Сравнение NTFS и FAT

(С) Александр Фролов, 2002, http://www.frolov.pp.ru, http://www.DataRecovery.ru

До возникновения операционной системы Microsoft Windows NT у пользователей персональных компьютеров редко возникала проблема выбора файловой системы. Все владельцы операционных систем (ОС) MS-DOS и Microsoft Windows применяли одну из разновидностей файловой системы с названием FAT (FAT-12, FAT-16 или FAT-32).

Теперь же ситуация изменилась. Устанавливая ОС Microsoft Windows NT/2000/XP, при форматировании диска Вам необходимо сделать выбор между тремя файловыми системами - FAT-16, FAT-32 или NTFS.

В этой статье мы расскажем о внутреннем устройстве перечисленных файловых систем, рассмотрим присущие им недостатки и достоинства. Вооружившись этими знаниями, Вы сможете сделать осознанный выбор в пользу той или иной файловой системы для ОС Microsoft Windows.

Кратко о файловой системе FAT

Файловая система FAT появилась на заре развития персональных компьютеров и первоначально предназначалась для хранения файлов на дискетах.

Информация хранится на дисках и дискетах порциями, в секторах размером 512 байт. Все пространство дискеты разделялось на области фиксированной длины, называемые кластерами. Кластер может содержать один или больше секторов.

Каждый файл занимает один или несколько кластеров, возможно несмежных. Названия файлов и другая информация о файлах, такая как размер и дата создания, располагается в начальной области дискеты, выделенной для корневого каталога.

Помимо корневого каталога, в файловой системе FAT могут создаваться и другие каталоги. Вместе с корневым каталогом они образуют дерево каталогов, содержащих информацию о файлах и каталогах. Что же касается расположения кластеров файла на диске, то эта информация хранится в начальной области дискеты, называемой таблицей размещения файлов (File Allocation Table, FAT) .

Для каждого кластера в таблице FAT есть своя индивидуальная ячейка, в которой хранится информация о том, как этот кластер используется. Таким образом, таблица размещения файлов - это массив, содержащий информацию о кластерах. Размер этого массива определяется общим количеством кластеров на диске.

В каталоге хранится номер первого кластера, распределенного файлу или вложенному каталогу. Номера остальных кластеров можно найти при помощи таблицы размещения файлов FAT.

При разработке формата таблицы FAT стояла задача экономии места, т.к. дискета имеет весьма небольшой объем (от 180 Кбайт до 2,44 Мбайт). Поэтому для хранения номеров кластера было отведено всего 12 двоичных разрядов. В результате таблицу FAT удалось упаковать так плотно, что она занимала всего один сектор дискеты.

Таблица FAT содержит критически важную информацию о расположении каталогов и файлов. Если в результате сбоя аппаратуры, программного обеспечения или вредоносного воздействия вирусов таблица FAT окажется поврежденной, доступ к файлам и каталогам будет потерян. Поэтому с целью подстраховки на диске обычно создаются две копии таблицы FAT.

Различные версии FAT

После появления жестких дисков большого объема (в те времена большими считались диски размером 10-20 Мбайт) количество кластеров увеличилось, и 12 разрядов стало недостаточно для хранения их номеров. Был разработан новый 16-разрядный формат таблицы размещения файлов, где для хранения номера одного кластера выделялось два байта. Старая файловая система, разработанная для дискет, стала называться FAT-12, а новая - FAT-16.

Увеличенная в размерах таблица FAT-16 перестала помещаться в одном секторе, однако при больших объемах диска этот недостаток не играл существенной роли. По-прежнему для страховки на диске хранилось две копии таблицы FAT.

Однако когда объем диска стал измеряться в сотнях Мбайт и даже в гигабайтах, файловая система FAT-16 опять стала неэффективной. Чтобы номера кластеров помещались в 16 разрядов, при форматировании дисков большого объема приходится увеличивать размер кластера до 16 Кбайт и даже больше. Это вызывало проблемы при необходимости хранения на диске большого количества маленьких файлов. Так как пространство для хранения файлов выделяется кластерами, даже для очень маленького файла приходится отводить слишком много дисковой памяти.

