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        一種優(yōu)化的光盤文件系統(tǒng)

        2015-11-25 02:59:40管元筠萬曉冬
        計算機與現(xiàn)代化 2015年12期
        關(guān)鍵詞:鏡像文件描述符扇區(qū)

        管元筠,李 陽,萬曉冬

        (南京航空航天大學自動化學院,江蘇 南京 211106)

        0 引言

        UDF 是統(tǒng)一光盤格式(Universal Disc Format,UDF)的縮寫,是光學存儲技術(shù)協(xié)會(Optical Storage Technology Association,OSTA)于1996 制定的通用光盤文件系統(tǒng),采用包刻錄方式(Packet Writing,PW)[1]。UDF 文件系統(tǒng)的設(shè)計目的是在光學存儲媒體上使用,但隨著UDF 的廣泛應(yīng)用,支持UDF 格式文件的操作系統(tǒng)越來越多,目前,默認支持UDF 的操作系統(tǒng)有Windows、Linux 等。迄今為止,UDF 已推出如下版本[2-13]:

        1)UDF1.02,普遍用于DVD-VIDEO。

        2)UDF1.50,增強了對CD-R、DVD-R 媒體可擦寫支持。

        3)UDF2.00,增加了對流文件的支持。

        4)UDF2.01,解決了之前各版本中模棱兩可的標準。

        5)UDF2.50,增加了元數(shù)據(jù)分區(qū)。

        6)UDF2.60,加入了兼容燒錄器的偽燒錄方法。

        本文主要描述UDF 文件系統(tǒng)的卷結(jié)構(gòu)、分區(qū)結(jié)構(gòu)、目錄和文件結(jié)構(gòu),介紹UDF 文件系統(tǒng)的特點。在實現(xiàn)UDF 文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對該文件系統(tǒng)進行優(yōu)化。優(yōu)化的方法是,在現(xiàn)有UDF 文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加光盤基本信息描述區(qū)和刻錄信息描述區(qū),修改文件和目錄的邏輯表達和光盤掃描過程,從而使得光盤掃描速度加快,并且在一定程度上提高了光盤刻錄的可靠性。

        1 UDF 簡介

        1.1 UDF 卷結(jié)構(gòu)

        UDF 卷結(jié)構(gòu)有著標準化的規(guī)定,“卷”是UDF 中的一個概念,它的作用是用來儲存各種有關(guān)光盤和文件系統(tǒng)的信息。通過依次掃描UDF 卷結(jié)構(gòu),從而識別和確認該文件系統(tǒng)。卷結(jié)構(gòu)是通過讀取卷識別序列(Volume Recognition Sequence,VRS)和卷描述符序列(Volume Descriptor Sequence,VDS)進行文件系統(tǒng)識別的。

        卷識別序列從初地址偏移32k 字節(jié)的地址開始[14],由以下3 部分組成:

        1)開始擴展區(qū)域描述符(Beginning Extended Area Descriptor)。

        2)卷結(jié)構(gòu)描述符序列(Volume Structure Descriptor Sequence)。

        3)結(jié)束擴展區(qū)域描述符(Terminating Extended Area Descriptor)。

        掃描光盤第一步也是最關(guān)鍵的一步是查找錨卷描述符指針(Anchor Volume Descriptor Pointer,AVDP)。該指針中包含了主卷描述符序列(Main Volume Descriptor Sequence,MVDS)和保留卷描述符次序列(Reverse Volume Descriptor Sequence,RVDS)的地址和長度。下一步是讀取主體卷描述符序列。主體卷描述符序列包含以下內(nèi)容:

        1)卷主描述符(Primary Volume Descriptor)。

        2)實現(xiàn)用途卷描述符(Implementation Use Volume Descriptor)。

        3)分區(qū)描述符(Partition Descriptor)。

        4)卷邏輯描述符(Logical Volume Descriptor)。

        5)未分配空間描述符(Unallocated Space Descriptor)。

        卷主描述符用來記錄該卷的某些屬性并用特定的符號序列標識該卷。實現(xiàn)用途卷描述符用來標識一種基于UDF 文件系統(tǒng)的實現(xiàn),目的是協(xié)助進行卷識別。分區(qū)描述符描述一個特定分區(qū)的長度和地址。卷邏輯描述符描述一個卷內(nèi)分區(qū)和分區(qū)映射表等信息。未分配空間描述符用來標識尚未使用的可以分配給分區(qū)的空間。

        1.2 UDF 分區(qū)結(jié)構(gòu)

        UDF 有如下幾類分區(qū):

        1)第一類分區(qū)(Type1 Partition)。第一類分區(qū)的分區(qū)號記錄在卷邏輯描述符中,分區(qū)的可用空間使用分區(qū)映射表來管理,分區(qū)中的每一塊對應(yīng)于分區(qū)映射表中的一個比特位,如果是1,表示該塊已被使用,如果為0,表示該塊未被使用。

        2)虛擬分區(qū)(Virtual Partition)。虛擬分區(qū)的結(jié)構(gòu)和第一類分區(qū)相同,只不過虛擬分區(qū)的訪問類型是一次性寫入,目的是讓一次性寫入介質(zhì)在文件系統(tǒng)的視角下具有可覆蓋寫入的特性,增強了兼容性。

        3)備用分區(qū)(Sparing Partition)。備用分區(qū)是用來為文件系統(tǒng)中某些經(jīng)常使用的重要數(shù)據(jù)做備份的。一次性寫入介質(zhì)沒有必要使用備用分區(qū),因為數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入,不可改變,出現(xiàn)錯誤也無法糾正。對于可覆蓋寫入介質(zhì),文件系統(tǒng)中某些重要的數(shù)據(jù)經(jīng)常需要多次擦寫,極有可能造成介質(zhì)損壞,這時備份分區(qū)就可以令介質(zhì)在外部看來是完好無缺的。

        4)元數(shù)據(jù)分區(qū)(Metadata Partition)。元數(shù)據(jù)分區(qū)是專門用于存放一些文件的入口和定位卷信息,可以加快文件系統(tǒng)的掃描操作。

        5)偽覆蓋分區(qū)(Pseudo Partition)。用于一次性寫入介質(zhì),向該分區(qū)寫入信息時,先讀取上次刻錄進光盤偽覆蓋分區(qū)的信息,然后進行地址變換,最后寫入光盤內(nèi),這樣就使得一次性寫入介質(zhì)在外部看來具有可覆蓋寫入的特性。

        1.3 UDF 目錄和文件結(jié)構(gòu)

        UDF 規(guī)定表示目錄和文件的主要數(shù)據(jù)是信息控制塊(Information Control Block)。ICB 要獨占一個邏輯存儲塊的空間。它包含了如下內(nèi)容:文件入口、擴展文件入口、指向下一個ICB 的指針等。文件(擴展)入口是關(guān)于文件或目錄的一些屬性集合。文件系統(tǒng)就是利用文件(擴展)入口找到文件或目錄的數(shù)據(jù)。

        目錄和文件在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面的表達是相同的,目錄也需要用一個文件入口來記錄,只不過在ICB 中文件類型是目錄。其文件數(shù)據(jù)是該目錄下子目錄和子文件的ICB 地址,其中第一個信息控制塊地址指向該目錄的上層目錄。

        當采用UDF 文件系統(tǒng)時,讀取文件數(shù)據(jù)過程如下:

        1)從錨卷描述符指針找到卷描述符序列,其中的卷邏輯描述符包含了文件集描述符(File Set Descriptor)在光盤的邏輯扇區(qū)地址。錨卷描述符指針應(yīng)該在3 個扇區(qū)256、N、N-256 中的至少2 個地址中找到(N 為卷空間最大扇區(qū)號)[15]。

