Système de fichiers

Pour les articles homonymes, voir FS et SGF.

Un système de fichiers (file system ou filesystem en anglais) ou système de gestion de fichiers (SGF) est une façon de stocker les informations et de les organiser dans des fichiers sur ce que l'on appelle des mémoires secondaires (disque dur, CD-ROM, clé USB, SSD, disquette, etc.). Une telle gestion des fichiers permet de traiter, de conserver des quantités importantes de données ainsi que de les partager entre plusieurs programmes informatiques. Il offre à l'utilisateur une vue abstraite sur ses données et permet de les localiser à partir d'un chemin d'accès.

Il existe d'autres façons d'organiser les données, par exemple les bases de données (notamment base de données relationnelle) et les fichiers indexés.

Généralités

Le volume des données traitées par les applications informatiques atteint couramment plusieurs centaines de gigaoctets et va jusqu'à plusieurs téraoctets pour certaines applications industrielles. De tels volumes de données ne peuvent pas être stockées dans la mémoire centrale. De plus, un stockage persistant à long terme, permettant de sauvegarder les données traitées ou à traiter pour une utilisation future, est également nécessaire. Le principe employé pour répondre à ce problème consiste à stocker ces données dans des mémoires secondaires sous forme de fichiers, c'est-à-dire de suites de blocs (la plus petite unité que le périphérique de stockage est capable de gérer). Le contenu de ces blocs, simple suite de données binaires, peut être interprété selon le format de fichier comme des caractères, des nombres entiers ou flottants, des codes d'opérations machines, des adresses mémoires, etc. L’échange entre les deux types de mémoire se fait ensuite par transfert de blocs.

L'objectif du système de fichiers est de permettre l'accès au contenu des fichiers stockés (l'ouverture du fichier, son enregistrement sa copie ou son déplacement dans un second emplacement, ou sa suppression) à partir de leur chemin d'accès, formé d'un nom précédé d'une liste de répertoires imbriqués.

Représentation pour l'utilisateur

Pour l'utilisateur, un système de fichiers est vu comme une arborescence : les fichiers sont regroupés dans des répertoires (concept utilisé par la plupart des systèmes d’exploitation). Ces répertoires contiennent soit des fichiers, soit récursivement d'autres répertoires. Il y a donc un répertoire racine et des sous-répertoires. Une telle organisation génère une hiérarchie de répertoires et de fichiers organisés en arbre.

Principe de stockage

Différentes méthodes permettent d'associer un nom de fichier à son contenu. Dans le cas du système de fichier FAT, ancien système de fichier de MS/DOS et de Windows encore largement utilisé sur les supports amovibles comme les clés USB, chaque répertoire contient une table associant les noms de fichiers à leur taille et un index pointant vers la table d'allocation de fichiers, une zone réservée du disque indiquant pour chaque bloc de données l'index du bloc suivant du même fichier.

Dans le cas des systèmes de fichier d'Unix (ou de Linux), les fichiers et les répertoires sont identifiés par un numéro unique, le numéro d'inode. Ce numéro permet d'accéder à une structure de données (inode) regroupant toutes les informations sur un fichier à l'exception du nom, notamment la protection d'accès en lecture, en écriture ou des listes de dates, ainsi que le moyen d'en retrouver le contenu. Le nom est stocké dans le répertoire associé à un numéro d'inode. Cette organisation présente l'avantage qu'un fichier unique sur disque peut être connu du système sous plusieurs noms.

L'organisation du système de fichier NTFS est encore plus complexe, fonctionnant un peu à la façon d'une base de données.

Restriction de nommage

Le nom d'un fichier est une chaîne de caractères, parfois de taille limitée, et dans laquelle certains caractères ayant un sens pour le système d'exploitation peuvent être interdits. C'est le cas par exemple pour les caractères « : », « / » ou « \ » sous Windows. Les systèmes de fichier Unix sont généralement neutres pour le jeu de caractère utilisé (considéré au niveau bas comme une simple suite d'octets). NTFS utilise le jeu de caractères UTF-16 pour les noms de fichiers.