В результате была предпринята еще одна, по всей видимости, последняя попытка усовершенствования файловой системы FAT - размер ячейки таблицы размещения файлов был увеличен до 32. Это позволило форматировать диски размером в сотни Мбайт и единицы Гбайт с использованием относительно небольшого размера кластера. Новая файловая система стала называться FAT-32.

Стандарт 8.3

До появления ОС Microsoft Windows 95 пользователи персональных компьютеров были вынуждены использовать для именования файлов весьма неудобный "стандарт 8.3", в котором имя файла должно было состоять из 8 символов плюс 3 символа расширения. Это ограничение накладывалось не только программным интерфейсом операционной системы MS-DOS, но и структурой записи каталога файловой системы FAT.

После модификации структуры записей каталога ограничение на количество символов в имени файла было практически снято. Теперь длина имени файла может достигать 255 символов, что, очевидно, достаточно в большинстве случаев. Однако такая модифицированная файловая система FAT стала несовместима с операционной системой MS-DOS, а также с работающей в ее среде оболочкой Microsoft Windows версий 3.1 и 3.11.

Более подробно о форматах внутренних структур FAT Вы можете прочитать в нашей статье "Восстановление данных в разделах FAT", опубликованных на этом сайте.

Ограничения файловой системы FAT

Принимая решение об использовании файловой системы FAT для форматирования диска, следует учитывать присущие ей ограничения. Эти ограничения касаются, прежде всего, максимального размера диска FAT, а также максимального размера файла, расположенного на этом диске.

Максимальный размер логического диска FAT-16 составляет 4 Гбайт, что очень мало по современным понятиям. Компания Microsoft, однако, не рекомендует создавать диски FAT-16 размером более 200 Мбайт, т.к. при этом дисковое пространство будет использоваться очень неэффективно.

Теоретически максимальный размер диска FAT-32 может составлять 8 Тбайт, что должно хватить для развертывания любых современных приложений. Это значение получается путем перемножения максимального количества кластеров (268 435 445) на максимальный размер кластера, допустимый в FAT-32 (32 Кбайт).

Однако на практике ситуация выглядит немного по-другому.

Из-за внутренних ограничений утилита ScanDisk в ОС Microsoft 95/98 не способна работать с дисками, превышающими по своему объему значение 127.53 Гбайт. Еще год назад такое ограничение не вызвало бы проблем, однако сегодня на рынке уже появились недорогие диски объемом 160 Гбайт, и скоро их объем будет еще больше.

Что же касается новых операционных систем Microsoft Windows 2000/XP, то они не способны создавать разделы FAT-32 с объемом, превышающим 32 Гбайт. Если Вам нужны разделы такого или большего объема, компания Microsoft предложит Вам использовать файловую систему NTFS.

Другое существенное ограничение FAT-32 накладывается на размер файлов - он не может превышать 4 Гбайт. Это ограничение будет сказываться, например, при записи на диск видеофрагментов или при создании объемных файлов баз данных.

В каталоге FAT-32 может хранить не более 65534 файлов.

Недостатки FAT

Помимо рассмотренных выше ограничений, файловой системе FAT присущи и другие недостатки. Наиболее существенными, по-видимому, является полное отсутствие средств разграничения доступа, а также возможность потери информации о размещении всех файлов после разрушения довольно компактной таблицы FAT и ее копии.

Загрузив компьютер с системной дискеты, злоумышленник легко получит доступ к любым файлам, хранящимся на дисках с файловой системой FAT. Ему не составит никакого труда скопировать затем эти файлы на устройство ZIP или какой-либо другой внешний носитель данных.

