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Guida alla comprensione dei file system

ago 2023
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Il file system è la struttura usata dal sistema operativo per organizzare e gestire i file in un dispositivo di storage quale un HD (Hard Drive), un SSD (Solid State Drive) o un drive Flash USB. La sua funzione consiste nel definire il modo in cui i dati vengono memorizzati, richiamati e organizzati all'interno del dispositivo di storage. Ogni file system ha caratteristiche proprie e spesso è legato a un determinato sistema operativo o dispositivo. Ecco alcuni dei sistemi più comuni con i loro pro e contro.

FAT (File Allocation Table), FAT16, FAT32

FAT è uno dei file system più semplici e datati. Fu inizialmente sviluppato per MS-DOS e ancora oggi viene utilizzato in molti dispositivi di storage rimovibili. Le due versioni principali di questo sistema sono FAT16 e FAT32. FAT utilizza una tabella di allocazione dei file per ricordare la posizione di file nel disco. Tuttavia, la mancanza di alcune funzioni avanzate, come le autorizzazioni dei file e il journaling, lo rende poco adatto ai sistemi operativi moderni. FAT 16 fu introdotto nel 1987 con il sistema DOS 3.31 mentre FAT32 fece la sua comparsa nel 1996 con Windows 95 OSR2(MS-DOS 7.1).

Vantaggi:

  • Semplicità: la sua semplicità ne facilita l'implementazione e l'utilizzo, rendendolo adatto a dispositivi con limitate risorse o compatibilità.
  • Ripristino dei dati: la struttura elementare dei file system FAT semplifica il recupero dei file in caso di danneggiamento o cancellazione accidentale dei dati.
  • Compatibilità: è possibile eseguire letture e scritture in modo nativo dai sistemi operativi Windows, MacOS e Linux senza bisogno di software di terze parti.

Svantaggi:

  • Frammentazione: i dati dei file finiscono per essere sparsi in diverse parti del disco, con conseguente riduzione delle prestazioni. È quindi necessario eseguire regolarmente la deframmentazione per ottimizzare le prestazioni del disco.
  • Assenza di funzioni avanzate: anche nella sua versione più recente, FAT32, mancano alcune funzioni avanzate presenti in altri file system, quali le autorizzazioni di sicurezza a livello di file, il journaling, la crittografia o la compressione.
  • Limiti nella denominazione del volume: i nomi assegnati ai volumi FAT16 e FAT32 non possono eccedere gli 11 caratteri e non possono includere la maggior parte dei caratteri non alfanumerici.
  • Limiti nella denominazione dei file: i file memorizzati in un volume FAT16 non possono avere una lunghezza superiore a 8.3 caratteri, ovvero 8 caratteri per il nome più 3 per l'estensione del file.

exFAT (Extended File Allocation Table)

exFAT è un file system introdotto da Microsoft come versione migliorata del FAT32. Risolve alcune delle limitazioni di FAT32, aumentando le dimensioni dei file memorizzabili e migliorando le prestazioni. Visto che garantisce la compatibilità con diversi sistemi operativi, exFAT viene comunemente utilizzato per i dispositivi di archiviazione rimovibili, come i drive SSD esterni, i dischi rigidi e le schede SD. Questo file system è stato introdotto nel 2006 come parte di Windows CE 6.0.

Vantaggi:

  • Supporto di file e partizioni di grandi dimensioni: exFAT supporta file e partizioni di dimensioni molto più grandi rispetto ai file system FAT. È in grado di gestire file di dimensioni superiori a 4 GB, il che lo rende adatto all'archiviazione di file multimediali o immagini disco di grandi dimensioni.
  • Utilizzo efficiente dello spazio su disco: exFAT migliora l'utilizzo dello spazio su disco rispetto ai suoi predecessori FAT. Vengono infatti utilizzati cluster di dimensioni ridotte, grazie ai quali è possibile ridurre lo spazio del disco che andrebbe va sprecato per i file più piccoli.
  • Compatibilità: è possibile eseguire letture e scritture in modo nativo dai sistemi operativi Windows e MacOS senza bisogno di software di terze parti.

