Die Grundlagen von Dateisystemen

Der Computermarkt bietet vielfältige Möglichkeiten zum Speichern von Informationen in digitaler Form. Je nach Bedarf kann man zwischen Speichermedien wie internen und externen Festplatten, SSDs, Speicherkarten, USB-Sticks, RAID-Systemen und anderen Arten von komplexen Speicherlösungen wählen. Doch unabhängig von ihren individuellen Besonderheiten speichern sie im Grunde alle nur viele Datenbits. Was ihnen fehlt, ist ein interner Mechanismus, der festlegt, wo jedes einzelne Bit zu einem bestimmten Zeitpunkt abgelegt werden soll. Daher ist eine spezifische Logik erforderlich, um diese Bits in sinnvolle Dateien wie Dokumente, Bilder, Datenbanken usw. zu organisieren und sie auf Anfrage problemlos abzurufen. Der folgende Artikel gibt einen allgemeinen Überblick über das wichtigste Mittel zur Datenverwaltung auf jedem Speicher, bekannt als Dateisystem, und erklärt, warum es verschiedene Dateisystemtypen gibt.

Was ist ein Dateisystem?

Das Dateisystem (auf Englisch als file system oder filesystem geschrieben und als FS abgekürzt) ist eine Sammlung von Methoden und Strukturen, die vom Betriebssystem des Computers für die Anordnung von Daten auf jedem digitalen Speichergerät sowie für die Kontrolle über den freien Speicherplatz verwendet werden. Um das Wesen dieser so komplizierten Technologie besser zu verstehen, muss man sich vielleicht mit den Grundprinzipien dahinter vertraut machen.

Zunächst wird jede Computerdatei auf einem Speichermedium (z. B. HDD, SSD, USB-Stick usw.) mit einer bestimmten Kapazität gespeichert. Dieser Speicher kann als linearer Raum angesehen werden, der zum Lesen oder sowohl zum Lesen als auch zum Schreiben digitaler Informationen verfügbar ist. Jedes darin enthaltene Informationsbyte hat einen bestimmten Offset vom Speicherstart, der als Adresse bekannt ist, und kann durch seine Adresse referenziert werden. In dieser Hinsicht kann ein Speicher als Raster mit einem Satz nummerierter Zellen betrachtet werden (jede Zelle ist ein einzelnes Byte). Und jedes auf dem Speicher gespeicherte Objekt belegt dabei eigene Zellen.

Üblicherweise verwenden Computerspeicher ein Paar aus einem Sektor und einem In-Sektor-Offset, um auf ein beliebiges Informationsbyte auf dem Speicher zu verweisen. Ein Sektor ist eine Gruppe von Bytes (normalerweise 512 Bytes oder 4096 Bytes auf neueren Laufwerken mit hoher Kapazität) und dient als minimal adressierbare Einheit physischen Speichers. Zum Beispiel wird Byte 1040 auf einer Festplatte als Sektor Nr. 3 und In-Sektor-Offset 16 Bytes bezeichnet ([Sektor]+[Sektor]+[16 Bytes]). Dieses Schema optimiert die Speicheradressierung und erlaubt es, mit kleineren Zahlen auf einen beliebigen Teil der Informationen auf dem Speicher zuzugreifen.

Um den zweiten Teil der Adresse (In-Sektor-Offset) wegzulassen, werden Dateien normalerweise ab dem Sektorstart gespeichert und belegen ganze Sektoren (z. B. belegt eine 10-Byte-Datei einen ganzen Sektor, ebenso wie eine 512-Byte-Datei, während eine Datei mit 514 Bytes zwei Sektoren benötigt).

Jede Datei wird in "nicht belegten" Sektoren gespeichert und kann später anhand ihrer bekannten Position und Größe gelesen werden. Aber woher weiß das Betriebssystem, welche Sektoren belegt und welche frei sind? Wo werden Größe, Position und Name der Datei gespeichert? Genau dafür ist das Dateisystem verantwortlich.

Als Ganzes ist das Dateisystem eine strukturierte Darstellung von Daten und eine Sammlung von Metadaten, die diese Daten beschreiben. Es wird während des Formatierungsvorgangs auf den Speicher angewendet. Diese Struktur dient dem gesamten Speicher und ist auch Teil eines isolierten Speichersegments – einer Festplattenpartition. Normalerweise arbeitet es mit Blöcken anstelle von Sektoren. Dateisystem-Blöcke sind Gruppen von Sektoren, die die Speicheradressierung optimieren. Im Allgemeinen verwenden moderne Dateisysteme Blockgrößen von 1 bis 128 Sektoren (512-65536 Bytes). Dateien werden gewöhnlich am Anfang eines Blocks gespeichert und nehmen ganze Blöcke ein.

Neben den bereits erwähnten Aufgaben übernimmt das Dateisystem auch folgende Funktionen:

• Zuordnung von Blöcken für neue Dateien;

• Zuweisung von Namen und anderen mit einer Datei verbundenen Eigenschaften;

• Gruppierung von Dateien in Verzeichnisse;

• Lesen und Schreiben des Inhalts der vorhandenen Dateien;

• Durchführung von Löschen der Dateien.

Ständige Schreib-/Löschvorgänge auf dem Speicher können dessen Fragmentierung verursachen. Dateien werden also nicht als zusammenhängende Einheiten gespeichert, sondern in Fragmente unterteilt. Angenommen, ein Volumen ist vollständig mit Dateien belegt, die jeweils etwa 4 Blöcke groß sind (z. B. eine Sammlung von Fotos). Ein Benutzer möchte eine Datei speichern, die 8 Blöcke beansprucht, und löscht dafür die erste und die letzte Datei. Dadurch stehen zwar 8 Blöcke zur Verfügung, aber das erste Segment befindet sich in der Nähe des Speicheranfangs und das zweite – in der Nähe des Speicherendes. In diesem Fall wird die 8-Block-Datei in zwei Teile (4 Blöcke für jeden Teil) aufgeteilt und belegt die beiden freien Bereiche. Die Informationen über beide Fragmente als ihre Teile werden im Dateisystem gespeichert.

