistema de arquivos de nova tecnologia) para Windows.
• Ext4 (quarto sistema de arquivos estendido) para Linux.
• HFS + (Sistema de arquivos hierárquico Plus) para macOS.
• exFAT (Extended File Allocation Table) para compatibilidade entre plataformas.

Sistemas de arquivos Flash

Os sistemas de arquivos Flash são projetados para dispositivos de armazenamento de memória flash, como unidades de estado sólido (SSDs), USB pen drives e cartões de memória. Eles são adaptados para complementar os recursos e limitações específicas do memória flash, como a ausência de partes móveis, tempos de acesso mais rápidos e um número finito de ciclos de gravação antes que as células de memória se desgastem.

Os sistemas de arquivos Flash são projetados para manter o desempenho e a eficiência durante as operações de leitura/gravação, minimizando a amplificação de gravação, ou seja, a gravação e o apagamento desnecessários de células flash. Esses sistemas de arquivos também incorporam frequentemente códigos de correção de erros (ECC) integrados, que detectam e corrigem Corrupção de dados.

Exemplos de sistemas de arquivos flash incluem:

• F2FS (sistema de arquivos compatível com Flash)
• JFFS (sistema de arquivos Flash de registro em diário)

Sistemas de arquivos de fita

Os sistemas de arquivos em fita são projetados para gerenciar dados em armazenamento em fita magnética. Esta tecnologia é usada principalmente para backuppara fins de arquivamento e recuperação de dados devido à sua relação custo-benefício. Os sistemas de arquivos em fita são otimizados para transferências grandes e sequenciais de dados e incorporam mecanismos robustos de correção de erros para garantir a integridade dos dados ao longo do tempo.

Os modernos sistemas de arquivos em fita, como o Linear Tape File System (LTFS), permitem que os usuários interajam com o armazenamento em fita de maneira semelhante a outras mídias removíveis, como unidades USB, permitindo arrastar e soltar arquivos. Esse recurso melhora significativamente a usabilidade do armazenamento em fita, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicativos e usuários.

Sistemas de arquivos de banco de dados

Os sistemas de arquivos de banco de dados armazenam arquivos e seus metadados em bases de dados, permitindo relacionamentos mais complexos entre dados e atributos de metadados mais ricos. Essa abordagem permite recursos avançados de consulta, fornece suporte transacional e aprimora a integridade e a segurança dos dados. Os sistemas de arquivos de banco de dados incorporam mecanismos eficientes de indexação, controle de simultaneidade e recuperação, que são cruciais para o gerenciamento de grandes volumes de arquivos.

Os sistemas de arquivos de banco de dados permitem pesquisas e operações complexas em arquivos com base em seus metadados ou conteúdo. Esta capacidade melhora a eficiência da recuperação e manipulação de dados, especialmente em ambientes altamente dinâmicos. Esses sistemas de arquivos também fornecem integridade e consistência de dados, garantindo que as alterações em arquivos e metadados sigam as propriedades ACID:

• Atomicidade. Cada transação é tratada como uma única unidade, que é totalmente concluída ou não é concluída.
• Consistência. Cada transação leva o sistema de um estado válido para outro, mantendo as regras predefinidas do banco de dados.
• Isolamento. Garante que as transações ocorram de forma independente, evitando que transações simultâneas interfiram umas nas outras.
• Durabilidade. Garante que uma vez que uma transação seja confirmada, ela permanecerá assim, mesmo no caso de falha do sistema.

Sistemas de arquivos transacionais

Os sistemas de arquivos transacionais garantem a integridade e a consistência dos dados aplicando princípios semelhantes aos encontrados nos bancos de dados transacionais. Eles agrupam uma série de operações de arquivo em uma única transação. As operações são bem-sucedidas ou falham como um todo, levando o sistema de um estado consistente para outro. Essa atomicidade evita atualizações parciais e garante que o sistema de arquivos permaneça consistente mesmo em caso de interrupções ou falhas do sistema. Esses recursos tornam os sistemas de arquivos transacionais especialmente valiosos para aplicações críticas, como sistemas financeiros ou de processamento de dados em tempo real.

Os sistemas de arquivos transacionais usam registro em diário, registro de gravação antecipada e captura instantânea para rastrear alterações e permitir reversão ou refazer se a transação não for concluída com êxito. Ao automatizar o gerenciamento de consistência por meio desses mecanismos, os sistemas de arquivos transacionais reduzem a complexidade do desenvolvimento de aplicativos. Os desenvolvedores podem se concentrar em suas tarefas sem se preocupar com operações parcialmente concluídas ou corrupção de dados. Os sistemas de arquivos transacionais também melhoram a recuperação do sistema e ajudam as organizações a voltar rapidamente às operações normais, sem intervenção manual ou verificações extensivas.

Sistemas de arquivos de rede

Os sistemas de arquivos de rede permitem que vários usuários e sistemas compartilhem arquivos em uma rede de computadores, em vez de armazenamento local. Ao abstrair as complexidades da rede, esses sistemas fornecem uma interface perfeita para leitura, gravação e execução de arquivos. Esses tipos de sistemas de arquivos são essenciais em ambientes colaborativos, pois facilitam o compartilhamento e o gerenciamento eficientes de recursos em diversos sistemas e plataformas.

Os protocolos comuns para sistemas de arquivos de rede incluem:

• Sistema de arquivos de rede (NFS) para Unix e Linux.
• Server Bloco de mensagens (SMB) para Windows.
• Protocolo de preenchimento Apple (AFP) para macOS.

