Dateisysteme für NAS Server

NAS Dateisysteme

Dateisysteme: Ein Überblick - Bild: © Depositphotos.com/Imilian (Maximilian Scharf)

Computersysteme verpacken Daten für die Speicherung und den Transport meist in Dateien. Dateisysteme dienen einer in der Regel strukturierten Aufbewahrung von Dateien und ermöglichen ein gezieltes Wiederfinden der abgespeicherten Informationen. Spezifische Eigenschaften von NAS Dateisystemen sind Netzwerkfähigkeit, erhöhte Datensicherheit durch Redundanz. Aus der Netzwerkfähigkeit ergeben sich zusätzliche Anforderungen an den Datenschutz, die Sie üblicherweise durch die Einrichtung von Nutzerkonten und die Verwaltung von Zugriffsberechtigungen erfüllen können. Lesen Sie hier, welche Unterschiede es bei Dateisystemen gibt und welche Bedeutung sie im Zusammenhang mit NAS Systemen haben.

Sämtliche existierende oder historisch bedeutsame Dateisysteme zu beschreiben würde ein ganzes Buch füllen. Eine relativ kompakte Liste wichtiger Dateisysteme wird bei Wikipedia geführt, mit über 200 Einträgen. Auch nach dem Filtern in Bezug auf die Relevanz für NAS-Anwendungen bleiben noch zahlreiche Dateisysteme übrig.

Dateisysteme – eine Zusammenfassung

Dateisysteme unterscheiden sich vor allem aufgrund unterschiedlicher Anforderungen der Betriebssysteme sowie physischer Unterschiede von Datenträgern, für die sie entwickelt wurden. So unterstützte zum Beispiel das ursprüngliche Unix-Dateisystem bereits eine Zuordnung von Dateien zu Nutzern und Gruppen sowie eine vergleichsweise komplexe Vergabe von Zugriffsrechten, während das FAT-Dateisystem der ersten IBM PCs lediglich eine Kennzeichnung als versteckte oder Systemdateien erlaubte.

FAT-Dateisystem

Das FAT-Dateisystem wurde ursprünglich für Disketten mit Speicherkapazitäten unter 1,5 MB entworfen und im Lauf der Jahre mehrfach erweitert, um die Grenzen der nutzbaren Datenträger zu erweitern. Dadurch ist eine ganze Familie von Dateisystemen entstanden, die vor allem wegen ihrer einfachen Implementation die breiteste Unterstützung gefunden haben.

FAT-Dateisysteme werden aktuell vor allem für den Datenaustausch und in Embedded-Systemen mit begrenzten Ressourcen genutzt, insbesondere auf USB-Sticks sowie Speicherkarten in Digitalkameras und Smartphones. In dieser Form sind sie auch für NAS-Systeme relevant.

Für große und hochbelastete Speichermedien, wie die Festplatten im NAS, sind FAT-Dateisysteme kaum geeignet. Ihre Performance ist zu schlecht, sie sind nicht fehlertolerant und bieten kaum Möglichkeiten für die Zugriffskontrolle, die in vernetzten Umgebungen mit mehreren Nutzern im Allgemeinen erforderlich ist. Hier kommen spezielle Dateisysteme zum Einsatz, die zum Teil auch kombiniert werden, um alle Zielvorgaben zu erfüllen. So stellen zum Beispiel RAID-Systeme eine Basis mit automatisch redundanter Datenspeicherung zur Verfügung, auf der ein weiteres, für den Nutzer sichtbares Dateisystem den Datenzugriff regelt.

Dateisystem für NAS-Server

Spezifisch für NAS-Anwendungen sind Netzwerk-Dateisysteme, zu denen der ursprünglich von Sun Microsystems für Unix-Umgebungen entwickelte Klassiker NFS (Network File System) zählt. Auch bei den Netzwerk-Dateisystemen gibt es eine große und weiter wachsende Auswahl, zu denen sich in jüngere Zeit unter anderem für eigene Zwecke spezialisierte Lösungen großer Internet-Dienstanbieter gesellt haben, wie das Amazon S3 Dateisystem oder das Google Filesystem (GFS oder GoogleFS).

Die gleiche Bedeutung und Funktion wie NFS in der Unix-Welt hat in Windows-Umgebungen und heterogenen Netzen mit Windows- und anderen Clients SMB (Server Message Block). Auch unter dem Namen CIFS (Common Internet File System) bekannt handelt es sich um ein von IBM und Microsoft entwickeltes Netzwerk-Dateisystem, das zum Standard von Windows-Betriebssystemen gehört, aber auch von MacOS und Linux (über ein Software-Paket namens Samba) unterstützt wird.

