Dateisysteme: Erklärung und Überblick über die wichtigsten Systeme

Dateisysteme gibt es bereits seit Jahrzehnten, schon Lochkarten und Magnetbänder nutzten sie. Allerdings ließen diese nur einen linearen Zugriff zu, bei dem z. B. durch Spulvorgänge eines Magnetbands der genaue Speicherort zeitaufwendig aufgespürt werden musste. Heute gewähren Dateisysteme wahlfreien Zugriff, so ist ein deutlich schnellerer Abruf beliebiger Daten möglich. Doch was ist ein Dateisystem eigentlich genau? Und welche Systeme gibt es?

Was ist ein Dateisystem?

Ein Dateisystem ist ein Ablagesystem auf einem Speichermedium, das das Schreiben, Suchen, Lesen, Speichern, Verändern und Löschen von Dateien auf eine spezifische Weise strukturiert und organisiert. Wichtig ist dabei, dass Dateien infolge der Strukturierung möglichst fehlerfrei zu identifizieren sind und Anwender schnellstmöglichen Zugriff auf ihre Dateien bekommen. Außerdem definieren Dateisysteme beispielsweise folgende Eigenschaften:

  • Dateinamen-Konventionen
  • Dateiattribute
  • Zugriffskontrolle(n)

Dateisysteme sind zudem eine wichtige operative Komponente, die als Schnittstelle zwischen dem Betriebssystem und allen angeschlossenen Laufwerken (intern und extern, z. B. über einen USB-Anschluss) fungiert.

Dateisysteme gelangen durch eine Formatierung auf einen Datenträger, wobei gekaufte Speichermedien heute bereits formatiert ausgeliefert werden. Früher war es üblich, dass neue Datenträger von Anwendern noch für die Dateiablage und -verwaltung vorbereitet werden mussten.

Die wichtigsten Dateisysteme im Überblick

Für Windows, macOS, Linux, Unix & Co. gibt es unterschiedliche Standard-Dateisysteme. In den letzten Jahren hat die Ausdifferenzierung durch den technischen Fortschritt noch zugenommen, da z. B. maßgeschneiderte File-Systeme für die immer beliebter werdenden Flash-Speichermedien (USB-Sticks, SSD-Drives) entwickelt wurden. Alle Dateisysteme verbindet die Eigenschaft, dass sie zur Organisation eine Art Baumstruktur verwenden, angefangen beim Wurzelverzeichnis. Von dort aus verzweigen sich Ordner bzw. Verzeichnisse und Unterordner.

Hinweis

Trotz gewisser Ähnlichkeiten sind Dateisysteme grundsätzlich untereinander nicht kompatibel. Wer z. B. eine mobile Festplatte mit APFS (Apple File System von 2017) an einen Windows-Computer anschließt, wird keinen Erfolg haben. Auch die unter Linux verwendeten Dateisysteme werden durch andere Betriebssysteme nicht direkt unterstützt. In der Regel gibt es aber Lösungen, bei denen etwa eine spezielle Software von Drittanbietern den Schreib- und Lesezugriff auf einen Datenträger ermöglicht.

Kurzübersicht: die wichtigsten Dateisysteme

Name

Einsatzgebiet

Betriebssystem (Unterstützung)

Besonderheiten

FAT32

mobile Datenträger

- Windows

- Mac OS X/macOS

- Linux (ggf. Treiber installieren)

- hohe Komptabilität

- breite Hardware-Unterstützung

- keine Verschlüsselungs- und Komprimierungs-funktionen

- Datensicherheit nicht besonders im Fokus

- ideal für kleinere Partitionen

- maximale Dateigröße: 4 GB

exFAT

mobile Datenträger

- Windows

- Mac OS X/macOS (Kompatibilität ab 10.6.4)

- Linux (ggf. Treiber installieren)

- noch kein allgemeiner Standard

- keine Rechteverwaltung

- keine Datenkomprimierung

- ideal für kleinere Flash-Speicher ab 32 GB (USB-Sticks, SD-Karten)

- uneingeschränkte Größen und Partitionen (nach derzeitigem Stand der Technik)

- maximale Dateigröße: 512 Terabyte

NTFS

interne, externe Festplatten

- Windows

- Mac OS X/macOS (umfassende Unterstützung nur mit Zusatz-Tool)

- Linux (nach Treiberinstallation)

- Rechtverwaltung

- verbesserte Datensicherheit: Schutz vor Datenverlust und -änderungen, Datenverschlüsselung möglich

- Datenkomprimierung möglich

hohe Performance bei großen Datenträgern

- spezialisiert auf große Dateien und große Speicherkapazitäten

- nicht für kleine Laufwerke und Partitionen unter 400 MB geeignet (zu hoher Verwaltungsaufwand)

- maximale Dateigröße: 256 TB

APFS

SSD-Drives

- macOS (Standard ab Version 10.13, High Sierra)

- Zusatz-Software für Nutzung bei älteren Mac OS und Windows

- optimiert für Solid-State-Laufwerke (SSDs) und andere All-Flash-Speichergeräte

- funktioniert auch auf mechanischen und hybriden Laufwerken

- Datenverschlüsselung möglich

- optimierte Speicherplatzverwaltung (Space-Sharing-Funktion)