Svantaggi:

  • Supporto limitato dei metadati: anche in exFAT mancano alcune funzioni avanzate presenti in altri file system, quali le autorizzazioni di sicurezza a livello di file, il journaling o la crittografia a livello di file system.
  • Frammentazione: al pari dei file system FAT, anche exFAT presentano problemi di frammentazione. Le operazioni di creazione, modifica e cancellazione dei file producono una frammentazione che nel tempo porta a un calo delle prestazioni.

NTFS (New Technology File System)

NTFS è il file system utilizzato dai sistemi operativi basati su Windows NT, comparsi sulla scena mondiale nel 1993 con Windows NT 3.1 e rappresentati oggi dalla loro versione più recente, Windows 11. Offre funzioni avanzate come le autorizzazioni dei file, la crittografia, la compressione e il journaling. NTFS supporta file e partizioni di grandi dimensioni, dimostrandosi quindi adatto ai moderni dispositivi di storage. Tuttavia, ha una compatibilità limitata con i sistemi operativi diversi da Windows.

Vantaggi:

  • Sicurezza e autorizzazioni: NTFS offre uno modello di sicurezza affidabile con autorizzazioni a livello di file, consentendo di impostare permessi per ogni singolo file o cartella, tramite il controllo dei diritti di accesso assegnati a utenti e gruppi.
  • Trim per drive a stato solido (SSD): questa funzione rileva i dati non utilizzati e li segnala all'unità SSD che può così cancellarli e liberare spazio per le scritture future. Allo scopo di preservare le prestazioni, la funzione TRIM risulta abilitata per impostazione predefinita nei dispositivi che adottano il file system NTFS.

Svantaggi:

  • Errori dei dischi e riparazioni: sebbene NTFS sia stato progettato per garantire affidabilità è comunque possibile che si verifichino errori del disco. In questi casi, la riparazione di NTFS può richiedere tempo e strumenti speciali.
  • Frammentazione: nel corso del tempo, anche i file system NTFS possono produrre frammentazione in seguito alla creazione, modifica e cancellazione dei file. La frammentazione può causare un calo di prestazioni dal momento che il sistema è costretto ad accedere a frammenti di file sparsi.

APFS (Apple File System)

APFS è un file system sviluppato da Apple per macOS, iOS e altri dispositivi Apple. È stato progettato per ottimizzare le prestazioni e la compatibilità con l'hardware e il software di Apple. APFS offre funzioni come la clonazione, la crittografia a livello di file e un significativo miglioramento delle prestazioni nei drive a stato solido. È stato introdotto con macOS 10.13 nel 2017.

Vantaggi:

  • Prestazioni elevate: APFS offre prestazioni più elevate rispetto al suo predecessore, l'HFS+, grazie all'utilizzo di tecniche come la copia su scrittura, la condivisione dello spazio e la gestione ottimizzata dei metadati per migliorare la velocità di lettura e scrittura.
  • Sicurezza dei dati: APFS è dotato di funzioni per la protezione dei dati, come le verifiche di integrità dei metadati e dei contenuti dei file, che aiutano a prevenire e rilevare eventuali fenomeni di corruzione dei dati. Inoltre, il supporto della crittografia nativa consente agli utenti di crittografare i propri dati a livello di file system, migliorando così la sicurezza e proteggendo le informazioni sensibili.

