系統 - WinFS——Windows新型文件系統基礎知識

[psac]

　摘要:Tom Rizzo 推出了他的新專欄，其中概述了新型「Longhorn」儲存於子系統(代號為「WinFS」)誕生的原因、WinFS 在說明 解決資料過載問題方面所起的作用以及他的專欄在未來幾個月中要提供的內容。
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　　歡迎您閱讀我的新專欄「WinFS 文件」!本專欄旨在說明 開發人員更多地瞭解有關代號為「Longhorn」的下一版 Microsoft® Windows®(尤其是代號為「WinFS」的革新性新型文件系統)中的最新技術革新方面的訊息。在本專欄的後續部分中，我們將瞭解 WinFS 所特有的資料模型、功能集和編程範例。本專欄的初始部分全面概述了 WinFS 的新增功能以及如何開始教學和理解這項新技術。
　　為什麼推出 WinFS?
　　技術行業正在經歷一場愈演愈烈的「完美風暴」 - 一場由潮流與技術組合而成的風暴，它將推動訊息的開發和使用方式實現下一個突破。這場完美風暴由三種推動力組合而成:硬體改進、數位資料在數量上的劇增以及資訊管理架構和標準的激增。
　　硬體改進
　　回首硬體在過去幾年裡的發展程序，我們不禁會對某些硬體檔案類型的發展速度感到驚奇。每個人都知道摩爾定律-晶片上的晶體管數量每 18 個月翻一番。但許多人都忽略的一點是，網路帶寬和儲存於技術的發展速度甚至超出了摩爾定律中指出的速度。在企業內部以及通過家庭網路連線到全球網路的單個用戶之間，網路帶寬都以驚人的速度不斷增長。在過去幾十年中，伺服器和客戶端電腦上的儲存於容量明顯增大。1984 年，IBM PC 推出了 10 MB 硬碟。如今，60-80 GB 硬碟已成為便攜式電腦的標準組態。在未來的幾年裡，不難想像便攜式電腦將具有 1 TB 甚至更大的儲存於。伴隨著儲存於以驚人速度增長的同時，在管理人們每天新增、儲存於和搜尋的所有資料方面也出現了問題。
　　數位資料
　　人們如今使用的大多數資料是數位資料。例如，編寫本文時，我使用的並不是普通的白紙，而是便攜式電腦中安裝的 Microsoft® Word。現在，電子郵件、電子傳真、數位媒體、日曆、Microsoft Office 我的文件、語音郵件以及其他許多檔案類型的訊息都以電子方式新增和儲存於。2003 年的一份 University of Berkeley study(英文)表明，僅 2002 年一年新增的新訊息數量便超過了 5 百萬億條。這些訊息中的 92% 儲存於在磁牒媒體(大多數是客戶端硬碟)中。2002 年中傳送和儲存於的電子郵件數量超過了 40 萬萬億封。將硬體和軟體的增長原動力與電腦連接、下載、處理和儲存於比以前多得多的訊息的能力結合在一起，而且您會看到有效管理數位資料(我們自己新增的資料以及我們從其他人處接收的資料)多麼重要。
　　資料標準和架構化資料
　　資料標準和架構化資料的激增是驅使考慮資訊管理新方式的最後一個難題。在最近幾十年裡，許多企業和行業集團在向數位資料轉移的程序中，希望在其實際業務流程之後將資料模型化。
　　開始時，電腦無法處理將許多業務工作模型化和自動化的複雜程序。而現在，隨著電腦執行速度的提高以及編程語言和資料技術的改進，自動執行業務工作已成為企業簡化操作的一種方式，尤其是在企業資源規劃 (ERP)、客戶關係管理 (CRM)、銷售人員自動化 (SFA) 和其他檔案類型的企業套用出現之後。隨著這些新型套用的出現，資料突然變得更複雜。但同時，資料具有更好的結構，而這對業務更有用。資料庫系統並非用於儲存於難以理解的二進制資料或簡單的資料模型，而是將不同檔案類型的複雜資料關聯起來。例如，ERP 系統瞭解總分類帳、人力資源和銷售系統的複雜性，並可以進行建模。由於標準化架構描述了系統中的資料，因此企業可以詢問有關其業務的特定問題，並可在系統中查詢此訊息。
　　然而，跨系統工作仍然是行業中存在的一個問題。在企業內部整合系統比較困難，而在企業之間整合系統則難上加難。這刺激了企業套用整合 (EAI) 供應商的發展，因為它們可以說明 客戶跨越異類系統之間架構化資料的鴻溝。在認識到此整合問題之後，行業將 XML 和 XML Web service 用作說明 公司在多個系統和多個組織之間工作的一種方式。這些較新的標準可以說明 解決資料整合問題，並有助於在組織內部以及組織之間共享資料。


什麼是 WinFS?