Os sistemas de arquivos de rede dependem de medidas de segurança robustas, como autenticação e criptografia. Esses protocolos protegem dados confidenciais durante a transmissão e garantem que apenas indivíduos autorizados possam acessá-los. Melhorar Latência da rede e largura de banda, os sistemas de arquivos de rede aplicam técnicas como armazenamento em cache e compactação de arquivos, que melhoram a capacidade de resposta e reduzem o tempo de transferência de dados. Além disso, mecanismos como bloqueio de arquivos e controle de versão ajudam a evitar a corrupção de dados devido ao acesso e alteração de arquivos por vários usuários.

Sistemas de arquivos em disco compartilhado

Os sistemas de arquivos em disco compartilhados, também conhecidos como sistemas de arquivos em cluster, fornecem acesso simultâneo a uma parte do armazenamento em disco de vários servers ou nós. Eles permitem um alto nível de compartilhamento de dados e colaboração entre sistemas em cluster, o que é adequado para ambientes que exigem alta disponibilidade, escalabilidade e desempenho, como clusters de bancos de dados e sistemas de armazenamento corporativo.

Os sistemas de arquivos em disco compartilhado dependem de uma infraestrutura de armazenamento em rede, como SAN (Storage Area Network). SANs fornecem uma rede de alta velocidade que conecta vários servers, permitindo efetivamente a distribuição da carga de trabalho e melhorando a redundância do sistema. Recursos como registro em diário, instantâneo e replicação oferecem suporte à integridade dos dados, backupe recuperação, tornando os sistemas de arquivos de disco rígido uma solução robusta para gerenciar dados críticos em ambientes de computação complexos.

Sistemas de arquivos mínimos

Os sistemas de arquivos mínimos são projetados para ocupar uma quantidade mínima de espaço de armazenamento e exigir recursos mínimos de processamento. Esta abordagem de design os torna adequados para sistemas embarcados, bootloaders e sistemas de baixo consumo de energia. Dispositivos IoT (Internet das Coisas), que possuem requisitos operacionais bem definidos e capacidades computacionais limitadas.

Os sistemas de arquivos mínimos normalmente oferecem uma estrutura básica para armazenar arquivos sem recursos avançados, como NTFS, ext4 ou HFS+. Em vez disso, seu foco principal é fornecer funcionalidade suficiente para gerenciar arquivos de forma eficiente dentro das restrições dos recursos do dispositivo.

Sistemas de arquivos simples

Os sistemas de arquivos simples são uma abordagem simplista para armazenamento de arquivos que não usa diretórios ou pastas para armazenar arquivos. Em vez disso, todos os arquivos são armazenados no mesmo nível ou em um único diretório, simplificando o gerenciamento e o acesso aos arquivos. Os sistemas de arquivos simples são adequados para sistemas com armazenamento limitado ou aplicativos que não podem arcar com a sobrecarga de uma estrutura hierárquica.

No entanto, sem diretórios, os sistemas de arquivos simples não podem gerenciar com eficiência um número grande ou crescente de arquivos. Por esta razão, são mais adequados para sistemas especializados ou embarcados com um escopo restrito.

Exemplos de sistemas de arquivos

Aqui estão os exemplos de sistemas de arquivos mais comuns:

• Tabela de alocação de arquivos (FAT). FAT é compatível com muitos sistemas operacionais, como DOS, Windows, Mac OS e Sistema baseado em UnixS. É mais comumente usado para mídias removíveis, como unidades flash USB ou cartões SD. A variante FAT32 está limitada ao tamanho máximo de arquivo de 4 GB e ao volume de 2 TB.
• Tabela estendida de alocação de arquivos (exFAT). Esta é uma versão atualizada do sistema FAT que expande seu tamanho para 16EB e volume para 128PB.
• Quarto sistema de arquivos estendido (Ext4). Este sistema de arquivos é usado pelo Linux e suporta arquivos e volumes maiores (até 1EB para arquivos e 16TB a 1EB para volumes).
• Sistema de arquivos global (GFS). GFS é um sistema de arquivos de disco compartilhado para clusters de computadores Linux. Ele permite acesso simultâneo ao mesmo armazenamento de bloco compartilhado para todos os nós.
• Sistema de arquivos hierárquico (HFS). HFS é um sistema de arquivos desenvolvido pela Apple para uso em computadores Macintosh. Foi substituído pelo HFS+, que oferece melhor desempenho e suporta arquivos e volumes maiores.
• Formato de disco universal (UDF). UDF é um padrão de sistema de arquivos para mídia óptica, como CDs, DVDs e discos Blu-ray. Suporta arquivos e volumes maiores que seu antecessor, ISO9660.
• Sistema de arquivos de nova tecnologia (NTFS). NTFS é um sistema de arquivos desenvolvido pela Microsoft para o sistema operacional Windows. A partir do Windows NT, o NTFS oferece suporte para arquivos e volumes grandes, recursos avançados de proteção e recuperação de dados e segurança em nível de arquivo.
• Sistema de arquivos Apple (APFS). APFS é um sistema de arquivos desenvolvido pela Apple como substituto do HFS+. Ele melhora a eficiência, confiabilidade e segurança para armazenamento flash/SSD. Ele também possui criptografia forte, compartilhamento de espaço e redimensionamento rápido de diretório.