05_Dateisysteme

Question 1

Charakteristiken der Dateinutzung

Answer 1

• Dateien sind meist klein (wenige KByte)
• Dateien werden häufig gelesen, selten geschrieben und kaum gelöscht
• Benutzung einer Datei durch mehrere Benutzer geschieht häufig (Zugriffsrechte)
• gleichzeitige Benutzung einer Datei durch mehrere Benutzer ist selten (Synchronisation)

Question 2

Festplatten

Answer 2

• drehende, magnetisierbare Scheiben, über die Schreib-Lese-Köpfe positioniert werden
• Orientierung der Magnetisierung repräsentiert Speicherwert (links = 0, rechts = 1)
• Datenablage in Spuren (kompletter Kreis) -> unterteilt in Sektoren mit 512 Bytes („Block Device“)
  
  • Sektor nur als Ganzes gelesen o. beschrieben
  • enthält Prüfsumme
• Partition = zusammenhängender Bereich von Zylindern (direkt übereinanderliegenden Spuren)
  
  • max. 4 primäre Partitionen auf einer Festplatte
• Vorteil: nicht flüchtig

Question 3

Festplatten

Adressierung

Answer 3

• LBA – Logical Block Address -> direkte Adressierung der Blöcke
• Controller sieht fortlaufend nummerierte Anzahl von Blöcken für Gerätetreiber (defekte Sektoren werden von Platte ausgeblendet) -> Umrechnung in Plattengeometrie über Firmware der Platte

Question 4

Dateisichten

Answer 4

• Anwender sieht Datei als Bytestrom
• Festplattensektoren zu Dateien zusammengefasst und unter Dateinamen zur Verfügung gestellt
• Information darüber (Metadaten wie Zuordnung und Reihenfolge der Blöcke der Datei) auf Festplatte hinterlegt -> nach Abschalten erhalten
• Aufgabe des Gerätetreibers/Festplatte: reale Platte als Folge von intakten Sektoren anbieten = abstrakte Platte

Question 5

Dateisysteme

Verzeichnisse

Answer 5

• als Baumstrukturen angelegt
• Wurzelknoten -> Verzeichnisse/Dateien -> ggf. Unterverzeichnisse/Dateien
• Dateien absolut über Pfad (Beginn mit „/“) oder relativ referenziert
• Links: Erweiterung der Baumstruktur zu Netzstruktur
• Soft Links: enthalten Verweis auf andere Datei – keine Kopie -> Löschen: Ursprungsdatei erhalten
  
  • Löschen der Ursprungsdatei: Link ins Leere
• Hard Links: im Dateisystem weiterer Eintrag mit anderem Namen – selbe Zieldatei
  
  • Löschen: Link-Zähler der Datei heruntergezählt
  • Löschen des letzten Hard-Links: Inhalt der Datei gelöscht

Question 6

Aufbau einer Festplatte

Answer 6

MBR = Mast​​er Boot Record - 512 Byte

• erster Sektor
• enthält 440 Byte Boot-Code -> beim Start vom BIOS in Hauptspeicher geladen u. ausgeführt
• 16 Byte lange Einträge für Lage und Typ von Partitionen auf der Festplatte
• mit UEFI: GUID Partition Table -> beliebig viele Partitionen

Partitionen

• nur 4 primäre Partitionen möglich
• extended partition: Schachtelung von sekundären Partitionen in primäre Partitionen
• enthalten jeweils Dateiverwaltungssystem

Question 7

Dateisystem

Aufbau eines einfachen Dateisystems

Variante 1

Answer 7

• aufeinanderfolgende Blöcke mit Inhalt der Dateien füllen
• Lesezugriff auf fortlaufende Datenblöcke = zeitoptimal
• Problem bei Löschen oder Verlängern der Dateien
• viele kleine, freie Blöcke entstehen -> Speichern großer Dateien irgendwann unmöglich
• Anwendung: Datenträger nur einmal/als Ganzes beschrieben (z.B. CD-ROM)

Question 8

Dateisystem

Aufbau eines einfachen Dateisystems

Variante 2

Answer 8

• Dateien mit veränderlicher Lage - Linked List
• Dateikopf mit Verweis auf ersten Nutzdatenblock
  