При использовании FAT на дисках сервера невозможно обеспечить надежное и гибкое разграничение доступа пользователей к каталогам. Именно поэтому, а также в силу своей низкой устойчивостью к сбоям, FAT обычно не используется на серверах.

Наличие компактных таблиц размещения файлов FAT делает эту файловую систему уязвимой мишенью для компьютерных вирусов - достаточно уничтожить начальный фрагмент диска FAT, и почти все данные будут потеряны.

Файловая система NTFS

Современная файловая система NTFS, разработанная компанией Microsoft для своей операционной системы Microsoft Windows NT, лишена ограничений и недостатков FAT. С момента своего возникновения развивающаяся файловая система NTFS претерпела несколько усовершенствований, последние из которых (на момент создания этой статьи) были сделаны в ОС Microsoft Windows XP.

В файловой системе NTFS все атрибуты файлов (имя, размер, расположение экстентов файла на диске и т.д.) хранятся в скрытом системном файле $MFT. На хранение информации о каждом файле (и каталоге) в $MFT отводится от одного до нескольких Кбайт. При большом количестве файлов, хранящихся на диске, объем файла $MFT может достигать десятков или даже сотен Мбайт.

Файлы небольшого размера (порядка сотен байт) хранятся непосредственно в $MFT, что существенно ускоряет доступ к ним.

Заметим, однако, что накладные расходы NTFS на хранение системной информации, хотя и превышают накладные расходы FAT, все же не очень велики по сравнению с объемом современных дисков. Из-за того, что файл $MFT обычно располагается ближе к середине диска, разрушение первых дорожек диска NTFS не приводит к таким фатальным последствиям, как разрушение начальных областей диска FAT.

Файловая система NTFS обладает многочисленными возможностями, отсутствующими в FAT. Они позволяют добиться намного большей гибкости, надежности и защищенности по сравнению с FAT.

Перечислим некоторые, наиболее интересные возможности NTFS современных версий.

Средства разграничения доступа

Средства разграничения доступа NTFS достаточно гибкие и позволяют управлять доступом на уровне отдельных файлов и каталогов, предоставляя (или блокируя) доступ к ним отдельным пользователям или группам пользователей.

Хотя на первый взгляд может показаться, что средства разграничения доступа нужны только для файловых серверов, они потребуются и в том случае, если к компьютеру имеют доступ несколько пользователей.

Шифрование файлов

Упомянутые выше средства разграничения доступа окажутся бесполезными, если физический диск NTFS попадет в руки злоумышленнику. С использованием современных утилит содержимое такого диска может быть без особого труда прочитано в среде любой операционной системе - DOS, Microsoft Windows или Linux.

С целью обезопасить фалы пользователей от несанкционированного доступа, в операционных системах Microsoft Windows 2000/XP предусмотрено дополнительное шифрование файлов, хранящихся в разделах NTFS. И хотя стойкость такого шифрования, возможно, не слишком высока, она вполне достаточна в большинстве случаев.

Программный дисковый массив RAID

Средствами NTFS можно создать так называемый программный массив RAID 1 (Mirrored set). Этот массив, составляемый из двух физических или логических дисков одинакового объема, позволяет дублировать (или, как еще говорят, "зеркалировать") файлы.

Такой массив может уберечь Ваши файлы в случае физической поломки одного из дисков, составляющих массив, поэтому часто применяется для увеличения надежности дисковой системы.

Наборы Volume Set

Файловая система NTFS позволяет объединить в один логический том несколько разделов, расположенных на одном или нескольких физических дисках. Это может потребоваться, например, для хранения файлов баз данных большого размера, не помещающихся на одном физическом диске, или для создания каталога с суммарным объемом файлов, превышающим размеры физического диска.

Наборы, созданные из нескольких разделов или физических дисков, называются Volume Set (в терминологии ОС Microsoft Windows NT) или Spanned Volume (в терминологии ОС Windows 2000/XP).