        2)從文件集描述符找到光盤根目錄信息控制塊(Root Directory ICB),目錄的文件內(nèi)容是文件標識符描述符(File Identifier Descriptor,F(xiàn)ID)。

        3)通過FID 可以找到根目錄下的子目錄和子文件的ICB。通過遍歷文件標識符描述符和信息控制塊,可以獲得光盤目錄樹結(jié)構(gòu)。遍歷目錄樹結(jié)構(gòu),查找到特定文件的數(shù)據(jù)。

        2 UDF 優(yōu)化

        盡管UDF 對文件系統(tǒng)的各個方面都做了詳盡的規(guī)定,但是在實際應(yīng)用中,UDF 暴露出一些缺陷:

        1)掃描UDF 光盤時需要按順序讀取卷描述符序列,然后再分析光盤的使用狀況,當使用50 GB/100 GB 藍光光盤時,掃描速度明顯變慢。

        2)UDF 不記錄光盤的刻錄歷史,無法對光盤的刻錄情況作出分析。

        2.1 UDF 掃描速度的優(yōu)化

        針對目前UDF 面對大容量數(shù)據(jù)掃描速度不佳的情況,在分析了現(xiàn)有的UDF 光盤掃描策略后,提出了為UDF 增加光盤基本信息分區(qū)(Disc Basic Information Partition)的方法。提出這種方法的思想是:簡化光盤的掃描過程,從而減少光驅(qū)的尋道操作,最終降低光盤掃描速度。光盤基本信息分區(qū)包含了如光盤類型、光盤容量、光盤標簽等信息。在添加了光盤基本信息分區(qū)后,原先UDF 光盤掃描步驟也要做出相應(yīng)的修改,即不需要通過錨卷描述符指針讀取主卷描述符序列來獲取光盤的基本信息,而是直接讀取光盤基本信息分區(qū)。通過這樣的方式,減少了光驅(qū)讀取光盤的次數(shù),既減少了掃描所用的時間,也延長了光驅(qū)的使用壽命。

        光盤基本信息分區(qū)占用光盤一個邏輯扇區(qū)的空間,其結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)如下:

        其中各字段的含義按順序分別是:

        1)光盤類型;

        2)光盤大小,光盤總扇區(qū)數(shù);

        3)光盤狀態(tài);

        4)填充字段1;

        5)光盤唯一編號;

        6)光盤唯一編號RAID5 校驗值;

        7)填充字段2;

        8)光盤數(shù)據(jù)唯一編號;

        9)光盤數(shù)據(jù)唯一編號RAID5 校驗值;

        10)光盤標簽名稱;

        11)光盤密碼信息;

        12)填充字段3;

        13)填充字段4。

        ui8Reserved1,ui8Reserved2,ui8Reserved3,ui8Reserved4 作為填充字段存在,其內(nèi)容恒為0,目的是讓光盤基本信息描述區(qū)占用整個光盤邏輯扇區(qū)的空間同時留作以后擴展用。

        光盤類型字段是作為存儲介質(zhì)的光盤的具體類型,現(xiàn)在市面上有一次性寫入、可擦寫、藍光光盤等。光盤大小是描述光盤中的“扇區(qū)”數(shù)。光盤狀態(tài)可以說明光盤是否損壞,是否還有空閑空間,是否設(shè)定為終結(jié)刻錄等。光盤唯一編號和光盤數(shù)據(jù)唯一編號是為了增強UDF 在現(xiàn)實應(yīng)用中的歸檔處理功能添加的,另外對這2 個字段生成RAID5 校驗值是為了光盤數(shù)據(jù)的可靠性添加的。

