Dateisystem

Das Dateisystem (engl. file system) ist in gewisser Hinsicht die Grundlage, auf der das Betriebssystem arbeitet. Es entscheidet

• ob eine hierarchische (baumartige) Speicherung der Daten möglich ist
• ob und wieviele Zeitmarken gespeichert werden
• ob und wenn ja, welche Begrenzungen in der Dateinamenslänge vorgegeben sind
• ob hardlinks möglich sind
• wieviele Dateien in einem Unterverzeichnis gespeichert werden dürfen
• wo die maximale Datei- und Partitionsgrösse liegt
• welche Zugriffsberechtigungen möglich sind
• mit welcher Geschwindigkeit zugegriffen werden kann
• ob eine Defragmentierung notwendig ist

Aufgrund der immer grösser werdenden Festplatten werden die Anforderungen an Dateisysteme immer anspruchsvoller:

• Fehlertoleranz und Selbstheilungsfähigkeit.
• Bessere Performance durch intelligente Block-Allozierung und geringere Fragmentierung im Betrieb (z. B. durch Extents).
• Höhere Kapazitäten und bessere Skalierung der Gesamtgrösse, aber gleichzeitig auch der Maximalzahl möglicher Dateien und Verzeichniseinträge.
• Mehr Datensicherheit durch Transaktionen, Redundanz und/oder Prüfsummen, damit es erst gar nicht zu einem Fehler kommen kann, der zu beheben wäre.
• Integration von Volumemanager-Funktionen wie z. B. Snapshot-Mechanismen oder RAID-Konfigurationen in das Dateisystem.

Die Verzeichnisstruktur ist die logische Gestalt von Dateisystemen, die über Verzeichnisse verfügen. Als Faustregel sollten 20% des Dateisystems immer frei sein. Zur sauberen Trennung sollten eigene Partitionen für folgende Bereiche eingerichtet werden.

Bereich	Grösse	Beschreibung
/	etwa 80 MB	nur statische Daten
/tmp	etwa 50 MB
/var	etwa 100 MB
/usr	etwa 200 MB	Dazu ein separates Verzeichnis "/usr/local".
/home
/usr/local
swap	RAM x 2	Etwa entsprechend der doppelten Grösse des vorhandenen Arbeitsspeichers. Bei zwei vorhandenen Festplatten sollte die swap-Partition immer auf die zweite Platte, ansonsten nach Möglichkeit ans Ende der Platte.

Geschichte

Die Urversionen von Linux benutzten das Dateisystem Minix. Ab 1992 wurde ein eigenes Dateisystem entwickelt, das Extended File System / ExtFS. Wegen vieler Fehler veröffentlichte Rémy Card 1993 jedoch das Second Extended File System / Ext2, das sich zu einem stabilen und erweiterbaren Dateisystem entwickelte. Da es aber kein Journaling verwendet, müssen z. B. bei einem Crash und regelmässig nach einer festgelegten Zeit langwierige Dateisystemchecks durchgeführt werden. Je nach Festplattengrösse dauern diese mehrere Stunden. Ausserdem lässt sich das Dateisystem nur mit proprietären Werkzeugen im Betrieb in der Grösse verändern. Um 2000 herum wurden die Festplatten für Ext2 zu gross und der Dateisystemcheck mit Ext2 zu langsam.

Unabhängig voneinander wurden deshalb das Third Extended File System / Ext3 als Journaling-Erweiterung für Ext2 und ReiserFS v3 als vollkommen neues Dateisystem mit nativem Journaling entwickelt. SUSE Linux 6.4 war im Frühling 2000 die erste Distribution, die mit ReiserFS ein Journaling-Dateisystem als Standard-Dateisystem verwendete. Ext3 war erstmals 2001 für Red Hat 7.2 als offizielles Dateisystem erhältlich und wurde mit Kernel 2.2.15 in den offiziellen Kernel aufgenommen. Bei ReiserFS dauerte dieser Schritt noch bis zum Kernel 2.4.1. Seither benutzen die meisten Linux-Distributionen entweder Ext3 oder ReiserFS als Standard-Dateisystem.

