2025年12月15日，微软宣布Windows Server 2025将在其存储架构中原生支持NVMe标准。然而，NVMe存储多年来一直是服务器、企业工作站和消费级PC上流行的存储格式，并且自Windows Server 2012 R2和Windows 8.1起就已内置了操作系统兼容性。鉴于此，关于“原生”NVMe支持的公告似乎并不重要，甚至不值得报道，但我们保证，这其中蕴含的意义远不止表面看起来那么简单。
“原生 NVMe”到底是什么意思？
在早期版本的 Windows 消费者版和服务器版存储堆栈中，用于读写数据的命令，无论底层硬件采用何种协议，都会被转换为 SCSI 命令。小型计算机系统接口 (SCSI) 标准可以追溯到 20 世纪 80 年代初，其设计目的是将外围设备和存储驱动器连接到计算机（存储网络行业协会，无日期）。它是多种现代存储协议的基础，这些协议用于各种工作负载，包括网络连接协议，例如 iSCSI（互联网小型计算机系统接口）和 FCP（光纤通道协议），以及本地存储接口，例如 SAS（串行连接 SCSI）和 UASP（USB 连接 SCSI）。
旧路
通过将不同的协议转换为 SCSI 命令，微软在操作系统更高层统一了存储命令。然而，这也牺牲了现代存储架构在可扩展性和性能方面的诸多优势。旧的 I/O 操作路径如下：
- 读写操作在文件系统级别的上层存储堆栈中进行。
- 命令会传递给 Disk.sys 驱动程序。
- Disk.sys 将通用存储命令转换为 SCSI 命令。
- Storport 接收 SCSI 命令并将其发送给相应的 Miniport 驱动程序（例如，SATA 驱动器的 StorAHCI.sys）。
- 相应的微型端口驱动程序直接与存储设备通信，并将其再次转换为适当的存储命令格式。
其他 SCSI 约定，例如用于标识存储设备上数据分区的 LUN（逻辑单元号），也被沿用到 Windows 存储堆栈中，尽管像 NVMe 命名空间这样的新概念已经存在了相当长一段时间（Hands、Worley 和 Lakhveer Kaur，未注明日期）。
新标准
微软为 Windows Server 2025 推出的最新存储架构为 Storport 启用了新功能，并将 Disk.sys 替换为 NVMeDisk.sys，从而提供了一个可扩展、面向未来、高性能的框架。
- 读写操作在文件系统级别的上层存储堆栈中进行。
- 命令直接从 NVMeDisk.sys 传递到 Storport 中的新 StorMQ 代码。
- StorMQ 会为每个读取和写入操作生成相应的 NVMe（或其他存储类型）命令，并将它们直接发送到硬件本身。
（图片来自 Scott Lee 于 2025 年 9 月 16 日在 SNIA 开发者大会上的演讲）
Windows Server 2025 上的这一全新驱动器操作标准消除了一层转换，并与 NVMe、RAID 和 HBA 设备上的存储命令队列完全集成。简化 Windows 存储系统还带来了其他优势，例如通过消除不必要的存储命令转换来降低 CPU 资源占用，并提高逻辑处理器的利用率。新架构采用了其他 NVMe 规范，例如 NVMe 命名空间和即插即用支持。它允许创建特定于供应商或设备类型的存储微型端口驱动程序，并将其“插入”到 Windows 中，从而提高与新型存储设备的兼容性和性能（Lee，SNIA SDC 2025 – Windows 上的存储多队列，2025）。
准备好测试了吗？
在2025年9月16日举行的SNIA开发者大会上，Scott Lee透露，微软已与供应商紧密合作，为RAID卡和HBA等设备开发新的驱动程序。这表明StorMQ的改进即将到来，或者可能已经在许多存储设备上启用。该功能于去年12月宣布正式发布，但新的存储堆栈仅作为可选功能启用，需要添加注册表项。您可以在微软的NVMe原生功能公告文章中查看启用步骤。
警告：错误地修改注册表可能会导致严重问题，因此请务必先在非关键服务器上进行测试。一些启用此功能的用户报告称，启用重复数据删除功能的 NVMe 驱动器存在问题。虽然微软即将发布官方修复程序，但您仍需自行承担风险！
在 Windows Server 2025 上测试原生 NVMe
我们用于评估 Windows Server 2025（操作系统版本 26100.32370）上原生 NVMe 性能的测试平台，采用了一台配备双 SP5 插槽的服务器，该服务器搭载了两颗 128 核 AMD EPYC 9754 CPU。除了多核处理器之外，该服务器还配备了同样令人印象深刻的 768GB DDR5 内存，运行频率为 4800 MT/s。
注：据微软的 Yash Shekar 称，Windows Server 2025 已经发布了一项与原生 NVMe 无关的临时改进，这可能为非原生存储堆栈提供了额外的提升，从而减少了结果之间的潜在差异。
为了评估新型存储堆栈的潜力，我们使用了十五块30.72 TB 的 Solidigm P5316 NVMe SSD，采用 PCIe 4.0 接口，并配置为 JBOD 阵列。需要特别注意的是，Solidigm P5316 的间接单元大小为 64 KB，这意味着对于较小数据块大小（例如 4K 测试），其写入性能通常会低于预期。考虑到较大的间接单元大小，我们运行了 FIO 基准测试，分别测试了随机 4K、随机和顺序 64K 以及顺序 128K 的读写性能，以比较不同数据块大小下的整体速度。此外，我们还在测试过程中监控了 CPU 使用率，以验证微软关于更高效率的说法。
核心亮点
- 大幅提升了 4K 和 64K 随机读取带宽和 IOPS。
- 降低 4K 和 64K 随机读取延迟
- 对于不同块大小的顺序读取和写入操作，CPU 使用率显著降低。
| 米制 | 随机 4K | 随机 64K | 顺序 64K | 顺序 128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | |
| 了解 | ||||||||
| 带宽（GiB/s） | 6.1 | 10.058 | 74.291 | 91.165 | 35.596 | 35.623 | 86.791 | 92.562 |