　　為迎接這場完美技術風暴的到來，Microsoft 在構建下一代 Windows 文件系統(代號為 WinFS)方面投入了大量的精力。WinFS 產品小組在革新 Windows 文件系統的程序中遵循以下三個核心原則:使用戶能夠「尋找」、「關聯」和「操作」他們的訊息。讓我們瞭解一下每個原則的含義，然後深入探討一些使 WinFS 滿足這些目標的技術細節。

　　尋找

　　根據市場與資訊科技調查公司 IDC 的調查，技術工作人員花費大約 15% 到 30% 的時間來尋找訊息。在通常的 8 小時工作日(即一個人在通常的 8 小時工作日中工作)中，無論在何處總共都需要 1 到 2.5 小時來尋找訊息。IDC 還估計至少 50% 的 Web 搜尋失敗。儘管提高訊息尋找的速度和準確性是 WinFS 的主要目標之一，但僅僅成為一個出色的搜尋引擎還遠遠不夠。尋找訊息已經超出了遍歷和檢索內容的範疇。相反，今天的訊息具有許多含義，如定義訊息之間的關係(WinFS 將提供這項功能)。搜尋可能不是 WinFS 用戶尋找其大多數訊息的預設值方式。

　　另外，在過去十幾年之內，文件系統技術並未進行大的變革。而是出現了一些新資料檔案類型(如多媒體以及新型的通信和協作)，它們不僅僅是二進制文件和簡單的元資料。現在的文件系統不知道如何在這些新檔案類型的資料中收集和尋找訊息。不過，我們正在構建 WinFS 以增強文件系統，使其包含這些新檔案類型的訊息並進而提供更豐富的功能來使用這些訊息。

　　關聯

　　每個人都瞭解資料之間存在的關係。但當今的軟體在儲存於和利用這些關係方面做得並不好。例如，我知道在一次特定會議上一個叫 George 的特定的人介紹了一篇特定我的文件。我知道 George 寫了這篇我的文件，並且我知道 George 寫的另一篇我的文件也會引起我的興趣。現在我如何找到另一篇我的文件?我必須通過電子郵件和文件系統在我經常訪問的位置到處搜尋。有了 WinFS，資料「關係」將構建到系統中，並將人們使用的不同「檔案類型」的「所有」資料連接在一起，包括您編寫的自訂應用程式資料。用戶可以遍歷這些關係並通過多種方式搜尋資料。此外，您可以在能夠識別 WinFS 的應用程式中以圖形形式顯示這些相關項，以便用戶更好地瞭解他們的資料如何關聯在一起，無論該資料是由您的應用程式、其他人的應用程式還是內裝的 Windows 程序儲存於的。

　　操作

　　到目前為止，我已經介紹了如何將您的所有資料儲存於在 WinFS 中以及如何以更直觀的新方式新增這些資料之間的關係。但是，如果這是您使用此系統所能做的全部事情，那麼 WinFS 的革新只展示了一半。人們希望在任何資料系統中實現的一個關鍵功能是使系統說明 他們將其資料轉化為可以操作的有用訊息。PC 用戶一天中的大量時間都花在充當其資料的數位職員。您必須對資料進行手動排序、篩選、分類和堆疊分級。WinFS 將提供數位代理，說明 人們從數位職員轉變為數位資料決策者。WinFS 說明 處理訊息過載的主要方式之一是消除可以自動進行的冗餘數據活動。只有相關資訊或重要訊息才應顯示給資料用戶。

　　例如，您可能希望知道一封需要立即回覆的電子郵件何時來自某個作者，此郵件與您正處理的一份具體業務我的文件有關係。但您現在不在辦公桌旁，而是正在參加一個會議，並只帶著手機。您不希望錯過這封電子郵件，並且需要確保儘快與這個人交談。與對方談話需要安排一個 30 分鍾電話的情況介紹，以排除業務我的文件中的所有問題(此電話情況介紹的截止期限是今天結束之前)。

　　WinFS Rules 是該系統的內裝元件，允許您通知系統如何處理、排序和交付資料。通過使用 WinFS Rules，您可以新增資料和資料關係的處理規則。此外，WinFS Rules 還可以與其他 Windows 應用程式配合工作來向您發出通知(例如，通過向您的手機傳送尋呼)。最後，WinFS Rules 還可以通過檢視日曆訊息瞭解一天中的空閒時間，來說明 安排電話會議。在此處，規則可以自動在下一個空閒時間新增會議。整合的 WinFS Rules 技術允許將資料儲存於在 WinFS 中(甚至複製到 WinFS 中)，以使其成為活動資料。此活動資料在其進入系統時立即將重要訊息通知給您，從而有助於進行更好的業務決策。此技術通過自動處理我們現在手動對資料執行的許多工作，可以說明 緩解訊息過載。

