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Dateisystem (file system)

Dateien müssen sicher gespeichert, schnell wieder gefunden und gelesen oder auch einfach nur gelöscht werden. Sie wollen Dateien auch kopieren, verschieben oder einfach nur umbenennen. Die Aufgabe eines Dateisystems ist es, all dieses zu ermöglichen - unabhängig davon, ob es sich um einen optischen Speicher, einen Flash-Speicher, eine Festplatte, ein Magnetband (siehe LTFS) oder eine alte Diskette handelt.

  • Das Dateisystem wird in der Regel als wichtige Teilfunktionalität eines Betriebssystems geliefert. Auch die vom Betriebssystem benötigten Dateien liegen im Dateisystem. Beim Start eines Computersystems findet immer zuerst eine Prüfung des Dateisystems statt (z.B. mittels fsck), denn das Dateisystem kann durch die normale Nutzung auch mal beschädigt werden.

  • Bei Einsatz verschiedener Dateisysteme in einem Computersystem sollen diese problemlos genutzt werden können. Auf dem Desktop sollen verschiedene Dateisysteme z.B. immer auf die gleiche Art und Weise angezeigt werden. Dafür ist das Betriebssystem zuständig. Auch der "problemlose" Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Dateisystemen ist uns äußerst wichtig. Stellen Sie sich nur einmal vor, Sie müssten generell für die Nutzung verschiedener Dateisysteme zusätzliche Software einsetzen. Derartige Beeinträchtigungen in unseren Arbeitsabläufen akzeptieren wir heute als Benutzer nur noch ungern.

Die folgenden Absätze beschäftigen sich mit dem Kennenlernen der Probleme, die beim Einsatz verschiedener Dateisysteme auftreten können.
 

Dateinamen

Für reibungslose Abläufe haben wir als Nutzer selbst zu sorgen, da die auftretenden Probleme z.B. bereits damit anfangen, dass manche Dateisysteme (z.B. FAT32) die Groß- und Kleinschreibung von Dateinamen nicht unterscheiden. Kopiert man z.B. aus einem ext3-Dateisystem die beiden Dateien "hallo.txt" und "Hallo.txt" in ein FAT32-Verzeichnis, so muss man eine der beiden Dateien vorher umbenennen, da ansonsten die zuerst kopierte Datei mit der zweiten überschrieben wird und damit verloren geht.

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Verzeichnisse

In den Verzeichnissen eines Dateisystems (Ordner) werden die logischen Namen der Dateien und deren Eigenschaften gespeichert - wie z.B. der Speicherort der zur Datei gehörenden Daten. Viele dieser Eigenschaften werden uns als Nutzer nicht direkt angezeigt. In den ersten Computer-Dateisystemen gab es früher nur ein so genanntes Wurzelverzeichnis in dem alle Dateien vermerkt wurden. Heute kennt jeder Computernutzer Unterverzeichnisse, die die strukturierte Ablage vieler Dateien ermöglichen. Auch Verweise auf zugehörige Unterverzeichnisse werden in den Verzeichnissen gespeichert. So entstehen die Dateipfade, deren Bestandteile in den verschiedenen Betriebssystemen durch "/", "\", ":", oder "." voneinander getrennt dargestellt werden. Unterschiedliche Speichermedien werden über spezielle Verzeichnisse oder Laufwerksbuchstaben angezeigt. Es hängt vom Dateisystem ab, welche Eigenschaften die in den Verzeichnissen vermerkten Dateien haben können:

  1. Es könnte z.B. sein, dass eine identische Datei an verschiedenen Orten in der Ablageorganisation eines Dateisystems unter verschiedenen Namen existiert. Wenn eine dieser beiden Dateien geändert wird, dann wird auch die andere Datei automatisch aktualisiert. Was passiert, wenn eine der beiden Dateien gelöscht wird? Nur die ausgewählte Datei löschen? Nachfragen? Automatisch beide löschen?

