Оценка производительности файловых систем Windows Server: FAT32, NTFS и ReFS
Автор: Поддубная Я.С., Чурсина С.С.
Журнал: Форум молодых ученых @forum-nauka
Статья в выпуске: 5 (105), 2025 года.
Бесплатный доступ
В статье представлено комплексное тестирование производительности файловых систем Windows Server, включая FAT32, NTFS и ReFS. Исследование охватывает различные аспекты работы с данными: анализ скорости последовательного и случайного доступа к файлам, включая операции записи, чтения и их комбинации, а также оценку эффективности базовых файловых операций - создания, копирования, перемещения и удаления файлов разных размеров.
Файловая система, производительность, операционная система windows server 2022
Короткий адрес: https://sciup.org/140311879
IDR: 140311879 | УДК: 004.054
Performance benchmarking of Windows Server file systems: FAT32, NTFS, and ReFS
The article presents comprehensive performance testing of Windows Server file systems, including FAT32, NTFS and ReFS. The research covers various aspects of working with data: analyzing the speed of sequential and random access to files, including write, read and combination operations, as well as evaluating the effectiveness of basic file operations such as creating, copying, moving and deleting files of various sizes.
Текст научной статьи Оценка производительности файловых систем Windows Server: FAT32, NTFS и ReFS
Файловая система – это описание способа хранения, распределения, наименования и обеспечения доступа к информации, хранящейся на машинном носителе информации [2]. Она также предоставляет простой доступ к информации пользователям и позволяет производить различные операции на носителях. В эпоху стремительной цифровизации, когда объёмы информации и требования к производительности постоянно растут, правильный выбор файловой системы становится ключевым фактором для обеспечения эффективной работы с данными.
Файловые системы FAT32, NTFS и ReFS были разработаны компанией Microsoft [3][4][5], и каждая из них имеет свои уникальные характеристики.
FAT32 (File Allocation Table) сочетает в себе совместимость и функциональность. Эта система доминирует среди внешних накопителей: 90% флешек и более 50% внешних жёстких дисков используют именно её. Благодаря отличной совместимости с разными устройствами и операционными системами, FAT32 идеально подходит для ситуаций, где не требуется работа с большими файлами [8]. Особенно актуальна для пользователей, работающих как с Windows, так и с MacOS. Однако система имеет существенные ограничения: максимальный размер файла составляет 4 ГБ, что создаёт проблемы при работе с большими архивами и образами дисков.
NTFS (New Technology File System) обеспечивает более высокую производительность, особенно при работе с большими массивами данных и сложными структурами. Система включает функции журналирования, шифрования, управления доступом и безопасности. Журналы NTFS отслеживают изменения метаданных и помогают восстанавливать систему после сбоев. Возможности сжатия данных, жёсткие ссылки и дисковые квоты способствуют рациональному использованию ресурсов. Несмотря на высокую надёжность и безопасность, NTFS имеет ограниченную совместимость с операционными системами не из семейства Windows [9].
ReFS (Resilient File System) – современная файловая система, нацеленная на обеспечение высокой доступности и целостности данных. Хотя она пока не может полностью заменить NTFS, её уникальные особенности, такие как встроенная защита от повреждений и масштабируемость, делают её привлекательной для корпоративного сектора. ReFS не поддерживает сжатие и шифрование, а также не допускает конвертации данных из NTFS. ФС требует значительных системных ресурсов, особенно при работе с большими массивами данных. Ключевой особенностью является встроенная защита от сбоев, которая постоянно проверяет файлы на предмет повреждений и автоматически восстанавливает их [6].
В рамках данного исследования мы представим детальное сравнение производительности трёх файловых систем Windows Server: NTFS версии 3.1, ReFS версии 3.7 и FAT32. Интерес к их изучению обусловлен тем, что каждая из систем обладает уникальными характеристиками и ориентирована на специфические задачи, что создаёт широкие возможности для анализа. Поэтому в качестве объектов исследования были выбраны эти файловые системы. Предметом исследования в работе выступает производительность файловых систем при различных условиях эксплуатации.
