Файловые системы Windows

Операционная система Windows 8, Windows 8.1 поддерживает несколько файловых систем: NTFS, FAT и FAT32. Но работать может только на NTFS , то есть установлена может быть только на раздел жесткого дис­ка, отформатированного в данной файловой системе.

Обусловлено это теми особенностями и инструментами безопасности, которые преду­смотрены в NTFS , но отсутствуют в файловых системах Windows предыдущего поколения: FAT16 и FAT32 .

Далее мы остановим­ся на всей линейке файловых систем для Windows, чтобы понять, какую роль они играют в работе системы и как они развивались в про­цессе становления Windows плоть до Windows 8.

Общие сведения о файловых системах

Преимущества NTFS касаются практически всего: производительности, надежности и эффективности работы с данными (файлами) на диске. Так, одной из основных целей создания NTFS было обеспечение ско­ростного выполнения операций над файлами (копирование, чтение, удаление, запись), а также предоставление дополнительных возможно­стей: сжатие данных, восстановление поврежденных файлов системы на больших дисках и т.д.

Другой основной целью создания NTFS была реализация повышенных требований безопасности, так как файловые системы FAT , FAT32 в этом отношении вообще никуда не годились. Именно в NTFS можно разрешить или запретить доступ к какому-либо файлу или папке (разграничить права доступа).

Сначала рассмотрим сравнительные характеристики файловых систем, а потом остановимся на каждой из них поподробнее. Сравнение, для большей наглядности, приведены в табличной форме.

Файловая система FAT для современных жест­ких дисков просто не подходит (ввиду ее ограниченных возможностей). Что касается FAT32 , то ее еще можно использовать, но уже с натяжкой.

Если купить жесткий диск на 1000 ГБ, то вам придется разбивать его как минимум на несколько разделов. А если вы собираетесь заниматься видеомонтажом, то вам будет очень мешать ограничение в 4 Гб как максимально возможный размер файла.

Всех перечисленных недостатков лишена файловая система NTFS . Так что, даже не вдаваясь в детали и специальные возможности файловой системы NTFS , можно сделать выбор в ее пользу.

Файловая система	Параметры
	Размеры тома	Максимальныйразмерфайла
FAT	От 1.44 МБ до 4 ГБ	2ГБ
FAT32	Теоретически возможен размер тома от 512 МБ до 2 Тбайт. Сжатие не поддерживается на уровне файловой системы	4ГБ
NTFS	Минимальный рекомендуемый размер составляет 1,44 МБ, а максимальный — 2 Тбайт. Поддержка сжатия на уровне файловой системы для файлов, каталогов и томов.	Максимальный размер ограничен лишь размером тома (Теоретически — 264 байт минус 1 килобайт. Практически — 244 байт минус 64 килобайта)

Вообще использование FAT32 может быть оправдано лишь в тех случаях, когда у вас на компьютере установлено несколько операционных систем, а какая-либо из них не поддерживает NTFS . Но на сегодняшний день таких практически нет. Разве что вы захотите установить у себя антиквариат типа Windows 98.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (обычно под ней понимается FAT 16) была разработана достаточно давно и предназначалась для работы с небольшими дисковыми и файловыми объемами, простой структурой каталогов. Аббревиатура FAT расшифровывается как File Allocation Table (с англ. таблица размещения файлов). Эта таблица размещается в начале тома, причем хранятся две ее копии (в целях обеспечения большей устойчивости).

Данная таблица используется операционной системой для поиска файла и определения его физического расположения на жестком диске. В случае повреждения таблицы (и ее копии) чтение файлов операционной системой становится невозможно. Она просто не может определить, где какой файл, где он начинается и где заканчивается. В таких случаях говорят, что файловая система «упала».

Файловая система FAT изначально разрабатывалась компанией Microsoft для дискет. Только потом они стали ее применять для жестких дисков. Сначала это была FAT12 (для дискет и жестких дисков до 16 МБ), а потом она переросла в FAT16 , которая была введена в эксплуатацию с операционной системой MS-DOS 3.0.

Далее она поддерживается в Windows 3.x, Windows 95, Windows 98, Windows NT/2000 и т.д.

