值得關注的ReFS

引言：Windows Server 2012及Windows 8.1中出現了一種全新的文件系統，名為“彈性文件系統” ReFS（Resilient File System）。傳統意識認為，RAID是一種硬件驅動的高可靠存儲方案，但隨著云架構系統和大數據廣泛應用，簡單的RAID奇偶校驗難以容納數千個磁盤卷。ReFS通過采用全新引擎“Minstore”，支持快照、加密、超大磁盤、巨量文件和最大卷容量16EB。

ReFS：可靠可擴展的磁盤結構

ReFS將B+樹作為惟一且通用磁盤結構，借此展現磁盤的全部信息。ReFS中所有元數據校驗工作都可在樹層面進行，這些校驗值會獨立于樹頁面本身，單獨保存。這樣可避免各種形式磁盤錯誤。

ReFS能夠實時檢測和修復數據錯誤，無需卸載或干擾訪問相應的卷。當一個文件被讀取，讀取文件的校驗與存儲的校驗相比較，錯誤被自動檢測。

在ReFS中，校驗被放到文件元數據。一個附加的稱為Integrity Streams的可選功能，確保更改寫入時，它們被寫入到一個不同的成員卷，以確保原始數據不受損害。這種錯誤檢測對抗位損壞，磁盤上存儲數據的降解，以及硬件故障、固件故障等破壞性事件，不影響聯機文件系統的可用性。

ReFS還包含了對文件內容進行校驗的額外功能。通過啟用名為Integrity Streams的選項，ReFS會將文件改動寫入到不同于原始位置的其他位置。使用了一種在寫入事務中進行分配的模式（也叫做“寫入時復制”）。這種方法可提供最大化的可靠性，同時無需采用日志結構的文件系統，既可避免在磁盤更新過程中，由于斷電導致隨機寫入以及大量寫入操作產生的問題。

為此，您可以通過自動化的方式將元數據的更新操作寫入到其他位置，不對原數據進行原位更新。

ReFS設計上可以充分滿足Windows存儲棧的各種指標，通過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，如備份與反病毒應用程序，ReFS在設計上依然能夠很好地與存儲棧的其他層完美配合。ReFS可無縫利用多臺計算機以及虛擬磁盤上共享的存儲池，并可在存儲池之間實現無縫轉換，在存儲空間或ReFS基礎之上提供額外的容錯能力。

ReFS的局限性

ReFS繼承了NTFS文件系統的出色功能，例如BitLocker驅動器加密、增強安全性的訪問控制列表（ACL）、USN日志、變更通知、重解析點、卷快照、SymLinks/Junctions/Mount points、文件ID以及Oplocks。另外，ReFS還可使用與客戶端上任何操作系統訪問NTFS卷時相同的文件訪問API進行訪問。

但是，ReFS也有一些重要限制，包括：

1.無法將原有NTFS磁盤區直接轉換為ReFS格式，只能在兩種文件系統間以手動方式搬移與復制資料。

2.ReFS不能作為啟動分區，這意味著Server 2012系統必須混合使用NTFS與ReFS兩種文件系統，并以NTFS分區來啟動。

3.ReFS不適用于移動儲存如移動硬盤和USB盤，ReFS本身并未含有重復數據刪除功能，也無法與Server 2012新增的重復數據刪除功能并用（Server 2012的重復數據刪除功能，僅適用于NTFS文件系統磁盤區）。

4.ReFS本身未內置可寫入的快照功能，用戶需通過其他工具軟件，直接從ReFS底層的Storage Space虛擬磁盤建立可寫入快照。

ReFS v2有哪些改進

在Windows 8及Windows Server 2012中，我們已經見識到了ReFS v1這種新穎的磁盤系統，不過這種所謂可靠性文件系統，并沒有讓我們看到比常見的NTFS有多少優勢，況且它主要針對的Windows Hyper-V磁盤。如今，ReFS v2明顯的技術改良讓筆者頓時眼前一亮。

這里，筆者不禁想到了在Windows 8/ Windows Server 2012中出現的針對磁盤陣列的Storage Spaces技術，它提供了三種存儲模式，即簡約型（Simple）、鏡像型（Mirror）和奇偶校驗型（Parity）。Simple模式相當于單獨磁盤的RAID 0；Mirror模式相當于RAID 1，會將所有數據復制到兩塊或三塊物理盤上；Parity模式則相當于RAID 5，會跨接多塊磁盤通過奇偶方式檢測錯誤，Storage Spaces對于NTFS或ReFS文件系統均有效。

如今回想起來，ReFS v1有一項頗有野心的功能，就是所謂完整型數據流（integrity streams），主 要用于對運行中的文件進行檢測和糾錯，但令人失望的是，它對Hyper-V虛擬磁盤不僅無效，而且會對系統造成嚴重阻礙。因此，在正常運行的Windows Server 2012 R2系統總是竭力回避ReFS v1。而在業已公布的Windows Server 2016 TP版本中出現的ReFS v2，的確有很多改進值得關注。

ReFS格式的文件系統，較之NTFS的一項重要優勢是，當意外錯誤發生之際，主要表現在Storage Spaces蓄池在將ReFS作為底層硬盤格式時，能夠極大改進修復處理過程，因為CHKDSK在處理大型NTFS卷時，采取的是自然順序方式，非常耗時，可是ReFS卷則效率明顯加快，因為它對整個卷采用了多種并行運行方式。

Windows Server 2016 TP版本中提供的ReFS v2還有一項針對Hyper-V的重要功能，就是“數據塊克隆”（block cloning），它可以優化處理虛擬數據負載，這里需要用到檢查點（checkpointing）和快照（snapshot）技術。具體而言，就是ReFS能夠將某個文件中的某些整塊克隆到另外文件中，將執行一種復制加寫入的中間環節，它能夠極大地提高系統整體性能，同時有利于減少隨機生成的數據垃圾。

ReFS v2還采用了一種“簇環”技術（cluster bands）， 用于將數據分組“打捆”，從而有效改進I/O性能。為了檢測ReFS v2的磁盤操作速度。

筆者做了一個簡單的實驗，即在NTFS卷上生成一個新的127GB的VHDX文件，用時為12分47秒，而將相同的磁盤（一塊2TB SAS的磁盤）進行ReFS格式化后發現速度基本一樣。分析其過程，原來ReFS僅僅是對文件分配空間，它并不對磁盤原有數據進行清理。而且，在ReFS v2卷上生成任何大小的磁盤時用時都沒有明顯差別。

順便說一下，在了解不同格式文件系統的運行速度的實驗過程中，筆者在微軟網站還發現了一個專門的測速工具，即DiskSpd，筆者的實驗配置為掛接著4塊NVMe SSD磁盤的Dell R930，分別 采取 NTFS和ReFS格式進行比較。筆者的體會是，系統的錯誤處理和正常運行其實比速度更重要，這也許正是ReFS v2的用意所在吧。