        2.2 UDF 刻錄優(yōu)化

        由于UDF 沒有給出記錄光盤刻錄信息的規(guī)定,所以UDF 光盤每次讀取看起來都是僅僅刻錄了一次。在實際應(yīng)用中,常常需要光盤刻錄歷史信息作為測試、歸檔、備份的基本參數(shù),但UDF 缺少這一方面的規(guī)定,所以給實際工作造成了一定的困難。針對這一情況,為UDF 增加了光盤刻錄信息描述分區(qū)(Disc Imprint Information Partition)。光盤在每次刻錄完畢后都要追加刻錄光盤刻錄信息描述分區(qū),通過讀取最近一次刻錄的光盤刻錄信息描述分區(qū),就可以讀取光盤的完整刻錄歷史。

        光盤刻錄信息描述分區(qū)占用光盤一個邏輯扇區(qū)的空間。其結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)如下:

        其中各字段的含義按順序分別是:

        1)信息標簽;

        2)上次刻錄起始扇區(qū)號;

        3)上次刻錄扇區(qū)數(shù);

        4)本次刻錄起始扇區(qū)號;

        5)本次刻錄扇區(qū)數(shù);

        6)下次刻錄起始扇區(qū)號;

        7)下次刻錄扇區(qū)數(shù);

        8)本次刻錄目錄區(qū)起始扇區(qū)號;

        9)此次刻錄狀態(tài);

        10)光盤狀態(tài);

        11)當前刻錄次數(shù);

        12)光盤文件系統(tǒng)類型。

        ui8Reserved1,ui8Reserved2,ui8Reserved3,ui8Reserved4,ui8Reserved5 等字段是填充字段,可以保存刻錄的時間、刻錄機型號等信息。

        UDF 標準規(guī)定,每次刻錄光盤的第一個扇區(qū)要包含定位卷信息,然后從第2 號扇區(qū)到第15 號扇區(qū)都必須是空扇區(qū)。優(yōu)化UDF 規(guī)定將光盤刻錄信息區(qū)寫到鏡像文件的第6 號扇區(qū)內(nèi),這是制作光盤鏡像文件之前必須寫入的,記錄了剛剛掃描到的光盤狀態(tài)和本次刻錄的容量等信息。在鏡像文件的結(jié)尾,還需要再次刻錄光盤刻錄信息區(qū),記錄本次鏡像文件制作的信息。

        將鏡像文件真實刻錄到光盤后,經(jīng)過對比原鏡像文件和刻錄光盤的內(nèi)容,就可以判定本次刻錄是否成功,在光盤的最后追加刻錄一次光盤刻錄信息區(qū),在下次掃描光盤時就可以直接定位到光盤的最后,查詢光盤的刻錄情況和使用情況。

        3 優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)核心接口

        3.1 讀取光盤文件

        讀取光盤文件的接口原型如下:

        函數(shù)有一個參數(shù),是光盤中UDF 格式文件所在路徑。函數(shù)的返回值是整型(int)。當該函數(shù)執(zhí)行成功(即正常讀出時)時返回0,讀出數(shù)據(jù)失敗時返回-1。在函數(shù)內(nèi),可以根據(jù)光盤文件系統(tǒng)的不同,調(diào)用其他的函數(shù)接口。此函數(shù)是為了軟件接口的兼容性而設(shè)計,真正完成文件目錄讀取操作的是以下函數(shù):

        函數(shù)有3 個參數(shù),其中“i64FileIcbSectorNo”是文件目錄信息塊在光盤中的扇區(qū)偏移數(shù),pDiscRootFile-AttrEx 用來指向光盤根目錄的指針,通過這個指針可以遍歷光盤上的文件目錄樹,lpszDiscFilePath 是光盤中UDF 格式文件所在路徑。對于原官方標準版本的UDF,該函數(shù)接口同樣可以使用。

        3.2 生成刻錄文件

        用于生成刻錄進光盤的鏡像文件的函數(shù)接口如下:

        函數(shù)有4 個參數(shù):類指針pDiscFileTreeInfo,用來保存要產(chǎn)生的光盤鏡像的整個文件目錄樹信息;字符串變量lpszIsoFilePath,用來保存要被寫入光盤鏡像的源文件路徑;字符串變量lpszDiscLabel,用來保存區(qū)分光盤的標簽名字;結(jié)構(gòu)體變量指針pNew256AnchorVolDescPointer,用來保存UDF 格式中規(guī)定的定位描述符的信息。函數(shù)的返回值是整型,成功產(chǎn)生鏡像文件返回0,不成功返回負值。