Sous Windows, le nom d'un fichier possède en général un suffixe (extension) séparé par un point qui est fonction du contenu du fichier : .txt pour du texte par exemple. De cette extension va dépendre le choix des applications prenant en charge ce fichier. Toutefois, sous Linux/Unix, l'extension fait simplement partie du nom de fichier, son format est détecté par le type MIME inscrit de façon transparente dans l'en-tête des fichiers.

Métadonnées

Chaque fichier est décrit par des métadonnées (conservées dans l'inode sous Linux/Unix), alors que le contenu du fichier est écrit dans un ou plusieurs blocs du support de stockage, selon la taille du fichier.

Les métadonnées les plus courantes sous UNIX sont :

• droits d'accès en lecture, écriture et exécution selon l'utilisateur, le groupe, ou les autres ;
• dates de dernier accès, de modification des métadonnées (inode), de modification des données (block)^[1] ;
• propriétaire et groupe propriétaire du fichier ;
• taille du fichier ;
• nombre d'autres inodes (liens) pointant vers le fichier ;
• nombre de blocs utilisés par le fichier^[2] ;
• type de fichier : fichier simple, lien symbolique, répertoire, périphérique, etc.

Sur la plupart des systèmes Unix, la commande stat permet d'afficher l'intégralité du contenu de l'inode.

Fonctions du SGF

Le système de gestion des fichiers assure plusieurs fonctions :

• Manipulation des fichiers : des opérations sont définies pour permettre la manipulation des fichiers par les programmes d’application, à savoir : créer/détruire des fichiers, insérer, supprimer et modifier un article dans un fichier.
• Allocation de la place sur mémoires secondaires : les fichiers étant de taille différente et cette taille pouvant être dynamique, le SGF alloue à chaque fichier un nombre variable de granules de mémoire secondaire de taille fixe (blocs).
• Localisation des fichiers : il est nécessaire de pouvoir identifier et retrouver les données ; pour cela, chaque fichier possède un ensemble d’informations descriptives (nom, adresse…) regroupées dans un inode.
• Sécurité et contrôle des fichiers : le SGF permet le partage des fichiers par différents programmes d’applications tout en assurant la sécurité et la confidentialité des données. En effet, un nom et une clé de protection sont associés à chaque fichier afin de le protéger contre tout accès non autorisé ou mal intentionné lors du partage des fichiers. Le SGF se doit aussi de garantir la conservation des fichiers en cas de panne du matériel ou du logiciel.

Organisation des fichiers

L'organisation physique sous-jacente du médium utilisé (blocs, linéaire) et les mécanismes d'entrée/sortie de bas-niveau sont masqués. L'utilisateur peut donc organiser ses données permanentes en les distribuant dans différents fichiers. Le contenu des fichiers est déterminé par leur format, qui dépend de l'application utilisée.

En plus de cette organisation abstraite, les systèmes de fichiers peuvent inclure la compression ou le chiffrement automatique des données, une gestion plus ou moins fine des droits d'accès aux fichiers, et une journalisation des écritures (pour la robustesse, en cas de défaillance du système). De plus, certains systèmes de fichiers peuvent s'étendre sur un réseau entier, comme par exemple NFS. Certains de ces systèmes de fichiers en réseau peuvent être distribués ou répartis, comme par exemple PVFS2.

Systèmes de fichiers et systèmes d'exploitation associés ou compatibles

Le choix du système de gestion des fichiers se fait principalement en fonction du système d’exploitation. Généralement, les systèmes d’exploitation les plus récents supportent un grand nombre de systèmes de fichiers.

MS-DOS (et compatibles) et les premières versions de Windows 95 utilisaient les systèmes de fichiers FAT16 et FAT12 (pour les supports de moins de 16 Mio). À partir de Windows 95 OSR2, le choix entre les systèmes de fichiers a commencé à s'élargir. FAT16 et FAT32 pouvaient tous les deux être utilisés, et à partir d'une certaine taille de partition, le choix du système FAT32 était alors plus judicieux.

