Teil des Betriebssystems, der sich mit der physischen und logischen Aufteilung und Strukturierung der Datenträger beschäftigt

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1 WAS IST EIN DATEISYSTEM? Teil des Betriebssystems, der sich mit der physischen und logischen Aufteilung und Strukturierung der Datenträger beschäftigt definiert, wie Dateien auf HD abgelegt werden (Blockgröße, zusammenhängend oder fragmentiert) definiert Listen, welche die Speicherposition der Dateien enthalten (für Zugriff auf die Dateien notwendig) jedes Betriebsystem verwendet ein anderes Dateisystem => Zugriff auf Daten andere Betriebssysteme unter Umständen relativ schwierig DAS FAT DATEISYSTEM FAT ist das bei weitem einfachste der von Windows NT unterstützten Dateisysteme. Das Charakteristikum des FAT-Dateisystems ist die FAT (File Allocation Table - Dateizuordnungstabelle). Dabei handelt es sich um eine Tabelle, die sich "an der Spitze" des Datenträgers befindet. Als Schutzmaßnahme für den Datenträger werden zwei Exemplare der FAT angelegt für den Fall, dass eine FAT beschädigt wird. Darüber hinaus müssen die FAT-Tabellen und das Stammverzeichnis an einem festen Speicherort gespeichert sein, damit die Boot-Dateien des Systems ordnungsgemäß gefunden werden können. Eine FAT formatierte Festplatte wird in Cluster eingeteilt, deren Größe von der Größe des Datenträgers abhängt. Wenn eine Datei angelegt wird, wird im Verzeichnis ein Eintrag angelegt, und die Nummer des ersten Clusters, das Daten enthält, wird festgelegt. Der Eintrag in der FAT-Tabelle gibt entweder an, dass es sich bei diesem Cluster um das letzte in der Datei handelt, oder er verweist auf das nächste Cluster. Die FAT lässt sich mit dem Inhaltsverzeichnis eines Buchs vergleichen - das Betriebssystem schlägt hier eine Datei nach und stellt fest, in welche Cluster auf der Festplatte die Datei geschrieben wurde. Laufwerkgrösse (logischer Datenträger) FAT-Typ Sektoren pro Cluster 0 MB 15 MB 12-Bit MB 127 MB 16-Bit MB 255 MB 16-Bit MB 511 MB 16-Bit MB 1023 MB 16-Bit MB 2048 MB 16-Bit Die Aktualisierung der FAT-Tabelle ist äußerst wichtig, gleichzeitig aber auch zeitaufwendig. Wird die FAT-Tabelle nicht regelmäßig aktualisiert, kann es zu Datenverlusten kommen. Die Aktualisierung ist zeitaufwendig, weil die Leseköpfe der by buerli.net Kilian Bürli Seite 1 von 9

2 Festplatte bei jeder Aktualisierung der FAT-Tabelle neu an der logischen Spur 0 der Festplatte positioniert werden müssen. Die FAT-Verzeichnisstruktur ist nicht speziell organisiert. Dateien werden an der ersten verfügbaren Stelle auf dem Laufwerk gespeichert. Darüber hinaus unterstützt FAT ausschließlich die Dateiattribute Schreibgeschützt, Versteckt, System und Archiv. FAT-Benennungskonventionen FAT verwendet die traditionelle 8.3-Benennungskonvention für Dateien. Darüber hinaus müssen alle Dateinamen aus Zeichen des ASCII-Zeichensatzes bestehen. Der Name einer Datei oder eines Verzeichnisses kann bis zu acht Zeichen lang sein, dann folgen ein Punkt (.) als Trennzeichen und eine Erweiterung von bis zu drei Zeichen Länge. Der Name muss mit einem Buchstaben oder einer Ziffer beginnen und kann jedes beliebige Zeichen mit Ausnahme der folgenden enthalten:. " / \ [ ] : ;, Wird eines der oben genannten Zeichen benutzt, kann es zu unvorhersehbaren Ergebnissen kommen. Leerzeichen darf ein Dateiname nicht enthalten. Folgende