  2. Es ist sinnvoll, dass ein Dateisystem für ein optisches R-Speichermedium (read only) keine Möglichkeit zum Löschen einer Datei vorsieht.

  3. Es könnte sein, dass ein Betriebssystem an den Computer angeschlossene Geräte und deren Speichermedien nicht anzeigen kann (z.B. über einen eigenen Laufwerksbuchstaben oder einen speziellen zusätzlichen Ordner). Woran liegt das? Das Dateisystem ist wahrscheinlich dem Betriebssystem nicht bekannt, wenn das Speichermedium in einem anderen Computer erwartungsgemäß funktioniert.

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Struktur des Speichermediums

Das Speichermedium ist in Blöcke unterteilt. Das sind die kleinsten les- und schreibbaren Einheiten auf dem Datenträger. Blöcke werden oft auch als Sektoren bezeichnet.
Der erste Block auf einem Speichermedium (nicht der Partition!) gehört nicht zum Dateisystem. Er ist reserviert für den Bootblock (z.B. Master Boot Record). Der Bootblock wird benötigt, um das Betriebssystem zu starten. Der Bootblock ist nicht Teil des eigentlichen Dateisystems. Auch Angaben zu den auf dem Datenträger vorhandenen Partitionen sind im Bootblock zu finden.
Das Speichermedium wird aufgeteilt in n Blöcke, welche nur komplett gelesen und geschrieben werden können. Solche Blöcke sind unterschiedlich groß - je nach Speichermedium z.B. 512Bytes, 1kiB oder 2kiB. Mehrere Blöcke werden in neueren Systemen zu Clustern zusammengefasst (z.B. 16 Blöcke = 1 Cluster). Eine Datei kann physikalisch - je nach Größe - auf dem Speichermedium aus mindestens einem Block oder aber sogar aus mehreren Clustern bestehen.
Folgende Angaben werden zu jeder Datei gespeichert:

  1. die tatsächliche Dateigröße, d.h. die exakte Anzahl der Bytes aus denen die Datei besteht

  2. die Nummern der zum Speichern der Daten verwendeten Cluster. Diese müssen nicht zwangsläufig hintereinander stehen. Cluster können über den ganzen Datenträger verstreut beschrieben werden.

  3. ggf. Eigentümer- und Zugriffsrechte

  4. ...

Für die Verwaltung des Datenträgers werden weitere Blöcke verwendet. Diese enthalten Informationen über belegte Blöcke (z.B. Bit 0=frei 1=belegt, für diese Aussage wird ein Bit pro Block des Datenträgers belegt).
Für vertiefende Betrachtungen, siehe ggf. auch:

Datenrettung

Vor der eigentlichen Datenrettung steht erst einmal die Überlegung, welches Dateisystem am sichersten ist. Wenn dieses Kriterium bei der Auswahl des Dateisytems mit berücksichtigt wurde, dann kann es eigentlich nur ein Dateisystem sein, welches 'Journaling' unterstützt, siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Journaling-Dateisystem . Wenn mal ein Schreibvorgang auf ein solches Dateisystem abrupt unterbrochen wird (z.B. Akku-/Stromausfall durch ein herunter fallendes Handy während einer Videoaufzeichnung), so ist es bei solchen Dateisystemen möglich, ohne stundenlange Reparaturdurchläufe einen konsistenten Zustand relativ schnell wieder herzustellen. Dieses lohnt sich besonders bei den größten Datenspeichern (aktuell im Terabytebereich).
Sollten doch einmal versehentlich Dateien auf Datenträgern gelöscht worden sein, so kann es schnell viel Zeit und Geld kosten - siehe folgendes Beispiel:

 

Welches Dateisystem kommt für welchen Einsatz in Frage?