Ebenfalls 2001 wurden zwei nach Linux portierte Journaling-Dateisysteme von IBM und SGI in den offiziellen Kernel aufgenommen. XFS von SGI ist inzwischen eines der besten Dateisysteme für Dateigrössen von 1 MB und mehr. JFS von IBM konnte sich dagegen nie richtig etablieren und wird z. B. von SUSE nicht mehr offiziell unterstützt.

Dateisysteme unter Linux

Linux kann mit sehr vielen Dateisystemen arbeiten, darunter den folgenden:

• BTRFS
• Ext
• EXT2
• EXT3
• EXT4
• Reiserfs
• JFS
• XFS
• proc
• afs
• NFS
• FAT
• VFAT
• HPFS
• ISO9660
• SMBFS

Der überwiegende Teil der Linuxrechner benutzt EXT3 oder Reiserfs als Hauptdateisystem, da dies die Standardvorschläge wichtiger Distributionen sind. Beide sind Journaling-Dateisysteme. Journaling bedeutet dabei, dass das Dateisystem alle Daten zweimal schreibt: zunächst ins Journal und dann an den vorgesehenen Platz. Um die dadurch entstehende Geschwindigkeitseinbusse zu vermindern, schreiben beide Dateisystem in der Grundeinstellung nur die sogenannten Metadaten - also die Informationen über die Bewegungen im Dateisystem - ins Journal, die eigentlichen Daten nicht.

Das Magnetband ist ein Massenspeicher ohne Dateisystem und verfügt nur über einfachste Ein- und Ausgabefunktionen.

Die rotierenden Magnetplatten einer Festplatte lassen sich als übereinander gestapelte Disketten vorstellen, zwischen denen die Lese- und Schreibköpfe (engl. heads) hineinragen. Diese Köpfe lassen sich zwar einzeln ansteuern, aber nur gemeinsam bewegen. Die einzelnen Spuren einer Festplatte durch alle Ebenen hindurch werden als einander umhüllende Zylinder bezeichnet. Diese Parameter Zylinder, Köpfe und Sektoren pro Zylinder (CHS) bilden zusammen die Plattengeometrie.

Die im BIOS für die Anzahl Zylinder reservierten zehn Bits, mit denen Werte bis 1024 darstellbar sind, wurden schon bald zum begrenzenden Faktor. Ausserdem konnte mit der starren CHS-Codierung das zone bit recording (ZBR), das den äusseren Zylindern mehr Sektoren zuordnet als den weiter innen liegenden, nicht mehr abgebildet werden. Da die alte BIOS-Schnittstelle noch Bestand haben muss, werden dem BIOS falsche Werte vorgegaukelt. Entscheidend ist, dass das Produkt der drei Werte und damit die Anzahl der gesamten Sektoren der Festplatte gleich bleiben muss. Die tatsächliche Zugehörigkeit der einzelnen Sektoren zu bestimmten Zylindern ist ohnehin nicht mehr nachzuvollziehen und für die Funktion inzwischen auch unerheblich geworden.

Beispiel: Das BIOS (LBA-Modus) zeigt zu einer 20 GB-Festplatte die folgenden Werte an:
38792 Zylinder, 16 Köpfe und 63 Sektoren je Zylinder
Die Plausibilität der Werte kann leicht nachgeprüft werden, da jeder Sektor 512 bytes gross ist:
(C*H*S) 38792*16*63*512 = 20.020 MB
Das in GNU/Linux enthaltenene Partitionierungsprogramm fdisk zeigt jedoch folgende Werte an:
2434 Zylinder, 255 Köpfe und 63 Sektoren je Zylinder
(C*H*S) 2434*255*63*512 = 20.020 MB
Dieses Umrechnen von Plattengeometrien [engl. mapping] existiert in mehreren Varianten. Es dient dazu, die Grenzen des BIOS zu überwinden, um grössere Massenspeicher ansprechen zu können.

