exFAT（拡張ファイルアロケーションテーブル）は、USBフラッシュドライブやSDカードなどのフラッシュメモリに最適化されたファイルシステムで、 2006年にマイクロソフトによって導入されました。 [ 7 ] exFATは、マイクロソフトが仕様を公開した2019年8月28日までは独自のものでした。[ 8 ]マイクロソフトは、その設計のいくつかの要素について特許を所有しています。[ 2 ]

exFAT は、 NTFS が実現可能なソリューションではない場合 (データ構造のオーバーヘッドのため) で、標準のFAT32ファイル システムよりも大きなファイル サイズの制限(つまり 4  GB ) が必要な 場合に使用できます。

exFAT は、32 GBを超える SDXCおよびSDUCカードのデフォルトのファイル システムとしてSD アソシエーションによって採用されています。

歴史

exFATは、2006年後半に組み込みWindowsオペレーティングシステムであるWindows CE 6.0の一部として導入されました。通常のWindowsへのサポートは、2008年2月4日にリリースされたWindows Vista Service Pack 1およびWindows Server 2008で追加されました。その後、 Windows XPおよびWindows Server 2003向けのアップデートがリリースされました。

ライセンス契約を締結しているベンダーのほとんどは、組み込みシステムのメーカー、またはexFATでフォーマットされたメディアを製造するデバイスメーカーです。exFATを含むファイルアロケーションテーブル（FAT）ファミリー全体が組み込みシステムに利用されているのは、軽量で、メモリと消費電力が少ないソリューションに適しており、ファームウェアへの実装が容易なためです。

特徴

ファイルサイズの参照は 4 バイトではなく 8 バイトで保存されるため、ファイルサイズの制限が16エクサバイト(EB) ( 2 64 − 1 バイト、約10 19バイト。これは、最大ボリュームサイズの128 PB ( [ nb 2 ]または2 57 − 1 バイト) によって制限されます。これは、標準の FAT32 ファイル システムでの4 GB ( 2 32 − 1 バイト)から引き上げられたものです。 [ 1 ]したがって、一般的なユーザーにとっては、4 GB を超えるファイルについて、 Windows、Linux、およびmacOSプラットフォーム間でシームレスな相互運用が可能になります。

exFAT ファイル システムのその他の仕様、機能、要件は次のとおりです。

  • 大容量ディスクへの拡張性: 最大約128PB (2 57 − 1 バイト) [ 9 ] [ nb 1 ]、推奨最大値512TB  ( 2 49 − 1バイト)。これは標準FAT32パーティションの32ビット制限(セクターサイズ512バイトで2TB)から引き上げられたものである。[ 10 ]
  • ディレクトリあたり最大2,796,202個のファイルをサポートします。[ 2 ] [注3 ] MicrosoftはFAT32実装においてサブディレクトリあたり65,534（2の16乗 −2乗）個のファイルという制限を定めていますが、他のオペレーティングシステムではFAT32ディレクトリ内のファイル数に特別な制限はありません。他のオペレーティングシステムのFAT32実装では、利用可能なクラスタ数まで無制限のファイル数が許可されています（つまり、長いファイル名を持たないボリュームでは最大268,304,373個のファイル）。[注4 ]
  • ボリューム C 上のファイルの最大数は 4,294,967,285 （2 32 − 11、標準 FAT32 の約2 28 − 11 [注 4 ]から増加）。
  • 空き領域ビットマップの導入により、空き領域の割り当てと削除のパフォーマンスが向上しました。
  • 作成時間と変更時間のタイムスタンプの粒度は10 ミリ秒（FATの2秒から短縮されましたが、 NTFSの100ナノ秒ほど細かくはありません）。 [ 2 ]
  • 最終アクセス時間のタイムスタンプの粒度が 2 倍の秒数になりました (FAT では日付のみでした)。
  • タイムスタンプにはUTCからのオフセットでタイムゾーンマーカーが付きます（ Vista SP2以降）。[ 11 ]
  • アクセス制御リストのオプションサポート（現在Windowsデスクトップ/サーバー版ではサポートされていません）。[ 12 ]
  • トランザクション ファイル システム標準であるTexFATのオプション サポート(オプションでWinCEでアクティブ化される機能、Windows デスクトップ/サーバー バージョンではサポートされません)。
  • FAT テーブルの境界整列オフセット。
  • データ領域の境界揃えオフセット。
  • 特定のデバイス特性に合わせてファイルシステムをカスタマイズするためのOEM定義可能なパラメータを提供します。[ 13 ] [ 14 ]
  • 有効データ長 (VDL): 2 つの異なる長さフィールド (1 つは「割り当て領域」用、もう 1 つは「有効データ」用) を使用することで、exFAT は、以前ディスク上にあったデータを漏らすことなくファイルを事前割り当てできます。
  • クラスターサイズは最大32MB。[ 15 ]
  • チェックサムによるメタデータの整合性。
  • テンプレートベースのメタデータ構造。
  • サブディレクトリに表示される物理エントリ.と..ディレクトリ エントリを削除します。
  • exFAT はディレクトリ構造に短い8.3 ファイル名参照を保存せず、ネイティブで拡張ファイル名を使用しますが、従来の FAT バージョンではVFAT拡張子を通じて拡張ファイル名を実装します。

