Grundlagen von Dateisystemen

Die Rolle als Vermittler

Ein Dateisystem ist eine essenzielle Softwarekomponente, die als Vermittler zwischen dem Betriebssystem und den physischen Speichergeräten (wie Festplatten, SSDs oder USB-Sticks) fungiert. Stell dir deine Festplatte als ein riesiges, unbeschriftetes Lagerhaus vor. Ohne ein Dateisystem wüsste das Betriebssystem nicht, wo welche Daten (die Kisten im Lager) liegen, wie sie zusammengehören oder wie man sie wiederfindet. Das Dateisystem ermöglicht es dem Betriebssystem und den Anwendungen, Daten in einer logischen, hierarchischen Struktur (Ordner und Dateien) zu organisieren und darauf zuzugreifen, anstatt sich mit der komplexen physischen Anordnung von Bits und Bytes auf dem Speichermedium auseinandersetzen zu müssen.

Physische und logische Organisation

Ein Dateisystem übersetzt die physische Realität des Speichermediums in eine für uns und das Betriebssystem handhabbare logische Struktur. Physisch ist ein Speichermedium in kleinste adressierbare Einheiten unterteilt, die Sektoren – vergleichbar mit einzelnen Regalplätzen im Lagerhaus. Mehrere dieser Sektoren werden vom Dateisystem zu Clustern (auch Blöcke genannt) zusammengefasst. Ein Cluster ist die kleinste logische Einheit, die das Dateisystem einer Datei zuweisen kann – wie eine kleine Kiste im Lager. Selbst wenn eine Datei kleiner ist als ein Cluster, belegt sie mindestens einen ganzen Cluster auf dem Speichermedium. Die Dateizuordnungstabelle (engl. File Allocation Table, z.B. die FAT bei älteren USB-Sticks oder die Master File Table, MFT, bei modernen Windows-Systemen mit NTFS) ist dann das detaillierte Inventarbuch: Es listet exakt auf, welche Kisten (Cluster) zu welcher Lieferung (Datei) gehören und wo genau sie im Lager (auf dem Speichermedium) zu finden sind.

Hauptaufgaben

Ein Dateisystem erfüllt mehrere zentrale Aufgaben, um Daten zuverlässig und effizient zu verwalten:

• Dateiverwaltung: Es merkt sich, wo jede Datei und ihre einzelnen Teile (Cluster) auf dem Speichermedium gespeichert sind und stellt sicher, dass Daten nicht versehentlich überschrieben werden. Es stellt sicher, dass deine neue Präsentation nicht versehentlich dein altes Urlaubsfoto überschreibt.
• Verzeichnisstruktur: Es organisiert Dateien in einer hierarchischen Struktur aus Ordnern und Unterordnern. Dies erlaubt dir, deine Dateien in Ordnern wie 'Urlaubsbilder', 'Rechnungen' oder 'Projekt X' zu sortieren.
• Zugriffskontrolle: Es verwaltet Berechtigungen, die festlegen, welche Benutzer:innen oder Prozesse welche Dateien lesen, schreiben, ändern oder ausführen dürfen. Es legt fest, dass nur du deine privaten Dokumente öffnen kannst, aber deine Kolleg:innen vielleicht nur Leserechte auf freigegebene Projektdateien haben.
• Metadatenmanagement: Es speichert und verwaltet zusätzliche Informationen über jede Datei, sogenannte Metadaten. Es merkt sich, wann du eine Datei erstellt hast (Erstellungsdatum), wie groß sie ist (Größe), um welchen Typ es sich handelt (z.B. .docx für ein Word-Dokument) und wer die Eigentümer:in ist.

Bootsektor und Root-Verzeichnis

Der Bootsektor ist ein spezieller Bereich ganz am Anfang eines startfähigen Speichermediums (z.B. der Festplatte, auf der das Betriebssystem installiert ist). Er ist wie der Zündschlüssel und die erste Seite des Inhaltsverzeichnisses eines Buches. Er enthält die grundlegenden Informationen, die der Computer benötigt, um das Betriebssystem von diesem Medium zu starten und zu identifizieren, welches Dateisystem überhaupt verwendet wird. Das Root-Verzeichnis (Stammverzeichnis) ist der oberste Ordner in der Hierarchie eines Dateisystems. Vergleichbar mit dem Stamm eines Baumes, von dem alle anderen Äste (Unterordner) und Blätter (Dateien) abzweigen. Auf Windows-Systemen ist dies oft das Laufwerk selbst, z.B. C:\, auf Linux-Systemen ist es /.

Dateizuordnungstabelle

Die Dateizuordnungstabelle (z.B. FAT bei älteren Dateisystemen oder die Master File Table (MFT) bei NTFS unter Windows) ist das Herzstück der Dateiorganisation. Stell dir diese Tabelle wie ein extrem detailliertes Inhaltsverzeichnis oder einen Bibliothekskatalog vor. Für jede Datei ist hier genau vermerkt, in welchen Speicherblöcken (Clustern) auf dem Speichermedium ihre einzelnen Teile zu finden sind. Wenn du eine große Videodatei speicherst, die nicht in einen einzigen Block passt, listet die Tabelle alle Blöcke auf, die zu dieser Datei gehören, und deren korrekte Reihenfolge. Ohne diese Tabelle wüsste das System nicht, wie es die verstreuten Teile einer Datei wieder zu einem Ganzen zusammensetzen soll.