        4 測試分析

        優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)性能測試工作集中在以下方面:

        1)光盤掃描和光盤讀寫的黑盒測試。

        2)文件系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)流程的白盒測試。

        3)與原UDF 文件系統(tǒng)和其他光盤文件系統(tǒng)的測試對比。

        黑盒測試用來驗證優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)在光盤掃描、光盤讀寫數(shù)據(jù)等方面的準確性。白盒測試用來驗證優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)在內(nèi)部流程的合理性和容錯性。最后,將優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)和原UDF 文件系統(tǒng)、CDFS 文件系統(tǒng)進行對比測試,驗證優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)在時間性能、容錯性能等方面都有良好的表現(xiàn)。

        4.1 測試平臺

        選擇X86-64 作為硬件平臺對優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)進行綜合測試。軟件環(huán)境為Windows 7 操作系統(tǒng)平臺上的VS2010。

        4.2 黑盒測試

        優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)的黑盒測試主要包括:1)對文件系統(tǒng)功能實現(xiàn)的測試。

        2)對各種文件操作正確性的測試。

        3)對文件系統(tǒng)在光盤刻錄容錯性的測試。

        具體流程是:對只讀光盤和可讀寫光盤采用優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)刻錄后調(diào)用各種操作接口,對比寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)的正確性。

        在黑盒測試中,選用只讀光盤、可讀寫光盤、藍光光盤作為測試光盤介質(zhì),分別對文件寫入、文件刪除、顯示文件目錄樹、終結(jié)光盤、讀取光盤基本信息區(qū)、讀取光盤刻錄信息區(qū)等操作進行測試,表1 為黑盒測試數(shù)據(jù)總結(jié)。

        表1 黑盒測試數(shù)據(jù)總結(jié)

        經(jīng)過黑盒測試,表明優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)基本操作時可以保證準確性,通過讀取光盤基本信息區(qū)和刻錄信息區(qū),成功獲得光盤基本參數(shù)和光盤的刻錄歷史,當光盤刻錄出現(xiàn)異常時,可以在光盤刻錄信息區(qū)得以體現(xiàn),保證了文件系統(tǒng)的可靠性。

        4.3 白盒測試

        優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)的白盒測試主要包括:

        1)對文件系統(tǒng)內(nèi)部代碼BUG 的測試。

        2)對文件系統(tǒng)代碼覆蓋率的測試。

        具體流程是:在VS2010 調(diào)試環(huán)境對文件系統(tǒng)接口進行單步調(diào)試,追蹤代碼的運行軌跡,保證所有代碼分支都可以執(zhí)行,確保代碼中不存在死循環(huán)或不合理分支的出現(xiàn),最后計算文件系統(tǒng)代碼覆蓋率。

        在白盒測試中,選用只讀光盤、可讀寫光盤、藍光光盤作為測試光盤介質(zhì),分別對文件寫入、文件刪除、顯示文件目錄樹、終結(jié)光盤、讀取光盤基本信息區(qū)、讀取光盤刻錄信息區(qū)等接口函數(shù)內(nèi)部代碼進行測試,表2 為白盒測試總結(jié)。

        表2 白盒測試總結(jié)

        在白盒測試中,優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)沒有出現(xiàn)死循環(huán),并且對于各種操作,代碼運行流程經(jīng)過BUG 修改,其合理性和準確性已得到保障。在表中覆蓋率沒有達到100%的原因是,這部分沒有覆蓋到的代碼屬于為將來擴展文件系統(tǒng)預(yù)設(shè)的接口,并沒有代碼實現(xiàn),所以沒有相關(guān)測試用例。

