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
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.