Для проведения сравнительного анализа производительности этих файловых систем была подготовлена специальная тестовая среда на базе Windows Server 2022 Standard c 2 ГБ оперативной памяти. В качестве хранилища используется виртуальный диск объёмом 20 ГБ. Внутри него созданы три раздела по 6 ГБ для каждой файловой системы. Для тестирования скоростных характеристик была применена утилита CrystalDiskMark.
В первом эксперименте были измерены скорость выполнения операций (MB/s), количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) и задержка в микросекундах (µs) для операций чтения, записи и одновременного чтения и записи при соотношении нагрузки 70% на чтение и 30% на запись. Проверка осуществлялось с использованием тестового файла размером 1ГБ. Результаты были представлены для четырёх категорий операций:
-
1) Линейные операции с крупными блоками размером 1 МБ, 8 запросов одновременно.
-
2) Линейные операции с крупными блоками размером 1 МБ, 1 запрос одновременно.
-
3) Случайные операции с мелкими блоками размером 4 КБ, 32 запроса одновременно.
-
4) Случайные операции с мелкими блоками размером 4 КБ, 1 запрос одновременно [10].
|
Тестовая единица |
Категория операции |
FAT32 |
NTFS |
ReFS |
Файловая система с наибольшим показателем |
|
MB/s |
SEQ1M Q8T1 |
560.09 |
555.05 |
499.69 |
FAT32 |
|
SEQ1M Q1T1 |
530.39 |
528.01 |
528.86 |
FAT32 |
|
|
RND4K Q32T1 |
32.09 |
31.91 |
31.11 |
FAT32 |
|
|
RND4K Q1T1 |
27.82 |
28.28 |
25.21 |
NTFS |
|
|
IOPS |
SEQ1M Q8T1 |
534.14 |
529.34 |
476.54 |
FAT32 |
|
SEQ1M Q1T1 |
505.82 |
503.55 |
504.36 |
FAT32 |
|
|
RND4K Q32T1 |
7835.21 |
7789.79 |
7594.73 |
FAT32 |
|
|
RND4K Q1T1 |
6793.21 |
6903.32 |
6155.27 |
NTFS |
|
|
µs |
SEQ1M Q8T1 |
14890.65 |
15034.01 |
16681.35 |
ReFS |
|
SEQ1M Q1T1 |
1965.82 |
1977.03 |
1972.65 |
NTFS |
|
|
RND4K Q32T1 |
4059.20 |
4074.35 |
4060.29 |
NTFS |
|
|
RND4K Q1T1 |
145.94 |
143.54 |
160.81 |
ReFS |
Таблица 1. Сравнение скоростных характеристик для операции чтения
Для большей наглядности ниже приведены графики по данным таблиц
Скорость чтения (MB/s)
Рисунок 1 – Скорость чтения (MB/s)
Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) для операции чтения
SEQ1M QST1 SEQ1M Q1T1 RND4K Q32T1 RND4K Q1T1
Рисунок 2 – Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) для операции чтения
Задержка в микросекундах (ps) для операции чтения
Рисунок 3 – Задержка в микросекундах (µs) для операции чтения
По результатам эксперимента видно, что файловая система FAT32
демонстрирует лучшие показатели характеристик для операции чтения в большинстве тестов, что может быть обусловлено более простой структурой метаданных.