Bezeichnung
Informationen

FAT, FAT32

siehe http://de.wikipedia.org/wiki/File_Allocation_Table
(FAT32 ab MS-DOS 7.10)

NTFS

(MS-Windows)
siehe http://de.wikipedia.org/wiki/NTFS

Unter Windows7 eine Festplatte neu einrichten und formatieren:

Optimierungen:

Dateiattribute:

Alternate Data Streams:

exFAT

Neueres u.a. für Flash-Speicher optimiertes Dateisystem.
Dateigrößen über 4GiB möglich (z.B. Videos, Image-Kopie eines Datenträgers, ...),
Siehe:

Probleme: a) Auf älteren Betriebssystemen (auch Windows XP) nicht lesbar! b) Kein Journaling!

HFS+

(MAC OS X)

Ext4, Ext3,

JFS, XFS,

ZFS, ReiserFS

(Linux/UNIX)

UDF

(DVD, Blu-ray)

ISO_9660, Joliet, Rockridge

(CDROM)


Das zur Zeit wohl leistungsfähigste Dateisystem ist ZFS der Firma Sun Microsystem:


 

Kompatibilität


... to do ...
 


 

Welche Features werden in Zukunft wichtiger werden für Dateisysteme?

Verschlüsselung als Standard
Die Zeiten frei zugänglicher Daten sollten bald vorbei sein nach aktuellen Vorkommnissen (Bundestrojaner, NSA/Snowden, Ausspähen von Konkurrenten, Internet-Mafia, ...).

verbesserte Datensicherheit/Virenschutz

  • verbesserte Datenrettung bei abrupter Unterbrechung der Spannungsversorgung des Systems/Journaling

  • Schutz vor direktem Beschreiben von Blöcken unter Umgehung des Dateisystems

  • ...

Zugangsberechtigung
Dateien und Ordner sind nur für Berechtigte les- und schreibbar.

beliebige Größen
128Bit-Adressierung in einer Partition, max. Dateigrößen bis hin zur Größe der Partition, größere Längen von Dateinamen inkl. Pfad z.B. 512Bytes ermöglichen

Versionskontrolle
Jede Änderung an Daten/Dateien sollte nachvollziehbar sein - wer, was, wann? Programme zur Versionskontrolle werden in professionell arbeitenden Bereichen der Softwareentwicklung schon lange eingesetzt.

Langlebigkeit
Die Langlebigkeit eines Speichers kann durch Eigenschaften des Dateisystems beeinträchtigt werden, z.B. durch allzu häufiges Löschen und Schreiben von Daten (Flash).

Energiebedarf des Systems
Der Energiebedarf kann durch günstige Eigenschaften des Dateisystems gesenkt werden => längere Akkulaufzeit. Ungünstige Eigenschaften können die Akkulaufzeit verkürzen. Im Hinblick auf die zunehmende Menge portabler Computer wird dieses Feature wichtiger.

 

Tools für die Arbeit mit Dateisystemen

Windows:

Versionskontrolle:

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Verständnisfragen/Aufgaben


Lösungen zu den folgenden Übungen finden Sie (soweit vorhanden) am Ende dieser Seite.
 