Упаковка файлов

Для экономии дискового пространства можно использовать способность NTFS упаковывать (сжимать) файлы. Помимо этого NTFS позволяет создавать так называемые разреженные (sparse) файлы, которые содержат области нулевых данных. Такие файлы могут иметь большой объем, но при этом занимать мало места на диске, так как фактически хранятся только значащие байты файла.

Заметим, что упаковка файлов приведет к некоторому замедлению работы. Это обстоятельство, однако, будет иметь значение далеко не всегда. Например, офисные документы можно упаковывать без заметного снижения скорости работы, а про файлы баз данных, к которым одновременно обращается большое количество пользователей, этого сказать нельзя. С учетом появления на рынке относительно недорогих дисков огромного объема средства упаковки нужно использовать только тогда, когда они действительно необходимы. Это, однако, относится и к другим возможностям NTFS.

Многопоточные файлы

При необходимости в одном файле, записанном на диске NTFS, можно хранить несколько потоков информации. Это позволяет, в частности, снабжать файлы документов дополнительной информацией, хранить в одном файле несколько версий документов (например, на разных языках), хранить в отдельных потоках одного файла программный код и данные и т.п.

Жесткие связи

Жесткие связи (hard links) позволяют назначать для одного физического файла несколько разных имен, располагая эти имена (т.е. ссылки на файл) в разных каталогах. При удалении связи не происходит удаления самого файла. Только когда все связи файла будут уничтожены, тогда будет удален и сам файл.

Заметим, что подобные возможности характерны для файловых систем, применяемых в Unix-подобных ОС, например, в Linux, FreeBSD и т.д.

Точки переопределения

Такие системные объекты NTFS, как точки переопределения (reparse points) позволяют переопределить любой файл или каталог. При этом, например, редко используемые переопределенные файлы или каталоги фактически могут храниться на магнитной ленте, загружаясь на диск только при необходимости.

Переходы

Пользуясь переходами NTFS, можно смонтировать в каталог диска другой жесткий диск или компакт-диск. Эта возможность первоначально существовала в файловых системах Unix-подобных ОС.

Квотирование дискового пространства

Файловая система NTFS, использованная в ОС Microsoft Windows 2000/XP, позволяет квотировать, или ограничивать дисковое пространство, предоставляемое в распоряжение пользователей. Такая возможность особенно полезна при создании файловых серверов.

Ведение журнала изменений

В процессе своей работы операционная система выполняет различные действия над файлами (создание, изменение, удаление). Все такие изменения сохраняются в специальном журнале, созданном на томе NTFS, и могут использоваться программами резервного копирования, системами индексации и т.п. Протоколирование изменений повышает надежность файловой системы, позволяя в ряде случаев продолжить работу после некритичных отказов операционной системы и оборудования. Хотя, конечно, большинство серьезных сбоев приводит к необходимости восстанавливать данные из резервной копии или с применением специальных утилит восстановления данных.

Ограничения NTFS

Несмотря на обилие возможностей, файловой системе NTFS также присущи некоторые ограничения. Впрочем, в большинстве случаев они не играют существенной роли.

Максимальный размер логического диска NTFS составляет примерно 18 446 744 Тбайт, что, очевидно, достаточно для всех современных приложений, а также приложений, которые появятся в ближайшем будущем. Максимальный размер файла еще больше, так что это ограничение также несущественно.

Количество файлов, хранящихся в одном каталоге NTFS, ничем не ограничено, так что здесь тоже есть преимущество перед FAT.

Сравнение NTFS и FAT по скорости доступа к файлам

С точки зрения перспективности, функциональных возможностей, безопасности и надежности NTFS намного опережает FAT. Однако сравнение производительности этих файловых систем не дает однозначного результата, так как производительность зависит от множества различных факторов.