Unter Linux sind Festplattengeometrie und BIOS-Werte der Festplatte jedoch nur für den Bootvorgang und die Partitionierung von Bedeutung. Im laufenden Betrieb bedient sich Linux des logical block addressing (LBA), bei dem jedem 512 bytes grossen Sektor, mit 0 beginnend, eine Blocknummer zugeordnet wird, wodurch die dreidimensionalen CHS-Koordinaten auf lineare Adressen abgebildet werden. Während SCSI-Festplatten schon immer im LBA-Modus betrieben wurden, verfügten die ersten IDE-Festplatten um 1990 noch nicht über diese Technologie. Ist noch eine 486er Hauptplatine im Einsatz, so kann nicht zwangsläufig von einer LBA-Unterstützung des BIOS ausgegangen werden. Für die Repräsentation der Blocknummern im LBA Modus werden 28 bit verwendet, womit immerhin 2e28 Sektoren oder 128 GB grosse Festplatten ansprechbar sind. Für grössere Festplatten ist eine 64 bit-LBA-Variante vonnöten, womit dann Massenspeicher von bis zu 8 PB ansprechbar sind.

Übersicht Dateisysteme

Dateisystemkategorie	Verwendung	Beispiele
physisches Dateisystem, konventionell	Verwaltung der Informationen auf einem Massenspeicher, damit diese in der Verzeichnisstruktur verfügbar sind.	Minix, Ext, Ext2, FAT32
physisches Dateisystem, journaling	Verwaltung der Informationen auf einem Massenspeicher, damit diese in der Verzeichnisstruktur verfügbar sind.	Ext3, ReiserFS, JFS, HPFS, NTFS
Netzwerkdateisysteme	Verfügbarmachung von Massenspeicher über das Netzwerk.	NFS, AFS, Coda, SMBFS, NCPFS
Pseudodateisysteme	Werden nicht zum Verwalten von Massenspeichern eingesetzt, aber dennoch in die Verzeichnisstruktur integriert.	procfs, tmpfs, devpts, devfs

	Ext3	Ext4	ReiserFS 3	XFS	JFS 2
Entwickler	Open Source	Open Source	Hans Reiser / Namesys	SGI	IBM
Lizenz	GPL	GPL	GPL	GPL	GPL
Erstveröffentlichung	2001.11	2006.10 (Testversion)	2001.01	1994	1990
seit Linux-Kernel	2.4.15	2.6.19	2.4.1	2.4.25
Max. Dateisystemgrösse	16 TB (32 Bit)	1 EB (48 Bit)	16 TB (32 Bit)	16 EB (64 Bit)	4 PB (64 Bit)
Max. Dateigrösse	2 TB	1 EB	1 EB (Version 3.6)	8 EB	1 PB (4 KB-Blöcke)
Journaling	ja	ja	ja	ja	ja, transaktionsorientiert
Online-Resizing	ja	ja	ja	nur Vergrössern, kein Verkleinern	nur Vergrössern, kein Verkleinern
Online-Defragmentierung	nein	ja	ja	ja	nein
Prüfsummensicherung	nein	ja	nein	nein	nein
Transparente Komprimierung	nein	optional	nein	nein	nein
Transparente Verschlüsselung	nein	nein	nein	nein	nein
Integrierte Snapshots	nein	nein	nein	nur mit Volumemanager (für Irix)	nein
Quotas	ja	ja	ja	für Benutzer und Gruppen	erst ab Kernel 2.6.9
Unix-Dateirechte	ja	POSIX	ja	ja	ja
Zugriffskontrolllisten (ACLs)	ja	ja	ja	ja	ja
Unterstützte Betriebssysteme	Linux, BSD, Windows (3rd-Party-Treiber)	Linux	Linux	Irix, Linux, BSD	Linux, OS/2, AIX

Maximale Grösse von Dateisystemen.

Dateisystem	Ursprüngliches Betriebssystem	Maximalgrösse
Reiser 4	Linux	16 Terabyte
Ext3	Linux	32 Terabyte
NTFS	Microsoft Windows	256 Terabyte
Ext4	Linux	1 Exabyte
XFS	Linux	8 Exabyte
ZFS	Solaris	16 Exabyte
Btrfs	Linux	16 Exabyte

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