Dateinamen sind reserviert: CON, AUX, COM1, COM2, COM3, COM4, LPT1, LPT2, LPT3, PRN, NUL Alle Zeichen werden in Großbuchstaben umgewandelt. Vorteile von FAT Unter Windows NT kann bei keinem der unterstützten Dateisysteme das Löschen rückgängig gemacht werden. Die entsprechenden Dienstprogramme versuchen, direkt auf die Hardware zuzugreifen, was unter Windows NT nicht möglich ist. Wenn sich die Datei jedoch in einer FAT-Partition befand und das System unter MS-DOS neu gestartet wird, lässt sich das Löschen der Datei rückgängig machen. Das FAT- Dateisystem ist am besten geeignet für Laufwerke und/oder Partitionen mit einer Größe von bis zu etwa 200 MB, da beim FAT-System nur sehr wenig Verwaltungsaufwand entsteht. Nachteile von FAT Für Laufwerke oder Partitionen von mehr als 200 MB sollte das FAT-Dateisystem möglichst nicht verwendet werden, weil die Systemleistung bei FAT mit wachsender Größe des Datenträgers recht schnell abnimmt. Darüber hinaus ist es nicht möglich, für Dateien in FAT-Partitionen Berechtigungen zu setzen. FAT-Partitionen sind unter Windows NT auf eine Größe von 4 Gigabytes (GB) bzw. unter MS-DOS auf eine Größe von 2 GB beschränkt by buerli.net Kilian Bürli Seite 2 von 9

3 Weiterentwicklung zu FAT32 Die FAT32 hat weit mehr an Kapazität zu bieten als die FAT16. Ihr herausragendstes Leistungsmerkmal besteht darin, dass sie Laufwerke mit einem Speichervolumen von bis zu 2 Terabyte unterstützt. Darüber hinaus verringert die FAT32 die auf großen Laufwerken, wodurch sich auch der nicht genutzte Speicherplatz reduziert. Bei der FAT16 hatte ein Laufwerk mit 2 GB beispielsweise eine von 32 KB. Dasselbe Laufwerk weist unter der FAT32 jetzt eine von 4 KB auf. Laufwerkskapazität FAT MB-511 MB 3KB - 512MB-1023MB 16KB 4KB 1024 MB - 2 GB 32 KB 4 KB 2 GB - 8 GB - 4 KB 8 GB 16 GB - 8 KB 16 GB - 32 GB - 16 KB >32 GB - 32 KB FAT 32 Neben der Unterstützung von grösseren Laufwerken (bis 2 Terabyte) arbeitet FAT32 mit einer effizienteren Nutzung des Speicherplatzes. Neben anderen Vorteilen gibt es aber auch Einschränkungen, z.b. kann das FAT32 Dateisystem nur unter Windows95 OSR2 und unter Windows 98 genutzt werden. Festplatten, die kleiner sind als 512 MB werden nicht unterstützt, und eine Laufwerkskomprimierung wird vom FAT 32 auch nicht unterstützt. Wenn das FAT32 der Festplatte nicht mit FDISK eingerichtet wurde, kann man dies auch nachträglich mit Windows 98 oder Windows 95 OSR2 tun. ÜBERSICHT ÜBER HPFS Das HPFS-Dateisystem wurde im Zusammenhang mit OS/2 1.2 eingeführt mit dem Ziel, den Zugriff auf die größeren Festplattenlaufwerke zu verbessern, die seinerzeit auf den Markt kamen. Darüber hinaus war ein neues Dateisystem nötig, dessen Benennungssystem, Organisation und Sicherheitsfunktionen den wachsenden Anforderungen des Netzwerkservermarkts gerecht werden konnte. HPFS behält die Verzeichnisorganisation von FAT bei, bietet jedoch ergänzend die automatische Sortierung des Verzeichnisses auf der Basis der Dateinamen an. Die Dateinamen selbst können bis zu 254 Zeichen lang sein. Außerdem kann eine Datei bei HPFS aus "Daten" und speziellen Attributen bestehen, so dass mehr Flexibilität im Hinblick auf die Unterstützung anderer Benennungskonventionen und Sicherheitsfunktionen möglich ist. Als Zuordnungseinheit gelten auch nicht mehr Cluster, sondern physische Sektoren (512 Bytes), wodurch weniger Platz auf der Festplatte verschwendet wird. Unter HPFS enthalten die Verzeichniseinträge mehr Informationen als unter FAT. Außer der Attributdatei gehören dazu Informationen zu Datum und Uhrzeit der letzten Änderung, der Erstellung und des letzten Zugriffs. Statt auf das erste Cluster der Datei verweisen die Verzeichniseinträge unter HPFS auf den FNODE. Der FNODE kann die Daten der Datei oder aber Zeiger enthalten, die auf die Daten der Datei by buerli.net Kilian Bürli Seite 3 von 9

