NTFS文件系統結構分析
在NTFS文件系統中，文件存取是按簇進行分配，一個簇必需是物理扇區的整數倍，而且總是2的整數次方。NTFS文件系統并不去關心什么是扇區，也不會去關心扇區到底有多大（如是不是512字節），而簇大小在使用格式化程序時則會由格式化程序根據卷大小自動的進行分配。
文件通過主文件表（MFT）來確定其在磁盤上的存儲位置。主文件表是一個對應的數據庫，由一系列的文件記錄組成--卷中每一個文件都有一個文件記錄（對于大型文件還可能有多個記錄與之相對應）。主文件表本身也有它自己的文件記錄。
NTFS卷上的每個文件都有一個64位（bit）稱為文件引用號（FileReferenceNumber，也稱文件索引號）的唯一標識。文件引用號由兩部分組成：一是文件號，二是文件順序號。文件號為48位，對應于該文件在MFT中的位置。文件順序號隨著每次文件記錄的重用而增加，這是為NTFS進行內部一致性檢查而設計的。
NTFS使用邏輯簇號（Logical ClusterNumber，LCN）和虛擬簇號（Virtual ClusterNumber，VCN）來進行簇的定位。LCN是對整個卷中所有的簇從頭到尾所進行的簡單編號。卷因子乘以LCN，NTFS就能夠得到卷上的物理字節偏移量，從而得到物理磁盤地址。VCN則是對屬于特定文件的簇從頭到尾進行編號，以便于引用文件中的數據。VCN可以映射成LCN，而不必要求在物理上連續。
NTFS的目錄只是一個簡單的文件名和文件引用號的索引，如果目錄的屬性列表小于一個記錄的長度，那么該目錄的所有信息都存儲在主文件表的記錄中，對于大于記錄的目錄則使用B+樹進行管理。
主文件表中的基本文件記錄中有一個指針指向一個存儲非常駐索引緩沖--包括該目錄下所有下一級子目錄和文件的外部簇，而B+樹結構便于大型目錄中文件和子目錄的快速查找。
在NTFS中，所有存儲在卷上的數據都包含在文件中，包括用來定位和獲取文件的數據結構，引導程序和記錄這個卷的記錄（NTFS元數據）的位圖，這體現了NTFS的原則：磁盤上的任何事物都為文件。在文件中存儲一切使得文件系統很容易定位和維護數據，而在NTFS中，卷中所有存放的數據均在一個叫做MFT的文件記錄數組中，稱為主文件表(Master FileTable)，MFT是由高級格式化產生的。而MFT則由文件記錄(File Record)數組構成。FileRecord的大小一般是固定的，不管簇的大小是多少，均為1KB，這個概念相當于Linux中的inode（i節點）。FileRecord在MFT文件記錄數組中物理上是連續的，且從0開始編號。MFT僅供系統本身組織、架構文件系統使用，這在NTFS中稱為元數據(metadata)。其中最基本的前16個記錄是操作系統使用的非常重要的元數據文件。這些NTFS主文件表的重要的元數據文件都是以$(美元符號)開始的名字，所以是隱藏文件，在Windows 2000中不能使用dir命令(甚至加上/ah參數)像普通文件一樣列出這些元數據文件。實際上FileSystem Driver(ntfs.sys)維護了一個系統變量NTFS Protect SystemFiles用于隱藏這些元數據。但是微軟公司也提供了一個OEMTOOL,叫做NFI.EXE,用此工具可以轉儲NTFS主文件表的重要的元數據文件（元數據：是存儲在卷上支持文件系統格式管理的數據。它不能被應用程序來訪問，它只能為系統提供服務），使用NFI顯示結果如下：
C:\>nfi C: |MORE
