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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-Sets und anderen Arten von komplexen Speichern wählen. Aber unabhängig von ihren individuellen Besonderheiten behalten sie alle nur viele Datenbits und haben keinen internen Mechanismus, um festzulegen, wo jedes einzelne Bit zu einem bestimmten Zeitpunkt platziert werden soll. Und eine gewisse Logik ist erforderlich, um diese Teile in aussagekräftige Dateien wie Dokumente, Bilder, Datenbanken usw. zu organisieren und sie auf Anfrage einfach abzurufen. Der folgende Artikel bietet einen allgemeinen Überblick über das wichtigste Mittel zur Datenverwaltung auf jedem Speicher, bekannt als Dateisystem, und erklärt, warum es verschiedene Dateisystemtypen gibt.

Inhalt:

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 erhält seine eigenen Zellen.

Traditionell verwenden Computerspeicher das Paar aus einem Sektor und einem In-Sektor-Offset, um auf beliebiges Informationsbyte auf dem Speicher zu verweisen. Ein Sektor ist eine Gruppe von Bytes (normalerweise 512 Bytes), die als minimal adressierbare Einheit physisches Speichers dient. Beispielsweise wird Byte 1040 auf einer Festplatte als Sektor Nr. 3 und In-Sektor-Offset 16 Bytes bezeichnet ([Sektor]+[Sektor]+[16 Bytes]). Dieses Schema wird angewendet, um die Speicheradressierung zu optimieren und eine kleinere Zahl zu verwenden, um auf einen beliebigen Teil der auf dem Speicher befindlichen Informationen zu verweisen.

Um den zweiten Teil der Adresse (In-Sektor-Offset) wegzulassen, werden Dateien normalerweise ab dem Sektorstart gespeichert und belegen ganze Sektoren (z. B.: Eine 10-Byte-Datei belegt den ganzen Sektor, eine 512-Byte-Datei belegt auch den ganzen Sektor, gleichzeitig belegt eine 514-Byte-Datei zwei gesamte Sektoren).

Jede Datei wird in "nicht besetzten" 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 Reihe 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 in Blöcken, nicht in 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:

  • 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 ganze Einheiten gespeichert, sondern in Fragmente unterteilt. Beispielsweise ist ein Volumen vollständig von Dateien mit einer Größe von jeweils etwa 4 Blöcken belegt (z. B. eine Sammlung von Fotos). Ein Benutzer will eine speichern, die 8 Blöcke einnimmt, und löscht daher die erste und die letzte Datei. Dadurch gibt er oder sie den Platz für 8 Blöcke frei, 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 nimmt die "Löcher" freies Speicherplatzes. 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 für alle Gelegenheiten geeignetes Dateisystem vorhanden sein sollte. Die Implementierung solches einheitlichen Formats würde wahrscheinlich vieles erleichtern, ist aber unter den gegenwärtigen Umständen leider nicht praktikabel.

Zunächst einmal gibt es kein Dateisystem, das für alle Arten von Anforderungen am besten angepasst 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:

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

Letzte Aktualisierung: 20. April 2023

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