Dateisysteme: Speicherung und Verwaltung

Dateisysteme – Grundlagen

• Ein Dateisystem ermöglicht das geordnete Speichern und einfache Wiederauffinden von Dateien auf Speichermedien.
• Es bietet die notwendigen Zugriffsmechanismen für die verwalteten Dateien.

Aufgaben eines Dateisystems

• Bereitstellung von CRUD-Operationen (Create, Read, Update, Delete).
• Verwaltung des freien und belegten Speicherplatzes.
• Strukturierte Speicherung von Dateien.
• Verwaltung von Verzeichnissen.
• Verwaltung von Datei- und Verzeichnisattributen.
• Verwaltung von Zugriffsrechten.
• Beispiele für Dateisysteme sind Apple DOS, Apple SOS, FAT12, FAT16 und FAT32.

Speicherung von Dateien

• Dateien werden üblicherweise auf Festplatten (HDDs) oder Solid-State-Drives (SSDs) gespeichert.
• Die Verwaltung des Plattenspeichers ist ein wesentlicher Bestandteil von Dateisystemen.
• Grundsätzlich gibt es zwei Ansätze zum Speichern von Dateien der Größe n Bytes:
  • n aufeinanderfolgende Bytes werden auf der Platte gespeichert.
  • Die Datei wird in einer bestimmten Anzahl von (nicht notwendigerweise) zusammenhängenden Blöcken aufgeteilt.
• Die Speicherung als zusammenhängende Bytefolge birgt ein Problem: Wenn sich die Dateigröße ändert, muss die Datei möglicherweise komplett verschoben werden.
• Bei der Speicherung in Blöcken ist die Verschiebung einzelner Blöcke einfacher, da diese nicht unbedingt benachbart sein müssen.
• Die meisten Dateisysteme teilen Dateien in Blöcke fester Größe auf.

Umgang mit Systemabstürzen

• Nach einem Systemabsturz muss das Dateisystem in der Lage sein, die Strukturen auf der Festplatte konsistent zu halten.
• Dies kann durch zeitverzögertes Rückschreiben oder durch protokollieren aller Veränderungen in einem fortlaufenden Journal (Log) erreicht werden.
• Es gibt zwei Typen von Dateisystemen: Journaling-Dateisysteme und Log-strukturierte Dateisysteme.

Journaling

• Das sequentielle Log (Journal) wird temporär zum Protokollieren von Änderungen verwendet.
• Die Daten werden später in die eigentliche Dateisystemorganisation zurückgeschrieben.
• Alle Änderungen (Schreiben) werden als Teil von Transaktionen behandelt.
• Die eigentlichen Daten werden zuerst ins Journal geschrieben.
• Beispiele für Transaktionen sind Erzeugen, Löschen, Erweitern, Verkürzen von Dateien, Verändern von Dateiattributen und Umbenennen von Dateien.
• Der Log-Eintrag wird vor der eigentlichen Änderung auf der Platte geschrieben.
• Daten landen immer zuerst im Journal und dann am eigentlichen Ort auf der Festplatte.
• Wurde etwas auf der Platte geändert, gibt es auch den Protokolleintrag dazu auf der Platte.
• Eine Transaktion ist ein atomarer, unteilbarer Vorgang mit zwei Zuständen: komplett abgeschlossen oder nicht stattgefunden.
• Eine Transaktion kann wiederholt bzw. abgeschlossen werden; angefangene, aber nicht beendete Transaktionen werden rückgängig gemacht.
• Beim Booten wird die Protokolldatei mit den aktuellen Änderungen abgeglichen, um Inkonsistenzen zu vermeiden.
• Zur Reparatur wird das Protokoll gelesen und die Informationen aus dem Journal ausgelesen.
• Ein konsistenter Zustand lässt sich immer herstellen und teilweise werden neue Daten gerettet.

