11. Cum ţine calculatorul meu lucruri pe disc?

Când vă uitaţi la un hard disc sub Unix, vedeţi un arbore de directoare şi fişiere cu nume. Normal nu o să aveţi nevoie să vă uitaţi mai adânc de atât, dar devine folositor de ştiut ce se întâmplă dedesubt dacă aveţi un crash (prăbuşire) a discului şi aveţi nevoie să încercaţi să vă salvaţi fişierele. Din nefericire, nu este nici o cale bună de a descrie organizarea discului de la nivelul de fişiere în jos, aşa că o să încerc să o fac de la hardware în sus.

11.1 Discul la nivelul de jos (low-level) şi structura sistemului de fişiere

Zona de suprafaţa a discului dvs, unde ţine datele, este divizată asemenea unei table de dart -- în piste circulare care sunt apoi tăiate precum plăcintele în sectoare. Deoarece pistele apropiate de capătul exterior au mai mult spaţiu decât cele apropiate de axul din centrul discului, pistele exterioare au mai multe felii de sector în ele decât cele interioare. Fiecare sector (sau disk block - bloc de disc) are aceaşi mărime, care sub Unixurile moderne este în general 1 K binar (1024 cuvinte de 8 biţi). Fiecare bloc de disc are o adresă unică sau numar de bloc de disc.

Unix împarte discul în partiţii de disc. Fiecare partiţie este o întindere continuă de blocuri care e folosită separat de orice altă partiţie, fie ca sistem de fişiere sau ca spaţiu de swap. Partiţia cu numărul cel mai mic este deseori tratată special, ca o partiţie de boot unde puteţi pune un kernel care să fie bootat.

Fiecare partiţie este fie spatiu de swap (folosit pentru a implementa memoria virtuală sau un sistem de fişiere folosit pentru a ţine fişiere. Pariţiile cu spaţiu de swap doar sunt tratate ca o secvenţă liniară de blocuri. Sistemele de fişiere, pe cealaltă parte, au nevoie de o cale de a potrivi numele de fişiere la secvenţe de blocuri de disc. Deoarece fişierele cresc, scad, şi se schimbă cu timpul, blocurile de date ale unui fişier nu vor fi o secvenţă liniară ci pot fi împrăştiate pe toată partiţia sa (de oriunde sistemul de operare poate să găsească un bloc liber când are nevoie).

11.2 Numele de fişiere şi directoare

În fiecare sistem de fişiere, potrivirea de la nume la blocuri este realizată printr-o structură numită un i-node. Este o mulţime din lucrurile acestea lânga ``fundul'' (blocurile cu numerele cele mai mici) fiecărui sistem (cele mai mici sunt folosite pentru menajeria casei şi scopuri de etichetare pe care nu le vom descrie aici). Fiecare i-node descrie un fişier. Blocurile de date ale fişierului se află deasupra i-nodeurilor.

Fiecare i-node conţine o listă a numerelor blocurilor în fişierul pe care îl descrie. (De fapt aceasta este pe jumătate adevărat, corect numai pentru fişiere mici, dar restul detaliilor nu sunt importante aici). Notaţi că i-nodeul nu conţine numele fişierului.

Numele fişierului se află în structurile de directoare. O structură de directoare potriveşte numele la numerele i-node. De aceasta, în Unix, un fişier poate avea nume adevărate multiple (legături hard); sunt doar intrări multiple de directoare care se întâmplă să indice acelaşi inode.

11.3 Puncte de mount

În cazul cel mai simplu, întregul dvs. sistem de fişiere Unix se află doar într-o singură partiţie de disc. O să vedeţi această aranjare pe unele sisteme Unix mici, personale, dar este neobişnuită. Mai tipic este să se întindă de-a lungul a câteva partiţii de disc, posibil pe discuri fizice diferite. Astfel, de exemplu, sistemul dvs. s-ar putea să aibă o partiţie mică unde se află kernelul, una ceva mai mare unde se află utilitarele SOului, şi una mult mai mare unde se află directoarele home (acasă) ale utilizatorilor. Singura partiţie la care o să aveţi acces imediat după bootarea (pornirea) sistemului este partiţia de root, ( root = rădacină ) care este (aproape mereu) cea de pe care aţi bootat. Ea ţine directorul root al sistemului de fişiere, nodul din vârf de care atârna tot restul.

