Dateisystem: Einführung

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1 Dateisystem: Einführung Hauptaufgabe des Dateisystems ist der schnelle und zuverlässige Zugriff auf Dateien Problem: Entweder schneller Zugriff oder viel Redundanz beim speichern! Zusätzlich müssen Unterverzeichnisse verwaltet werden Eine Datei wird durch einen Namen ausgewählt DOS: 8 Zeichen für Datei und 3 Zeichen Erweiterung Unix: Keine Erweiterung, 256 Zeichen für Dateinamen Dateinamen müssen (inkl. Pfad) eindeutig sein

2 Dateisystem: Einführung Jede Datei kann mehrere Attribute zugeordnet bekommen: Read Only, Hidden, System, Archive Zugriffserlaubnis, Besitzerangaben, Zugriffszeiten Art der Datei (Programm, Library, Datendatei, ) Folgende Strukturen müssen zusätzlich festgelegt werden, gehören aber nicht mehr zum Dateisystem Wo steht der Boot Lader für das Betriebssystem Wie ist die Festplatte in Partitionen unterteilt

3 Dateisystem: Einführung Im Prinzip würde ein genormtes Dateisystem für alle Computer ausreichen Vorteil: Jeder Datenträger kann mit jedem Betriebsystem gelesen werden Oft hat jedes Betriebssystem ein eigenes Dateisystem Windows PC: Fat16/Fat32/NTFS Linux PC: EXT2 Sun: UFS Amiga: FastFileSystem Jedes Dateisystem hat seine Stärken und Schwächen

4 Dateisystem: Einführung Die Festplatte wird vom Dateisystem in mehrere Bereiche aufgeteilt: Beispiel: Festplatte mit zwei Partitionen: MBR Partition 1: Bootsektor Partition 1: FAT Partition 1: Datenbereich Partition 2: Bootsektor Partition 2: FAT Partition2: Datenbereich

5 Dateisystem: MBR Jede PC Festplatte hat unabhängig vom Betriebssystem den MBR (Master Boot Record): Erster Sektor der Festplatte Enthält ca. 450 Byte Boot Programm (z.b. Lilo) Enthält die Partitionsdaten der vier möglichen Partitionen Ab 0x1BEh stehen 16 Byte für Partition 0 Ab 0x1CEh stehen 16 Byte für Partition 1 Die letzten zwei Bytes sind 0xAAh und 0x55h, sind diese vorhanden, so ist der MBR gültig. Binär ist 0xAAh und 0x55h , so daß diese Muster kaum zufällig entstehen

6 Dateisystem: MBR Die 4*16 Bytes der Partitionstabelle enthalten: Byte 0: 0 oder 128, je nachdem ob die Partition aktiv ist Die aktive Partition wird zum booten verwendet Byte 1-3: Start der Partition in Sektor/Cylinder/Kopf Format Byte 4: Partition ID 0x06h=FAT16, 0xBh=FAT32, 0x0C=Extended Partition FAT32 0x83h=Linux EXT2, 0x82h=Linux Swap Partition Byte 5-7: Ende der Partion in Sektor/Cylinder/Kopf Format Byte 8-11: Partitionsanfang in LBA Byte 12-15: Partitionslänge in Sektoren

7 Dateisystem: Die extended Partition Wenn mehr als vier Partitionen benötigt werden, dann kann eine extended Partition angelegt werden: Verbraucht einen Eintrag im MBR In der extended Partition existiert ein weiterer Bereich (MBR ähnlich), der die extended Partition in weitere Partitionen aufteilt Beispiel DOS: FDISK Ermöglicht genau eine normale Partition (Primäre Partition) Werden weitere Partitionen benötigt, so muß zuerst eine extended Partition angelegt werden Diese kann anschließend in mehrere logische Laufwerke unterteilt werden. Es werden maximal zwei Einträge im MBR verwendet

8 Dateisystem: Boot Sektor Abhängig von der Partition ID (aus dem MBR) ist die eigentliche Partition völlig unterschiedlich aufgebaut Fat12/Fat16/Fat32 Partitionen enthalten zuerst (1. Sektor der Partition) einen Bootsektor Enthält zusätzlichen Boot Code Enthält alle Parameter die für das verwendete Dateisystem notwendig sind Fat12/16 sind gleich aufgebaut Fat32 unterscheidet sich an mehreren Stellen, da es flexibler ist als Fat16