Windows XPでは更新プログラム KB955704 がインストールされている必要があり、Windows Vista ではSP1 がインストールされている必要があります。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Windows Vista では、 ReadyBoostに exFAT ドライブを使用することができません。Windows 7 ではこの制限がなくなり、4 GB を超える ReadyBoost キャッシュが有効になりました。[ 18 ] Windows 10 では、デフォルトのユーザー インターフェイスを使用して、32 GB を超えるサイズの非リムーバブル ボリュームでのみ exFAT および NTFS をフォーマットでき、それより小さいボリュームでは FAT32 フォーマットが推奨されます。コマンド ライン ユーティリティでは、ボリュームが 32 GB を超える場合、FAT32 を使用したクイック フォーマットが受け入れられません。

標準的なexFAT実装はジャーナリングされておらず、単一のファイルアロケーションテーブルと空き領域マップのみを使用します。FATファイルシステムでは、書き込み中にメディアが取り出された場合でもファイルシステムを復元できるように、交互テーブルが使用されています（リムーバブルメディアでは実際に頻繁に発生します）。オプションのTexFATコンポーネントは、追加のバックアップテーブルとマップのサポートを追加しますが、サポートされない場合があります。

exFAT形式では、4GBを超える個々のファイルに対応しているため、HDビデオの長時間連続録画が容易になります。HDビデオは1時間以内に4GBの制限を超えることもあります。FAT32形式のデジタルカメラでは、ビデオファイルを約2GBまたは4GBの複数のセグメントに分割します。

EFSはWindows 10 v1607およびWindows Server 2016以降でサポートされています。[ 19 ]

効率

UHS-Iで動作するSDXCカードは最低10MB/秒の書き込み速度が保証されていますが、exFATはクラスタ割り当てにおけるファイルシステムのオーバーヘッドを削減することで、このスループットの実現に貢献しています。これは、各クラスタの予約状態（予約済み/空き）を1ビットで追跡する独立したクラスタビットマップを導入することで実現され、本来この目的に使用されていたはるかに大きなFATへの書き込みを削減します。

さらに、ディレクトリレコード内の1ビットはファイルが連続している（断片化されていない）ことを示し、exFATドライバにFATを無視するよう指示します。この最適化は他のファイルシステムのエクステントに似ていますが、ファイルの連続した部分ではなく、ファイル全体にのみ適用される点が異なります。

採択

exFATは、Windows XPおよびWindows Server 2003（更新プログラムKB955704適用）、[ 1 ] Windows Vista Service Pack 1以降、[ 20 ] Windows Server 2008以降（Server Coreを除く）、[ 21 ] macOS 10.6.5以降、Linux（FUSE経由またはカーネル5.4以降ネイティブ）、iPadOSおよびiOS 13.1以降でサポートされています。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