Файловая система FAT32

Начиная с Windows 95 OSR2, компания Microsoft начинает активно ис­пользовать в своих операционных системах FAT32 — тридцатидвухраз­рядную версию FAT . Что поделать, технический прогресс не стоит на месте и возможностей FAT 16 стало явно недостаточно.

По сравнению с ней FAT32 стала обеспечивать более оптимальный до­ступ к дискам, более высокую скорость выполнения операций ввода/вывода, а также поддержку больших файловых объемов (объем диска до 2 Тбайт).

В FAT32 реализовано более эффективное расходование дискового пространства (путем использования более мелких кластеров). Выгода по сравнению с FAT16 составляет порядка 10.15%. То есть при использовании FAT32 на один и тот же диск может быть записано информации на 10. 15% больше, чем при использовании FAT16.

Кроме того, необходимо отметить, что FAT32 обеспечивает более вы­сокую надежность работы и более высокую скорость запуска программ.

Обусловлено это двумя существенными нововведениями:

1. Возможностью перемещения корневого каталога и резервной копии FAT (если основная копия получила повреждения)
2. Возможностью хранения резервной копии системных данных.

Файловая система NTFS

Ни одна из версий FAT не обеспечивает хоть сколько-нибудь приемле­мого уровня безопасности. Это, а также необходимость в добавочных файловых механизмах (сжатия, шифрования) привело к необходимости создания принципиально новой файловой системы. И ею стала фай­ловая система NT (NTFS)

NTFS — от англ. New Technology File System, файловая система новой технологии. Как уже упоминалось, основным ее достоинством является защищен­ность: для файлов и папок NTFS могут быть назначены права доступа (на чтение, на запись и т.д.). Благодаря этому существенно повысилась безопасность данных и устойчивость работы системы.

Назначение прав доступа позволяет запретить/разрешить каким-либо пользователям и программам проделывать какие-либо операции над файлами. Например, не обладая достаточными правами, посторонний пользователь не сможет изменить какой-либо файл. Или не обладая достаточными правами, вирус не сможет испортить файл.

Кроме того, NTFS , как было сказано выше, обеспечивает лучшую про­изводительность и возможность работы с большими объемами данных.

Начиная с Windows 2000, используется версия NTFS 5.0, которая, помимо стандартных, позволяет реализовывать следующие возможности:

• Шифрование данных — эта возможность реализуется специальной надстройкой NTFS, которая называется Encrypting File System(EFS) — шифрующая файловая система. Благодаря этому механизму шифрованные данные могут быть прочитаны только на компьютере, на котором произошла шифровка.
• Дисковые квоты — стало возможно назначать пользователям определенный (ограниченный) размер на диске, который они могут использовать.
• Хранение разреженных файлов. Встречаются файлы, в которых содержится большое количество последовательных пустых байтов. Файловая система NTFS позволяет оптимизировать их хранение.
• Использование журнала изменений — позволяет регистрировать все операции доступа к файлам и томам.

И еще одно нововведение NTFS — точки монтирования. С помощью точек монтирования можно определить различные не связанные между собой папки и даже диски в системе, как один диск или папка. Это имеет большую важность для сбора в одном месте разнородной информации, находящейся в системе.

Напоследок необходимо иметь в виду, что если для файла под NTFS были установлены определенные права доступа, а потом вы его скопировали на раздел FAT, то все его права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утеряны. Так что будьте бдительны.

Устройство NTFS. Главная таблица файлов MFT

Как и любая другая файловая система, NTFS делит все полезное место на кластеры — минимальные блоки данных, на которые разбиваются файлы. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров — от 512 байт до 64 Кбайт. Однако общепринятым стандартом считается кластер размером 4 Кбайт. Именно он используется по умолчанию. Принцип существования кластеров можно проиллюстрировать следующим при­мером.

Если у вас размер кластера составляет 4 Кбайт (что скорее всего), а нужно сохранить файл, размером 5 Кбайт, то реально под него будет вы­делено 8 Кбайт, так как в один кластер он не помещается, а под файл дисковое пространство выделяется только кластерами.