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WinFS 視窗未來儲存系統


雖然微軟的「Longhorn」計畫仍是進行式，即將問世的Windows檔案系統「WinFS」已備受外界矚目。

這個名為「視窗未來儲存」（WinFS，Windows Future Storage）的檔案系統，將會成為傳統FAT32和NTFS之外的另一種選擇；甚至，Win FS將會取代前者，成為主要的檔案系統。

所有可讀或可寫式磁碟都需要一個檔案系統，傳統的系統通常是FAT（File Allocation Table，檔案配置表），而WinFS與FAT32、NTFS一樣，都是一種檔案格式，主要作為管理資料叢集與磁區之用，可讓資料依照檔案格式在各種磁區上「各就各位」；而檔案格式的優劣，也會影響資料在儲存設備，如硬碟之上的讀取效率。

WinFS檔案系統具備許多特點，微軟高層將這個新的檔案系統視為重要的技術進展。WinFS可強化資料儲存功能之外，也是第一個以內容為準的檔案系統，旨在簡化資料搜尋，不受存檔的位置或形式影響，可讓過去搜尋時間過長與浪費記憶體等缺點都變成為歷史。現階段，微軟不只準備將WinFS放進下一代的作業系統「Longhorn」中，也計劃將WinFS納入Windows Server 2003伺服器之內。




技術背景

　　現在，我們已經討論了 WinFS 的基本原理，接下來我們將介紹它的一些核心技術。在剛創立的本專欄目中，我將針對每種技術提供進階別的概述。在未來幾個月內，本專欄將深入介紹每種技術，並向開發人員展示如何利用新的 WinFS 技術建立應用程式。

　　從技術角度而言，WinFS 由 5 個部分組成:核心 WinFS、資料模型、架構、服務和 API。

　　核心 WinFS

　　核心 WinFS 由文件系統的核心服務組成。將核心 WinFS 視為基礎，它包括操作和文件系統服務。其示例包括安全性、易管理性、Win32 文件訪問支持、匯入/匯出、配額等。

　　資料模型

　　資料模型不包含在核心服務中，它提供了前面提到的一些技術革新，包括基本的項結構、關係以及增強項與關係的能力。

　　架構

　　如果沒有內裝的架構，WinFS 不會比現有的文件系統更好，因為 WinFS 不會以更豐富的方式理解資料或者提供更具結構化的方式來處理資料的元資料。WinFS 架構包括日常訊息(包括我的文件、電子郵件、工作、媒體、音瀕視瀕等)的架構，還包括包含組態、程序和其他與系統相關的資料的系統架構。

　　服務

　　同步和規則屬於 WinFS 的服務範疇。這些技術位於 WinFS 的「頂端」，可以為您提供系統基礎功能以外的增強功能。同步功能使您能夠通過網路同步 WinFS 系統，並可以建立同步橋接器將 WinFS 同步到其他系統。例如，您可能希望將聯繫人訊息從您的 CRM 系統同步到 WinFS，以便可以將此資料與 WinFS 中的其他資料相關聯，或者通過 WinFS 離線使用此資料。同步橋接器可以是雙向的，因此在 WinFS 中對資料所做的所有更改都可以同步回其他合作系統。

　　API

　　作為開發人員，您將寫入 API。WinFS 包括一個功能豐富的 API，它是 Longhorn 中整個 WinFX™ 編程模型的一部分。通過 WinFS API，您可以編寫 WinFS 系統的不同結構塊，包括資料操作、規則、同步和資料模型。

　　結論

　　未來幾個月內，由於開始深入探討 WinFS 的不同技術，因此有很多內容將要介紹。開始時，您會希望明確瞭解其他的 Longhorn 基石，尤其是「Avalon」，因為來年將構建的許多應用程式都是關於 Avalon 的。建議您參閱 Chris Sells 在其 first Longhorn Foghorn column(英文)一文中對 Longhorn 基石的概述。除此之外，讓我們為 WinFS 的到來做好準備:它是訊息驅動的應用程式的未來。

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Windows Longhorn的WinFS檔案系統：更快速與更聰明
WinFS注定要取代FAT和NTFS

大約20年前，Microsoft（微軟）廣泛使用DOS 2.0作業系統，所能掌控的硬碟大小最高只有16 MB。但是，當時使用個人電腦的人仍屬少數，而就現在看起來很荒繆可笑的記憶體限制，在當時也不成問題，因為「大型儲存裝置」的價格跟一台彩色電視一樣昂貴。在80和90年代，最糟糕的就是DOS作業系統所浪費的記憶體數量，而這些記憶體都所費不貲。即使是第一版的Windows也沒有辦法完全利用磁碟中所有的實體記憶體。

那是25年前的恐怖光景，但是經過許多電腦世代，這個問題已經改變。研發人員不再需要掙扎於硬碟容量的限制，取而代之的是，他們必須著手去管理位於儲存裝置中的巨大資料，而實際上儲存裝置已經沒有大小的限制了。在FAT系統的設計上，從來就沒有要去處理200 GB的磁碟機內數百MB的資料。