企業は、カメラ、ビデオカメラ、デジタルフォトフレームなど、特定の消費者向けデバイスにexFATを定額料金で導入できます。携帯電話、PC、ネットワーク機器には、異なるボリューム価格モデルが適用されます。[ 7 ]

exFATは、現代の薄型テレビ、[ 25 ]メディアセンター、ポータブルメディアプレーヤーなど、多くのメディアデバイスでサポートされています。[ 26 ]

exFATはSDXCカードの公式ファイルシステムです。そのため、ニンテンドー3DSなど、exFATをサポートしていないデバイスは、SDXCカードをFAT32または該当デバイスに紐付けられた独自のファイルシステムでフォーマットすることで大容量ストレージデバイスとしてサポートしているにもかかわらず、法的にSDXC対応であると宣伝することはできません。

USBペンドライブ、コンパクトフラッシュ（CF）、ソリッドステートドライブ（SSD）などのフラッシュメディアを製造する一部のベンダーは、あらゆるデバイスとの互換性を確保するため、一部の大容量メディアをexFATファイルシステムでフォーマット済みの状態で出荷しています。例えば、Sandiskは256GBのCFカードをexFATで出荷しています。

マイクロソフトは、ブラックベリー[ 27 ] [ 28 ]パナソニック、三洋電機、ソニー、キヤノン、アスペンアビオニクス[ 29 ]オーディオボックス、コンチネンタル、ハーマン、LGオートモーティブ[ 30 ] BMW [ 31 ]とライセンス契約を結んでいる。

Mac OS X Snow Leopard 10.6.5以降では、exFATファイルシステムの作成、読み取り、書き込み、検証、修復が可能です。[ 22 ] [ 23 ]

Linuxは2009年からFUSE経由でexFATをサポートしています。[ 4 ] 2013年にサムスン電子はGPLの下でexFAT用のLinuxドライバーを公開しました。[ 32 ] 2019年8月28日、マイクロソフトはexFAT仕様を公開し[ 8 ] 、 Open Invention Network （OIN）メンバーに特許をリリースしました。[ 33 ] Linuxカーネルは2019年11月の5.4リリースでネイティブexFATサポートを導入しました。[ 34 ]

ChromeOSはexFATパーティションの読み書きが可能です。[ 35 ]

OpenHarmonyオペレーティングシステムは、2021年12月のバージョン3.1以降、HarmonyOSプラットフォームと並んでHarmonyOS NEXTベータアップデートでexFATパーティションの読み取りと書き込みのネイティブサポートが追加されました。[ 36 ]

技術仕様

ファイル名の検索

exFATは、特定のケースを高速化するためにファイル名ハッシュベースの検索フェーズを採用しており、これは米国特許「Quick File Name Lookup Using Name Hash」に記載されています。[ 2 ]この文書の付録Aには、ファイルシステムを理解するのに役立つ詳細が記載されています。

ファイルとクラスタの事前割り当て

NTFSと同様に、exFATはディスク上の任意の領域を「割り当て済み」としてマークするだけで、ファイルにディスク領域を事前に割り当てることができます。exFATは各ファイルに対して、ディレクトリ内の2つの独立した64ビットフィールドを使用します。1つはファイルの実際のサイズを示す有効データ長（VDL）で、もう1つは物理データ長です。

新規ファイル用のクラスタストレージの割り当てを改善するため、マイクロソフトは連続したクラスタを事前に割り当て、FATテーブルの更新を回避できる手法を組み込みました。この手法は2013年12月10日に特許を取得しました。[ 37 ] exFAT（組み込みシステムにおけるexFAT実装で使用）の機能の一つは、ファイルシステムのメタデータ更新における複数のステップをアトミックに処理するトランザクションを提供します。この機能はTransaction Safe FAT（TexFAT）と呼ばれ、2009年11月3日に特許を取得しました。[ 38 ]