Для каждого NTFS-диска имеется специальный файл — MFT (Master Allocation Table — главная таблица файлов). В этом файле содержится централизованный каталог всех имеющихся на диске файлов. При создании файла NTFS создает и заполняет в MFT соответствующую запись, в которой содержится информация об атрибутах файла, содержимом файла, имя файла и т.п.

Помимо MFT , имеется еще 15 специальных файлов (вместе с MFT — 16), которые недоступны операционной системе и называются метафайлами . Имена всех метафайлов начинаются с символа $, но стандартными средствами операционной системы просмотреть их и вообще увидеть не представляется возможным. Далее для примера представлены основные метафайлы:

• SMFT — сам MFT.
• $MFTmirr — копия первых 16 записей MFT, размещенная посе­редине диска (зеркало).
• $LogFile — файл поддержки журналирования.
• $Volume — служебная информация: метка тома, версия файловой системы, и т.д.
• $AttrDef — список стандартных атрибутов файлов на томе.
• $ — корневой каталог.
• $Bitmap — карта свободного места тома.
• $Boot — загрузочный сектор (если раздел загрузочный).
• $Quota — файл, в котором записаны права пользователей на ис­пользование дискового пространства.
• $Upcase — файл-таблица соответствия заглавных и прописных букв в именах файлов на текущем томе.

Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в кодировке Unicode , которую составляют 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.

Что касается принципа организации данных на диске NTFS, то он условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT-зону — пространство, в которое растет метафайл MFT.

Запись каких-либо пользовательских данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой. Это делается для того, чтобы самый главный служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Однако при нехватке дискового пространства MFT-зона может сама уменьшаться (если это возможно), так что никакого дискомфорта вы замечать не будете. При этом новые данные уже будут записываться в бывшую MFT-зону.

В случае последующего высвобождения дискового пространства MFT-зона снова будет увеличиваться, однако в дефрагментированном виде (то есть не единым блоком, а несколькими частями на диске). В этом нет ничего страшного, просто считается, что система более надежна, когда MFT-файл не дефрагментирован.

Кроме того, при не дефрагментированном MFT-файле вся файловая система работает быстрее. Соответственно чем более дефрагментированным является MFT-файл, тем медленней работает файловая система.

Что касается размера MFT-файла, то он примерно вычисляется, исходя из 1 МБ на 1000 файлов.

Конвертирование разделов FAT32 в NTFS без потери данных. Утилита convert

Вы можете без особого труда конвертировать существующий FAT32-раздел в NTFS. Для этого в Windows 8, Windows 8.1 предусмотрена утилита командной строки convert .

Параметры ее работы показаны на скриншоте.

Таким образом, чтобы конвертировать в NTFS диск D:, в командную строку следует ввести следующую команду:

После этого от вас попросят ввести метку тома, если такая есть (метка тома указывается рядом с именем диска в окне Мой компьютер. Она служит для более подробного обозначения дисков и может использоваться, а может не использоваться. Например, это может быть Files Storage (D:).

Здесь Files Storage — это метка тома d:.

Для конвертации флешки команда выглядит так:

Обзор файловой системы NTFS NTFS overview

Применяется к: Windows 10, Windows Server 2019, Windows Server 2016, Windows Server 2012 R2, Windows Server 2012, Windows Server 2008 R2, Windows Server 2008 Applies to: Windows 10, Windows Server 2019, Windows Server 2016, Windows Server 2012 R2, Windows Server 2012, Windows Server 2008 R2, Windows Server 2008

NTFS — основная файловая система в последних версиях Windows и Windows Server — предоставляет полный набор возможностей, включая дескрипторы безопасности, шифрование, дисковые квоты и расширенные метаданные. Ее можно использовать с общими томами кластера (CSV) для предоставления томов непрерывной доступности, доступ к которым можно осуществлять одновременно с нескольких узлов отказоустойчивого кластера. NTFS—the primary file system for recent versions of Windows and Windows Server—provides a full set of features including security descriptors, encryption, disk quotas, and rich metadata, and can be used with Cluster Shared Volumes (CSV) to provide continuously available volumes that can be accessed simultaneously from multiple nodes of a failover cluster.