這種進退兩難的情形促使微軟在下個世代的Windows作業系統上採取行動。因此Win FS（視窗未來儲存系統）檔案系統將會在Longhorn，也就是XP的接班人中佔有一席之地。這是第一次，一項伺服器技術將會經由關聯資料庫來管理位於家用電腦上的資料。這篇文章將會追溯它的發展，並揭開這個未來檔案系統的面紗。

Longhorn已經以其新的過濾器（Filter）標準為未來鋪好前進的道路。這種標準創造了多個檔案指標，而不是使用目錄結構，因為目錄結構隨後將會失去其重要性。


Windows Longhorn的WinFS檔案系統：更快速與更聰明
檔案資訊

叢集、磁區與表格

所有的可讀式和可寫式磁碟都需要一個檔案系統，這個系統通常是FAT（File Allocation Table，檔案配置表）。對於硬碟來說，這種情況特別真實，但是對於光碟機和軟碟機來說，其實也是一樣。資料系統負責以一個穩固的管理系統來對資料命名，儲存以及擷取。不同的系統在分割大小以及加密檔案的方式都不太一樣，但現有的Windows檔案系統有兩個共通點：它們限制了使用的叢集，以及限制了可以掌控的資料數量。

一個叢集（Cluster）是硬碟中最小的可能儲存單元。但是磁區（Sector）則是由檔案可用的實體記憶體大小來決定。依分割區的情形，你可以在一個叢集中有一個或是更多個512位元磁區。4 KB的記憶體一般包含8個磁區。叢集的大小一般是由檔案系統和儲存空間的大小來決定。你可以使用工具，如Fsutil等來自動調整叢集的配置，但是只有在Windows XP上才能執行。對FAT系統來說，基本原則是，叢集越小，硬碟的利用率就越好。

這裡是一個例子：Windows 95的使用者倚賴FAT 16檔案系統。當分割區為256 MB以下時，叢集的大小為4 KB；當分割區更大，如2 GB時，叢集就變成32 KB。一個35 KB的檔案在上面的情形中將會佔據兩個叢集，而在第二個叢集中，就有29 KB是無法使用的，因為在每個叢集中你只能有一個檔案。用另外一種方式來解釋：如果硬碟中有著1,000個40 KB的檔案，在500 MB的FAT 16中，將會使用391 MB的容量。而在1.2 GB的分割區中，同樣的1,000個檔案將會用掉超過620 MB的硬碟空間。FAT接下來會將檔案配置在叢集裡面。每一次進入表格，代表的是一個叢集的配置。表格記錄了一個檔案的開始，下一個叢集的數目，以及最後一個叢集的認定。這個系統創造出兩套FAT作為備份。在FAT 16和FAT 32系統中，表格是位於磁碟的最外軌。而在NTFS中，表格本身是和檔案組織在一起的。

FAT在Windows XP之下的問題

從Windows 95開始，FAT 16中加入了一個修改資料的系統，稱為V-FAT。這是第一個可以寫入長檔名的系統。在1996年，Windows 95b問世時，微軟向大家介紹了FAT 32檔案系統，這個系統一直到目前還在普遍使用中。FAT 32系統可以讓使用者以4 KB的叢集大小來管理8 GB的儲存空間。對硬碟來說，最大儲存空間可以達到32 GB，叢集大小為16 KB。FAT 32同時不限定根目錄中的檔案或是目錄的數目。

雖然缺點很多，但是FAT 16和FAT 32還是沒有消失。多重作業系統仍然需要這種檔案系統。如果你要在Windows XP、Windows 98、Linux或是DOS之下存取相同的儲存空間，你就必須選擇最小的共通特點–也就是可以在所有的系統中作讀寫動作的檔案系統，在這種情形下，就是FAT 16。

但是，對於XP的使用者來說，要付出的代價就很大了：因為即使使用FAT 32，XP可以格式化的分割區最大只到32 GB。更大的儲存空間就只能作編輯，如果還有其他系統創造出分割區的話。當然，分割區的大小問題只有在獨立的情況下才有意義。

NTFS：TB大小的分割區

NTFS檔案系統是在1993年隨著Windows NT 3.5發表而跟著問世。一直到Windows 2000，發展的路線仍然相當歧異，而使用者仍然將其歸類為使用FAT 16或FAT 32的Windows 95、98和Me。比較起來，NT系列的作業系統，包括Windows XP在內，可以掌控所有的變數，除了Windows NT4.0以外，因為它不能轉換到FAT 32。市面上有太多的工具可以讓你在舊的Windows版本中讀取NTFS分割區內的資料。其中一個品質最好，也最知名的工具就是Ntfsdos，這個工具甚至可以讓你經由DOS磁碟來啟動NTFS的分割區。 相較於FAT系統，NTFS帶來一連串的改善行動。最重要的就是把較大儲存空間的記憶體使用率最佳化，當機後的錯誤校正，防止未經授權的資料存取保護，索引服務，資料壓縮和資料加密。NTFS的回復特性值得特別注意：Windows以檢查點（Checkpoints），紀錄真實情形下所有對檔案系統的更動，當強制啟動發生時，可以用檢查點作為背景校正系統錯誤。NTFS可以管理的分割區達到數百TB-1 TB等於100萬個MB。而在安全性上，管理員從整合的保護功能上獲益不少，例如使用者對檔案和資料夾的存取限制，以及EFS（加密檔案系統）等。
NTFS的進展