ディレクトリファイルセット

exFAT および他の FAT ファミリのファイル システムでは、ファイル検索にB ツリーを使用する NTFS とは異なり、ファイル名にインデックスを使用しません。ファイルにアクセスすると、一致が見つかるまでディレクトリを順番に検索する必要があります。ファイル名が 16 文字未満の場合は、ファイル名レコードが 1 つ必要ですが、ファイル全体は 32 バイトのディレクトリ レコード 3 つで表されます。これはディレクトリ ファイル セットと呼ばれ、256 MB のサブディレクトリには最大 2,796,202 個のファイル セットを保存できます (ファイル名が長い場合はこの数は減りますが、これは最小の 3 レコードのファイル セットに基づく最大値です)。ディレクトリ (ルートを含む) の順番検索を向上させるために、ファイル名のハッシュ値が各ファイルに対して生成され、ディレクトリ レコードに保存されます。ファイルを検索する際、ファイル名はまず大文字テーブルを用いて大文字に変換され（ファイル名は大文字と小文字を区別しません）、その後、独自の特許取得済みアルゴリズムを用いて16ビット（2バイト）のハッシュ値に変換されます。ディレクトリ内の各レコードは、ハッシュ値を比較することで検索されます。一致するレコードが見つかると、ファイル名が比較され、ハッシュの衝突が発生した場合でも適切なファイルが見つかったことが確認されます。これにより、各ファイルで比較するデータが2バイトのみになるため、パフォーマンスが向上します。ほとんどのファイル名は2文字（バイト）以上であり、目的のファイルが見つかるまで、事実上すべての比較は一度に2バイトのみで実行されるため、CPU負荷が大幅に軽減されます。

メタデータとチェックサム

exFATはチェックサムの使用を通じてメタデータの整合性を実現します。現在使用されているチェックサムは3種類あります。

  1. ボリュームブートレコード（VBR）は、ブートレコード、BIOSパラメータブロック（BPB）、OEMパラメータ、およびチェックサムセクターを含む12セクターの領域です。（VBRには、メインVBRとバックアップVBRの2種類の領域があります。）チェックサムセクターは、ブートセクターの3バイト（フラグと使用率）を除く、前の11セクターのチェックサムです。これにより、VBRが変更されたかどうかを判断して、VBRの整合性を確保します。最も一般的な原因はブートセクターウイルスですが、VBRのその他の破損も検出できます。
  2. 2つ目のチェックサムは、大文字変換テーブルに使用されます。これは静的なテーブルであり、変更されることはありません。このテーブルは、ファイル検索時にファイル名を大文字に変換するために使用されるため、テーブルに破損があると、ファイルの検索ができなくなる可能性があります。
  3. 3つ目のチェックサムはディレクトリファイルセットにあります。複数のディレクトリレコードが1つのファイルを定義するのに使用され、これをファイルセットと呼びます。このファイルセットには、ファイル名、タイムスタンプ、属性、データの最初のクラスタ位置のアドレス、ファイルの長さ、ファイル名などのメタデータが含まれます。チェックサムはファイルセット全体に対して計算されるため、ディレクトリファイルセットが誤ってまたは悪意を持って変更された場合、不一致が発生します。

ファイルシステムがマウントされ、整合性チェックが行われると、これらのハッシュが検証されます。マウント時には、ドライバーによるexFATファイルシステムのバージョン比較も行われ、マウント対象のファイルシステムとドライバーの互換性が確認され、必要なディレクトリレコードが欠落していないことが確認されます（例えば、大文字小文字変換テーブルとアロケーションビットマップのディレクトリレコードは必須であり、これらが欠落しているとファイルシステムは動作しません）。これらのチェックのいずれかが失敗した場合、ファイルシステムはマウントされませんが、場合によっては読み取り専用でマウントされることがあります。