Celelalte partiţii în sistem trebuie să fie ataşate la acest root pentru ca întregul dvs. sistem de fişiere multiplu să fie accesibil. Pe la jumătatea procesului de bootare, Unixul dvs. va face aceste partiţii non-root accesibile. O să le monteze fiecare într-un director de pe partiţia de root.

De exemplu, dacă aveţi un director Unix numit `/usr', este probabil un punct de montare pentru o partiţie care conţine multe programe instalate cu Unixul dvs. dar de care nu este nevoie la bootare.

11.4 Cum se găseşte un fişier

Acum putem să ne uităm la sistemul de fişiere de sus în jos. Când deschideţi un fişier (precum, de exemplu, /home/esr/WWW/ldp/fundamentals.sgml) iată ce se întâmplă :

Kernelul începe la rădăcina sistemului de fişiere (în partiţia de root). Se uită acolo după un director numit `home'. De obicei `home' este un punct de montare pentru o mare partiţie pentru utilizatori în altă parte, aşa că o să se ducă acolo. În nivelul de vârf al structurii de directoare a acelei partiţie, o să se uite după o intrare numită `esr' şi o să extragă un numar de inode. O să se ducă la acel i-node, o să-şi dea seama că este o structură de directoare, şi o să caute `WWW'. Extrăgând acel i-node, o să se ducă la subdirectorul corespunzător şi o să caute `ldp'. Acesta o să-l ducă la alt inode de director. Deschizându-l, o să găsească un număr i-node pentru `fundamentals.sgml'. Acel inode nu este un director, ci ţine lista blocurilor asociate cu fişierul.

11.5 Deţinerea de fişiere, permisiuni şi securitate

Pentru a împiedica programele de a nu călca accidental sau rău-intenţionat pe date pe care nu ar trebui, Unix are facilităţi de permisii. Acestea au fost concepute original pentru a suporta împărţirea în timp, protejând utilizatorii multipli pe aceaşi maşină unii de alţii, înapoi în zilele când Unix rula în principal pe minicomputere scumpe împărţite.

Pentru a înţelege permisiile de fişiere, trebuie să vă aduceţi aminte de descrierea noastră de utilizatori şi grupuri în secţiunea Ce se întâmplă când vâ logaţi?. Fiecare fişier are un utilizator deţinător şi un grup deţinător. Acestea sunt iniţial cele ale creatorului de fişiere; ele pot fi schimbate cu programele chown(1) (schimbă deţinator) şi chgrp(1) (schimbă grup).

Permisiunile fundamentale care pot fi asociate cu un fişier sunt `read' (permisia de a citi date din el), `write' (permisia de a-l modifica) şi `execute' (permisia de a-l rula ca program). Fiecare fişier are trei seturi de permisii; unul pentru utilizatorul deţinător, unul pentru orice utilizator din grupul său deţinător, şi unul pentru oricine altcineva. `Privilegiile' pe care le obţineţi când vă logaţi sunt doar posibilitatea de a citi, scrie şi executa acele fişiere pentru care biţii de permisiuni se protrivesc cu IDul (identidatea) dvs. de utilizator sau a unui grup din care faceţi parte.

Pentru a vedea cum acestea pot interacţiona şi cum Unix le afişează, să ne uităm la câteva listări de fişiere pe un sistem Unix ipotetic. Iată una:

snark:~$ ls -l notes
-rw-r--r--   1 esr      users         2993 Jun 17 11:00 notes

Aceasta este un fişier de date obişnuit. Listarea ne spune că este deţinut de utilizatorul `esr' şi a fost creat cu grupul deţinător `users' (utilizatori). Probabil maşina pe care suntem pune fiecare utilizator obişnuit în acest grup ca standard; alte grupuri pe care le puteţi vedea în mod obişnuit pe maşinile cu împărţire în timp sunt `staff' (conducere), `admin' (administratori) sau `wheel' (roată) (pentru motive evidente, grupurile nu sunt foarte importante pe staţiile de lucru pentru un singur utilizator sau PCuri). Unixul dvs. poate să folosească alt grup standard, poate unul numit după IDul dvs. de utilizator.