Так как принципы работы и внутренние структуры FAT намного проще, чем NTFS, при работе с небольшими каталогами FAT будет, скорее всего, быстрее. Однако если содержимое каталога настолько мало, что он полностью помещается в одну или несколько записей файла $MFT, или напротив, если каталог очень большой, "победит" NTFS.

Пальма первенства, скорее всего, достанется NTFS при поиске несуществующих файлов или каталогов (т.к. при этом не потребуется полностью просматривать содержимое каталога), при обращении к файлам небольшого размера (объемом порядка сотен байт), а также в случае сильной фрагментации диска.

Для увеличения производительности NTFS можно увеличить размер кластера, однако это может привести к неэкономному использованию дискового пространства при хранении большого количества файлов, размер которых превышает 1-2 Кбайт и составляет десятки Кбайт. При увеличении размера кластера до 64 Кбайт можно получить максимальное повышение производительности, однако придется отказаться от упаковки файлов и применения утилит дефрагментации.

При упаковке файлов, расположенных на дисках небольшого размера (порядка 4 Гбайт), производительность может возрасти, а при сжатии дисков большого размера - уменьшиться. В любом случае упаковка приведет к появлению дополнительной нагрузки на центральный процессор.

Так что же выбрать - FAT или NTFS?

Как видите, NTFS имеет многочисленные преимущества перед FAT, а ее ограничения в большинстве случаев несущественны. Если Вы стоите перед выбором файловой системы, рассмотрите в первую очередь возможность использования NTFS, и только потом - FAT.

Какие могут быть препятствия, затрудняющие замену FAT на NTFS?

Наиболее серьезное препятствие - необходимость использования ОС Microsoft Windows NT/2000/XP. Для нормальной работы этой ОС требуется как минимум 64 Мбайт оперативной памяти и процессор с тактовой частотой не ниже 200-300 Мгц. Впрочем, этим требованиям не удовлетворяют лишь очень старые компьютеры, не способные работать под управлением ОС Microsoft Windows современных версий.

Если же Ваш компьютер может работать в среде Microsoft Windows 2000/XP, и у Вас нет ни одного прикладного приложения, рассчитанного исключительно на ОС Microsoft Windows 95/98/ME, мы рекомендуем Вам при первой же возможности перейти к новой операционной системе, заменив при этом FAT на NTFS.

При этом Вы также получите заметное увеличение надежности работы, т.к. после установки всех необходимых пакетов исправлений (Service Pack), а также корректных версий драйверов периферийных устройств, ОС Microsoft Windows 2000/XP будет работать очень стабильно.

В некоторых случаях приходится совмещать в рамках одного физического диска несколько файловых систем. Например, если на Вашем компьютере установлено три операционные системы Microsoft Windows ME, Microsoft Windows XP и Linux, можно создать три файловые системы - FAT, NTFS и Ext2FS. Первая из них будет "видна" при работе в Microsoft Windows ME и Linux, вторая - только в Microsoft Windows XP, и третья - только в Linux (заметим, что в ОС LINUX существует также возможность доступа к разделам NTFS).

Но если Вы создаете сервер (файловый, базы данных или Web) на базе ОС Microsoft Window NT/2000/XP, то единственным разумным выбором будет NTFS. Только в этом случае удастся добиться необходимой стабильности, надежности и защищенности сервера.

Существует также общепринятое (и на наш взгляд, ошибочное) мнение, что домашним пользователям компьютеров не нужна ни ОС Microsoft Window NT/2000/XP, ни файловая система NTFS.

Конечно, если компьютер применяется исключительно для игр, из соображений совместимости лучше всего установить Microsoft Windows 98/ME и отформатировать диски в FAT. Однако если Вы работаете не только в офисе, но и дома, лучше использовать современные, профессиональные и надежные решения. Это позволит, в частности, организовать защиту от вторжения на Ваш компьютер через Интернет, ограничить доступ к каталогам и файлам с критичными данными, а также повысит шансы на успешное восстановление информации при возникновении различного рода сбоев.