Svantaggi:

  • Trim per drive a stato solido (SSD): il supporto dei comandi trim per SSD, sebbene presente in APFS, si dimostra meno efficiente rispetto agli altri file system. Questa funzione ha il compito di ottimizzare le prestazioni e la durata dei drive SSD, realizzando una gestione efficiente dei blocchi di dati.
  • Supporto software di terze parti: alcuni software o utility di terze parti meno recenti potrebbero non supportare perfettamente o riscontrare delle limitazioni nelle unità formattate con APFS. Pertanto, prima di adottare questo file system, è opportuno assicurarsi che il software e gli strumenti che si è soliti utilizzare siano compatibili con APFS.
  • Non è possibile eseguire letture o scritture in APFS da un PC Windows senza l'uso di un software di terze parti.

HFS, HFS+ (Hierarchical File System)

HFS è il file system inizialmente utilizzato dai computer Apple. Nel corso del tempo, è stato sostituito prima da HFS+ e poi da APFS. Questo file system utilizza una struttura gerarchica di directory e supporta funzioni come i metadati e le resource fork per la memorizzazione di informazioni aggiuntive sui file. È compatibile con i sistemi Mac precedenti. HFS è stato introdotto nel 1986 con System 2.1 per Mac Plus. La sua evoluzione, HFS+, è subentrata nel 1998 con Mac OS 8.1, gradualmente eliminata poi dopo l'introduzione nel 2019 di APFS con macOS 10.15.

Vantaggi:

  • Semplicità: HFS ha una struttura relativamente semplice e lineare, che ne facilita l'implementazione e la comprensione.
  • Supporto dei metadati: HFS ha introdotto il concetto di metadati, che consentono la memorizzazione di informazioni aggiuntive sui file, come le date di creazione e modifica, il tipo di file e le resource fork.

Svantaggi:

  • Assenza di funzioni avanzate: in HFS mancano alcune funzioni avanzate presenti in altri file system, quali le autorizzazioni di sicurezza a livello di file, il journaling, la crittografia o la compressione dei file.
  • Supporto di file e partizioni di dimensioni limitate: HFS presenta limitazioni sulla dimensione dei file e delle partizioni, potendo gestire file di dimensioni fino a 2 GB e partizioni fino a 2 TB.
  • I file si corrompono al di fuori del sistema operativo: durante il trasferimento da HFS o HFS + verso la maggior parte degli altri file system qui elencati, alcuni tipi di file (specialmente quelli privi di estensione) perdono la resource fork e diventano quindi illeggibili se e quando reintrodotti in HFS, a meno che non erano stati precedentemente archiviati in formato .zip o .sit.

Ext4 (Fourth Extended File System)

Un file system molto utilizzato nel sistema operativo Linux. È il successore di Ext3 e offre diversi miglioramenti in termini di prestazioni, scalabilità e affidabilità. Ext4 è il file system predefinito di molte distribuzioni Linux. È stato introdotto per la prima volta nel 2003.

Advantages:

  • Vantaggi: Il journal traccia delle modifiche prima che vengano realizzate nel disco, il che consente di recuperare più rapidamente i dati in caso di interruzione dell'alimentazione o di crash del sistema. Riduce il rischio di corruzione dei dati e garantisce la coerenza del file system.
  • Dimensioni dei file e delle partizioni aumentate: Ext4 supporta file e partizioni di dimensioni significativamente maggiori rispetto ai suoi predecessori.

Svantaggi:

  • Frammentazione: come la maggior parte dei file system, Ext4 è soggetto alla frammentazione. Le operazioni di creazione, modifica e cancellazione dei file producono una frammentazione che nel tempo porta a un calo delle prestazioni.
  • Scalabilità limitata: se da un lato Ext4 supporta file e partizioni di dimensioni maggiori rispetto ai suoi predecessori, dall'altro presenta alcune limitazioni nei casi di scalabilità elevate.

I file system sono parti essenziali dei sistemi informatici, perché sono alla base delle operazioni di organizzazione, archiviazione e recupero dei dati, garantendo così la fluidità del funzionamento. Con il progressivo sviluppo della tecnologia, i file system continueranno ad evolversi, adattandosi alle esigenze di storage e migliorando le capacità di gestione dei dati.

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