Die Dateisysteme von macOS

basic concepts of varios file systems of macOS

Wie im Artikel über die Grundlagen von Dateisystemen erwähnt, ist das Betriebssystem einer der Schlüsselfaktoren, die sich auf die Wahl eines geeigneten Speicherformats auswirken. Und wenn es um macOS geht, sind die verfügbaren Optionen durch die geschlossene Natur des Apple-Ökosystems eingeschränkt. Alle modernen Macs mit macOS 10.14 und höher verwenden standardmäßig APFS, das auch mit dem Rest der Apple-Produktlinie geteilt wird – den Geräten, die auf iOS, iPadOS, tvOS und watchOS basieren. Gleichzeitig wird HFS+, der frühere De-facto-Standard, weiterhin unterstützt, um die Kompatibilität mit älteren Maschinen zu wahren. Hier können Sie sich mit diesen beiden Dateisystemtypen und deren Organisationsprinzipien vertraut machen. Außerdem können Sie herausfinden, wie sie mit anderen auf dieser Plattform verwendeten Speichertechnologien zusammenhängen.

Beachten Sie bitte: Obwohl macOS die Formatierung von Wechselmedien in FAT/FAT32 oder exFAT erlaubt und deren Lese-Schreib-Unterstützung bietet, werden diese Dateisysteme im Hinblick auf ihre direkte Relevanz für Microsoft Windows in einem anderen Artikel beschrieben.

Inhalt:

APFS

APFS (Apple File System) wurde 2017 zusammen mit dem Launch von macOS High Sierra 10.13 eingeführt und ausschließlich für die Verwendung mit Apple-Produkten entwickelt, darunter Macs, iPhones, iPads, Apple Watches und Apple TV.

Das Format der neuen Generation zielt darauf ab, effizient mit Flash-Speicher und Solid-State-Laufwerken zu arbeiten. Und das ist keine Überraschung, da die überwiegende Mehrheit der modernen Apple-Geräte SSDs als primären Speicher verwenden. Darüber hinaus adressiert APFS die grundlegenden Probleme von HFS+, seinem Vorgänger auf den oben genannten Appliances, und bietet viele Datenintegritäts- und platzsparende Features.

Das Dateisystem verwendet die Copy-on-Write-Technik, die das Risiko seiner Beschädigung minimiert. Vor APFS wurden die Änderungen direkt in die von den vorhandenen Objekten belegten Speicherblöcke geschrieben. Im Gegensatz dazu überschreibt APFS sie nie an Ort und Stelle – es erstellt ihre Kopien und führt die notwendigen Änderungen an einem neuen Speicherort auf dem Speicher durch, um sicherzustellen, dass alle Änderungen vor möglichen Abstürzen geschützt sind.

APFS stützt sich auf den Container als Hauptelement zum Speichern von Daten. Ein einzelner Container kann mehrere Volumes (Dateisysteme) enthalten, die sich den darin verfügbaren Speicherplatz teilen. Die Informationen über die Anzahl der Blöcke im Container, die Blockgröße usw. werden im Container-Superblock gespeichert, der auch als Einstiegspunkt in jedes Volume fungiert. Die Zuordnung von Blöcken im gesamten Container wird mithilfe einer gemeinsamen Bitmap verfolgt.

Gleichzeitig haben Volumes ihre eigenen Volume-Superblocks und unabhängige Strukturen zum Speichern von Daten und Metadaten. Alle darin enthaltenen Dateien und Ordner werden mithilfe von binären Suchbaumstrukturen verwaltet, die als Datei- und Ordner-B-Bäume bezeichnet werden. Die Nodes in solchen B-Bäumen speichern Schlüssel und Werte.

Der Inhalt jeder Datei wird durch mindestens einen Extent dargestellt, der die Informationen über dessen Startposition und Länge in Blöcken enthält. Alle Extents im Volume werden von einem dedizierten B-Baum verwaltet.