ファイルシステムは、汎用レイアウトと汎用パターンを使用したテンプレートベースのメタデータ定義を通じて拡張性を提供します。[ 39 ] [ 40 ]

フラッシュの最適化

Microsoft によれば、exFAT にはフラッシュに適した機能が含まれています。

  • ファイルシステム構造の境界アライメント。FATとクラスターヒープのオフセットはフォーマット時に調整可能であり、これらの領域への書き込みは可能な限り少ないフラッシュブロックで行われるようになります。
  • 「OEMパラメータ」フィールドは、基盤となるストレージのブロックサイズなどの特性を記録するために使用できます。フラッシュストレージについては、1つのタイプが事前に定義されています。[ 41 ]
  • ジャーナルがないので、書き込まれるデータが少なくなります。(ただし、FAT32 にもジャーナルはありません。)

最初の機能は、フォーマットソフトウェアのサポートが必要です。準拠した実装では、既存のオフセットに従います。OEMパラメータは無視できます。実装では、摩耗を軽減するためにTRIMを使用することもできます。

その他の実装

exFATは2019年にマイクロソフトが仕様を公開しOIN会員に特許の使用を許可するまでプロプライエタリなファイルシステムだった。[ 45 ]このドキュメント不足と特許侵害訴訟の脅威（以前マイクロソフトがVFATの長いファイル名の特許（期限切れ前）で様々な企業を訴えた際に起こったような）がexFAT用の無料およびオープンソースのドライバーの開発を妨げ、LinuxディストリビューションではユーザーにexFATドライバーの入手方法さえ説明できない状況に陥った。したがって、exFATの公式サポートは事実上マイクロソフト自社製品とマイクロソフトのライセンシーの製品に限定されていた。これにより、ベンダーにとってはマイクロソフトに金銭を支払ったり訴訟のリスクを負ったりするよりもFAT32に頼る方が安全で簡単だったため、exFATは汎用的な交換フォーマットとして採用されにくくなった。

相互運用性には、特定の結果が特定の事前定義された方法（アルゴリズム）で達成されることが必要である。 exFAT の場合、これはすべての実装が Microsoft の実装とまったく同じ方法で特定の手順を実行することを要求する可能性がある。 Microsoft の実装で使用される手順の一部は特許取得済みであり、これらの特許は Microsoft が所有している。[ 46 ]これらのアルゴリズムを使用するライセンスは Microsoft から購入することができ、[ 47 ] [ 46 ] Apple、Google、Samsungなどの一部の企業が そうしている。[ 48 ]ただし、オープンソースエコシステムでは、特許ライセンスの支払いを嫌がるベンダーに対して、ユーザーは非公式なソースから自分たち用の実装を調達することで対応するのが一般的である。 たとえば、MP3 の特許がまだ有効だったときにLAMEで起こったのがこれである。 （あるいは、ユーザーがその機能が重要ではないと判断する場合もある。）

オープンソースかどうかに関わらず、マイクロソフトは「exFATを実装し、製品やデバイスで使用するにはライセンスが必要」と述べている。[ 46 ] exFATドライバをライセンスなしで配布した場合、そのドライバがマイクロソフトの特許を侵害していることが判明した場合、配布者は金銭的損害賠償責任を負うことになる。[ 49 ] [ 50 ]特許は執行可能ではないかもしれないが、これは法的手続きを通じてのみ判断でき、費用と時間がかかる。また、マイクロソフトの特許を侵害することなく意図した結果を達成できる可能性もある。[ 51 ] 2018年10月、マイクロソフトはLinuxシステムに関する特許6万件をOINメンバーに公開したが、当時はexFATの特許は含まれていなかった。しかし、マイクロソフト社内ではLinuxデバイスでexFATを許可すべきかどうかについて議論があり[ 52 ] [ 53 ]、最終的にマイクロソフトはオープン利用のための公式仕様を公開し[ 8 ]、2019年8月にexFATの特許をOINに公開しました。[ 33 ]