Aufgabe 1 - Interessante Fragen und Antworten zum Thema

  1. Was passiert, wenn eine Datei gelesen wird?

  2. Was passiert, wenn eine Datei auf einem Datenträgers von einem Ordner in einen anderen verschoben wird?

  3. Was sollte man tun, wenn das Betriebssystem wiederholt fehlerhafte Dateien im Dateisystem meldet?

  4. Was passiert, wenn mehrere Prozesse (laufende Programme) gleichzeitig auf eine Datei zugreifen wollen?

  5. Was passiert, wenn beim Schreiben einer sehr großen Datei der Strom ausfällt?

  6. Was passiert beim Verschieben von Dateien auf ein neues Dateisystem?

  7. Was passiert, wenn während des Kopierens von Daten der Strom ausfällt?

    • z.B. einer sehr großen Datei

    • z.B. einer kleinen Datei

    • z.B. von vielen kleinen Dateien

  8. Was passiert, wenn man eine Datei von einem optischen Datenträger löscht (z.B. CD-RW)?

  9. Wie kann man sich den Typ eines Dateisystems anzeigen lassen?

  10. Welche Betriebssysteme sind mit welchen Dateisystemen kompatibel?

  11. Welche Dateisysteme werden bevorzugt eingesetzt in der Medienproduktion?

  12. Welche Dateisysteme eignen sich bevorzugt für den Austausch von Daten zwischen verschiedenen Betriebssystemen?

  13. Diskussion:
    Welches Dateisystem ist bevorzugt einzusetzen auf Smartphone-Flashkarten?
    http://www.android-hilfe.de/android-allgemein/464722-mit-welchem-dateisystem-soll-man-sdxc-speicherkarten-androiden-nutzen.html

 

Aufgabe 2 - Tabellarische Übersicht aktueller Dateisysteme und deren Eigenschaften

Erstellen Sie eine Tabelle, welche die Eigenschaften der von Ihnen genutzten Dateisysteme sinnvoll darstellt (mindestens 3 Dateisysteme, ggf. mit Versionsangabe)!
z.B. OS Bezeichnung/Version + alternative Bezeichnungen, Verbesserungen zu vorhergehenden Versionen, Hersteller, bevorzugter Einsatz/spezielle Eigenschaften, max. Gesamtgröße des unterstützten Speichers, minimale und maximale Größen einzelner Dateien, max. Anzahl einzelner Dateien, Länge zulässiger Dateinamen, Unterstützung von Sonderzeichen in Dateinamen, bevorzugtes Speichermedium, Anzahl und Größe von Blöcken/Clustern, nutzbar mit OS ...?, verschlüsselt?, Besonderheiten wie z.B. zusätzlich angelegte Dateien und Verzeichnisse (Systemdateien), ...
 

Aufgabe 3 - Probleme im Umgang mit verschiedenen Dateisystemen

  1. Notieren Sie Ihnen bekannte Probleme im Umgang mit verschiedenen Dateisystemen! Recherchieren Sie ggf. im Internet.

  2. Wählen Sie ein für Sie interessantes Problem aus und bereiten Sie einen 5-minütigen Vortrag vor, um das Problem der Klasse vorzustellen.

 

Aufgabe 4 - Auswahl eines Dateisystems (Beispiel)

Ihr Antivirenprogramm hat auf Ihrer 16GB SD-Karte - die aus der Spiegelreflexkamera - einen Virus entdeckt. Sie beseitigen diesen entsprechend der Vorschläge des Antivirenprogramms. Sie möchten auf "Nummer sicher" gehen und den Datenträger neu formatieren, damit wirklich alle Daten gelöscht (und nicht nur in Quaratäne verschoben o.ä.) wurden.

  1. Welches Dateisystem wählen Sie für die Formatierung?

  2. Wie können Sie vor der Formatierung überprüfen, ob Ihre Auswahl die Richtige ist?

 

Aufgabe 5 - Eingeschränkte Kompatibilität (Beispiel)

Wo ist das Problem? Klären Sie, wie man solche Probleme ggf. vermeiden könnte!
A) Die folgende Fehlermeldung trat auf beim Verschieben von Verzeichnissen mit Dateien von exFAT nach NTFS.

B) Die folgende Fehlermeldung trat auf beim Verschieben eines Ubuntu-Desktop-Links auf ein NTFS-Dateisystem auf.
 

Aufgabe 6 - Dateiattribute (Beispiel)

Die folgende Warnung trat auf beim Verschieben von Dateien. Was ist die Ursache für die Fehlermeldung?
Was ist eine Systemdatei? Handelt es sich wirklich um eine Systemdatei?
Hinweis: http://de.wikipedia.org/wiki/Dateiattribut
 

Aufgabe 7 - Datenträgerprüfung

Beim Anmelden eines USB-Sticks wird eine Datenträgerprüfung vorgeschlagen.