Таблица 2. Сравнение скоростных характеристик для операции записи
|
Тестовая единица |
Категория операции |
FAT32 |
NTFS |
ReFS |
Файловая система с наибольшим показателем |
|
MB/s |
SEQ1M Q8T1 |
384.13 |
400.31 |
460.53 |
ReFS |
|
SEQ1M Q1T1 |
425.95 |
389.42 |
383.61 |
FAT32 |
|
|
RND4K Q32T1 |
28.33 |
28.42 |
13.43 |
NTFS |
|
|
RND4K Q1T1 |
25.67 |
24.59 |
12.00 |
FAT32 |
|
|
IOPS |
SEQ1M Q8T1 |
366.33 |
381.77 |
439.19 |
ReFS |
|
SEQ1M Q1T1 |
406.22 |
371.38 |
365.84 |
FAT32 |
|
|
RND4K Q32T1 |
6916.75 |
6938.72 |
3277.59 |
NTFS |
|
|
RND4K Q1T1 |
6267.33 |
6002.44 |
2929.93 |
FAT32 |
|
|
µs |
SEQ1M Q8T1 |
21677.74 |
20798.23 |
18046.82 |
FAT32 |
|
SEQ1M Q1T1 |
2446.28 |
2678.71 |
2717.55 |
ReFS |
|
|
RND4K Q32T1 |
4586.04 |
4584.80 |
9405.79 |
ReFS |
|
|
RND4K Q1T1 |
158.23 |
165.17 |
338.33 |
ReFS |
Скорость записи (MB/s)
FA 132 (MB/s) INTFS (MB/s) ReFS(MB/s)
Рисунок 4 – Скорость записи (MB/s)
Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) для операции записи
FAT32 (IOPS)
INTFS (IOPS) Kei'S (IOPS)
Рисунок 5 – Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) для операции записи
Задержка в микросекундах (gs) для операции записи
IFAT32 (gs) INTFS (jjs) iReFS ()is)
Рисунок 6 – Задержка в микросекундах (µs) для операции записи
Результаты данного эксперимента не такие однозначные: файловая система ReFS обеспечивает самую высокую скорость для последовательной операции записи с несколькими потоками одновременно, но в то же время имеет низкие показатели в IOPS и более длительную задержку. FAT32 и NTFS показали хорошую производительность в отдельных сценариях.
Таблица 3. Сравнение скоростных характеристик при смешанной нагрузке
|
Тестовая единица |
Категория операции |
FAT32 |
NTFS |
ReFS |
Файловая система с наибольшим показателем |
|
MB/s |
SEQ1M Q8T1 |
503.54 |
389.42 |
399.03 |
FAT32 |
|
SEQ1M Q1T1 |
425.72 |
486.13 |
371.77 |
NTFS |
|
|
RND4K Q32T1 |
28.61 |
30.35 |
20.31 |
NTFS |
|
|
RND4K Q1T1 |
25.72 |
26.70 |
17.54 |
NTFS |
|
|
IOPS |
SEQ1M Q8T1 |
480.21 |
371.38 |
380.55 |
FAT32 |
|
SEQ1M Q1T1 |
406.00 |
463.61 |
354.55 |
NTFS |
|
|
RND4K Q32T1 |
6984.62 |
7409.91 |
4958.74 |
NTFS |
|
|
RND4K Q1T1 |
6280.03 |
6518.07 |
4282.96 |
NTFS |
|
|
µs |
SEQ1M Q8T1 |
16482.19 |
21378.85 |
20774.98 |
NTFS |
|
SEQ1M Q1T1 |
2450.27 |
2144.43 |
2806.22 |
ReFS |
|
|
RND4K Q32T1 |
4550.80 |
4295.14 |
6233.78 |
ReFS |
|
|
RND4K Q1T1 |
157.45 |
152.03 |
231.08 |
ReFS |
Скорость (MB/s) в режиме смешанной нагрузки
■ FAT32 (MB/s)
■ NTFS (MB/s)
■ ReFS (MB/s)
Рисунок 7 – Скорость (MB/s) в режиме смешанной нагрузки
Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) для смешанной нагрузки
Рисунок 8 – Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) для
смешанной нагрузки
Задержка в микросекундах (ps) для смешанной нагрузки
Рисунок 9 – Задержка в микросекундах (µs) для смешанной нагрузки
В условиях смешанной нагрузки, отражающей работу операционной системой в реальном времени, файловая система NTFS продемонстрировала наилучшие результаты в большинстве тестов, что подтверждает её популярность среди других файловых систем Windows Server.
Во втором эксперименте сравнивается производительность файловых систем при создании, копировании, перемещении и удалении множества файлов различных размеров. Тестирование проводилось при помощи скриптов в среде PowerShell. Эксперимент был нацелен на измерение
времени, затраченного на выполнение каждой операции в конкретной файловой системе.
