值得關(guān)注的ReFS

引言：Windows Server 2012及Windows 8.1中出現(xiàn)了一種全新的文件系統(tǒng)，名為“彈性文件系統(tǒng)” ReFS（Resilient File System）。傳統(tǒng)意識(shí)認(rèn)為，RAID是一種硬件驅(qū)動(dòng)的高可靠存儲(chǔ)方案，但隨著云架構(gòu)系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用，簡(jiǎn)單的RAID奇偶校驗(yàn)難以容納數(shù)千個(gè)磁盤(pán)卷。ReFS通過(guò)采用全新引擎“Minstore”，支持快照、加密、超大磁盤(pán)、巨量文件和最大卷容量16EB。

ReFS：可靠可擴(kuò)展的磁盤(pán)結(jié)構(gòu)

ReFS將B+樹(shù)作為惟一且通用磁盤(pán)結(jié)構(gòu)，借此展現(xiàn)磁盤(pán)的全部信息。ReFS中所有元數(shù)據(jù)校驗(yàn)工作都可在樹(shù)層面進(jìn)行，這些校驗(yàn)值會(huì)獨(dú)立于樹(shù)頁(yè)面本身，單獨(dú)保存。這樣可避免各種形式磁盤(pán)錯(cuò)誤。

ReFS能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和修復(fù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，無(wú)需卸載或干擾訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)的卷。當(dāng)一個(gè)文件被讀取，讀取文件的校驗(yàn)與存儲(chǔ)的校驗(yàn)相比較，錯(cuò)誤被自動(dòng)檢測(cè)。

在ReFS中，校驗(yàn)被放到文件元數(shù)據(jù)。一個(gè)附加的稱(chēng)為Integrity Streams的可選功能，確保更改寫(xiě)入時(shí)，它們被寫(xiě)入到一個(gè)不同的成員卷，以確保原始數(shù)據(jù)不受損害。這種錯(cuò)誤檢測(cè)對(duì)抗位損壞，磁盤(pán)上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的降解，以及硬件故障、固件故障等破壞性事件，不影響聯(lián)機(jī)文件系統(tǒng)的可用性。

ReFS還包含了對(duì)文件內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)的額外功能。通過(guò)啟用名為Integrity Streams的選項(xiàng)，ReFS會(huì)將文件改動(dòng)寫(xiě)入到不同于原始位置的其他位置。使用了一種在寫(xiě)入事務(wù)中進(jìn)行分配的模式（也叫做“寫(xiě)入時(shí)復(fù)制”）。這種方法可提供最大化的可靠性，同時(shí)無(wú)需采用日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，既可避免在磁盤(pán)更新過(guò)程中，由于斷電導(dǎo)致隨機(jī)寫(xiě)入以及大量寫(xiě)入操作產(chǎn)生的問(wèn)題。

為此，您可以通過(guò)自動(dòng)化的方式將元數(shù)據(jù)的更新操作寫(xiě)入到其他位置，不對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行原位更新。

ReFS設(shè)計(jì)上可以充分滿(mǎn)足Windows存儲(chǔ)棧的各種指標(biāo)，通過(guò)其他棧層提供最大化的靈活性與兼容性。兼容各種常用軟件，如備份與反病毒應(yīng)用程序，ReFS在設(shè)計(jì)上依然能夠很好地與存儲(chǔ)棧的其他層完美配合。ReFS可無(wú)縫利用多臺(tái)計(jì)算機(jī)以及虛擬磁盤(pán)上共享的存儲(chǔ)池，并可在存儲(chǔ)池之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫轉(zhuǎn)換，在存儲(chǔ)空間或ReFS基礎(chǔ)之上提供額外的容錯(cuò)能力。

ReFS的局限性

ReFS繼承了NTFS文件系統(tǒng)的出色功能，例如BitLocker驅(qū)動(dòng)器加密、增強(qiáng)安全性的訪(fǎng)問(wèn)控制列表（ACL）、USN日志、變更通知、重解析點(diǎn)、卷快照、SymLinks/Junctions/Mount points、文件ID以及Oplocks。另外，ReFS還可使用與客戶(hù)端上任何操作系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)NTFS卷時(shí)相同的文件訪(fǎng)問(wèn)API進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

但是，ReFS也有一些重要限制，包括：

1.無(wú)法將原有NTFS磁盤(pán)區(qū)直接轉(zhuǎn)換為ReFS格式，只能在兩種文件系統(tǒng)間以手動(dòng)方式搬移與復(fù)制資料。

2.ReFS不能作為啟動(dòng)分區(qū)，這意味著Server 2012系統(tǒng)必須混合使用NTFS與ReFS兩種文件系統(tǒng)，并以NTFS分區(qū)來(lái)啟動(dòng)。

3.ReFS不適用于移動(dòng)儲(chǔ)存如移動(dòng)硬盤(pán)和USB盤(pán)，ReFS本身并未含有重復(fù)數(shù)據(jù)刪除功能，也無(wú)法與Server 2012新增的重復(fù)數(shù)據(jù)刪除功能并用（Server 2012的重復(fù)數(shù)據(jù)刪除功能，僅適用于NTFS文件系統(tǒng)磁盤(pán)區(qū)）。