Inkonsistenzen

• Inkonsistenzen können bei unvorhergesehenen Abbrüchen wie Stromausfällen, Hardwaredefekten oder Systemabstürzen auftreten.

Meta-Daten-Journaling

• Im Protokoll werden nur die Operationen und nicht der Inhalt beschrieben.
• Zu diesen Operationen gehören: Welches Verzeichnis wird referenziert? Welche Rechte liegen vor? Wem gehört die Datei? Welche Speicherblöcke werden belegt?
• Die zum Zeitpunkt eines Absturzes behandelten Daten können verlorengehen.

Vollständiges Journaling

• Auch bekannt als Data-Journaling oder Full-Journaling.
• Protokollierung des gesamten Vorgangs, inklusive der behandelten Daten.
• Beim Überschreiben von Daten bleibt zumindest das Original erhalten.

Log-strukturierte Dateisysteme

• Diese Dateisystemart hat den gleichen Effekt wie Data-Journaling.
• Alte Daten werden nicht überschrieben, sondern angehängt.
• Alle Änderungen im Dateisystem erfolgen auf Kopien.
• Der Inhalt veränderter Blöcke wird in einen neuen Block geschrieben.
• Erst zuletzt werden Verweise von Original-Blöcken auf modifizierte Kopien umgebogen.
• Die gesamte Platte wird als Log betrachtet und verwaltet.
• Das Log wird für die eigentliche Dateisystemorganisation verwendet.
• Ein Zurückschreiben ist damit nicht nötig.
• Nachteilig ist die Fragmentierung der Dateien, da modifizierte Daten weit räumig auf der Platte verteilt werden.

Cleaner gegen Fragmentierung

• Ein Cleaner durchsucht das Log, um die Fragmentierung zu reduzieren.
• Vorgehen:
  • Lesen der Zusammenfassung des ersten Segments (Welche I-Nodes und Dateien sind im Segment enthalten?).
  • Überprüfung der aktuellen I-Node-Map (Sind I-Nodes noch aktuell und werden die Datenblöcke verwendet?).
• Nein: Informationen werden gelöscht, Segment wird als frei markiert und kann für neue Daten nutzen.
• JA: I-Nodes und Datenblöcke werden in den Speicher geladen, um mit dem nächsten Segment auf die Platte geschrieben zu werden.

Nachteile Log-strukturierter Dateisysteme

• Protokollierungsaufwand: Die Festplatte springt beim Schreiben zwischen dem Log und den bearbeiteten Daten permanent hin und her.
• Doppeltes Schreiben beim Data-Journaling: Daten werden erst im Log aufgefüllt, um dann nochmals an ihr wirkliches Ziel geschrieben zu werden.
• Fragmentierung.

Datensicherung

• Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Daten wirklich zu sichern.

Inkrementelles Backup

• Zuerst wird eine Vollsicherung durchgeführt.
• Anschließend werden Sicherungen zum letzten Backup gemacht, d.h. Sicherung der Veränderungen seit dem letzten Backup.
• Vorteile: Einfaches Verfahren, geringer Speicherbedarf.
• Nachteile: Für eine vollständige Wiederherstellung sind das Vollbackup und alle nachfolgenden inkrementellen Backups erforderlich.

Differentielles Backup

• Zuerst wird eine Vollsicherung durchgeführt.
• Anschließend werden die Veränderungen zum letzten Vollbackup gesichert.
• Vorteile: Weniger Speicherbedarf als bei einem Vollbackup, aber mehr als bei einem inkrementellen.
• Nachteile: Dateien, die einmal verändert wurden, müssen bei jedem differentiellen Backup neu gesichert werden, erhöhtes Datenaufkommen.

Vollbackup

• Es wird immer der komplette Datenbestand gesichert.
• Vorteil: Zur Wiederherstellung ist nur ein Band erforderlich.
• Nachteil: Sehr hoher Speicherbedarf; zur Speicherung mehrerer Versionen sind mehrere Sicherungsbänder erforderlich.