4 oder auf andere Strukturen verweisen, die ihrerseits letztlich auf die Daten der Datei verweisen. HPFS versucht, so viel von einer Datei wie möglich in zusammenhängenden Sektoren zu speichern. Dies dient dazu, die Geschwindigkeit bei der sequentiellen Verarbeitung der Datei zu steigern. HPFS organisiert ein Laufwerk als eine Serie von 8-MB-Bändern, und wenn möglich wird eine Datei in einem solchen Band untergebracht. Zwischen den Bändern befinden sich Zuweisungsbitmaps von 2 KB, in denen verzeichnet wird, welche Sektoren innerhalb eines Bands bereits zugewiesen sind und welche noch nicht. Die Bänder steigern die Systemleistung, da der Lesekopf nicht an die logische Spitze (in der Regel Zylinder 0) der Festplatte zurückzufahren braucht, sondern lediglich die nächste Bandzuweisungsbitmap ansteuern muss, um festzustellen, wo eine Datei gespeichert ist bzw. werden soll. Darüber hinaus bietet HPFS eine Reihe spezieller Datenobjekte: Superblock (Super Block) Der Superblock befindet sich im logischen Sektor 16 und enthält einen Zeiger auf den FNODE des Stammverzeichnisses. Eine der größten Gefahren bei HPFS besteht darin, dass der Superblock aufgrund eines fehlerhaften Sektors verlorengeht oder beschädigt wird und dadurch der Inhalt der gesamten Partition verlorengeht, selbst wenn das restliche Laufwerk eigentlich keine Beschädigungen aufweist. Es wäre zwar möglich, die Daten auf dem Laufwerk wiederherzustellen, indem man alles auf ein anderes Laufwerk mit einem intakten Sektor 16 kopiert und den Superblock neu aufbaut, dies ist jedoch eine äußerst komplizierte Aufgabe. Ersatzblock (Spare Block) Der Ersatzblock befindet sich im logischen Sektor 17 und enthält eine Tabelle von "Hot-Fixes" sowie den Ersatzverzeichnisblock (Spare Directory Block). Wenn unter HPFS ein fehlerhafter Sektor erkannt wird, dient der "Hot-Fixes"-Eintrag dazu, statt auf den fehlerhaften Sektor logisch auf einen vorhandenen, fehlerfreien Sektor zu zeigen. Diese Technik der Behandlung von Schreibfehlern bezeichnet man als "Hot- Fixing". Beim "Hot-Fixing" verschiebt das Dateisystem im Fall eines Fehlers aufgrund eines fehlerhaften Sektors die entsprechenden Daten in einen anderen Sektor und markiert den ursprünglichen Sektor als fehlerhaft. Dies alles geschieht transparent für alle Anwendungen, die Festplattenschreib- und -lesezugriffe ausführen. Das heißt, die Anwendung erfährt nicht, dass Probleme an der Festplatte vorliegen. Ein Dateisystem, dass das "Hot-Fixing" unterstützt, verhindert Fehlermeldungen wie zum Beispiel die Fehlermeldung "Abbrechen, Wiederholen, Fehler?", die das FAT-System ausgibt, wenn es einen fehlerhaften Sektor erkennt. Anmerkung: Die in Windows NT inbegriffene Version des HPFS unterstützt das "Hot- Fixing" nicht. Vorteile von HPFS HPFS eignet sich am besten für Laufwerke zwischen 200 und 400 MB. Das von HPFS verwendete Hotfixing verhindert Fehler auf dem Datenträger. by buerli.net Kilian Bürli Seite 4 von 9

