ReFS erklärt: Das kann der mögliche Nachfolger von NTFS für Windows
Menschen, die Windows irgendwann in ihrem Leben genutzt haben, werden bewusst oder unbewusst auch mit dem speziell dafür entwickelten Dateisystem gearbeitet haben. Das New Technology File System, kurz NTFS, ist nämlich inzwischen ganz und gar keine neue Technologie mehr – seit 1993 arbeiten Windows-Systeme mit NT-Kernel damit. Da denkt sich selbst Microsoft: So langsam könnte es mal ein neues Dateisystem geben.
Hier kommt das Resilient File System ReFS(öffnet im neuen Fenster) ins Spiel. Microsoft hat das neue Dateisystem zunächst für Windows Server eingeführt. Mittlerweile arbeitet der Konzern offenbar auch an einer richtigen Implementation für Windows 11 und dessen noch unangekündigten Nachfolger. Früher oder später soll ReFS wohl NTFS ablösen.
Übrigens: Auch ReFS ist eigentlich nicht neu. Es wurde bereits im Januar 2012 mit dem damaligen Windows Server 2012 und Windows 8 vorgestellt . Aber letztlich sollte es nur auf Windows Server Verbreitung finden. Dort können User es etwa für Datenpartitionen und -laufwerke und als Alternative zu NTFS verwenden.
Mirror-Accelerated Parity
ReFS implementiert einige Funktionen, die teilweise in unterschiedlichen Formen auch bei anderen Dateisystemen wie ZFS (Oracle) und BTRFS für Linux zu finden sind und generell Schwächen von älteren Dateisystemen wie NTFS und FAT ausgleichen sollen. Der Fokus von ReFS liegt, wie der Name vermuten lässt, auf Robustheit der Daten auf dem Laufwerk. Gleichzeitig soll aber auch die Leistungsfähigkeit des Laufwerks nicht signifikant beeinträchtigt werden.
Ein interessantes Konzept in ReFS ist deshalb die Mirror-Accelerated Parity(öffnet im neuen Fenster) , die zwei Konzepte der Datensicherheit und -redundanz miteinander verbindet: die Datenspiegelung und die Datenparität. Eine Spiegelung erfordert keine großartigen weiteren Berechnungen seitens der Hardware, ist aber nicht sehr speicherplatzeffizient. Schließlich benötigen gespiegelte Daten doppelt so viel Kapazität, die von Kunden am Ende nicht effektiv genutzt werden kann.
Deshalb gibt es Konzepte wie die Parität, bei der aus den Daten mehrerer Laufwerke eine Parität berechnet und auf einem separaten Laufwerk gespeichert werden kann. Sollte nun eines der Quelllaufwerke ausfallen, können dessen Dateien aus der Parität und den Daten der anderen Laufwerke wieder errechnet werden. Ein Beispiel dafür ist Raid 5, das die Speicherplatzeffizienz von maximal 50 Prozent auf mindestens zwei Drittel verbessert – also ein Paritätslaufwerk für zwei Datenlaufwerke.
Allerdings kostet die Paritätsberechnung, die normalerweise parallel zum Lesen und Schreiben von Dateien erfolgt, merklich Ressourcen. Datenraten sind deshalb oft geringer. Mirror-Accelerated Parity teilt ein Laufwerk deshalb in zwei Teile auf: einen Part mit gespiegelten und einen Part mit Paritätsdaten.
Werden nun Daten geschrieben, dann werden sie zunächst recheneffizient und schnell gespiegelt. Nach einer gewissen Zeit verschiebt ReFS diese zuvor gespiegelten Dateien in den mittels Parität geschützten Teil. Der gespiegelte Teil des Laufwerks dient also als eine Art schnellerer Zwischenspeicher, der ältere Dateien später in den Massenspeicher mittels Parität schreibt.
Das ist aber nicht die einzige Eigenheit von ReFS.
Microsofts eigene Art von Deduplikation mit Block Cloning
Statt wie ZFS eine Art Deduplikations-Methode zu implementieren, erdenkt sich Microsoft für ReFS das Feature Block Cloning(öffnet im neuen Fenster) . Es widmet sich ebenfalls den Problemen, die beim Kopieren von Daten erstellt werden. Schließlich gehört die Copy-Instruktion zu den rechnerisch aufwendigen Operationen eines Dateisystems.