9 Dateisystem: Fat 16 Boot Sektor Auszug aus dem Fat16 Boot Sektor Byte 3-10: Betriebssystem Name Byte 11/12: Bytes pro Sektor (eigentlich immer 512) Byte 13: Sektoren pro Cluster (in 2er Potenzen) Byte 14/15: Reservierte Sektoren vor der ersten FAT Byte 16: Anzahl FATs (siehe Folie FAT) Byte 17/18: Anzahl Directory Einträge im Hauptverzeichnis Byte 21: Media Deskriptor Byte (veraltet) Byte 22/23: Sektoren pro FAT Byte 27-31: Anzahl Sektoren vor Bootsektor Byte 32-35: Anzahl Sektoren für große Partitionen Byte 39-42: Serial Number (nur FAT16) Byte 43-53: Volume Label (nur FAT16)

10 Dateisystem: Fat 32 Boot Sektor Zusätzlich zu den Fat16 Daten: Byte 36-39: Sektoren pro FAT Byte 40/41: Bitkodiert, welche FAT aktuell ist Bit 0-3: aktuelle FAT, Bit 7=0: Alle FAT aktuell Byte 44-47: Hauptverzeichnis Start Cluster Byte 67-70: Serial Number (wird beim DIR Befehl angezeigt) Byte 71-81: Volume Label (wird beim DIR Befehl angezeigt)

11 Dateisystem: Datenbereich Der Datenbereich enthält Die Daten der Dateien Die Verzeichnisstruktur Im Datenbereich sind mehrere Sektoren zu Cluster zusammengefaßt Ein Cluster ist die kleinste verwaltbare Einheit Zwischen 1 und 128 Sektoren pro Cluster möglich Kleine Cluster: Vorteil: Bei vielen Dateien geht wenig Platz verloren Nachteil: Große FAT, evtl. sehr zerstückelte Dateien Große Cluster: Vorteil: FAT ist klein, große Dateien sind nicht so zerstückelt Nachteil: Pro Datei mehr unbenutzte Datenbereiche

12 Dateisystem: FAT In der FAT (File Allocation Table) werden zwei Dinge gespeichert: Welche Cluster der Festplatte sind frei Welche Datei belegt welche Cluster Jeder Eintrag der FAT ist 16/32 Bit lang (FAT16/FAT32) Für jeden Cluster ist ein Eintrag vorgesehen Eine 8 GByte Partition mit 1 Sektor Clustergröße ergibt 16 Mio. Cluster, das sind 64 MByte für eine FAT Bei einer Partition mit 16 Sektoren pro Cluster und Dateien (z.b. Windows 98 mit Office) gehen im Schnitt 64 MByte verloren, da im Schnitt jede Datei 8 Sektoren unbenutzt läßt

13 Dateisystem: FAT32 Jede Datei ist als Clusterkette gespeichert: Datei 1: Beginnt in Cluster 2, dann der Reihe nach: Datei 2: Beginnt in Cluster 5, dann der Reihe nach: 8 Eine 0 steht für Cluster ist frei Ein Wert größer 0xFFFFFFF7 bedeutet, daß die Datei keine weiteren Cluster enthält Bei FAT32 sind eigentlich nur 28 Bit für die Cluster reserviert, die oberen 4 Bit dürfen nicht verwendet werden! Cluster Nummer Enthält Signatur (veraltet) Signatur (veraltet) xFFFFFFF8h 0xFFFFFFF8h 0

14 Dateisystem: Vergleich FAT16/32 FAT16 konnte maximal ca Cluster verwalten Bei maximaler Clustergröße von 128 Sektoren eine maximale Partitionsgröße von: 4 GByte FAT maximal 65000*2 Byte=130 KByte groß FAT32 kann bis zu 2^28=256 Mio. Cluster verwalten Mit 128 Sektoren pro Cluster: 16 Terabyte Festplattengröße durch Bootsektor auf 2^32 Sektoren*512 Byte pro Sektor begrenzt auf: 2 Terabyte IDE Festplatten durch 28 Bit Sektoradresse auf 128 GByte begrenzt Mögliche Lösung für 2. und 3.: Sektorgröße auf z.b.: 8 KByte erhöhen. Dann 4 Terabyte Festplatten mit IDE und Bootsektor!