5 Nachteile von HPFS HPFS erfordert einen gewissen Verwaltungsaufwand und ist daher nicht sehr effizient für Datenträger unter etwa 200 MB. Bei Datenträgern mit mehr als 400 MB dagegen kommt es zu gewissen Einbußen in der Systemleistung. Sicherheitseinstellungen können bei HPFS unter Windows NT nicht gesetzt werden. HPFS wird nur von Windows NT, Version 3.1, 3.5 und 3.51, unterstützt. Windows NT 4.0 unterstützt HPFS-Partitionen nicht und kann auch nicht auf sie zugreifen. ÜBERSICHT ÜBER NTFS Vom Standpunkt des Benutzers aus gesehen organisiert auch NTFS die Dateien in Verzeichnissen, die wie bei HPFS sortiert werden. Im Gegensatz zu FAT oder HPFS befinden sich jedoch keine "speziellen" Objekte auf der Festplatte, und es besteht auch keine Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Hardware, wie zum Beispiel im Hinblick auf Sektoren zu je 512 Bytes. Es gibt auf der Platte auch keine speziellen Speicherorte wie etwa FAT-Tabellen oder HPFS-Superblöcke. Bei allen von Windows NT verwendeten Dateisystemen erfolgt die Organisation der Festplatte auf Grundlage der (Cluster = Zuordnungseinheit). Diese entspricht der kleinsten Menge an Speicherplatz, die für die Aufnahme einer Datei zugeordnet werden kann. Wenn Dateigrößen also nicht ein gerades Mehrfaches der ausmachen, muss zusätzlicher Speicherplatz verwendet werden, um die Datei aufzunehmen (bis zum nächsten Mehrfachen der ). Dies bedeutet, dass auf einer typischen Partition Speicherplatz der Größenordnung ()/2 * (Anzahl der Dateien) verloren geht. Wenn während des Formatierens keine angegeben wird, verwendet NTFS Standardwerte auf Grundlage der Partitionsgröße. Diese Standardwerte wurden ausgewählt, um die Menge an verlorenem Speicherplatz zu vermindern und die Fragmentierungsrate der Partition zu reduzieren. Weitere Informationen: Die folgenden Standardwerte werden von Windows NT 3.51 und höher verwendet, wenn ein Datenträger mit einer der folgenden Methoden mit NTFS formatiert wird: 1. Verwenden des FORMAT-Befehls von der Befehlszeile aus ohne Angabe einer. 2. Formatieren eines Datenträgers vom Windows Explorer aus, wenn im Feld "Zuordnungseinheit" des Dialogfelds "Formatieren" "Standard-Zuordnungsgröße" aufgeführt ist. Laufwerkgrösse (logischer Datenträger) 512 MB oder weniger 512 Byte MB 1024 MB 1 KB MB 2048 MB 2 KB MB und grösser 4 KB 8 Anzahl Sektore n Die maximale Standard- unter Windows NT 3.51 und höher ist 4 K, weil NTFS-Dateikomprimierung auf Laufwerken mit einer größeren Zuordnungsgröße by buerli.net Kilian Bürli Seite 5 von 9

6 nicht möglich ist. Daher werden bei der Formatierung nie Cluster mit einer Größe von mehr als 4 K verwendet. Es sei denn, der Benutzer überschreibt bewusst die Standardwerte, indem er beim Formatieren von der Befehlszeile aus den Parameter /A: verwendet oder im Dialogfeld "Formatieren" im Windows Explorer eine größere angibt. Da Windows NT-Versionen vor der Version 3.51 NTFS-Dateikomprimierung nicht unterstützen, können die Standard-n 4 K übersteigen. Demnach gelten für Windows NT 3.50 und früher zusätzlich zur oben angegebenen Tabelle die folgenden Werte: Laufwerkgrösse (logischer Datenträger) 4097 MB 8192 MB 8 KB MB MB 16 KB MB MB 32 KB 64 Mehr als MB 64 KB 128 Anzahl Sektore n Wenn Sie das Konvertierungsprogramm "Convert.exe" verwenden, um zu NTFS zu konvertieren, verwendet Windows NT