Sous les premières versions de Windows NT (NT3.x et NT4), il y a le choix entre le système FAT16 et NTFS. Ce système d'exploitation ne supporte pas le FAT32. Généralement, le système NTFS est conseillé, car il procure une sécurité plus grande ainsi que des performances accrues par rapport au FAT. Contrairement aux précédentes versions de Windows NT, Windows NT5 (Windows 2000) accepte des partitions de type FAT16, FAT32 et NTFS. Ainsi, le système de fichiers le plus récent (NTFS 5) est conseillé puisqu’il offre de plus nombreuses fonctionnalités que les systèmes FAT.

Le SP1 de Vista propose de formater en exFAT qui est une grosse évolution de la FAT, proposant une meilleure fiabilité, une « vraie » gestion des noms longs, et l'ACL. Windows CE 6 (le futur Windows Mobile 7) gère aussi ce nouveau FS. Le but de Microsoft est de remplacer la FAT, principalement utilisée sur les supports amovibles comme les cartes mémoires.

Le monde des Unix (Unix, Linux, BSD, MacOS X) supporte un très grand nombre de systèmes de fichiers. Cela est dû au fait que malgré leur nombre, les systèmes supportés suivent généralement des standards et notamment POSIX.

Non journalisés

• ext et ext2 : Extented FS version 2 (Linux, BSD, Windows via un pilote tiers)
• exFAT : Extended File Allocation Table (nouveau système de fichiers proposé par Microsoft pour remplacer la FAT sur les supports amovibles)
• FAT : File Allocation Table (DOS/Windows, Linux, BSD, OS/2, Mac OS X). Se décompose en plusieurs catégories :
  • FAT12 ;
  • FAT16 ;
  • FAT32 ;
  • VFAT ;
  • FATX : système de fichiers pour Xbox.
• FFS : Fast File System (BSD, Linux expérimental)
• HFS : Hierarchical File System (Mac OS, Mac OS X, Linux)
• HPFS : High Performance FileSystem (OS/2, Linux)
• minix fs (minix, Linux)
• S5 (UNIX System V, Linux)
• Unix File System : (BSD, Linux en lecture seule)

Journalisés

• BeFS (BeOS, Haiku, Linux en lecture seule et expérimental)
• ext3 : Extented FS version 3 - notamment pour l'ajout de la journalisation (Linux, BSD)
• ext4 : Extented FS version 4 - notamment pour une capacité de 1 exa-octet et les Extents (Linux >=2.6.28)
• HFS+ (Mac OS X, Linux)
• JFS (AIX, OS/2, Linux)
• JFS2 AIX5
• LFS : (Linux)
• NSS : Novell Storage Services (Netware et Suse Linux)
• NTFS : New Technology FileSystem (Windows NT/2000/XP/Vista/7, Linux (écriture disponible grâce au pilote NTFS-3G), Mac OS X (écriture disponible grâce au pilote NTFS-3G))
• ReiserFS (Linux, BSD en lecture seule)
• Reiser4 (Linux expérimental)
• Spufs : Synergistic processing unit filesystem
• UFS+ : Unix FS + journal (BSD, Linux en lecture seule)
• XFS (Irix, Linux, BSD en lecture seule)

à Snapshot

Les systèmes de fichiers à snapshot, ou, en français, instantanés, offrent la possibilité d'enregistrer l'état du système de fichiers à un instant donné.

• Btrfs : ButterFS (Linux)
• ZFS : Zettabyte FS (Solaris10, OpenSolaris, FreeBSD 7, Mac OS X en lecture seule, Linux via FUSE)
• HAMMER : (DragonFly BSD datant de 2008)

Réseau (NFS : network file system en anglais)

• AFS Andrew File System : (Aix, Linux)
• CodaFS (Linux)
• NFS (tous les UNIX, Linux, Mac OS X, IRIX) (Windows pour la 4)
• NCP NetWare Core Protocol (Novell NetWare, Linux en client seul)
• SSHFS (Linux via FUSE)
• SMB ou Server Message Block (Windows) (Linux, BSD et Mac OS X via Samba)
• CIFS (Évolution de SMB, supporté par Samba ainsi que par Windows 2000 et XP)
• Tahoe^[3] (libre, distribué, chiffré et avec tolérance aux pannes, tous les UNIX, Linux, Mac OS X, Windows)