Şirul `-rw-r--r--' reprezintă permisiunea biţilor pentru fişier. Primul minus este poziţia bitului de director; ar fi un `d' dacă fişierul ar fi fost un director. După acesta, primele trei locuri sunt permisiuni ale utilizatorului, al doilea grup de trei sunt permisiunile grupului, şi al treilea sunt permisiunile pentru others (alţii) (deseori numite permisii pentru `lume'). Pe acest fişier, utilizatorul deţinător poate citi sau scrie, alţi oameni din grupul `users' pot să citească, şi toţi oamenii din lume pot să-l citească. Acest este un set tipic de permisiuni pentru un fişier obişnuit.

Acum să ne uităm la un fişier cu permisii foarte diferite. Acest fişier este GCC, compilatorul GNU pentru limbajul C.

snark:~$ ls -l /usr/bin/gcc
-rwxr-xr-x   3 root     bin         64796 Mar 21 16:41 /usr/bin/gcc

Acest fişier aparţine unui utilizator numit `root' şi un grup numit `bin'; poate să fie scris (modificat) numai de root, dar citit sau executat de oricine. Acesta este un set tipic de deţinători şi permisiuni pentru o comandă sistem pre-instalată. Grupul `bin' există pe unele Unixuri pentru a grupa împreună comenzile sistem (numele este o relicvă istorică, scurtătura de la `binar'). Unixul dvs. poate folosi un grup `root' în loc (nu chiar acelaşi lucru cu utilizatorul `root' !).

Utilizatorul `root' este numele convenţional pentru IDul numeric 0, un cont special, privilegiat, care poate să supra-scrie toate privilegiile. Accesul la root este folositor dar periculos; o greşeală de tastare când sunteţi logat ca root poate să strice un sistem critic de fişiere pe care aceeaşi comandă executată de un utilizator obişnuit nu ar putea să-l atingă.

Deoarece contul de root este aşa puternic, accesul la el ar trebui păzit foarte atent. Parola dvs. de root este singura informaţie cea mai critică de pe sistemul dvs., şi este ceea ce orice crackeri sau persoane neautorizate care vor veni după dvs. o să încerce să obţină.

(Despre parole: Nu le scrieţi -- şi nu alegeţi parole care pot fi ghicite uşor, precum prenumele prietenei/prietenului/soţiei/soţului. Aceasta este o practică proastă uimitoare care îi ajută pe crackeri la nesfârşit...)

Acum să ne uităm la al treilea caz:

snark:~$ ls -ld ~
drwxr-xr-x  89 esr      users          9216 Jun 27 11:29 /home2/esr
snark:~$ 

Acest fişier este un director (notaţi `d'-ul în primul slot de permisiuni). Vevdem că poate fi supra-scris numai de esr, dar citit şi executat de oricine altcineva. Permisiunile sunt interpretate într-un fel special la directoare; ele controlează accesul la fişierele de sub ele din director.

Permisiunea de citire pe un director este simplă; înseamnă doar că puteţi trece prin director pentru a deschide fişierele şi directoarele de sub el. Permisiunea de scriere vă dă abilitatea de a crea şi şterge fişiere din director. Permisiunea de execuţie vă dă abilitatea de a căuta directorul -- adică de a-l lista şi a vedea numele fişierelor şi directoarelor pe care le conţine. Ocazional o să vedeţi un director care este citibil de toată lumea dar nu executabil de toată lumea; aceasta înseamnă că un utilizator oarecare poate să ajungă la fişierele şi directoarele din el, dar numai dacă le ştie numele lor exacte.

În sfârşit, să ne uităm la permisiunile programului de logare însuşi.

snark:~$ ls -l /bin/login
-rwsr-xr-x   1 root     bin         20164 Apr 17 12:57 /bin/login

Acesta are permisiunile pe care le-am aştepta pentru o comandă sistem -- excepţie făcând acel `s' unde bitul de execuţie al utilizatorului ar trebui să fie. Aceasta este manifestarea vizibilă pentru o permisiune specială numită `set-user-id' (setează IDul utilizatorului) sau bitul setuid.