Trotz seiner optimierten Struktur und anderer Vorteile wurde APFS mit Blick auf Flash-Speicher entwickelt und ist möglicherweise nicht die beste Alternative für mechanische Festplatten. Außerdem kann es bei diesen zu übermäßiger Fragmentierung und damit zur Leistungsminderung kommen. Zudem ist es unter vorherigen Versionen von macOS – macOS Sierra 10.12 oder früher – nicht möglich, auf ein APFS-Volume zuzugreifen, was in bestimmten Anwendungsszenarien zu einem Hindernis werden kann.

HFS+

HFS+ (Hierarchical File System Plus), auch bekannt als Mac OS Extended, wurde 1998 mit Mac OS 8.1 veröffentlicht und diente als Standarddateisystem für Mac-Computer sowie für iPod- und Xserve-Produkte, bevor es in macOS High Sierra 10.13 durch APFS ersetzt wurde. Ursprünglich war es nur eine Erweiterung des alten HFS-Formats, das jetzt fast vierzig Jahre alt ist.

HFS+ implementiert den Journaling-Mechanismus, um die Beschädigung seiner Strukturen zu verhindern. Alle Änderungen werden im Journal-Bereich dokumentiert, was die umgehende Wiederherstellung bei unerwarteten Ereignissen wie Stromausfällen ermöglicht.

Eine der Kernstrukturen von HFS+ heißt Volume-Header, der am Anfang eines HFS+-Volumes zu finden ist. Er enthält die allgemeinen Parameter des Dateisystems zusammen mit den Positionen anderer entscheidender Elemente. Die meisten anderen Serviceinformationen sind in speziellen Dateien organisiert, die in verschiedenen Teilen des Volumes zu finden sind und hauptsächlich durch B-Bäume dargestellt werden.

Der gesamte Speicherplatz in HFS+ wird in gleiche Zuordnungsblöcke aufgeteilt. Der Zustand jedes Zuordnungsblocks wird in der Bitmap-ähnlichen Zuordnungsdatei (Allocation File) aufgezeichnet. In der Regel werden solche Blöcke Dateien in zusammenhängenden Gruppen zugeordnet, was dazu beiträgt, deren Fragmentierung zu verringern.

Mit Dateien können zwei Datensätze verknüpft sein. Der eigentliche Inhalt der Datei wird als Daten-Fork bezeichnet, während die zusätzlichen Informationen darüber als Resource-Fork gespeichert werden. Eine zusammenhängende Folge von Blöcken, die zu einem Fork gehören, wird als Extent genannt, das durch seine Startposition und die Anzahl der darin enthaltenen Blöcke dargestellt wird.

Die Katalogdatei (Catalog File) enthält Datensätze für jede Datei und jedes Verzeichnis im Dateisystem. Solche Datensätze umfassen die meisten Metadaten und auch die ersten acht Extents jedes Forks. Weitere Extents, falls vorhanden, werden in der Extents-Überlaufdatei (Extents Overflow File) beibehalten. Und schließlich werden zusätzliche Attribute in Bezug auf Dateien und Ordner in der Attribute-Datei (Attributes File) gespeichert.

Unter anderem unterstützt HFS+ mehrfache Verweise auf den Inhalt derselben Datei, bekannt als harte Links oder Hardlinks. Im Gegensatz zu normalen Dateien benötigen Hardlinks keinen zusätzlichen Speicherplatz – sie existieren in der Katalogdatei als Verweise auf die Originaldatei, die selbst in das versteckte Stammverzeichnis verschoben wird.

Obwohl HFS+ bereits veraltet ist, bietet es den Vorteil der Rückwärtskompatibilität, wodurch der Zugriff auf Computer mit älteren Versionen von macOS erhalten bleibt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass es sehr schnell aus dem Gebrauch fällt.

Hinweis: Die Details zur Möglichkeit der Datenwiederherstellung auf diesen Dateisystemen finden Sie im Artikel über die Besonderheiten der Datenrettung in Abhängigkeit vom Betriebssystem und die Chancen für die Datenwiederherstellung. Wenn Sie an der praktischen Seite des Verfahrens interessiert sind, lesen Sie bitte den Leitfaden zur Datenwiederherstellung unter macOS.