雖然優點很多，但是Windows 2000之前的NTFS還是沒有辦法符合現有系統的所有需求。隨著Windows NT沿用的NTFS系統，會自動將26個英文字母（磁碟A-Z）指派作為分割區的名字，因此覆蓋了分割區長度。再加上，改變分割區永遠需要重開機。另外，NTFS的儲存空間資訊儲放在系統註冊處（Registry）中，如果你要在另外一個系統使用磁碟變得異常複雜。

Windows 2000以LDM（邏輯磁碟管理員）解決了這個問題，因此不再需要磁碟機字母代碼。這套NTFS系統同時可以將硬碟資訊儲存在硬碟本身，因此解決了交換磁碟（swapping disks）的問題。與Windows 2000比較起來，Windows XP在NTFS上的改善很有限。資料流通率已經提昇，並以固定的512位元叢集大小來取代，它現在可以讓你定義可變的叢集大小。管理功能也更為精細，例如資料夾的指標和限制記憶體的意外情形，或是資料存取等。

來自www.sysinternals.com的DOS工具fsutil.exe可以讓你在Windows XP之下存取NTFS系統，並提供統計分析。

微軟還增加了一個命令列程式，稱為fsutil.exe。這個威力強大的的程式可以執行電腦中的檔案系統任務。但是你會發現關於這個程式的官方說明並不多，因為它允許你改變MFT（主檔案表）。我們並不建議你開始實驗使用fsutil.exe這個程式。但是，你可以做一件事，而且不會傷害你的系統，那就是輸入一個fsutil fsinfo的命令，這可以呼叫許多關於你的檔案系統，儲存空間和MFT的有趣資訊。


NTFS下的資料組織

與FAT在儲存空間開始處有著分離的配置表不同，NFTS將配置表以隱藏檔案的方式組織在其中心，也就是MFT之中。MFT管理所有有關儲存空間的檔案，以及在相關資料庫結構所稱的Metadata（資料中的資料）。檔案的資訊以橫列方式作排列；其屬性（隱藏、加密、壓縮、系統等等）則為縱列。在MFT中訊息則包含在Metadata內，並放在前16個紀錄中，總共16 KB。

下面是MFT的表格，其中顯示了前幾項紀錄。下一個MFT資料記錄包含了MFT中的位置資訊，內容資訊，以及未使用磁碟空間的資訊。同時，大小不超過900 Bytes的檔案可以完全納入一個紀錄中。對於較大的檔案，MFT中包含了指標以指出如何在記憶體裡面找到檔案。同樣的規則也適用在資料夾上：如果它們夠小，那麼就可以完全納入MFT中。NTFS使用稱為B-tree結構來管理較大的資料夾，資料夾中的資料結構指向外部的叢集。B-tree結構的優點是，NTFS將相似的檔案或是檔案名編在一起，因此可以加速特定檔案的搜尋。


紀錄
內容
敘述
0
MFT資訊
所有檔案和資料夾的基本資料記錄
1
MFT資訊
第一個紀錄的拷貝
2
通訊協定檔案
用來回復NTFS


系統錯誤事件發生時的一致性
3
儲存空間資訊
各種資訊，例如檔案名


以及儲存空間版本
4
屬性定義
檔案屬性的


名字，號碼和敘述
5
根指標
資料根目錄
6
叢集圖
顯示尚未利用的叢集
7
啟動磁區
包含啟動程式碼和其他東西
8
損壞磁區
損壞磁區資訊
9
備份檔案
所有的檔案的備分敘述
10
轉換器
將小寫字母轉換至Unicode
11
NTFS延伸區
各種不同的額外功能


結論：WinFS代表未來希望

關於即將問世的Windows檔案系統–程式名Win FS，具有許多特點。微軟的資深副總裁，同時也是負責Windows的Brian Valentine將新的檔案系統發展稱為，一項重要的進展，而這項進展不該只侷限於新的作業系統（Longhorn）上面。他指出，目前已經計劃將Win FS納入Windows Server 2003之中。

同時，德國的微軟員工似乎也認為將此檔案系統整合在Longhorn中並不代表整個發展過程已經結束。雖然很明顯的是，即將上市的SQL伺服器（Yukon）中也使用了Win FS檔案系統，因為這個系統本來就完全來自一個關聯資料庫。NTFS也不甘示弱加以反擊，使用了交互索引讓檔案和資料夾的產生更為快速。但是，即使用了更先進的索引技術，Win FS也不能如NTFS一樣引用MTS。