  • Dateiname
  • Dateityp
  • Erzeugungszeitpunkt

  • Datum der letzten Änderung
  • Datum des letzten Zugriffs

  • Eigentümer

  • Gruppenzugehörigkeit

  • Dateirechte

  • Länge der Datei

  • Verweise auf Datenblöcke
• solange Verweis auf nächsten Block, bis letzter zur Datei gehöriger Block erreicht ist
• Nachteil: bei Positionierungsbefehlen äußerst langsam, da sämtliche Blöcke eingelesen werden müssen, um z.B. letzten Block zu identifizieren

Question 9

Dateisystem

FAT - Aufbau von FAT32-Partitionen

Answer 9

• 1. Sektor = Bootsektor: Bootcode d. Stufe 2 + Informationen über Dateisystem der Partition
  
  • Anzahl Sektoren + Sektorgröße + Clustergröße + Typ, Beginn u. + Länge der FAT
• FAT: File Allocation Table
  
  • so viele Einträge, wie Partition Cluster hat
  • statt Verkettung durch Zeiger in Datenblöcken -> Verkettung innerhalb der FAT
  • in RAM geladen -> schnelle Positionierungen innerhalb der Datei
  • Eintrag 0: freier Cluster
  • Eintrag -1 (0xffff): letzter Cluster einer Datei
• Wurzelverzeichnis: Dateiköpfe aller Dateien und Verzeichnisse mit Verweis auf 1. Datenblock in FAT

Question 10

Dateisystem

Indexbasiert: Ext2

Aufbau der Partition

Answer 10

• Partition nach Boot-Sektor in Block-Groups mit gleicher Größe aufgeteilt
• Vorteil: Verwaltungsinformationen nahe den Nutzdaten = Performanceverbesserung
• einige Block-Groups enthalten Kopie des Superblocks -> Reparatur des Dateisystems nach Systemabsturz
• Superblock:
  
  • Name + Typ + Gesamtanzahl der Blöcke und Inodes + Anzahl freier Blöcke und Inodes + Mount-Informationen + Blocknummer des ersten Inodes (verweist auf Dateiblöcke des Root-Verzeichnisses)
• Group-Deskriptor: Adressen der Verwaltungs-Bitmaps + Clusternummer der Inodes-Tabellen + Anzahl der Verzeichnisse, der freien Blöcke u. Inodes
• Bitmap-Blöcke: je 1 Cluster groß (1kB o. 4 kB)
  
  • Verwaltung von freien und belegten Dateiblöcken und Inodes

Question 11

Dateisystem

Indexbasiert: Ext2

Inodes

Answer 11

• Elemente fester Länge
• verwalten alle Dateien inkl. Verzeichnisse
• enthalten u.a. Länge der Datei + Eigentümer + Informationen zu Erzeugungszeitpunkt + Typ (Datei, Verzeichnis, Pseudodatei, …)
• gestuftes Verfahren -> geringerer Verwaltungsaufwand
• 12 direkte Verweise in Inode eingetragen (Blockgröße von 4 kB -> 48kB Dateigröße abgedeckt = meiste Dateien)
• 1. Indirektionsstufe: Eintrag indirect_bl1 verweist auf Block, der Verweis auf Datenblöcke enthält
• 2. Indirektionsstufe: im Dateikopf Verweis auf Block, der wieder auf 256 Blöcke verweist, die Blocknummern der Nutzdatenblöcke enthalten
• 3. Indirektionsstufe: dreifache Indizierung

Question 12

Dateisystem

Indexbasiert: Ext2

Verzeichnisse

Answer 12

Verzeichnis = Datei vom Typ „Directory“ -> enthält alle Einträge in dem Verzeichnis (Dateien und Verzeichnisse)