        4.4 對比測試

        現(xiàn)在各個操作系統(tǒng)平臺廣泛使用的光盤文件系統(tǒng)有UDF 和CDFS,CDFS 文件系統(tǒng)的平臺兼容性更好,但是該文件系統(tǒng)不支持大于4 GB 的文件。

        1)對比測試主要是對比優(yōu)化UDF、原UDF、CDFS文件系統(tǒng)掃描時間性能。

        對比各文件系統(tǒng)掃描時間性能的流程是:選擇100 GB 藍光光盤作為測試光盤介質(zhì),分別采用不同文件系統(tǒng)格式將測試數(shù)據(jù)分不同批次刻錄進光盤,然后測量出光盤掃描時間。為了屏蔽單一測試數(shù)據(jù)容量對光盤掃描的偶然性影響,以10 GB 為單位,測試包含10 GB 到100 GB 數(shù)據(jù)量的光盤掃描速度。

        文件系統(tǒng)隨機讀取文件測試的測試結(jié)果如圖1所示。

        圖1 不同文件系統(tǒng)光盤掃描時間對比

        從圖1 可以看出,優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)在光盤掃描中所表現(xiàn)出來的時間性能要好過原UDF 文件系統(tǒng)和CDFS 文件系統(tǒng)。由于優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)簡化了光盤的掃描步驟,可以直接定位光盤基本信息分區(qū)獲取光盤基本參數(shù),并且在光盤刻錄信息描述分區(qū)直接給出了光盤的刻錄參數(shù)和光盤根目錄位置,所以光驅(qū)實際尋道次數(shù)大大減少,掃描速度得以提高。而且,隨著光盤追加刻錄次數(shù)的增多和光盤內(nèi)數(shù)據(jù)量的膨脹,優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)對于光盤掃描的速度優(yōu)勢會更加突出。

        5 結(jié)束語

        光盤文件系統(tǒng)在提供良好性能的同時,也要盡可能地做到方便用戶使用。優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)立足于具體需求和項目指標,針對時間性能和容錯性能方面做出了有針對性的改進,通過增加邏輯分區(qū)的方式完善了光盤的信息集成。經(jīng)實際測試該文件系統(tǒng)運行良好,性能穩(wěn)定,可靠性強。但是優(yōu)化UDF 文件系統(tǒng)仍有些冗余信息可以精簡,下一步的工作是在該文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開發(fā)光盤存儲陣列操作軟件。

        [1]王乃生.UDF 文件系統(tǒng)的寫入可靠性及其在Blu-ray 光盤上的應(yīng)用[D].西安:西安電子科技大學,2011.

        [2]OSTA.Secure UDF? Specification Revision 1.00[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/SecureUDF _1 _00.pdf,2014-11-15.

        [3]OSTA.Universal Disk Format? Specification Revision 1.02[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/udf102.pdf,2014-11-17.

        [4]OSTA.Universal Disk FormatTMSpecification 102150differences[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/102150diffs.pdf,2014-11-18.

        [5]OSTA.Universal Disk FormatTM Specification Revision 1.50[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/udf150.pdf,2014-12-03.

        [6]OSTA.Universal Disk FormatTM Specification 150200differences[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/150200diffs.pdf,2014-11-21.

        [7]OSTA.Universal Disk Format? Specification Revision 2.00[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/udf200.pdf,2014-11-26.

        [8]OSTA.Universal Disk FormatTM? Specification 200201-differences[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/200201diffs.pdf,2014-11-28.

        [9]OSTA.Universal Disk Format? Specification Revision 2.01[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/udf201.pdf,2014-12-06.

        [10]Universal Disk Format? Specification 201250differences[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/201250diffs.pdf,2014-12-09.

        [11]OSTA.Universal Disk Format? Specification Revision 2.50[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/udf250.pdf,2014-12-11.

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        [13]OSTA.Universal Disk Format? Specification Revision 2.60[S/OL].http://www.osta.org/specs/pdf/udf260.pdf,2014-12-17.

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