Andere Speichertechnologien von macOS

HFS+ wurde ursprünglich für einfache Anwendungsfälle entwickelt und verfügt nicht über viele der erweiterten Funktionen, die moderne Macs benötigen. Während es in einfachen Setups mit eigenständigen Laufwerken unabhängig funktioniert, ist dieses Dateisystem für komplexere Aufgaben stark auf zusätzliche Technologien angewiesen. Solche Technologien fügen diesem Dateisystem eine Abstraktionsebene hinzu und ermöglichen es ihm, Funktionen zu verwalten, die es alleine nicht bewältigen kann. Im Gegensatz dazu wurde APFS unter Berücksichtigung moderner Speicheranforderungen entwickelt und bietet integrierte Unterstützung für viele Features, die zuvor von externen Lösungen abhängig waren.

Zu den gängigsten in macOS implementierten Features gehören:

  • FileVault – die vollständige Festplattenverschlüsselungstechnologie von Apple, die Daten auf einem Mac vor unbefugtem Zugriff schützen soll. Wenn FileVault in neueren Versionen von macOS, die auf APFS basieren, aktiviert ist, nutzt es die nativen Verschlüsselungsmechanismen von APFS, um den Inhalt ganzer APFS-Volumes zu verschlüsseln (auch als APFS-Verschlüsselung bezeichnet). Im Gegensatz zu seinem Nachfolger erlaubt HFS+ keine Verschlüsselung auf Volumeebene. In diesem Fall wird die Verschlüsselung als separate Schicht hinzugefügt, die von Core Storage bereitgestellt wird, einer weiteren unten beschriebenen Speichertechnologie.

    Hinweis: Folgen Sie bitte der Anleitung, wenn Sie Daten von einem verschlüsselten APFS-Volume retten müssen.

  • Fusion Drive – eine Speicherlösung, die ein herkömmliches Festplattenlaufwerk und ein Solid-State-Gerät zu einer einzigen logischen Einheit kombiniert, um ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Speicherkapazität zu erreichen. Häufig angeforderte Daten werden zur besseren Leistung automatisch auf die SSD verschoben, während selten abgerufene Daten auf der langsameren Festplatte verbleiben. Bei HFS+ ist Core Storage für die Datenplatzierung auf einem Fusion Drive verantwortlich. Auf APFS-basierten Fusion Drives ist diese Funktionalität in das Dateisystem selbst integriert.

    Hinweis: Greifen Sie bitte auf die Anleitung zurück, wenn Sie Daten auf Apple Fusion Drive wiederherstellen müssen.

  • Core Storage – Apples Technologie zur Verwaltung logischer Datenträger, die in macOS-Versionen bis hin zu macOS High Sierra verwendet wird. Es fungiert als Abstraktionsschicht zwischen HFS+ und physischen Laufwerken und ermöglicht erweiterte Speicherkonfigurationen mit diesem Dateisystem. Insbesondere dient es als Grundlage für die Erstellung verschlüsselter Volumes und den Betrieb von Fusion Drive. Mit der Einführung von APFS wurde Core Storage für Volumes, die mit dem neueren Dateisystem formatiert waren, eingestellt.

    Hinweis: Weitere Informationen zu Apple Core Storage finden Sie im Artikel, der diese Technologie erläutert.

  • Apple-Software-RAID – eine integrierte macOS-Funktion, mit der Benutzer RAID-Konfigurationen erstellen und verwalten können, ohne dass ein Hardware-RAID-Controller erforderlich ist. Dabei werden Softwaremechanismen innerhalb von macOS eingesetzt, um mehrere physische Laufwerke in einem einzigen logischen Datenträger zu kombinieren, der je nach gewähltem RAID-Level durch bessere Leistung oder Redundanz auszeichnet. Zu den möglichen Optionen gehören RAID 0 (Striping) und RAID 1 (Spiegelung). RAID kann über das Festplatten-Dienstprogramm oder das Terminal in macOS eingerichtet und mit dem Dateisystem APFS oder HFS+ formatiert werden.

Falls Sie mehr über die nativen Formate anderer gängiger Betriebssysteme erfahren möchten, lesen Sie bitte die folgenden Artikel:

Letzte Aktualisierung: 08. November 2024

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