Im Gegensatz zur Deduplikation, die identische Datenblöcke auf der Platte erkennt und so Speicherplatz durch geteilte Datenblöcke statt separaten Kopien einspart, soll Block Cloning zusätzlich die Rechenzeit verringern, die für eine Copy-Aktion benötigt wird. Dabei werden nur die Metadaten einer Kopie neu erstellt. Diese zeigen aber weiterhin auf den gleichen logischen Cluster auf dem Laufwerk.
Das bedeutet: Die Kopie und das Original verwenden beide identische Datenblöcke auf dem System. Ein echtes Kopieren aller Daten, also das Schreiben in den Arbeitsspeicher und dann auf einen Laufwerkssektor, ist nicht notwendig. Dadurch kann eine signifikante Menge an Input-Output-Operationen (IOPS) eingespart werden. Denn das Kopieren von Metadaten ist leicht erledigt.
Maximal 35 Petabyte
ReFS setzt im Vergleich zu NTFS (B-Tree) und anderen älteren Dateisystemen zudem auf das B+-Tree-Konzept, um Daten logisch anzuordnen und so möglichst schnell wiederzufinden. Die maximale Größe eines mit ReFS formatierten Laufwerks kann 35 Petabyte betragen. Das entspricht 35.000 Terabyte. Zum Vergleich: NTFS kann maximal 256 TByte große Laufwerke verwalten.
Nun können wir uns fragen: Wozu brauchen wir so große Laufwerke? Gerade im Enterprise-Bereich können logische Laufwerke aus vielen Dutzend oder Hundert physischen Datenträgern bestehen. Eine Kapazität von 256 TByte kann schon in kleinen oder mittelständischen Unternehmen schnell erreicht werden. Es ist daher sinnvoll, diese Größe entsprechend den gestiegenen Datenanforderungen zu erhöhen.
Checksummen für Metadaten
Interessanterweise behält Microsoft die maximale Anzahl von Unicode-Symbolen für Dateinamen bei. Es können weiterhin 255 Zeichen genutzt werden. Dateipfade dürfen zudem maximal 32.000 Zeichen lang sein. Gerade die Dateilänge kann also in seltenen Fällen weiterhin zu Problemen führen.
Metadaten sind ein wichtiger Teil des Dateisystems. Sie teilen dem Dateisystem Speicherorte und Informationen zu unterschiedlichen Daten auf dem Laufwerk mit. ReFS berechnet automatisiert Checksummen für die eigenen Metadaten. Sollte ein Fehler auftreten und so ein Teil der Informationen verloren gehen, können sie mithilfe der Checksummen erkannt werden. Interessant: Checksummen für eigentliche Daten und Dateien sind hier komplett optional und müssen manuell aktiviert werden.
Dieses Zusatzfeature nennt Microsoft Integrity Streams.
Dateifehlern vorbeugen mit Integrity Streams
Mit Integrity Streams(öffnet im neuen Fenster) berechnet ReFS Checksummen für einzelne Dateien und legt diese in den dazugehörigen Metadaten ab. Dadurch erkennt das Dateisystem korrumpierte oder fehlerhafte Dateien, indem es die ausgerechneten Checksummen mit den aktuellen Checksummen der Datei vergleicht.
Möchten wir die jeweilige Datei wiederherstellen, muss ReFS allerdings auf einem redundanten System laufen – genauer gesagt auf einem per Storage Spaces Direct gespiegelten Laufwerk. Das Dateisystem ersetzt die fehlerhafte Datei dann durch die auf dem redundanten Medium gespeicherte Version. Der Fehler ist damit behoben.
Integrity Scrubber und Sparse VDL
Auf einem herkömmlichen Laufwerk ohne zusätzliche Redundanz ist das allerdings nicht möglich. Hier gibt ReFS normalerweise einfach einen Fehler aus. In der Praxis scheint das laut der Golem.de-Community aktuell allerdings noch nicht immer zu funktionieren. Unabhängig davon werden gefundene Fehler in einem Log protokolliert und als gelöst oder ungelöst markiert.