  1. Erläutern Sie, wie so etwas passieren kann!

  2. Erläutern Sie, was das Betriebssystem prüft und ggf. wieder herstellt!

  3. Welche Empfehlung für die anzukreuzenden Optionen geben Sie?

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Aufgabe 8 - Datenrettung, Festplatte auslesen

Es kommt häufiger vor als man denkt, dass der Zugriff auf den Datenträger (z.B. die Festplatte) nicht mehr möglich ist, z.B. ...

  1. Betriebssystem startet nicht mehr.

  2. Das Display ist kaputt.

  3. Es wurden wichtige Dateien gelöscht. Die Speicherbereiche sollen auf keinen Fall überschrieben werden, um die Daten noch retten zu können.

  4. Der Datenträger ist mit Schadsoftware verseucht. Ein neuer Start des Systems wäre ungeschickt. Die Schadsoftware soll an einem virenfreien Computer entfernt werden.

  5. ...

U.a. die genannten Gründe führen dazu, dass z.B. auf dem Datenträger gespeicherte Dokumente erst einmal "verloren" sind. Wie können wir diese Daten retten?

  • Was müssen wir in solch einem Fall über den Datenträger wissen?

  • Wie kommen wir an die Daten?

  • Welche weiteren Möglichkeiten gibt es zur Datenrettung in den beschriebenen Fällen?
    Ordnen Sie zu: Linux Live CD, externes Display,


Verständnisfragen:

  • Ein Freund rät dazu den Datenträger an einem weiteren Computer als erste Maßnahme zu defragmentieren (z.B. mit defrag). Was halten Sie davon? In welchen Fällen wird das bestehende Problem durch diese Maßnahme verschlimmert?

 

Aufgabe 9 - Fragenklärung - FAT

  1. Was bedeutet File Allocation Table?

  2. Welche Informationen finden sich in der FAT?

  3. Welche Weiterentwicklungen der FAT gab es?

    • Wie heißen die Weiterentwicklungen?

    • Warum wurde das FAT-Dateisystem weiterentwickelt? bzw.

    • Welche Beschränkungen hatte das ursprüngliche FAT-Dateisystem?

  4. Was bedeutet VFAT?

  5. Was hat der Unicode-Zeichensatz mit der maximalen Länge des Dateinamens zu tun?

 

Aufgabe 10 - Dateinamens-Konventionen (unter dem Aspekt der maximalen Dateisystem-Kompatibilität)

Beim Überspielen von Dateien (Kopieren/Verschieben/...) von einem Dateisystem auf ein anderes treten manchmal Probleme auf, wenn z.B. Dateinamen unglücklich gewählt wurden. Die Kenntnis und Anwendung von Datei-Namenskonventionen ist sinnvoll, wenn man solchen Problemen vorbeugen möchte.
Benennen (Überschrift bzw. stichwortartige Beschreibung) und beschreiben Sie ausführlich ein auftretendes Problem bei der Überspielung von einem zu einem anderen Dateisystem. Machen Sie einen Vorschlag, was in Zukunft zu tun ist, damit solch ein Problem bei Ihnen nicht mehr auftritt!

Sichwortartige Beschreibung
Bez. Dateisystem 1
Bez. Dateisystem 2
Ausführliche Beschreibung des Problems
Vorschlag zur zukünftigen Vermeidung
 

Aufgabe 11 - Einrichtung eines Dateisystems auf einem USB-Stick

Erläutern Sie, welche typischen Probleme auftreten bei Nutzung eines USB-Sticks und wie man diese lösen kann! Siehe ...

 

Aufgabe 12 - Einen kompletten Datenträger kopieren, geht das?

Wie kopiert man am besten einen kompletten Datenträger?


Allgemeine Informationen zu den gestellten Fragen:

 

Aufgabe 13 - Fragenklärung - Dateisystem allgemein

  1. Welches Dateisystem wird (vorzugsweise) eingesetzt von/bei/auf ...

    • ... Apples MacOS Betriebsystemen?

