Daten speichern – und wiederfinden Wie werden Festplatten und andere Datenträger formatiert?

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Betriebssysteme sind wie Bibliotheken. Was sie speichern, finden sie nur wieder, wenn das richtige Dateisystem auf das Speichermedium geschrieben wurde. In einer Bibliothek ist das ähnlich. Nur wenn das Karteisystem der räumlichen Aufteilung der Bibliothek mit seinen Etagen und Bücherregalen entspricht, dann lassen sich die Orte wiederfinden, an denen das Dokument gelagert wurde.

Bei der Formatierung oder Neuformatierung einer Festplatte wird diese in Segmente unterteilt, die dem Betriebssystem das Wiederfinden von Daten ermöglichen. Am einfachsten zu verstehen ist das ehemals weitverbreitete Windows Dateisystem FAT, die File Allocation Table, die es in verschiedenen Versionen für die Formatierung von Disketten, Festplatten und SSDs gibt.

Welche Datenträger können formatiert werden?

Das praktische Prozedere der Formatierung oder Neuformatierung ist vom Betriebssystem abhängig (Windows, Linux, macOS). Neben Festplatten lassen sich auch alle anderen Datenträger formatieren, vor allem SSDs, USB-Sticks und SD-Karten.

Die Bücher der Welt

Das Problem ist allgegenwärtig: Wie organisiert man den beständigen Informationsstrom, der jeden Tag die Menschheit überflutet? In der analogen Welt ist das Problem fast überschaubar: Alle auf der Welt verfassten Bücher lassen sich auf digitalen Medien mit der „geringen“ Speicherkapazität von etwa 400 Terabyte unterbringen. Stand 2013. Das lässt sich auf 27 SSDs oder 40 Festplatten unterbringen. Stand 2017.
In der digitalen Datenwelt mit all ihren Kopien, erwarten Analysten im Jahr 2025 ein Datenvolumen von 163 Zettabyte (ZB). Zwischen Terabyte und Zettabyte liegen die drei Einheitendimensionen Tera, Peta und Exa. Also mal grob gerechnet ungefähr 100 Milliarden Festplatten.

Wie funktioniert eine Formatierung??

Vor dieser Herausforderung könnte man schon Bammel bekommen. Man muss ja „nur“ ein Dutzend Rechenzentren in aller Welt aufstellen und dann eine globale Suchmaschine mit vielen Indizes und Metadaten über die gesamten Datenmenge laufen lassen.

Für das lokale Ordnungsproblem eignen sich Kartei- und Dateisysteme besser. Und das Schöne ist, an den Prinzipien von Ordnungssystemen ändert sich nicht viel. Das Ordner-Ablagesystem in einer Firma hat viel Ähnlichkeit mit dem Dateisystem. Es ist leider nicht ganz so handgreiflich erfahrbar.

Wirft man einen Blick auf die frühe PC-Computerwelt mit MS-DOS und Windows 9x, so waren 1983 nur Festplatten mit maximal 500 MByte Kapazität verwaltbar. Mit Tricks funktionierte das auch für etwas größere Platten. Das Dateisystem hieß damals FAT16, die File Allocation Table, die das Management von 65.000 Clustern erlaubte.

Für einen Laien sind diese technischen Beschreibungen befremdlich bis abschreckend. Doch das Prinzip einer Bücherei, Bücher wiederfinden, steckt auch in einer Festplatte. Bei der Formatierung mit FAT16 wird die Festplatte in Zylinder (C), Kopf (H) und Sektor (S) unterteilt. Das entspräche beispielsweise in einer Bibliothek dem Stockwerk, dem Regal und dem Regalbrett.

Diese drei Informationen, waren in den Anfangszeiten der PC-Technik auf 1.024 Zylinder, 16 Schreib-/Leseköpfe und 63 Sektoren mit je 512 Byte Fassungsvermögen begrenzt. Jeder Sektor wurde mit der zugehörigen Binärzahl gekennzeichnet.

Wird nun eine Datei gespeichert, so schreibt das Betriebssystem in das Dateisystem den Namen der Datei und die Adresse des Startsektors. Benötigt die Datei nur den Platz von einem Sektor, wird am Ende des Sektors ein Endezeichen eingefügt. Ist die Datei größer als 512 Byte, so steht am Ende jedes Sektors die Adresse des nächsten Sektors, bis das Endezeichen gefunden wird.

Da die benötigten Festplattenkapazitäten schnell größer wurden, eignete sich das sogenannte CHS-Verfahren nur kurze Zeit zur Lokalisierung von Dateien. In der nächsten Variante, der Logischen Blockadressierung (LBA) wurden die Sektoren einfach durchnummeriert.

Im aktuellen NTFS-Dateisystem von Microsoft werden Inodes verwendet, die sich im Fehlerfalle besser reparieren lassen und auch eine bessere Performance als das alte CHS-Format besitzen. Inodes enthalten wesentlich mehr Metadaten wie zum Beispiel den Dateityp, Zugriffsrechte, Benutzer und Gruppen, Zeitstempel, Größe der Datei und natürlich den Zeiger (Pointer) zum eigentlichen Datenblock.

Auch wenn Dateisysteme durch grafische Benutzeroberflächen wesentlich komfortabler und sicherer geworden sind, der Zweck, Dateien wiederzufinden, ist immer noch die Hauptfunktion.

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