Cluster

• GFS2, Global file system : Linux
• GPFS, General Parallel File Sytem : Linux, AIX
• GlusterFS : Linux, UNIX
• Lustre, Compression de Linux et de Cluster : Linux
• OCFS2, développé par Oracle : Linux
• PVFS2, Parallel Virtual FileSystem version 2 : Linux, UNIX

Spécialisés

• CFS Cryptographic File System : FS chiffré (BSD, Linux)
• cramfs : FS compressé (Linux en lecture seule)
• EFS Encrypting File System : FS chiffré au-dessus de NTFS (Windows)
• ISO 9660 : en lecture seule sur tous les systèmes lisant les CDROM/DVDROM de données
• JFFS et JFFS2 : FS pour support physique sans block, typiquement des cartes flash. Il est compressé et journalisé (Linux)
• UBIFS : FS journalisé pour support physique sans block, typiquement des cartes flash (Linux)
• QNX4fs : FS utilisé pour le temps réel (QNX, Linux en lecture seule)
• UDF : le format de disque universel (système de fichiers des DVD-ROM et des disques optiques réinscriptibles tels les CD-RW, DVD±RW, etc.)
• VMFS : FS dédié à la virtualisation (VMware)

Temporaires

• ramfs, le système de fichiers temporaire en mémoire RAM le plus simple et efficace^{[réf. nécessaire]} qui soit, basé sur la gestion du cache du noyau Linux.
• tmpfs, le nom générique d'un système de fichier temporaire, mais aussi son implémentation (dérivée de ramfs) dans le noyau Linux 2.6.x

Méta systèmes de fichiers

• unionfs, une implémentation d’union mount dans le noyau Linux, consistant à merger (fusionner) différents systèmes de fichiers en un unique point de montage
• aufs, une autre implémentation de unionfs

Pseudo systèmes de fichiers

Ces systèmes de fichiers n'ont pas pour but de permettre l'accès à des fichiers réels. Ils présentent en fait, sous l'apparence d'une hiérarchie classique de fichiers et de répertoires, des informations de nature variées (sur l'état de l'ordinateur, des périphériques, ou permettant l'accès à des bases de données). Il s'agit donc d'interfaces particulières pour certains logiciels, généralement le système d'exploitation.

• Devfs, Device file system (linux 2.4)
• udev remplace Devfs (linux 2.6)
• Procfs, Process Filesystem (systèmes de type UNIX)
• Sysfs, permettant d'accéder aux informations sur le matériel et de configurer certaines fonctionnalités du noyau Linux 2.6.
• CDfs : système de fichier virtuel pour Linux qui permet d'accéder aux données et aux pistes audio d'un disque compact.
• ZODB: système de fichier du serveur zope

À classer…

• ODS (VMS, OpenVMS)
• ADFS : Acorn Disc Filing System (RiscOS, Linux expérimental)
• AFFS : fichiers rapides d'Amiga
• CBMFS : Le système de fichiers pour Commodore 1581/1541
• DTFS : DeskTop File System (UNIX)
• MFS (Macintosh)
• NWFS : système de fichiers Novell NetWare
• SFS : Secure file system
• OpenVMS : système de fichiers Spiralog
• uc/FS : système de fichiers pour OS uCOS//II www.micrium.com
• Veritas File System : système de fichiers développé par Veritas
• WBFS (Wii Backup File System): Permet le stockage des backups de DVD pour Wii sur un disque dur

Notes et références

Voir aussi

• Fichier
• Répertoire
• Système de fichiers virtuel
• Gestion électronique des documents (GED)
• Point de montage
• Gestionnaire de fichiers
• Comparaison des systèmes de fichiers

Liens externes

• (fr) Description de tous les systèmes de fichiers
• (fr) Tutoriel sur le fonctionnement des systèmes de fichiers sous GNU/Linux
• (en) From BFS to ZFS: past, present, and future of file systems, par Jeremy Reimer (ars technica), 16 mars 2008.
• (fr) Les systèmes de fichiers pour disques SSD (LINUXFR.ORG), par Patrick Guignot, le 4 avril 2008
• Un exemple de SGF virtuel

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