而這些元數據文件文件是系統驅動程序裝配卷所必需的，WINDOWS2000給每個分區賦予一個盤符并不表示該分區包含有WINDOWS2000可以識別的文件系統格式，如果一旦主文件表損壞，那么該分區在WINDOWS 2000下是無法讀取的。為了使該分區能夠在WINDOWS2000下能被識別，也就是必須首先建立WINDOWS2000可以識別的文件系統格式即主文件表，這可通過高級格式化該分區來完成。眾所周知，Windows以簇號來定位文件在磁盤存儲的位置，在FAT格式的文件系統中有關簇號的指針是包含在FAT表中的，而在NTFS中有關簇號的指針是包含在$MFT及$MFTMirr文件中的。
NTFS元文件
伴隨著以上這些新增功能的是更多的用于存放與功能相關的數據的元文件。最后，在下面的表中羅列出NTFS5中所有的元文件：
每個MFT記錄都對應著不同的文件，如果一個文件有很多屬性或是分散成很多碎片，就很可能需要多個文件記錄。這時，存放其文件記錄位置的第一個記錄就叫做“基文件記錄”（base file record）。
MFT中的第1個記錄就是MFT自身。由于MFT文件本身的重要性，為了確保文件系統結構的可靠性，系統專門為它準備了一個鏡像文件（＄MftMirr），也就是MFT中的第2個記錄。
第3個記錄是日志文件（＄LogFile）。該文件是NTFS為實現可恢復性和安全性而設計的。當系統運行時，NTFS就會在日志文件中記錄所有影響NTFS卷結構的操作，包括文件的創建和改變目錄結構的命令，例如復制，從而在系統失敗時能夠恢復NTFS卷。
第4個記錄是卷文件（＄Volume），它包含了卷名、被格式化的卷的NTFS版本和一個標明該磁盤是否損壞的標志位（NTFS系統以此決定是否需要調用Chkdsk程序來進行修復）。
第5個記錄是屬性定義表（＄AttrDef，attribute definition table），其中存放了卷所支持的所有文件屬性，并指出它們是否可以被索引和恢復等。
第6個記錄是根目錄（\），其中保存了存放于該卷根目錄下所有文件和目錄的索引。在訪問了一個文件后，NTFS就保留該文件的MFT引用，第二次就能夠直接進行對該文件的訪問。
第7個記錄是位圖文件（＄Bitmap）。NTFS卷的分配狀態都存放在位圖文件中，其中每一位（bit）代表卷中的一簇，標識該簇是空閑的還是已被分配了的，由于該文件可以很容易的被擴大，所以NTFS的卷可以很方便的動態的擴大，而FAT格式的文件系統由于涉及到FAT表的變化，所以不能隨意的對分區大小進行調整。
第8個記錄是引導文件（＄Boot），它是另一個重要的系統文件，存放著Windows2000/XP的引導程序代碼。該文件必須位于特定的磁盤位置才能夠正確地引導系統。該文件是在Format程序運行時創建的，這正體現了NTFS把磁盤上的所有事物都看成是文件的原則。這也意味著雖然該文件享受NTFS系統的各種安全保護，但還是可以通過普通的文件I/O操作來修改。
第9個記錄是壞簇文件（＄BadClus），它記錄了磁盤上該卷中所有的損壞的簇號，防止系統對其進行分配使用。
第10個記錄是安全文件（＄Secure），它存儲了整個卷的安全描述符數據庫。NTFS文件和目錄都有各自的安全描述符，為了節省空間，NTFS將具有相同描述符的文件和目錄存放在一個公共文件中。
第11個記錄為大寫文件（＄UpCase，upper case file），該文件包含一個大小寫字符轉換表。
第12個記錄是擴展元數據目錄（＄Extended metadata directory）。
第13個記錄是重解析點文件（$Extend\$Reparse）。
第14個記錄是變更日志文件（$Extend\$UsnJrnl）。