Дополнительные сведения о функциях см. в этом разделе далее в этой статье. For additional feature information, see the Additional information section of this topic. См. сведения о новой системе Resilient File System (ReFS). To learn about the newer Resilient File System (ReFS), see Resilient File System (ReFS) overview.

повышенная надежность; Increased reliability

NTFS использует файл журнала и сведения о контрольных точках для восстановления согласованности файловой системы при перезагрузке компьютера после сбоя системы. NTFS uses its log file and checkpoint information to restore the consistency of the file system when the computer is restarted after a system failure. После ошибки поврежденного сектора NTFS динамически изменяет конфигурацию кластера, содержащего поврежденный сектор, выделяет новый кластер для данных, отмечает исходный кластер как поврежденный и больше не использует старый кластер. After a bad-sector error, NTFS dynamically remaps the cluster that contains the bad sector, allocates a new cluster for the data, marks the original cluster as bad, and no longer uses the old cluster. Например, после сбоя сервера NTFS может восстановить данные путем воспроизведения файлов журнала. For example, after a server crash, NTFS can recover data by replaying its log files.

NTFS непрерывно отслеживает и исправляет временные проблемы повреждения в фоновом режиме, не переводя том в автономный режим (эта функция, введенная в Windows Server 2008, известна как NTFS с самовосстановлением). NTFS continuously monitors and corrects transient corruption issues in the background without taking the volume offline (this feature is known as self-healing NTFS, introduced in Windows Server 2008). При значительных проблемах с повреждением программа Chkdsk в Windows Server 2012 и более поздних версиях сканирует и анализирует диск, пока том подключен, ограничивая время автономной работы временем, необходимым для восстановления целостности данных в томе. For larger corruption issues, the Chkdsk utility, in Windows Server 2012 and later, scans and analyzes the drive while the volume is online, limiting time offline to the time required to restore data consistency on the volume. Когда NTFS используется с CSV, простои не требуются. When NTFS is used with Cluster Shared Volumes, no downtime is required. Дополнительные сведения см. в статье NTFS Health and Chkdsk (Работоспособность NTFS и Chkdsk). For more information, see NTFS Health and Chkdsk.

Повышенная безопасность Increased security

Безопасность на основе списка управления доступом (ACL) для файлов и папок. NTFS позволяет устанавливать разрешения для файла или папки, указывать группы и пользователей, чей доступ требуется ограничить или разрешить, и выбрать тип доступа. Access Control List (ACL)-based security for files and folders—NTFS allows you to set permissions on a file or folder, specify the groups and users whose access you want to restrict or allow, and select access type.

Поддержка шифрования диска BitLocker. Шифрование диска BitLocker обеспечивает дополнительную безопасность важных системных сведений и других данных, хранящихся на томах NTFS. Support for BitLocker Drive Encryption—BitLocker Drive Encryption provides additional security for critical system information and other data stored on NTFS volumes. Начиная с Windows Server 2012 R2 и Windows 8.1, BitLocker поддерживает шифрование устройств на компьютерах с архитектурой x86 и x64 с доверенным платформенным модулем, который поддерживает режим ожидания с подключением (ранее доступный только на устройствах Windows RT). Beginning in Windows Server 2012 R2 and Windows 8.1, BitLocker provides support for device encryption on x86 and x64-based computers with a Trusted Platform Module (TPM) that supports connected stand-by (previously available only on Windows RT devices). Шифрование устройств помогает защитить данные на компьютерах под управлением Windows и помогает предотвратить доступ пользователей-злоумышленников к системным файлам, которые они используют для обнаружения пароля, или к диску путем физического удаления его с компьютера и установки в другой компьютер. Device encryption helps protect data on Windows-based computers, and it helps block malicious users from accessing the system files they rely on to discover the user’s password, or from accessing a drive by physically removing it from the PC and installing it on a different one. Дополнительные сведения см. в статье What’s New in BitLocker (Новые возможности BitLocker). For more information, see What’s new in BitLocker.