    • ... Microsofts Windows Betriebssystemen?

    • ... Ihrem Android Smartphone?

    • ... DVDs und Blu-ray Discs?

  2. Welche Kriterien spielen eine Rolle bei der Auswahl eines Dateisystems?

  3. Welches Dateisystem wählt man für seinen USB-Stick, wenn dieser mit möglichst vielen Computern problemlos funktionieren soll?

  4. Mac OS X unterstützt bevorzugt HFS+ (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Mac_OS_X#Dateisysteme). Unter welchen Umständen macht es Sinn, dieses Dateisystem auch auf externen Laufwerken einzusetzen?

  5. Sie haben im Betrieb auch ältere Rechner, welche möglicherweise die neuesten Dateisysteme nicht unterstützen. Funktioniert Ihr mit exFAT formatierter USB-Stick an diesen Rechnern?

  6. Was bedeutet "formatieren"?

  7. Welche Rolle spielen "Zeichensätze" bei Dateisystemen?

    • Wie sind die Zeichen der Dateinamen und -pfade kodiert?

    • Was hat ein "Systemzeichensatz" mit der Kodierung der Dateinamen und -pfade zu tun?

    • Was sind "Alle Bytes" bzw. alle 8-Bit-Zeichen (ANSI)? Was ist UCS-2? Was ist UNICODE? Was ist UTF-8?

 

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Lösungen

Hier wird natürlich erst nachgesehen, wenn Sie selbst eine Lösung erarbeitet haben oder nicht auf die richtige Idee kommen!
 

 

 

 

Aufgabe 3 - Probleme im Umgang mit verschiedenen Dateisystemen

  1. Notieren Sie Ihnen bekannte Probleme beim Umgang mit verschiedenen Dateisystemen!

    1. FAT32 Begrenzung von 4GiB als Obergrenze für die Größe einer Datei.

    2. Das NTFS-Dateisystem kann vom MAC nicht ohne Zusatzsoftware gelesen werden.

    3. Generell: problematischer Dateiaustausch zwischen verschiedenen Betriebssystemen, z.B. MAC OS ... <=> MS Windows ...

    4. Umbenennung/Verfälschung von Umlauten in Dateinamen beim Kopieren von einem Dateisystem auf ein anderes.

    5. Beim Kopieren von Verzeichnissen werden einige Eigenschaften nicht wie erwartet 1:1 abgebildet, z.B. werden die neu angelegten Verzeichnisse mit einem neuen Datum versehen. Das passiert u.U. sogar bei identischen Dateisystemen.

    6. Obwohl der Dateiname anscheinend gar nicht zu lang ist entsprechend der Vorgabe für dieses Dateisystem, kommt eine Fehlermeldung "Dateiname" zu lang. a) Wie lang ist der komplette Pfad? b) Enthält der Dateiname UNICODE-Character, welche mit mehr als einem Byte kodiert gespeichert werden? c) Unterstützt die genutzte Software die Länge dieses Dateinamens? d) Wurde die Anzahl zulässiger Verzeichnisebenen überschritten?

 

Aufgabe 10 - Dateinamens-Konventionen

(unter dem Aspekt der maximalen Dateisystem-Kompatibilität)
Sinnvoll könnten z.B. folgende Festlegungen sein ...

  • Alle Dateien grundsätzlich komplett klein schreiben (Groß-/Kleinschreibung Problematik)

  • Dateilänge maximal 32 Zeichen

  • Verzicht auf Sonderzeichen (ä,ö,ü, ...)
    (Zeichensatz-Problematik)

  • Underliner "_ " anstelle von Leerzeichen verwenden
    (Mögliche Skripting-Probleme auf Servern

  • Länge des gesamten Dateipfads möglichst kurz, z.B. 256 Zeichen
    (Kompatibilität mit Tools wie z.B. WinRar)

  • ​


     

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