新的檔案系統設計是根據不同的內容標準來儲存檔案，例如作者、內容、名字、來源媒體與最近使用者。在Windows Explorer中所顯示的資料夾結構因此簡化成一個虛擬地圖。目錄結構提供了一些指導方向，但是並不指明資料的實際儲存位置，關於系統如何組織檔案或是任何資料指標的自然特性都已經跟資料或是檔案儲存在一起。

在最新的版本（M4）中，Longhoen包含了有關這項技術即將問世的暗示。其中之一是超過20 MB大小，並命名為winfs.exe的檔案。這個檔案代表即將來臨的儲存引擎。但是目前全部現有的系統檔案都沒有類似功能，或是只能產生錯誤訊息。最後，Win FS也許會成為FAT和NTFS之外的另一項檔案系統選擇。另外有可能的是，Win FS會取代它的前身。這樣也許會在多重開機系統中造成問題，因為唯一Windows XP、Longhorn和Linux都能執行的一個相同儲存空間的系統也許要經由複雜的方式才能找到，前提是如果要去尋找的話。

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Windows Longhorn的WinFS檔案系統：更快速與更聰明

WinFS 視窗未來儲存系統


雖然微軟的「Longhorn」計畫仍是進行式，即將問世的Windows檔案系統「WinFS」已備受外界矚目。

這個名為「視窗未來儲存」（WinFS，Windows Future Storage）的檔案系統，將會成為傳統FAT32和NTFS之外的另一種選擇；甚至，Win FS將會取代前者，成為主要的檔案系統。

所有可讀或可寫式磁碟都需要一個檔案系統，傳統的系統通常是FAT（File Allocation Table，檔案配置表），而WinFS與FAT32、NTFS一樣，都是一種檔案格式，主要作為管理資料叢集與磁區之用，可讓資料依照檔案格式在各種磁區上「各就各位」；而檔案格式的優劣，也會影響資料在儲存設備，如硬碟之上的讀取效率。

WinFS檔案系統具備許多特點，微軟高層將這個新的檔案系統視為重要的技術進展。WinFS可強化資料儲存功能之外，也是第一個以內容為準的檔案系統，旨在簡化資料搜尋，不受存檔的位置或形式影響，可讓過去搜尋時間過長與浪費記憶體等缺點都變成為歷史。現階段，微軟不只準備將WinFS放進下一代的作業系統「Longhorn」中，也計劃將WinFS納入Windows Server 2003伺服器之內。



WinFS注定要取代FAT和NTFS

大約20年前，Microsoft（微軟）廣泛使用DOS 2.0作業系統，所能掌控的硬碟大小最高只有16 MB。但是，當時使用個人電腦的人仍屬少數，而就現在看起來很荒繆可笑的記憶體限制，在當時也不成問題，因為「大型儲存裝置」的價格跟一台彩色電視一樣昂貴。在80和90年代，最糟糕的就是DOS作業系統所浪費的記憶體數量，而這些記憶體都所費不貲。即使是第一版的Windows也沒有辦法完全利用磁碟中所有的實體記憶體。

那是25年前的恐怖光景，但是經過許多電腦世代，這個問題已經改變。研發人員不再需要掙扎於硬碟容量的限制，取而代之的是，他們必須著手去管理位於儲存裝置中的巨大資料，而實際上儲存裝置已經沒有大小的限制了。在FAT系統的設計上，從來就沒有要去處理200 GB的磁碟機內數百MB的資料。

這種進退兩難的情形促使微軟在下個世代的Windows作業系統上採取行動。因此Win FS（視窗未來儲存系統）檔案系統將會在Longhorn，也就是XP的接班人中佔有一席之地。這是第一次，一項伺服器技術將會經由關聯資料庫來管理位於家用電腦上的資料。這篇文章將會追溯它的發展，並揭開這個未來檔案系統的面紗。

Longhorn已經以其新的過濾器（Filter）標準為未來鋪好前進的道路。這種標準創造了多個檔案指標，而不是使用目錄結構，因為目錄結構隨後將會失去其重要性。


Windows Longhorn的WinFS檔案系統：更快速與更聰明
檔案資訊

叢集、磁區與表格

所有的可讀式和可寫式磁碟都需要一個檔案系統，這個系統通常是FAT（File Allocation Table，檔案配置表）。對於硬碟來說，這種情況特別真實，但是對於光碟機和軟碟機來說，其實也是一樣。資料系統負責以一個穩固的管理系統來對資料命名，儲存以及擷取。不同的系統在分割大小以及加密檔案的方式都不太一樣，但現有的Windows檔案系統有兩個共通點：它們限制了使用的叢集，以及限制了可以掌控的資料數量。