第15個記錄是配額管理文件（$Extend\$Quota）。
第16個記錄是對象ID文件（$Extend\$ObjId）。
第17～23記錄是是系統保留記錄，用于將來擴展。
MFT的前16個元數據文件是如此重要，為了防止數據的丟失，NTFS系統在該卷文件存儲部分的正中央對它們進行了備份，參見下圖。
NTFS把磁盤分成了兩大部分，其中大約12%分配給了MFT，以滿足其不斷增長的文件數量。為了保持MFT元文件的連續性，MFT對這12%的空間享有獨占權。余下的88%的空間被分配用來存儲文件。而剩余磁盤空間則包含了所有的物理剩余空間--MFT剩余空間也包含在里面。MFT空間的使用機制可以這樣來描述：當文件耗盡了存儲空間時，Windows操作系統會簡單地減少MFT空間，并把它分配給文件存儲。當有剩余空間時，這些空間又會重新被劃分給MFT。雖然系統盡力保持MFT空間的專用性，但是有時不得不做出犧牲。盡管MFT碎片有時是無法忍受的，卻無法阻止它的發生。
那么NTFS到底是怎么通過MFT來訪問卷的呢？首先，當NTFS訪問某個卷時，它必須“裝載”該卷：NTFS會查看引導文件（在圖中的＄Boot元數據文件定義的文件），找到MFT的物理磁盤地址。然后它就從文件記錄的數據屬性中獲得VCN到LCN的映射信息，并存儲在內存中。這個映射信息定位了MFT的運行（run或extent）在磁盤上的位置。接著，NTFS再打開幾個元數據文件的MFT記錄，并打開這些文件。如有必要NTFS開始執行它的文件系統恢復操作。在NTFS打開了剩余的元數據文件后，用戶就可以開始訪問該卷了。
文件和目錄記錄
NTFS將文件作為屬性/屬性值的集合來處理，這一點與其他文件系統不一樣。文件數據就是未命名屬性的值，其他文件屬性包括文件名、文件擁有者、文件時間標記等。下圖顯示了一個用于小文件的MFT記錄。
每個屬性由單個的流（stream）組成，即簡單的字符隊列。嚴格地說，NTFS并不對文件進行操作，而只是對屬性流進行讀寫。NTFS提供對屬性流的各種操作：創建、刪除、讀取（字節范圍）以及寫入（字節范圍）。讀寫操作一般是針對文件的未命名屬性的，對于已命名的屬性則可以通過已命名的數據流句法來進行操作。
一個文件通常占用一個文件記錄。然而，當一個文件具有很多項屬性值或很零碎的時候，就可能需要占用一個以上的文件記錄。這種情況下，第一個文件記錄是其基本的文件記錄，存儲有該文件需要的其它文件記錄的位置。小文件和文件夾（典型的如1500字節或更少）將全部存儲在文件的MFT記錄里。
文件夾記錄包括索引信息，小文件夾記錄完全存儲在MFT結構內，然而大的文件夾則被組織成B+樹結構，用一個指針指向一個外部簇，該簇用來存儲那些MFT內存儲不了的文件夾的屬性。
NTFS卷上文件的常用屬性在下表中列出（并不是所有文件都有所有這些屬性）。
常駐屬性與非常駐屬性
當一個文件很小時，其所有屬性和屬性值可存放在MFT的文件記錄中。當屬性值能直接存放在MFT中時，該屬性就稱為常駐屬性（residentattribute）。有些屬性總是常駐的，這樣NTFS才可以確定其他非常駐屬性。例如，標準信息屬性和根索引就總是常駐屬性。
每個屬性都是以一個標準頭開始的，在頭中包含該屬性的信息和NTFS通常用來管理屬性的信息。該頭總是常駐的，并記錄著屬性值是否常駐、對于常駐屬性，頭中還包含著屬性值的偏侈量和屬性值的長度。
如果屬性值能直接存放在MFT中，那么NTFS對它的訪問時間就將大大縮短。NTFS只需訪問磁盤一次，就可立即獲得數據；而不必像FAT文件系統那樣，先在FAT表中查找文件，再讀出連續分配的單元，最后找到文件的數據。