4.ReFS本身未內(nèi)置可寫(xiě)入的快照功能，用戶(hù)需通過(guò)其他工具軟件，直接從ReFS底層的Storage Space虛擬磁盤(pán)建立可寫(xiě)入快照。

ReFS v2有哪些改進(jìn)

在Windows 8及Windows Server 2012中，我們已經(jīng)見(jiàn)識(shí)到了ReFS v1這種新穎的磁盤(pán)系統(tǒng)，不過(guò)這種所謂可靠性文件系統(tǒng)，并沒(méi)有讓我們看到比常見(jiàn)的NTFS有多少優(yōu)勢(shì)，況且它主要針對(duì)的Windows Hyper-V磁盤(pán)。如今，ReFS v2明顯的技術(shù)改良讓筆者頓時(shí)眼前一亮。

這里，筆者不禁想到了在Windows 8/ Windows Server 2012中出現(xiàn)的針對(duì)磁盤(pán)陣列的Storage Spaces技術(shù)，它提供了三種存儲(chǔ)模式，即簡(jiǎn)約型（Simple）、鏡像型（Mirror）和奇偶校驗(yàn)型（Parity）。Simple模式相當(dāng)于單獨(dú)磁盤(pán)的RAID 0；Mirror模式相當(dāng)于RAID 1，會(huì)將所有數(shù)據(jù)復(fù)制到兩塊或三塊物理盤(pán)上；Parity模式則相當(dāng)于RAID 5，會(huì)跨接多塊磁盤(pán)通過(guò)奇偶方式檢測(cè)錯(cuò)誤，Storage Spaces對(duì)于NTFS或ReFS文件系統(tǒng)均有效。

如今回想起來(lái)，ReFS v1有一項(xiàng)頗有野心的功能，就是所謂完整型數(shù)據(jù)流（integrity streams），主 要用于對(duì)運(yùn)行中的文件進(jìn)行檢測(cè)和糾錯(cuò)，但令人失望的是，它對(duì)Hyper-V虛擬磁盤(pán)不僅無(wú)效，而且會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重阻礙。因此，在正常運(yùn)行的Windows Server 2012 R2系統(tǒng)總是竭力回避ReFS v1。而在業(yè)已公布的Windows Server 2016 TP版本中出現(xiàn)的ReFS v2，的確有很多改進(jìn)值得關(guān)注。

ReFS格式的文件系統(tǒng)，較之NTFS的一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)意外錯(cuò)誤發(fā)生之際，主要表現(xiàn)在Storage Spaces蓄池在將ReFS作為底層硬盤(pán)格式時(shí)，能夠極大改進(jìn)修復(fù)處理過(guò)程，因?yàn)镃HKDSK在處理大型NTFS卷時(shí)，采取的是自然順序方式，非常耗時(shí)，可是ReFS卷則效率明顯加快，因?yàn)樗鼘?duì)整個(gè)卷采用了多種并行運(yùn)行方式。

Windows Server 2016 TP版本中提供的ReFS v2還有一項(xiàng)針對(duì)Hyper-V的重要功能，就是“數(shù)據(jù)塊克隆”（block cloning），它可以?xún)?yōu)化處理虛擬數(shù)據(jù)負(fù)載，這里需要用到檢查點(diǎn)（checkpointing）和快照（snapshot）技術(shù)。具體而言，就是ReFS能夠?qū)⒛硞€(gè)文件中的某些整塊克隆到另外文件中，將執(zhí)行一種復(fù)制加寫(xiě)入的中間環(huán)節(jié)，它能夠極大地提高系統(tǒng)整體性能，同時(shí)有利于減少隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)垃圾。

ReFS v2還采用了一種“簇環(huán)”技術(shù)（cluster bands）， 用于將數(shù)據(jù)分組“打捆”，從而有效改進(jìn)I/O性能。為了檢測(cè)ReFS v2的磁盤(pán)操作速度。

筆者做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，即在NTFS卷上生成一個(gè)新的127GB的VHDX文件，用時(shí)為12分47秒，而將相同的磁盤(pán)（一塊2TB SAS的磁盤(pán)）進(jìn)行ReFS格式化后發(fā)現(xiàn)速度基本一樣。分析其過(guò)程，原來(lái)ReFS僅僅是對(duì)文件分配空間，它并不對(duì)磁盤(pán)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行清理。而且，在ReFS v2卷上生成任何大小的磁盤(pán)時(shí)用時(shí)都沒(méi)有明顯差別。

順便說(shuō)一下，在了解不同格式文件系統(tǒng)的運(yùn)行速度的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，筆者在微軟網(wǎng)站還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的測(cè)速工具，即DiskSpd，筆者的實(shí)驗(yàn)配置為掛接著4塊NVMe SSD磁盤(pán)的Dell R930，分別 采取 NTFS和ReFS格式進(jìn)行比較。筆者的體會(huì)是，系統(tǒng)的錯(cuò)誤處理和正常運(yùn)行其實(shí)比速度更重要，這也許正是ReFS v2的用意所在吧。