Bitul setuid este normal ataşat la programe care au nevoie să dea utilizatorilor obişnuiţi privilegii de root, dar într-un fel controlat. Când este setat pe un program executabil, primiţi privilegiile deţinătorului acelui fişier program cât timp programul este rulat de dvs., chiar dacă se potrivesc sau nu cu ale dvs.

Precum contul de root însuşi, programele setuid sunt folositoare dar periculoase. Oricine poate corupe sau modifica un program setuid deţinut de root poate să-l folosească pentru a porni un shell cu privilegii de root. Pentru acest motiv, deschiderea unui fişier pentru scriere dezactivează în mod automat bitul setuid pe cele mai multe Unixuri. Multe atacuri la securitatea Unix încearcă să profite de buguri (defecte de programare) în programele setuid pentru a le corupe. Administratorii de sistem conştiincioşi referitor la securitate sunt aşadar foarte atenţi în legătură cu aceste programe şi relocvenţi la a instala unele noi.

Sunt câteva detalii importante peste care am trecut când am discutat persmisiuni mai sus; anume, cum grupul deţinător şi permisiunile sunt asignate când un fişier este creat prima oară. Grupul este o problemă deoarece utilizatorii pot fi membri unor grupuri multiple, dar unul din ele (specificat în linia utilizatorului din /etc/passwd) este grupul standard al utilizatorului şi în mod normal va deţine fişierele create de utilizator.

Povestea cu biţii permisiunilor iniţiale este un pic mai complicată. Un program care creează un fişier va specifica în mod normal permisiunile cu care să se nască. Dar acestea vor fi modificate de o variabilă în mediul utilizatorului numită umask (mască utilizator). Umask specifică care biţi de permisiuni să dezactiveze când se creează un fişier; cea mai obişnuită valoare, şi standard pe cele mai multe sisteme, este -------w- sau 002, care dezactivează bitul de scriere de către toată lumea. Vedeţi documentaţia pentru comanda umask în paginile manualului de shell pentru detalii.

11.6 Cum lucrurile pot să meargă greşit

Mai devreme am sugestionat că sistemele de fişiere pot fi lucruri fragile. Acum ştim că pentru a ajunge la un fişier trebuie cotrobăit prin ce ar putea fi un lanţ de lungime arbitrară de directoare şi referinţe i-node. Dar dacă pee hard discul dvs. apare un punct prost ?

Dacă sunteţi norocos, o să strice numai nişte date dintr-un fişier. Dacă aveţi ghinion, o să strice o structură de directoare sau numere i-node şi o să lase un întreg sub-arbore al sistemului dvs. atârnând în limbo -- sau, mai rău, rezultă o structură defectă care indică căi multiple la acelaşi bloc de disc sau inode. Asemenea defecte pot să fie răspândite de operaţii normale cu fişiere, stricând date care nu erau original în punctul prost.

Din fericire, această posibilitate a devenit destul de rară pe măsură ce hardwareul de disc devine din ce în ce mai sigur. Totuşi, înseamnă că Unixul dvs. o să vrea să verifice integritatea sistemului de fişiere periodic pentru a se asigura că totul este în regulă. Unixurile moderne fac un test de integritate rapid pe fiecare partiţie la bootare, chiar înainte de a o monta. La fiecare câteva rebootări o să facă o verificare mult mai în detaliu care durează câteva minute mai mult.

Dacă toate acestea sună ca Unix este teribil de complex şi invincibil la erori, poate fi reasigurător de ştiut că aceste verificări la bootare descoperă şi corectează problemele normale înainte ca ele să devină dezastruoase cu adevărat. Alte sisteme de operare nu au aceste facilităţi, care măreşte viteza de bootare un pic dar vă poate lăsa mult mai serios afectat când încearcaţi să recuperaţi de mână (şi asta presupune că aveţi o copie ale Utilitarelor Norton de la bun început...).