小文件或小目錄的所有屬性，均可以在MFT中常駐。小文件的未命名屬性可以包括所有文件數據。建立一個小文件如下圖所示：
該文件的內容
文件屬性
如通過NFI查看文件“新建 文本文檔.txt”的文件記錄號為36，顯示內容如下：
File 36
\新建 文本文檔.txt
$STANDARD_INFORMATION (resident)
$FILE_NAME (resident)
$FILE_NAME (resident)
$DATA (resident)
從顯示內容可以看出文件的全部屬性都是常駐屬性，包括DATA屬性，沒有非常駐屬性，所以，用WINHEX打開MFT，查看該文件記錄，有如下圖的內容
小文件的文件記錄
小目錄的索引根屬性可以包括其中所有文件和子目錄的索引。參見下圖
小目錄的MFT記錄
大文件或大目錄的所有屬性，就不可能都常駐在MFT中。如果一個屬性（如文件數據屬性）太大而不能存放在只有1KB的MFT文件記錄中，那么NTFS將從MFT之外分配區域。這些區域通常稱為一個運行（run）或一個盤區（extent），它們可用來存儲屬性值，如文件數據。如果以后屬性值又增加，那么NTFS將會再分配一個運行，以便用來存儲額外的數據。值存儲在運行中而不是在MFT文件記錄中的屬性稱為非常駐屬性（nonresidentattribute）。NTFS決定了一個屬性是常駐還是非常駐的；而屬性值的位置對訪問它的進程而言是透明的。
當一個屬性為非常駐時，如大文件的數據，它的頭部包含了NTFS需要在磁盤上定位該屬性值的有關信息。下圖顯示了一個存儲在兩個運行中的非常駐屬性。
存儲在兩個運行中的非常駐屬性
在標準屬性中，只有可以增長的屬性才是非常駐的。對文件來說，可增長的屬性有數據、屬性列表等。標準信息和文件名屬性總是常駐的。
一個大目錄也可能包括非常駐屬性（或屬性部分），參見下圖。在該例中，MFT文件記錄沒有足夠空間來存儲大目錄的文件索引。其中，一部分索引存放在索引根屬性中，而另一部分則存放在叫作“索引緩沖區”（indexbuffer）的非常駐運行中。這里，索引根、索引分配以及位圖屬性都是簡化表示的，這些屬性將在后面詳細介紹。對目錄而言，索引根的頭及部分值應是常駐的。
大目錄的MFT記錄
當一個文件（或目錄）的屬性不能放在一個MFT文件記錄中，而需要分開分配時，NTFS通過VCN-LCN之間的映射關系來記錄運行（run）或盤區情況。LCN用來為整個卷中的簇按順序從0到n進行編號，而VCN則用來對特定文件所用的簇按邏輯順序從0到m進行編號。下圖顯示了一個非常駐數據屬性的運行所使用的VCN與LCN編號。
非常駐數據屬性的VCN
當該文件含有超過2個運行時，則第三個運行從VCN8開始，數據屬性頭部含有前兩個運行VCN的映射，這便于NTFS對磁盤文件分配的查詢。為了便于NTFS快速查找，具有多個運行文件的常駐數據屬性頭中包含了VCN-LCN的映射關系，參見下圖
非常駐數據屬性的VCN-LCN映射
雖然數據屬性常常因太大而存儲在運行中，但是其他屬性也可能因MFT文件記錄沒有足夠空間而需要存儲在運行中。另外，如果一個文件有太多的屬性而不能存放在MFT記錄中，那么第二個MFT文件記錄就可用來容納這些額外的屬性（或非常駐屬性的頭）。在這種情況下，一個叫作“屬性列表”（attributelist）的屬性就加進來。屬性列表包括文件屬性的名稱和類型代碼以及屬性所在MFT的文件引用。屬性列表通常用于太大或太零散的文件，這種文件因VCN-LCN映射關系太大而需要多個MFT文件記錄。具有超過200個運行的文件通常需要屬性列表。