Wie die Bezeichnung SMB andeutet, sind NFS & Co keine typischen Dateisysteme, sondern Netzwerk-Protokolle für die gemeinsame Nutzung von Massenspeicher-Ressourcen in einem LAN. Sie zählen trotzdem zu den Dateisystemen, weil der Zugriff transparent erfolgt, die Dateien also für die Bearbeitung nicht erst auf einen lokalen Speicherplatz kopiert werden müssen, wie bei der Verwendung von Dateiübertragungsprotokollen, beispielsweise FTP. Netzwerk-Dateisysteme wie SMB und NFS verdecken auch die spezifischen Eigenschaften der lokalen Dateisysteme, mit denen ein Fileserver wie ein NAS oder ein PC den eigenen Festplattenplatz organisiert, und präsentieren sich dem Anwender daher wie ein lokaler Datenträger.

NAS-Lösungen sind in der Regel angepasste Linux-Systeme. Für die Datenhaltung auf den internen Festplatten kommen daher vor allem Linux-spezifische Dateisysteme wie das speziell für Linux entwickelten Extended File System in der Version Vier (ext4) zum Einsatz. Wie sein Vorgänger ext3 zeichnet es sich gegenüber den ersten beiden Versionen durch ein Journalling aus, das vor allem den Wartungsaufwand für die Dateisystemprüfung reduziert, wenn das Computersystem nicht ordnungsgemäß herunter gefahren wurde.

Bei der Entwicklung des Linux Extended File System ist die Kompatibilität der verschiedenen Versionen untereinander eine wesentliche Designvorgabe. Die Dateisysteme ext3 und ext4 sind daher besonders vorteilhaft für Systemadministratoren, die ältere Computersysteme mit neuen Dateisystemfeatures ausrüsten möchten, ohne dabei den kompletten Dateninhalt der Festplatten zu verlieren. In anderen Aspekten liegt ext4 hinter Neuentwicklungen wie Btrfs zurück, das hat auch der ext4-Hauptentwickler Theodore Ts’o 2008 konstatiert

Das B-Tree File System Btrfs wurde ab 2007 zunächst von Oracle für Linux entwickelt. Sie können die Abkürzung unter anderem als „Better file system“ lesen und erkennen darin das Entwicklungsziel. Als wesentliche Verbesserungen gegenüber ext4 bietet das nach dem Copy-on-write-Prinzip arbeitende Btrfs die Dateisystemeigenschaften Snapshots, Pooling und Prüfsummen.

Copy-on-write

Copy-on-write reduziert den Ressourcenverbrauch beim gleichzeitigen Zugriff mehrerer Nutzer oder Prozesse auf denselben Datenbereich indem es erst beim Wegschreiben geänderter Daten eine Kopie in einem neuen Speicherbereich ablegt und nur die Modifikationen abspeichert. Snapshots, die Sie zum Beispiel bei Btrfs und beim von Sun Microsystems entwickelten ZFS finden, können Sie als eine transparente Art eines inkrementellen Backups ansehen, das automatisch und fortlaufend während der normalen Nutzung des Dateisystems entsteht. Die Idee wurde bereits Ende der 1980er-Jahre in Plan 9 implementiert, einem von den Bell Labs entwickelten Betriebssystem, das als Nachfolger für Unix gedacht war.

Prüfsummen

Prüfsummen erlauben eine schnelle Kontrolle, ob sich Daten geändert haben. Sie werden aus den Ursprungsdaten mit festgelegten Algorithmen berechnet und haben die Eigenschaft, dass sich ihr Wert bei einer geringen Änderung des Ausgangswert stark ändert. Um festzustellen, ob zwei Datenblöcke identisch sind, brauchen Sie nur die verhältnismäßig kurzen Prüfsummen vergleichen und nicht die wesentlich größeren Datenblöcke. Außerdem erlauben Prüfsummen in begrenztem Umfang auch die Korrektur von Datenfehlern.

Journalling

Journalling bedeutet bei einem Dateisystem, dass jede Schreibaktivität zusätzlich in einem speziellen Speicherbereich vermerkt wird, dem Journal. Durch diese Zusatzinformation kann sichergestellt werden, dass die Daten im Dateisystem zu jeder Zeit konsistent sind und auch bei einem harten Ausschalten keine Dateisystemfehler entstehen, die eine vollständige Überprüfung des gesamten vom Dateisystem belegten Speicherplatzes erforderlich machen würden. Mit Dateisystem-Journalling ist ein Computersystem mit viel Festplattenkapazität, wie ein NAS, nach einem Stromausfall oder einem anders verursachten Systemabsturz erheblich schneller wieder betriebsbereit.

Aufgrund der stetig wachsenden Speicherkapazität von Festplatten und anderen Datenträgern nimmt auch die Bedeutung der Performance von Dateisystemen immer weiter zu. Aktuelle Dateisysteme müssen daher nicht nur immer größere Speicherbereiche und Dateien verwalten können, sondern dabei auch noch immer schneller werden. Neue Features und Verbesserungen zielen daher auch darauf ab, gerade die spezifisch langsamen Schreibzugriffe und Suchvorgänge zu beschleunigen oder zu vermeiden.

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