一個叢集（Cluster）是硬碟中最小的可能儲存單元。但是磁區（Sector）則是由檔案可用的實體記憶體大小來決定。依分割區的情形，你可以在一個叢集中有一個或是更多個512位元磁區。4 KB的記憶體一般包含8個磁區。叢集的大小一般是由檔案系統和儲存空間的大小來決定。你可以使用工具，如Fsutil等來自動調整叢集的配置，但是只有在Windows XP上才能執行。對FAT系統來說，基本原則是，叢集越小，硬碟的利用率就越好。

這裡是一個例子：Windows 95的使用者倚賴FAT 16檔案系統。當分割區為256 MB以下時，叢集的大小為4 KB；當分割區更大，如2 GB時，叢集就變成32 KB。一個35 KB的檔案在上面的情形中將會佔據兩個叢集，而在第二個叢集中，就有29 KB是無法使用的，因為在每個叢集中你只能有一個檔案。用另外一種方式來解釋：如果硬碟中有著1,000個40 KB的檔案，在500 MB的FAT 16中，將會使用391 MB的容量。而在1.2 GB的分割區中，同樣的1,000個檔案將會用掉超過620 MB的硬碟空間。FAT接下來會將檔案配置在叢集裡面。每一次進入表格，代表的是一個叢集的配置。表格記錄了一個檔案的開始，下一個叢集的數目，以及最後一個叢集的認定。這個系統創造出兩套FAT作為備份。在FAT 16和FAT 32系統中，表格是位於磁碟的最外軌。而在NTFS中，表格本身是和檔案組織在一起的。

FAT在Windows XP之下的問題

從Windows 95開始，FAT 16中加入了一個修改資料的系統，稱為V-FAT。這是第一個可以寫入長檔名的系統。在1996年，Windows 95b問世時，微軟向大家介紹了FAT 32檔案系統，這個系統一直到目前還在普遍使用中。FAT 32系統可以讓使用者以4 KB的叢集大小來管理8 GB的儲存空間。對硬碟來說，最大儲存空間可以達到32 GB，叢集大小為16 KB。FAT 32同時不限定根目錄中的檔案或是目錄的數目。

雖然缺點很多，但是FAT 16和FAT 32還是沒有消失。多重作業系統仍然需要這種檔案系統。如果你要在Windows XP、Windows 98、Linux或是DOS之下存取相同的儲存空間，你就必須選擇最小的共通特點–也就是可以在所有的系統中作讀寫動作的檔案系統，在這種情形下，就是FAT 16。

但是，對於XP的使用者來說，要付出的代價就很大了：因為即使使用FAT 32，XP可以格式化的分割區最大只到32 GB。更大的儲存空間就只能作編輯，如果還有其他系統創造出分割區的話。當然，分割區的大小問題只有在獨立的情況下才有意義。

NTFS：TB大小的分割區

NTFS檔案系統是在1993年隨著Windows NT 3.5發表而跟著問世。一直到Windows 2000，發展的路線仍然相當歧異，而使用者仍然將其歸類為使用FAT 16或FAT 32的Windows 95、98和Me。比較起來，NT系列的作業系統，包括Windows XP在內，可以掌控所有的變數，除了Windows NT4.0以外，因為它不能轉換到FAT 32。市面上有太多的工具可以讓你在舊的Windows版本中讀取NTFS分割區內的資料。其中一個品質最好，也最知名的工具就是Ntfsdos，這個工具甚至可以讓你經由DOS磁碟來啟動NTFS的分割區。 相較於FAT系統，NTFS帶來一連串的改善行動。最重要的就是把較大儲存空間的記憶體使用率最佳化，當機後的錯誤校正，防止未經授權的資料存取保護，索引服務，資料壓縮和資料加密。NTFS的回復特性值得特別注意：Windows以檢查點（Checkpoints），紀錄真實情形下所有對檔案系統的更動，當強制啟動發生時，可以用檢查點作為背景校正系統錯誤。NTFS可以管理的分割區達到數百TB-1 TB等於100萬個MB。而在安全性上，管理員從整合的保護功能上獲益不少，例如使用者對檔案和資料夾的存取限制，以及EFS（加密檔案系統）等。
NTFS的進展

雖然優點很多，但是Windows 2000之前的NTFS還是沒有辦法符合現有系統的所有需求。隨著Windows NT沿用的NTFS系統，會自動將26個英文字母（磁碟A-Z）指派作為分割區的名字，因此覆蓋了分割區長度。再加上，改變分割區永遠需要重開機。另外，NTFS的儲存空間資訊儲放在系統註冊處（Registry）中，如果你要在另外一個系統使用磁碟變得異常複雜。