immer eine von 512 Byte. Dies erfolgt aufgrund der Tatsache, dass die FAT-Strukturen an 512-Byte-Grenzen ausgerichtet sind, so dass bei einer höheren die Konvertierung nicht funktionieren würde. Beachten Sie auch, dass bei der Formatierung einer Partition unter Windows NT-Setup die Partition zunächst mit FAT formatiert und anschließend zu NTFS konvertiert wird, so dass die ebenfalls immer 512 Byte beträgt, wenn eine Partition in Setup formatiert wird. Ziel von NTFS ist es, folgendes zur Verfügung zu stellen: Zuverlässigkeit, wie sie insbesondere für High-End-Systeme und Dateiserver erforderlich ist Eine Plattform für zusätzliche Funktionen Unterstützung der POSIX-Anforderungen Vermeiden von Einschränkungen der FAT- und HPFS-Dateisysteme Zuverlässigkeit Um die Zuverlässigkeit des NTFS sicherzustellen, konzentrierte sich die Entwicklung in erster Linie auf drei Bereiche: Wiederherstellbarkeit, Vermeidung schwerwiegender Fehler an einem Sektor (Einzelsektorfehler) und das Hot-Fixing. NTFS ist ein wiederherstellbares Dateisystem, weil es die Transaktionen, die mit dem Dateisystem durchgeführt werden, protokolliert. Wird bei den Systemen FAT oder HPFS eine Überprüfung der Festplatte (CHKDSK) durchgeführt, werden die Konsistenz der Zeiger innerhalb des Verzeichnisses, die Zuordnung und die Dateitabellen überprüft. Unter NTFS wird ein Protokoll der Transaktionen mit diesen Komponenten geführt, so dass bei einem CHKDSK die Transaktionen nur auf den Stand der letzten Festschreibung zurückgesetzt werden müssen, um wieder Konsistenz im Dateisystem herzustellen. Wenn unter FAT oder HPFS ein Sektor beschädigt wird, in dem sich eins der speziellen Objekte des Dateisystems befindet, kommt es zu einem Einzelsektorfehler. NTFS vermeidet dies mit Hilfe von zwei Strategien: Erstens gibt es auf der Festplatte by buerli.net Kilian Bürli Seite 6 von 9

7 keine speziellen Objekte. Statt dessen werden alle Objekte auf der Festplatte protokolliert und geschützt. Zweitens werden unter NTFS mehrere Exemplare (die Anzahl hängt von der Datenträgergröße ab) der Master-Dateitabelle angelegt. Ähnlich wie die OS/2-Versionen von HPFS unterstützt auch NTFS das Hot-Fixing. Zusätzliche Funktionen Eins der wichtigsten Design-Ziele auf allen Ebenen besteht bei Windows NT darin, eine Plattform zu schaffen, die erweitert und auf die aufgebaut werden kann. NTFS ist hier keine Ausnahme. NTFS stellt eine umfassende und flexible Plattform zur Verfügung, die auch andere Dateisysteme nutzen können. Darüber hinaus unterstützt NTFS uneingeschränkt das Sicherheitsmodell von Windows NT sowie die Technik mehrerer Datenströme. Eine Datendatei bildet nicht länger einen einzigen Datenstrom. Und schließlich kann der Benutzer unter NTFS eine Datei mit seinen eigenen, benutzerdefinierten Attributen versehen. POSIX-Unterstützung NTFS ist von allen unterstützten Dateisystemen das am Weittestgehenden POSIX.1- kompatible, denn es unterstützt die folgenden POSIX.1-Anforderungen: Berücksichtigung von Groß- und Kleinschreibung bei der Benennung: Unter POSIX sind README.TXT, Readme.txt und readme.txt unterschiedliche Dateien. Zusätzliche Zeitangabe: Aus der zusätzlichen Zeitangabe geht hervor, wann zum letzten Mal auf die Datei zugegriffen wurde. Feste Verknüpfungen: Eine feste Verknüpfung liegt vor, wenn zwei verschiedene Dateinamen in verschiedenen Verzeichnissen auf die gleichen