実装リスト

FUSEベースの実装であるfuse-exfatまたはexfat-fuse [ 4 ]は、FreeBSD、複数のLinuxディストリビューション、および古いバージョンのMac OS Xで読み書きサポート付きで利用可能です。TRIMをサポートしています。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] fuse-exfatをベースにしたexFATFileSystemと呼ばれる実装は、AmigaOS 4.1で利用可能です。[ 59 ]

Samsung Electronicsによる Linux カーネル実装が公開されている。[ 60 ]これは当初GitHubで意図せず公開されたが[ 61 ]、後に Samsung が2013 年にGPLv 2に準拠して公式に公開した。 [ 62 ] [ 63 ]（Samsung からのライセンスでは Microsoft の特許権が削除されないため、このリリースでは exFAT がロイヤリティフリーになるわけではない。）[ 64 ] [ 65 ]このドライバのバージョンは、Linux カーネルのバージョン 5.4 に初めて組み込まれた。[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]いくつかのバグが修正され、信頼性が向上した、はるかに新しいバージョンのドライバがカーネル 5.7 に組み込まれた。[ 69 ] [ 42 ]この新しいバージョンは、Linux カーネルに統合される前に、すでに Android スマートフォンに採用されており、その後も Linux と Android の両方で使用され続けた。[ 70 ] [ 71 ]

Microsoft exFAT実装からライセンス供与され派生した独自の読み取り/書き込みソリューションは、Android、[ 72 ] Linux、およびParagon Software GroupとTuxeraの他のオペレーティングシステムで利用できます。

XCFiles（Datalight社製）は、32ビットシステムへの移植を目的とした、独自のフル機能実装です。[ 73 ] Rtfs（EBS Embedded Software社製）は、組み込みデバイス向けのフル機能実装です。[ 74 ]

DOS向けには、実験的な非公式ソリューションが2つあります。ロード可能なUSBEXFATドライバは、パナソニックのDOS用USBスタックを必要とし、USBストレージデバイスでのみ動作します。オープンソースのEXFAT実行ファイルはexFATファイルシステムリーダーであり、動作にはHX DOSエクステンダーが必要です。 [ 75 ] exFATボリュームの使用や起動を可能にするネイティブexFATリアルモードDOSドライバは存在しません。

exFATファイルシステムのラベル名の変更はMicrosoft Windows Explorerによってネイティブにサポートされていますが、Linuxexfatlabelはとtune.exfatツール（どちらもexfatprogsの一部）に依存しています。 [ 76 ]

参照

注記

  1. ^ a b理論上の最大ボリュームサイズは、最大2 32  − 11 個のクラスター（クラスターあたり最大2 25バイト、約128 PB）で定義されます。クラスター数は32ビット整数に制限されます。クラスターサイズはデータ型によって制限されません。LBA48アドレス指定方式 を考慮して設定されていると考えられます。512バイトのセクターサイズでは、2 48 × 512 = 2 57 バイト = 128 PBしかアドレス指定できません。
  2. ^ a b MicrosoftはKB955704で異なる値を公開していますが、ファイルサイズはバイト単位で、64ビット数値として保存されます。理論上の最大ファイルサイズは16 EB - 1バイトで、これはNTFSと同じです。ただし、現在の仕様では最大ボリュームサイズが約128 PBを超えることができないため、ファイルがそのファイルサイズに達することはありません。
  3. ^ディレクトリの最大サイズが 256 MB であるため、この制限が適用されます。
  4. ^ a b 268,304,373 ファイル = 2 28 − 11 予約済みクラスタ − 131,072。これは、VFAT LFN がない場合の 268,435,445 個のディレクトリエントリ（32 バイト）に必要な 64 KB クラスタの最小数です。VFAT LFN は、1 バイトから 65,535 バイトのサイズを持つ 268,435,445 個のファイルに必要なものです。VFAT を使用する場合、131,072 という数値に 21 を掛ける必要があり（最悪の場合）、結果として 265,682,933 個のファイルになります。

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