Die Rolle der Blockgröße

Die Blockgröße (oder Clustergröße) ist die kleinste logische Einheit, die ein Dateisystem für die Speicherung von Dateidaten verwendet. Man kann sie sich wie die Standardgröße der Kisten vorstellen, die das Dateisystem zum Speichern verwendet:

• Kleine Blockgröße (z.B. 4 Kilobyte): Dies bedeutet viele kleine Kisten. Das ist vorteilhaft für eine große Anzahl kleiner Dateien, da pro Kiste nur wenig Speicherplatz ungenutzt bleibt, falls eine Datei kleiner als die Blockgröße ist (dies nennt man interne Fragmentierung). Bei sehr großen Dateien müssen jedoch sehr viele kleine Kisten verwaltet werden, was die Dateizuordnungstabelle aufbläht und das Lesen potenziell verlangsamen kann.
• Große Blockgröße (z.B. 64 Kilobyte): Dies bedeutet weniger, aber dafür größere Kisten. Das ist effizienter für sehr große Dateien (z.B. Videos oder Datenbankdateien), da weniger einzelne Blöcke verwaltet werden müssen. Der Nachteil ist, dass bei vielen kleinen Dateien, die deutlich kleiner als die Blockgröße sind, viel Speicherplatz innerhalb der Blöcke ungenutzt bleibt (hohe interne Fragmentierung).

Die optimale Blockgröße hängt also vom typischen Nutzungsprofil des Speichermediums ab.

Datei erstellen und schließen

Wenn du in einer Anwendung eine neue Datei erstellst und speicherst (z.B. in einem Textverarbeitungsprogramm auf 'Speichern unter…' klickst und einen Namen wie 'Mein_Bericht.docx' eingibst), laufen im Hintergrund komplexe Prozesse im Dateisystem ab:

1. Anwendung meldet Bedarf: Das Textprogramm teilt dem Betriebssystem mit, dass eine neue Datei mit bestimmten Eigenschaften erstellt werden soll.
2. Betriebssystem kontaktiert Dateisystem: Das Betriebssystem leitet diesen Auftrag an das zuständige Dateisystem des gewählten Speicherorts weiter.
3. Dateisystem reserviert Speicherplatz: Das Dateisystem sucht nach ausreichend freien Speicherblöcken (Clustern) auf dem Speichermedium.
4. Metadaten anlegen: Es wird ein neuer Eintrag im entsprechenden Verzeichnis (z.B. im Ordner 'Dokumente') und in der Dateizuordnungstabelle (z.B. MFT) erstellt. In diesen Metadaten werden wichtige Informationen wie der Dateiname ('Mein_Bericht.docx'), das Erstellungsdatum, die (anfängliche) Dateigröße (oft 0 Bytes vor dem ersten Schreiben) und die Verweise auf die reservierten Speicherblöcke vermerkt.
5. Daten schreiben (beim Speichern/Schließen): Der eigentliche Inhalt deines Berichts wird von der Anwendung über das Betriebssystem an das Dateisystem übergeben und in die zuvor reservierten Speicherblöcke geschrieben.
6. Metadaten aktualisieren: Nach dem erfolgreichen Schreiben der Daten werden die Metadaten, insbesondere die Dateigröße und die genaue Belegung der Blöcke in der Dateizuordnungstabelle, finalisiert und aktualisiert.

Datei öffnen und schreiben

Wenn du eine existierende Datei öffnest (z.B. durch Doppelklick auf 'Mein_Bericht.docx'):

1. Anwendung fordert Datei an: Das Textverarbeitungsprogramm signalisiert dem Betriebssystem, dass es die Datei 'Mein_Bericht.docx' laden möchte.
2. Betriebssystem fragt Dateisystem: Das Betriebssystem gibt diese Anfrage an das Dateisystem weiter.
3. Dateisystem sucht Metadaten: Das Dateisystem konsultiert das entsprechende Verzeichnis und die Dateizuordnungstabelle, um die Metadaten der Datei zu finden. Daraus erfährt es, in welchen Speicherblöcken (Clustern) auf dem Speichermedium die Daten der Datei gespeichert sind.
4. Datenblöcke lesen: Das Dateisystem liest die Inhalte der identifizierten Blöcke vom physischen Speichergerät und übergibt diese Daten an das Betriebssystem. Das Betriebssystem stellt sie dann der anfordernden Anwendung (dem Textprogramm) zur Verfügung, sodass der Inhalt des Berichts angezeigt werden kann.

Wenn du nun Änderungen in deinem Bericht vornimmst und diese speicherst (Schreiben in eine geöffnete Datei):

1. Anwendung sendet geänderte Daten: Das Textprogramm übergibt die modifizierten oder neu hinzugefügten Datenabschnitte an das Betriebssystem.
2. Dateisystem sucht/reserviert Platz: Falls die Datei durch die Änderungen größer geworden ist und die bisher zugewiesenen Blöcke nicht ausreichen, sucht das Dateisystem nach weiteren freien Speicherblöcken.
3. Daten in Blöcke schreiben: Die neuen oder geänderten Daten werden in die entsprechenden (ggf. neu zugewiesenen) Blöcke auf dem Speichermedium geschrieben. Bestehende Inhalte werden dabei überschrieben oder neue Blöcke belegt.
4. Metadaten und Dateizuordnungstabelle aktualisieren: Das Dateisystem aktualisiert alle relevanten Metadaten, wie die Dateigröße, das Änderungsdatum und insbesondere die Einträge in der Dateizuordnungstabelle, um die neue Verteilung der Datenblöcke korrekt abzubilden.