Поддержка больших томов Support for large volumes

NTFS может поддерживать тома размером до 8 ПБ в версии Windows Server 2019 и выше и Windows 10 версии 1709 и выше (более ранние версии поддерживают до 256 ТБ). NTFS can support volumes as large as 8 petabytes on Windows Server 2019 and newer and Windows 10, version 1709 and newer (older versions support up to 256 TB). Поддерживаемые размеры томов зависят от размера кластеров и их количества. Supported volume sizes are affected by the cluster size and the number of clusters. Для кластеров (2 32 –1) (максимальное число кластеров, поддерживаемое NTFS) поддерживаются следующие размеры томов и файлов. With (2 32 – 1) clusters (the maximum number of clusters that NTFS supports), the following volume and file sizes are supported.

Размер кластера Cluster size	Самый крупный том и файл Largest volume and file
4 КБ (размер по умолчанию) 4 KB (default size)	16 ТБ 16 TB
8 КБ 8 KB	32 ТБ 32 TB
16 КБ 16 KB	64 ТБ 64 TB
32 КБ 32 KB	128 ТБ 128 TB
64 КБ (предыдущий максимальный размер) 64 KB (earlier max)	256 ТБ 256 TB
128 КБ 128 KB	512 ТБ 512 TB
256 KB 256 KB	1 ПБ 1 PB
512 КБ 512 KB	2 ПБ 2 PB
1024 КБ 1024 KB	4 ПБ 4 PB
2048 КБ (максимальный размер) 2048 KB (max size)	8 ПБ 8 PB

Обратите внимание, что при попытке подключить том с размером кластера, который превышает поддерживаемый максимум используемой версии Windows, вы получите ошибку STATUS_UNRECOGNIZED_VOLUME. Note that if you try to mount a volume with a cluster size larger than the supported maximum of the version of Windows you’re using, you get the error STATUS_UNRECOGNIZED_VOLUME.

Службы и приложения могут накладывать дополнительные ограничения на размер файлов и томов. Services and apps might impose additional limits on file and volume sizes. Например, ограничение размера тома составляет 64 ТБ, если вы используете функцию предыдущих версий или приложение резервного копирования, которое использует моментальные снимки службы теневого копирования томов (и не используете сеть SAN или RAID). For example, the volume size limit is 64 TB if you’re using the Previous Versions feature or a backup app that makes use of Volume Shadow Copy Service (VSS) snapshots (and you’re not using a SAN or RAID enclosure). Тем не менее, может потребоваться использовать тома меньшего размера в зависимости от рабочей нагрузки и производительности хранилища. However, you might need to use smaller volume sizes depending on your workload and the performance of your storage.

Требования к форматированию для больших файлов Formatting requirements for large files

Есть новые рекомендации по форматированию томов в отношении правильного расширения больших файлов VHDX. To allow proper extension of large .vhdx files, there are new recommendations for formatting volumes. В ходе форматирования томов, которые будут использоваться при дедупликации данных, или при размещении очень больших файлов, таких как файлы VHDX размером больше 1 ТБ, используйте в Windows PowerShell командлет Format-Volume со следующими параметрами. When formatting volumes that will be used with Data Deduplication or will host very large files, such as .vhdx files larger than 1 TB, use the Format-Volume cmdlet in Windows PowerShell with the following parameters.

Параметр Parameter	Описание Description
-AllocationUnitSize 64KB -AllocationUnitSize 64KB	Задает размер единицы распределения NTFS 64 КБ. Sets a 64 KB NTFS allocation unit size.
-UseLargeFRS -UseLargeFRS	Включает поддержку сегментов записей больших файлов (FRS). Enables support for large file record segments (FRS). Это необходимо для увеличения количества экстентов, допустимых для каждого файла в томе. This is needed to increase the number of extents allowed per file on the volume. Для больших записей FRS ограничение увеличивается с примерно 1 500 000 до 6 000 000 экстентов. For large FRS records, the limit increases from about 1.5 million extents to about 6 million extents.

Например, следующий командлет форматирует диск D как том NTFS с включенными FRS и размером единицы распределения 64 КБ. For example, the following cmdlet formats drive D as an NTFS volume, with FRS enabled and an allocation unit size of 64 KB.