Таблица 4. Сравнение скоростных характеристик при операциях с файлами
|
Операция |
Размер файлов |
Количество файлов |
FAT32 |
NTFS |
ReFS |
Файловая система с наименьшим показателем |
|
Создание |
1 Кб |
500 |
48.87 c |
45.75 c |
88.10 c |
NTFS |
|
Копирование |
1 Кб |
500 |
7.42 c |
1.95 c |
8.51 c |
NTFS |
|
Перемещение |
1 Кб |
500 |
1.36 c |
0.99 c |
1.81 c |
NTFS |
|
Удаление |
1 Кб |
500 |
1.49 c |
0.72 c |
0.99 c |
NTFS |
|
Создание |
1 Мб |
100 |
11.38 c |
8.68 c |
9.50 c |
NTFS |
|
Копирование |
1 Мб |
100 |
7.18 c |
1.84 c |
5.99 c |
NTFS |
|
Перемещение |
1 Мб |
100 |
0.099 c |
0.111 c |
0.172 c |
FAT32 |
|
Удаление |
1 Мб |
100 |
0.25 c |
0.16 c |
0.24 c |
NTFS |
|
Создание |
10 Мб |
10 |
1.74 c |
1.12 c |
1.49 c |
NTFS |
|
Копирование |
10 Мб |
10 |
0.87 c |
0.32 c |
0.33 c |
NTFS |
|
Перемещение |
10 Мб |
10 |
0.0534 c |
0.0523 c |
0.0525 c |
NTFS |
|
Удаление |
10 Мб |
10 |
0.073 c |
0.071 c |
0.090 c |
NTFS |
|
Создание |
100 Мб |
10 |
21.92 c |
0.85 c |
1.16 c |
NTFS |
|
Копирование |
100 Мб |
10 |
7.21 c |
5.18 c |
4.75 c |
ReFS |
|
Перемещение |
100 Мб |
10 |
0.0465 c |
0.0577 c |
0.587 c |
FAT32 |
|
Удаление |
100 Мб |
10 |
0.09 c |
0.11 c |
0.33 c |
FAT32 |
|
Создание |
1 Гб |
1 |
12.35 c |
0.26 c |
0.16 c |
ReFS |
|
Копирование |
1 Гб |
1 |
6.61 c |
4.47 c |
4.34 c |
ReFS |
|
Перемещение |
1 Гб |
1 |
0.0657 c |
0.0650 c |
0.1741 c |
NTFS |
|
Удаление |
1 Гб |
1 |
0.113 c |
0.071 c |
0.069 c |
ReFS |
Рисунок 10 – Время выполнения (с) операции создания
Время выполнения (с) операции копирования
■ FAT32
■ NTFS
■ ReFS
Рисунок 11 – Время выполнения (с) операции копирования
Рисунок 12 – Время выполнения (с) операции перемещения
Рисунок 13 – Время выполнения (с) операции создания
По результатам данного эксперимента можно заметить, что файловая система NTFS показала лучшие результаты при работе с большим количеством файлов небольшого размера. ReFS и FAT32 продемонстрировали лучшую скорость выполнения определенной операции в отдельных сценариях, что не позволять с уверенностью оценить производительность файловых систем при работе с теми или иными файлами [11].
Результаты исследования производительности файловых систем показывают, что каждая из них эффективна в определенном сценарии использования. Также стоит отметить, что полученные результаты могут варьироваться в реальных условиях, что обусловлено аппаратным обеспечением, заполненностью дискового пространства и другими параметрами. В данной статье производительность файловых систем оценивалась лишь для базовых операций, что делает возможным дальнейшие исследования по данной теме.
Таким образом, каждая их файловых систем эффективна в использовании, и ее выбор зависит от конкретных потребностей пользователей. Если нужна простота и совместимость, FAT32 будет отличным выбором. Для пользователей, которым важна производительность и безопасность, NTFS станет оптимальным вариантом. А для корпоративных сред, где ведётся работа с большими объёмами данных и требуется высокая доступность, ReFS может стать хорошим дополнением к существующим решениям [7]. Важно учитывать, что каждая файловая система имеет свои особенности, и правильный выбор поможет оптимизировать работу с данными в соответствии с требованиями.