Microsoft merkt an, dass diese Operationen zwar zusätzliche Robustheit schaffen. Sie sind allerdings auch rechnerisch komplex und benötigen mehr Ressourcen. Es müssen nämlich bei jedem Schreibvorgang neben den Daten selbst auch die passenden Checksummen berechnet und geschrieben werden. Je nachdem, wie viele Daten geschrieben werden, kann das die IO-Latenz merklich erhöhen und den Schreibprozess praktisch verlangsamen.
ReFS ist im Vergleich zu NTFS etwas weniger wartungsintensiv. Tatsächlich fällt die bekannte Funktion chdsk , mit der ein Laufwerk nach Fehlern gescannt wird, hier komplett weg. Wird dies auf einem in ReFS formatierten Laufwerk ausgeführt, gibt Windows stattdessen eine Information aus: "Das ReFS-Dateisystem muss nicht geprüft werden."
Das liegt am automatischen Integrity Scrubber, den das Dateisystem in regelmäßigen Abständen von selbst ausführt. Dabei werden wenig genutzte Dateien nach eventuellen Fehlern gescannt und, wenn möglich, eine automatische Reparatur eingeleitet. Standardmäßig wird diese Operation einmal alle vier Wochen ausgeführt. Das Intervall kann im Task Scheduler angepasst werden.
Zu diesen Funktionen kommen noch einige weitere Features hinzu, die im Serverbereich hilfreich sein können. Mittels Sparse VDL lassen sich wesentlich schneller dynamisch wachsende Laufwerksdateien für virtuelle Maschinen erstellen. Dabei hängt ReFS eine Nullenfolge an Dateien heran, um den weiteren Platz auf dem physischen Laufwerk schon einmal zu reservieren.
ReFS unterstützt zudem ab Windows Server 2022 Snapshots auf Dateiebene. Es lassen sich also einzelne Ordner und Dateien mittels Snapshot duplizieren und so etwa als Backup auf einem anderen Laufwerk abspeichern. Im Normalfall werden ganze Laufwerke mittels Snapshots gespeichert. Per ReFS ist das auch kleinteiliger möglich.
ReFS hat noch einen weiten Weg vor sich
Nun stellt sich die Frage: Warum ist ReFS mit all den tollen Features noch nicht der Standard für alle Windows-Betriebssysteme? Das lässt sich relativ einfach beantworten: Das Dateisystem lässt sich aktuell nicht für Boot-Laufwerke verwenden und ist daher im Consumer-Bereich bisher ungeeignet.
Microsoft müsste zudem diverse Tests durchführen, um sicherzustellen, dass alle möglichen älteren Systeme, Programme und Treiber auch mit dem neueren Dateisystem zurechtkommen. Schließlich ist NTFS seit Jahrzehnten der Quasistandard im Windows-Bereich.
ReFS hat aber auch einige Einschränkungen, die NTFS nicht hat. So kann das System aktuell Dateien nicht selbständig komprimieren und abspeichern. Gleiches gilt für die Verschlüsselung von Daten auf Hardwareebene. Software-Verschlüsselungen wie Bitlocker funktionieren aber auch hier. Aktuell kann ReFS nicht einmal für Wechseldatenträger genutzt werden. Das Dateisystem unterstützt auch keine älteren Features von NTFS, beispielsweise Short Names oder Transactions.
Generell ist ReFS für größere Laufwerke aus mehreren redundanten Massenspeichern sinnvoll. Das Dateisystem kann ohne diese Strukturen keine signifikanten Fehlerkorrekturen vornehmen. Im Vergleich zu NTFS wissen User aber schneller, wenn ein Problem vorliegt. Ein entsprechendes Backup kann dann schnell aufgespielt werden.
Microsoft hat für die Integration von ReFS in Windows 11 und dessen Nachfolger noch einiges zu tun. Möglicherweise sehen wir das Dateisystem auch erst mit einem möglichen Windows 12. Gerüchte um dieses OS gibt es ja bereits.
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