Можно также использовать команду format. You also can use the format command. В системной командной строке введите следующую команду, где /L форматирует большой том FRS, а /A:64k задает размер единицы распределения 64 КБ: At a system command prompt, enter the following command, where /L formats a large FRS volume and /A:64k sets a 64 KB allocation unit size:

Максимальная длина имени файла и пути к файлу Maximum file name and path

NTFS поддерживает длинные имена файлов и пути увеличенной длины со следующими максимальными значениями: NTFS supports long file names and extended-length paths, with the following maximum values:

Поддержка длинных имен файлов с обратной совместимостью. NTFS допускает длинные имена файлов, сохраняя псевдоним 8.3 на диске (в кодировке Юникод), чтобы обеспечить совместимость с файловыми системами, которые накладывают ограничение 8.3 на имена и расширения файлов. Support for long file names, with backward compatibility—NTFS allows long file names, storing an 8.3 alias on disk (in Unicode) to provide compatibility with file systems that impose an 8.3 limit on file names and extensions. При необходимости (по соображениям производительности) можно выборочно отключить именование 8.3 на отдельных томах NTFS в Windows Server 2008 R2, Windows 8 и более поздних версиях операционной системы Windows. If needed (for performance reasons), you can selectively disable 8.3 aliasing on individual NTFS volumes in Windows Server 2008 R2, Windows 8, and more recent versions of the Windows operating system. В Windows Server 2008 R2 и более поздних версий короткие имена по умолчанию отключены при форматировании тома с помощью операционной системы. In Windows Server 2008 R2 and later systems, short names are disabled by default when a volume is formatted using the operating system. Для совместимости приложений на системном томе все еще включены короткие имена. For application compatibility, short names still are enabled on the system volume.

Поддержка путей увеличенной длины. Многие функции API Windows поддерживают версии Юникода, позволяющие использовать расширенный путь длиной приблизительно 32 767 символов, а не ограниченный по длине в 260 символов, что определяется параметром MAX_PATH. Support for extended-length paths—Many Windows API functions have Unicode versions that allow an extended-length path of approximately 32,767 characters—beyond the 260-character path limit defined by the MAX_PATH setting. Подробные требования к именам файлов и формату путей, а также рекомендации по реализации путей увеличенной длины см. в статье Naming Files, Paths, and Namespaces (Имена файлов, пути и пространства имен). For detailed file name and path format requirements, and guidance for implementing extended-length paths, see Naming Files, Paths, and Namespaces.

Кластерное хранилище. При использовании в отказоустойчивых кластерах NTFS поддерживает постоянно доступные тома, к которым могут одновременно обращаться несколько узлов кластера при использовании совместно с файловой системой CSV. Clustered storage—When used in failover clusters, NTFS supports continuously available volumes that can be accessed by multiple cluster nodes simultaneously when used in conjunction with the Cluster Shared Volumes (CSV) file system. Дополнительные сведения см. в статье Use Cluster Shared Volumes in a Failover Cluster (Использование общих томов кластера в отказоустойчивом кластере). For more information, see Use Cluster Shared Volumes in a Failover Cluster.

Динамическое выделение емкости Flexible allocation of capacity

Если пространство тома ограничено, NTFS предоставляет следующие возможности для работы с емкостью хранилища сервера: If the space on a volume is limited, NTFS provides the following ways to work with the storage capacity of a server:

• применение дисковых квот для отслеживания и контроля использования дискового пространства в томах NTFS для отдельных пользователей; Use disk quotas to track and control disk space usage on NTFS volumes for individual users.
• сжатие файловой системы, чтобы максимально увеличить объем хранимых данных; Use file system compression to maximize the amount of data that can be stored.
• увеличение размера тома NTFS возможно путем добавления нераспределенного пространства с того же или с другого диска; Increase the size of an NTFS volume by adding unallocated space from the same disk or from a different disk.
• подключение тома к любой пустой папке на локальном томе NTFS, если использованы все буквы диска или необходимо создать дополнительное пространство, доступное из существующей папки. Mount a volume at any empty folder on a local NTFS volume if you run out of drive letters or need to create additional space that is accessible from an existing folder.