15 Dateisystem: Hauptverzeichnis Das Hauptverzeichnis hat (bei FAT16) als einziges Verzeichnis eine feste Länge Normalerweise 512 Einträge Mehr Einträge nicht möglich! Cluster Position des Hauptverzeichnisses ist bei FAT32 im Boot Record gespeichert Dadurch wird das Hauptverzeichnis zu einer normalen Datei, und kann auch seine Größe verändern! Ein Directory Eintrag ist immer 32 Byte Pro Sektor 16 Einträge möglich

16 Dateisystem: Hauptverzeichnis Die Einträge im Hauptverzeichnis haben die folgende Struktur (Auszug): Byte 0-7: Dateiname Byte 8-10: Datei Erweiterung (EXE oder so) Byte 11: File Attribute Byte 22/23: Uhrzeit des letzten Schreibzugriffs Byte 24/25: Datum des letzten Schreibzugriffs Byte 26/27: Nummer des ersten Clusters (16 Bit reichen nur bei FAT16!) Byte 20/21: Oberen 16 Bit der Clusteradresse

17 Dateisystem: Hauptverzeichnis Was alles für einen DIR \ getan werden muß: Lesen des MBR um die Partition zu finden Lesen des Bootsektors, für die notwendigen Parameter Länge des Bootbereichs, Länge der FAT, Anzahl der FAT, Position des Hauptverezeichnis (erster Cluster), Anzahl Sektoren/Cluster Lesen des ersten Cluster des Hauptverzeichnisses: PartitionStart+BootBereich+Anzahl FAT*LängeFat+erstercluster*Sektoren/Cluster Ausgabe der Verzeichnisdaten des ersten Clusters Mit Hilfe der FAT weitere Cluster finden und lesen (wenn vorhanden) Das Betriebssystem speichert viele Informationen intern ab, so daß nicht jedesmal alle Parameter neu gelesen werden

18 Dateisystem: Unterverzeichnisse Ein Unterverzeichnis wird im Prinzip wie eine Datei gespeichert: Im Hauptverzeichnis z.b. steht ein Eintrag mit WINDOWS, und der Startcluster ist Die Dateinamen des Verzeichnis WINDOWS stehen dann ab Cluster 1234 (mit der selben Struktur wie das Hauptverzeichnis) Hauptverzeichnis Name Cluster MSDOS.SYS 321 WINDOWS WINDOWS Name Cluster WIN.COM SYSTEM WINDOWS\SYSTEM Name Cluster VGA.DRV 14023

19 Dateisystem: File Attribute Wodurch ist feststellbar, ob eine Verzeichniseintrag ein Verzeichnis oder eine Datei ist? Nachschauen in Byte 11 des Eintrags: File Attribute Bit 6/7: reserviert Bit 5: Archive Flag Bit 4: Directory Flag Bit 3: Volume Label Flag Bit 2: System Datei Flag Bit 1: Versteckte Datei Flag Bit 0: Read Only Flag Ist Bit 4=1, dann ist es ein Verzeichnis! Sonst keine Unterschiede. Datei Größe wird auf 0 gesetzt.

20 Dateisystem: Freier Speicher Wenn eine neue Datei gespeichert, oder eine vorhandene vergrößert werden soll wird freier Speicher benötigt: Möglicherweise reicht der Restplatz in dem letzten Cluster aus Falls nicht: Freien Cluster suchen und FAT entsprechend modifizieren Problem: Wie kann ein freier Cluster (FAT Eintrag=0) gefunden werden, ohne die ganze FAT zu durchsuchen? Lösung: Gar nicht! Es stehen keine weiteren Strukturen zur Verfügung, die dieses Problem lösen Betriebssystem sollte intern entsprechende Strukturen anlegen

21 Dateisystem: Defragmentieren Eine Datei ist fragmentiert, wenn ihre Daten in mehreren Teilen auf der Festplatte gespeichert ist anstatt alle Daten hintereinander Passiert, wenn eine Festplatte lange Zeit nicht formatiert wurde Angfangs nicht fragmentierte Dateien Datei 1: Cluster 1-5, Datei 2: Cluster 6, Datei 3: Cluster 7-9 Jetzt Datei 2 löschen und Datei 4 mit 3 Clustern schreiben: Datei 1: Cluser 1-5, Datei 4: Cluster 6/10/11, Datei 3: Cluster 7-9 Datei 4 ist jetzt fragmentiert! Lösung: Defragmentieren: Dateien werden so angeordnet, daß alle Datencluster hintereinander stehen Datei 1: Cluster 1-5, Datei 3: Cluster 6-8, Datei 4: Cluster 9-11

22 Dateisystem: Zusammenfassung FAT32 kann auch große Festplatten verwalten, FAT16 nicht Einfaches Dateisystem mit allen notwendigen Eigenschaften: Dateien Unterverzeichnisse Keine moderne Konzepte enthalten wie Links Mounten von Speichergeräten Redundante Daten speichern um Datenverlust zu vermeiden

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