Inode-Nr. verweist auf Inode, die Datei verwaltet

Question 13

Dateisystem

Indexbasiert: Ext4

Answer 13

• kompatibel zu Ext2, zusätzliche Erweiterungen
• schneller, da hintereinanderliegende Datenblöcke
• Blocknummern von 48 Bit auf der Festplatte und 32 Bit als logische Blocknummern in der Datei -> Datei kann 232 Blöcke groß werden -> bei 4kB Blockgröße: 2³²*2¹⁶ = 2⁴⁸ = 16TB
• Einführung von Extents: Gruppe von Datenblöcken variabler Größe, hintereinander auf der Festplatte
• Zuordnung Extent–Datei: Blocknr. in der Datei + Anzahl Blöcke+ Adresse d. 1. Blocks auf der Festplatte
• Baumstruktur variabler Tiefe für Adressierung der Extents statt bis zu 3-stufige Indizierung der Nutzdatenblöcke

Question 14

Dateisystem

Indexbasiert: Ext4

Inode

Answer 14

• 15 Felder für Adressierung der Blöcke und Indexblöcke -> jetzt Extent-Header und 4 Extent-Verweise
• > 4 Extents benötigt (große Dateien/stark fragmentierte Festplatte): Baum aus Extents angelegt

Question 15

Dateisystem

Indexbasiert: Ext4

Beispiel mit 10 Datenblöcken

Answer 15

Question 16

Dateisysteme

Mount

Answer 16

• bei Unix nur 1 Filesystem im Gegensatz zu Windows (dort Lauwerkbuchstaben C, D, E, …)
• jedes Dateisystem in jeder Partition muss bei Linux in ein bestehendes Dateisystem eingebunden werden, um erreicht zu werden -> auf beliebiges Verzeichnis im Baum abbilden
• Ausnahme: Root-Filesystem, das sofort nach dem Start eingebunden wird -> Vorgang = mount

Question 17

Dateisystem

Konsistenzprüfung

Answer 17

• Systemabsturz oder Stromausfall gefährden die Konsistenz
• Datenblöcke und Metainformationen (Inodes, Indexblöcke) werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf die Platte geschrieben -> Inkonsistenz bei Unterbrechung
• Mögliche Fehler:
  
  • Verzeichniseintrag zu einer Datei fehlt

  • Block ist als belegt gekennzeichnet, gehört aber zu keiner Datei
  • Längeneintrag im Inode passt nicht zu den belegten Blöcken
• Prüfprogramm (fsck, CHKDSK) prüft Zuordnungen + stellt Konsistenz wieder her
• Inkonsistenz oft bei Wiederanlauf des Systems entdeckt -> Vermerkt im Superblock: „unmounted“
• Konsistenz der Metadaten vor Datenkonsistenz -> oft Datenverlust bei Reparaturen

Question 18

Dateisystem

Konsistenzprüfung

Fehlertolerante Dateisysteme

Answer 18

• Ziel: Vermeidung von Inkonsistenzen
• fsck kann beim Booten lange dauern -> auch kaputte Dateisysteme sollten schnell wieder funktionieren -> fehlertolerante Systeme gebraucht
• Dateioperationen werden als Transaktionen verstanden
• für jede Transaktion Protokoll erstellt = Journal
  
  • bei jeder Änderung erst Eintrag dann Ausführung
  • bei Inkonsistenz mit Journal: Änderung gelöscht o. wiederholt
• Metadaten-Journaling: nur Metadaten (Inodes, Verweise) -> möglicher Datenverlust
• Vollständiges Journaling: Metadaten und Nutzdaten im Journal -> hoher Speicherbedarf
, langsam
• Checkpointing: alte, abgeschlossene Transaktionen aus dem Journal entfernen

Question 19

Dateisystem

Konsistenzprüfung

Copy on Write

Answer 19

• Konsistenz bleibt immer erhalten
• Blöcke nicht verändert, sondern neu geschrieben
• Nachteil: mehr Speicherbedarf bei Änderungen

1. Änderung eines Datenblocks in einer Datei-> Modifikation nur im Buffer Cache -> auf Festplatte an anderer Stelle neu geschrieben
   
   • bei Absturz: Änderung verloren, Konsistenz erhalten
2. Änderung im Index-Block und in Inode eintragen-> neue geschrieben
   
   • bei Absturz: Änderungen verloren, Konsistenz erhalten
3. Änderung im Superblock eintragen -> Überschreiben des Superblocks + überflüssige alte Blöcke freigegeben
   
   • bei Absturz: neue Daten + Konsistenz erhalten