Zusätzlich zu den Daten des Benutzers enthält das Dateisystem auch seine eigenen Parameter (z. B. Blockgröße), Dateideskriptoren (einschließlich ihrer Größe, Speicherorte, Fragmente usw.), Namen und Verzeichnishierarchie. Es kann auch Sicherheitsinformationen, erweiterte Attribute und andere Eigenschaften speichern.

Dateisysteme sind jedoch nicht alle gleich. Sie können sich erheblich in ihren Datenorganisationsstrategien sowie in Merkmale wie Leistung, Stabilität und Zuverlässigkeit unterscheiden. Einige von ihnen können auch nur für bestimmte Einsatzmöglichkeiten geeignet sein.

Warum gibt es verschiedene Dateisystemtypen?

Bei der Formatierung eines Speichermediums werden einem Benutzer häufig mehrere Dateisystemoptionen präsentiert, die als Typen oder Formate bezeichnet werden. Die Anzahl der Varianten mag überwältigend erscheinen und wirft natürlich die Frage auf, warum nicht ein einziges, universell einsetzbares Dateisystem existiert. Die Einführung eines solchen einheitlichen Formats würde wahrscheinlich vieles vereinfachen, ist aber unter derzeitigen Umständen leider nicht praktikabel.

Zunächst einmal gibt es kein Dateisystem, das für alle Arten von Anforderungen ideal geeignet wäre. Jedes von ihnen hat seine eigenen Stärken und Schwächen, die je nach Situation, in der das Medium formatiert wird, berücksichtigt werden sollten. Einige von ihnen sind für den allgemeinen Gebrauch optimal, während andere bestimmten Zwecken dienen oder auf einen bestimmten Gerätetyp abzielen. Darüber hinaus entwickeln sich Technologien Schritt für Schritt, und neuere Dateisysteme werden schneller, widerstandsfähiger, lassen sich besser auf größere Speichergeräte skalieren und erhalten fortschrittlichere Features als ihre Vorgänger.

Zweitens ist das Dateisystem eng mit dem Betriebssystem verknüpft, und letzteres spielt eine große Rolle bei der Wahl eines geeigneten Formats. In der Regel unterstützt jedes Betriebssystem seine eigenen Dateisysteme, an denen auch die Entwickler dieses Betriebssystems arbeiten. Daher bieten Open-Source-Umgebungen eine Vielzahl von Dateisystemen, während proprietäre – nur wenige Alternativen. Um mehr über die gängigen nativen Formate moderner Betriebssysteme zu erfahren, lesen Sie bitte den entsprechenden Artikel:

• Die Dateisysteme von Windows: FAT/FAT32, exFAT, NTFS, ReFS, HPFS

• Die Dateisysteme von macOS: HFS+, APFS

• Die Dateisysteme von Linux: Ext2, Ext3, Ext4, XFS, Btrfs, F2FS, JFS, ReiserFS

• Die Dateisysteme von BSD, Solaris, Unix: UFS, ZFS

Es gibt auch eine spezielle Kategorie von Dateisystemen, die in verteilten Umgebungen wie Storage-Area-Networks eingesetzt werden:

• Geclusterte Dateisysteme

Im Allgemeinen kann die Dateisystemvielfalt als positiver Aspekt angesehen werden. Dies ermöglicht Entwicklern, die Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit des Speichers für ihre jeweiligen Plattformen zu optimieren, während Benutzer auch Formate wählen können, die am besten an ihre spezifischen Bedürfnisse angepasst sind. Allerdings führt die Verwendung unterschiedlicher Dateisystemtypen auch zu Kompatibilitätsproblemen, insbesondere beim Zugriff auf oder der Übertragung von Dateien zwischen verschiedenen Umgebungen. Wenn die Daten auf einem nicht unterstützten Dateisystem gespeichert sind, kann das Betriebssystem sie nicht korrekt lesen und zum Abrufen der nicht zugänglichen Dateien ist spezielle Software erforderlich.

Dieser Umstand kann auch Hindernisse für die Datenwiederherstellung darstellen. Wie bereits erwähnt, hat jedes Dateisystem seine eigenen Besonderheiten. Es organisiert die Daten auf dem Speichermedium auf bestimmte Weise, verwendet spezielle Formate zur Speicherung seiner Metadaten und hat eigene Regeln für den Umgang mit gelöschten Dateien. Datenrettungssoftware muss daher die spezifischen Eigenschaften jedes Dateisystems kennen und in der Lage sein, dessen wesentliche Strukturen zu interpretieren und nachzubilden, was spezielle Analysealgorithmen erfordert. Um flexibel und unabhängig vom zugrunde liegenden Speicherformat Daten wiederherstellen zu können, muss solche Software eine breite Palette von Dateisystemen unterstützen.

Vor diesem Hintergrund werden UFS Explorer und Recovery Explorer als effektive und zuverlässige Datenrettungslösungen mit außergewöhnlich umfassender Dateisystemkompatibilität empfohlen. Die Programme arbeiten reibungslos auf verschiedenen Betriebssystemen und können gelöschte, verlorene oder unzugängliche Dateien auf einer Vielzahl von Geräten wiederherstellen, die mit unterschiedlichen Dateisystemen von Windows, Linux, macOS, Unix, BSD und Solaris formatiert sind.

Letzte Aktualisierung: 04. November 2024