Daten verweisen. Vermeiden von Einschränkungen Erstens ist bei NTFS die Größe von Dateien und Datenträgern wesentlich gewachsen, so dass sie jetzt bis zu 2^64 Bytes (16 Exabytes oder Bytes) umfassen können. Ebenso ist NTFS zum FAT-typischen Cluster-Prinzip zurückgekehrt, um das HPFS-Problem einer festen Sektorgröße zu umgehen. Diese Neuerung wurde vorgenommen, weil Windows NT ein portierbares Betriebssystem ist und es daher möglich sein soll, das System auch mit andersartigen Festplattentechnologien einzusetzen. Daher ging man davon aus, dass ein fester Wert von 512 Bytes pro Sektor mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht in jedem Fall für die Dateizuordnung geeignet sein dürfte. Man erreichte die neue Flexibilität, indem man ein Cluster als das Mehrfache der "natürlichen" Zuordnungsgröße der Hardware definierte. Und nicht zuletzt basieren in NTFS alle Dateinamen auf dem Unicode, wodurch 8.3-Dateinamen weiterhin neben langen Dateinamen bestehen. by buerli.net Kilian Bürli Seite 7 von 9

8 Vorteile von NTFS NTFS eignet sich am besten für Datenträger mit 400 MB oder mehr, weil die Systemleistung unter NTFS im Gegensatz zu FAT bei größeren Datenträgern nicht abnimmt. Die designimmanente Wiederherstellbarkeit ist bei NTFS so ausgelegt, dass der Benutzer auf einer NTFS-Partition eigentlich nie irgendwelche Dienstprogramme zur Festplattenreparatur ausführen muss. Nachteile von NTFS Es ist wegen des Platzaufwands für die Verwaltung unter NTFS nicht empfehlenswert, NTFS auf einem Datenträger von weniger als etwa 400 MB einzusetzen. Dieser Platzaufwand wird für NTFS-Systemdateien benötigt, die in der Regel bei einer 100- MB-Partition mindestens 4 MB belegen. Zur Zeit gibt es bei NTFS noch keine integrierte Dateiverschlüsselung. Daher ist es möglich, das System unter MS-DOS oder einem anderen Betriebssystem zu starten und mit Hilfe eines Festplatteneditors, der auf einer niedrigen Ebene ansetzt, die Daten auf einem NTFS-Datenträger anzeigen zu lassen. Die Formatierung einer Diskette im NTFS-Dateisystem ist nicht möglich. Unter Windows NT werden alle Disketten im FAT-Dateisystem formatiert, weil der für die Verwaltung unter NTFS benötigte Platz auf einer Diskette nicht zur Verfügung steht. NTFS-Benennungskonventionen Datei- und Verzeichnisnamen können bis zu 255 Zeichen lang sein (einschließlich Erweiterungen). Bei den Namen wird die Groß- und Kleinschreibung zwar beibehalten, bleibt jedoch ohne Wirkung. Das heißt, NTFS unterscheidet nicht auf der Basis von Groß- und Kleinschreibung zwischen den Dateinamen. Die Namen können jedes beliebige Zeichen mit Ausnahme der folgenden enthalten:? " / \ < > * : Anmerkung: Zur Zeit können von der Befehlszeile aus nur Dateinamen mit bis zu 253 Zeichen angelegt werden. by buerli.net Kilian Bürli Seite 8 von 9

9 BETRIEBSSYSTEM KONTRA DATEISYSTEM Welches Betriebssystem kann mit welchem Dateisystem umgehen. Betriebssystem FAT16 FAT32 NTFS NTFS 5 HPFS DOS L/S OS/2 Warp V. 3 / 4 L/S L/S L/S - L/S Windows 95 L/S ( ) Windows 95 L/S ( a) Windows 95 L/S L/S ( b) Windows (OSR 2.1) L/S L/S Windows 95 L/S L/S ( c) Windows 98 L/S L/S Windows 98 SE L/S L/S Windows ME L/S L/S Windows NT 3.1 L/S - L/S - L/S 3.51 Windows NT 4.0 L/S - L/S - - Windows 2000 L/S L/S L/S L/S - (L = lesen / S = schreiben) by buerli.net Kilian Bürli Seite 9 von 9

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