| IOPS | 1,598,959 | 2,636,516 | 1,217,176 | 1,493,637 | 583,192 | 583,638 | 710,978 | 758,252 |
| 平均延迟（毫秒） | 0.169 | 0.104 | 0.239 | 0.207 | 0.809 | 0.812 | 0.613 | 0.608 |
| CPU 总使用率 (%) | 72.67 | 74.22 | 68.44 | 65.11 | 44.89 | 37.11 | 61.56 | 49.56 |
| 米制 | 随机 4K | 随机 64K | 顺序 64K | 顺序 128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | |
| 填写 | ||||||||
| 带宽（GiB/s） | 1.803 | 1.756 | 7.654 | 7.655 | 44.67 | 50.087 | 50.477 | 50.079 |
| IOPS | 472,725 | 460,383 | 125,391 | 125,406 | 731,859 | 820,603 | 413,495 | 410,232 |
| 平均延迟（毫秒） | 0.992 | 1.028 | 3.814 | 3.816 | 0.399 | 0.558 | 1.022 | 1.149 |
| CPU 总使用率 (%) | 26.00 | 20.67 | 12.22 | 9.33 | 70.44 | 57.78 | 58.44 | 47.33 |
结果分析
首先进行随机 4K 和 64K 读取基准测试，我们观察到读取速度显著提升。在随机 4K 读取测试中，原生存储栈和非原生存储栈之间的速度差距接近 4 GiB/s；在随机 64K 读取测试中，速度提升更是接近 16.9 GiB/s。此外，我们还发现顺序 128K 读取操作的性能也有显著提升，测试结果显示带宽提升了约 5.8 GiB/s。
奇怪的是，我们在随机写入和顺序写入带宽测试中都没有观察到任何显著提升，唯一值得注意的差异是 64K 顺序写入速度提升了约 5.4 GiB/s。大多数测试结果彼此相差不到 100 MiB/s，这表明在性能未提升的情况下，新存储堆栈的性能至少与旧版本保持一致。
由于吞吐量通常与延迟相关，我们也观察到 4K 和 64K 测试中平均随机读取延迟均大幅下降。非原生 4K 随机读取延迟下降了 38.46%，从 0.169 毫秒降至 0.104 毫秒。64K 随机读取测试的下降幅度较小，约为 13.39%。顺序读取操作的延迟变化不大，但随机写入和顺序写入操作的延迟均有所增加，尽管吞吐量相近或更高。
除了随机读取速度的提升，我们的 FIO 测试还揭示了一个有趣的趋势：64K 和 128K 顺序读写操作的总 CPU 使用率显著下降。顺序写入测试的降幅最为显著，64K 顺序写入的 CPU 使用率平均下降了 12.66%，128K 顺序写入的 CPU 使用率也下降了近 11.11%。我们进行的 128K 顺序读取测试也观察到了 12% 的使用率下降，但 64K 顺序读取的 CPU 使用率仅下降了 7.78%。需要考虑的一个因素是，如果 CPU 速度足够快，某些情况下两个堆栈都可能达到存储设备的全部性能；因此，吞吐量可能不会增加，但 CPU 资源使用率会降低。
投资讯息
启用新的存储堆栈后，我们的许多测试结果都存在一定的运行间差异，但我们证实了微软的诸多说法，包括更高的读取带宽、更低的延迟以及全面降低的 CPU 使用率。由于这对沿用数十年的 Windows Server 存储堆栈来说是一次彻底的变革，微软将在 Windows Server vNext 中率先默认启用原生 NVMe。幸运的是，用户可以通过简单的注册表编辑或组策略在 Windows Server 2025 上启用此功能，这使得勇于尝试的服务器管理员能够尽早（在充分了解部署风险的前提下）利用新堆栈的优势。
我们期待在 Windows Server 平台上默认启用原生 NVMe，并希望 NVMe SSD、RAID 卡和 HBA 制造商能够积极参与，将微软的改进提升到一个新的水平！
案例
Hands, J.、Worley, D. 和 Lakhveer Kaur.（无日期）。NVMe 命名空间。检索日期：2025 年 12 月 30 日，来自 NVM Express：https://nvmexpress.org/resource/nvme-namespaces/
Lee, S. (2025年9月15日)。SNIA SDC 2025 – Windows 上的存储多队列。美国加利福尼亚州圣托马斯：存储网络行业协会。2025年12月29日检索自https://www.youtube.com/watch?v=dR-DWrmCba0&t
Lee, S. (2025年9月16日)。Windows上的存储多队列：高性能存储硬件的新堆栈。检索日期：2025年12月29日，来源：SNIA开发者大会：https://www.snia.org/sites/default/files/2025-10/SNIA-SDC25-Lee-Storage-Multi-Queue-On-Windows.pdf
Shekar, Y. (2025年12月15日)。宣布在 Windows Server 2025 中引入原生 NVMe：开启存储性能新时代。(微软) 2025年12月29日检索自 Windows Server 新闻和最佳实践：https://techcommunity.microsoft.com/blog/windowsservernewsandbestpractices/announcing-native-nvme-in-windows-server-2025-ushering-in-a-new-era-of-storage-p/4477353
存储网络行业协会。(无日期)。什么是 SCSI？检索日期：2025 年 12 月 30 日，来源：存储网络行业协会：https://www.snia.org/education/what-is-scsi
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