Windows 2000以LDM（邏輯磁碟管理員）解決了這個問題，因此不再需要磁碟機字母代碼。這套NTFS系統同時可以將硬碟資訊儲存在硬碟本身，因此解決了交換磁碟（swapping disks）的問題。與Windows 2000比較起來，Windows XP在NTFS上的改善很有限。資料流通率已經提昇，並以固定的512位元叢集大小來取代，它現在可以讓你定義可變的叢集大小。管理功能也更為精細，例如資料夾的指標和限制記憶體的意外情形，或是資料存取等。

來自www.sysinternals.com的DOS工具fsutil.exe可以讓你在Windows XP之下存取NTFS系統，並提供統計分析。

微軟還增加了一個命令列程式，稱為fsutil.exe。這個威力強大的的程式可以執行電腦中的檔案系統任務。但是你會發現關於這個程式的官方說明並不多，因為它允許你改變MFT（主檔案表）。我們並不建議你開始實驗使用fsutil.exe這個程式。但是，你可以做一件事，而且不會傷害你的系統，那就是輸入一個fsutil fsinfo的命令，這可以呼叫許多關於你的檔案系統，儲存空間和MFT的有趣資訊。


NTFS下的資料組織

與FAT在儲存空間開始處有著分離的配置表不同，NFTS將配置表以隱藏檔案的方式組織在其中心，也就是MFT之中。MFT管理所有有關儲存空間的檔案，以及在相關資料庫結構所稱的Metadata（資料中的資料）。檔案的資訊以橫列方式作排列；其屬性（隱藏、加密、壓縮、系統等等）則為縱列。在MFT中訊息則包含在Metadata內，並放在前16個紀錄中，總共16 KB。

下面是MFT的表格，其中顯示了前幾項紀錄。下一個MFT資料記錄包含了MFT中的位置資訊，內容資訊，以及未使用磁碟空間的資訊。同時，大小不超過900 Bytes的檔案可以完全納入一個紀錄中。對於較大的檔案，MFT中包含了指標以指出如何在記憶體裡面找到檔案。同樣的規則也適用在資料夾上：如果它們夠小，那麼就可以完全納入MFT中。NTFS使用稱為B-tree結構來管理較大的資料夾，資料夾中的資料結構指向外部的叢集。B-tree結構的優點是，NTFS將相似的檔案或是檔案名編在一起，因此可以加速特定檔案的搜尋。


紀錄
內容
敘述
0
MFT資訊
所有檔案和資料夾的基本資料記錄
1
MFT資訊
第一個紀錄的拷貝
2
通訊協定檔案
用來回復NTFS


系統錯誤事件發生時的一致性
3
儲存空間資訊
各種資訊，例如檔案名


以及儲存空間版本
4
屬性定義
檔案屬性的


名字，號碼和敘述
5
根指標
資料根目錄
6
叢集圖
顯示尚未利用的叢集
7
啟動磁區
包含啟動程式碼和其他東西
8
損壞磁區
損壞磁區資訊
9
備份檔案
所有的檔案的備分敘述
10
轉換器
將小寫字母轉換至Unicode
11
NTFS延伸區
各種不同的額外功能


結論：WinFS代表未來希望

關於即將問世的Windows檔案系統–程式名Win FS，具有許多特點。微軟的資深副總裁，同時也是負責Windows的Brian Valentine將新的檔案系統發展稱為，一項重要的進展，而這項進展不該只侷限於新的作業系統（Longhorn）上面。他指出，目前已經計劃將Win FS納入Windows Server 2003之中。

同時，德國的微軟員工似乎也認為將此檔案系統整合在Longhorn中並不代表整個發展過程已經結束。雖然很明顯的是，即將上市的SQL伺服器（Yukon）中也使用了Win FS檔案系統，因為這個系統本來就完全來自一個關聯資料庫。NTFS也不甘示弱加以反擊，使用了交互索引讓檔案和資料夾的產生更為快速。但是，即使用了更先進的索引技術，Win FS也不能如NTFS一樣引用MTS。

新的檔案系統設計是根據不同的內容標準來儲存檔案，例如作者、內容、名字、來源媒體與最近使用者。在Windows Explorer中所顯示的資料夾結構因此簡化成一個虛擬地圖。目錄結構提供了一些指導方向，但是並不指明資料的實際儲存位置，關於系統如何組織檔案或是任何資料指標的自然特性都已經跟資料或是檔案儲存在一起。

在最新的版本（M4）中，Longhoen包含了有關這項技術即將問世的暗示。其中之一是超過20 MB大小，並命名為winfs.exe的檔案。這個檔案代表即將來臨的儲存引擎。但是目前全部現有的系統檔案都沒有類似功能，或是只能產生錯誤訊息。最後，Win FS也許會成為FAT和NTFS之外的另一項檔案系統選擇。另外有可能的是，Win FS會取代它的前身。這樣也許會在多重開機系統中造成問題，因為唯一Windows XP、Longhorn和Linux都能執行的一個相同儲存空間的系統也許要經由複雜的方式才能找到，前提是如果要去尋找的話。