- Crash-Protection-Funktion schützt vor Schäden am Dateisystem (z. B. bei Systemabsturz)

- Fusion-Drive-Unterstützung ab macOS 10.14 Mojave

- maximale Dateigröße: 8 Exbibyte

HFS+

interne und externe Festplatten

Mac OS X/macOS

- ausgereiftes und bewährtes Dateisystem

- besonders geeignet für mechanische Laufwerke

- nicht für moderne Speichertechniken (SSD, Flash) optimiert

- bessere Abwärtskompatibilität als APFS

- begrenzte Lebensdauer, wird von Apple auf Dauer wahrscheinlich nicht mehr unterstützt

- wird durch die teils automatisierte „Zwangskonvertierung“ in APFS zunehmend an Bedeutung verlieren

- maximale Dateigröße: 8 Exbibyte

ext4

Linux

- Linux

- Windows (nur mit Zusatz-Tool)

- Mac OS X/macOS (nur mit Zusatz-Tool)

Im Vergleich zu früheren Ext-Versionen:

- verbesserte Performance

- verbesserte Datensicherheit

- integrierte Verschlüsselung (ab Linux Kernel 4.1)

- neues Extents-Feature bietet Geschwindigkeitsvorteile bei der Verwaltung großer Dateien und beugt der Fragmentierung vor

Rechteverwaltung möglich

- maximale Dateigröße: 16 TB

Es gibt zwar mittlerweile recht viele Dateisysteme, aber nicht alle sind weit verbreitet. Die aktuell gängigsten Systeme sind FAT16, FAT32, exFAT und NTFS (Windows) sowie HFS+ und APFS (macOS/Mac OS X). Linux nutzt derzeit u. a. ext4 (Nachfolger von ext3 und ext2). Die genannten Dateisysteme werden im Folgenden kurz vorgestellt.

FAT (File Allocation Table)

Das Dateisystem gibt es bereits seit 1980. Die seither veröffentlichten Varianten sind unter den Namen „FAT12“, „FAT16“ und „FAT32“ bekannt. Eine FAT-Formatierung ist ideal für die Verwaltung und den Austausch kleinerer Datenmengen. Das FAT-Dateisystem ist aus heutiger Sicht eigentlich veraltet, denn selbst in der aktuellsten und leistungsfähigsten Variante (FAT32, eingeführt 1997) können Dateien maximal eine Größe von 4 Gigabyte (GB) haben. Zudem ist bei FAT32 die maximale Partitionsgröße auf 8 Terabyte (TB) beschränkt.

Trotz dieser Einschränkungen sind FAT-Formatierungen nach wie vor stark verbreitet. Sie kommen bei mobilen Wechseldatenträgern (externe Festplatten, USB-Sticks) und spezieller Hardware (Digitalkameras, Smartphones, Router, Fernseher, Autoradios etc.) zum Einsatz. Besonders im mobilen Bereich stehen sie für bestmögliche Kompatibilität.

exFAT (Extended File Allocation Table)

Das Format aus dem Jahr 2006 ist eine Weiterentwicklung der klassischen FAT-Formatierung. exFAT wurde ursprünglich für Wechseldatenträger konzipiert und eignet sich daher insbesondere für USB-Sticks, Speicherkarten und externe Festplatten wie Solid State Drives (SSDs) mit individuellen Speicherkapazitäten. exFAT arbeitet besonders effizient mit eher kleineren Datenspeichern zusammen. Dennoch kann es auch große Dateien verarbeiten und die FAT32-Grenze von 4 GB weit überschreiten. Seit Windows 7 wird exFAT nativ unterstützt (ist dort also Standard ab Werk, ohne weitere Treiberinstallationen oder spezielle Service Packs).

NTFS (New Technology File System)

Das Dateisystem NTFS wurde bereits 1993 mit dem Betriebssystem Windows NT eingeführt. Seit Windows Vista ist es das standardmäßige File-System für Windows-PCs. Es bietet gegenüber FAT einige Vorteile, etwa die Möglichkeit der Datenträgerkomprimierung und erhöhte Datensicherheit (z. B. durch Verschlüsselung). Eine Besonderheit von NTFS ist, dass Zugriffsrechte und Freigaben für Dateien und Ordner detailliert und umfassend definiert werden können. Dabei können Anwender Rechte für lokale und für Remote-Zugriffe per Netzwerk vergeben.

HFS+ (Hierarchical File System)

Das Dateisystem wurde 1998 als HFS-Weiterentwicklung von Apple eingeführt. Um beide Standards eindeutig voneinander zu unterscheiden, spricht man auch von Mac OS Extended (HFS+) und Mac OS Standard (HFS). Im Vergleich zu HFS arbeitet HFS+ schneller und effizienter beim Verwalten, Lesen und Schreiben von Daten. Zudem kann es mehr Dateien verwalten, wobei bis zu 4 Milliarden Blöcke mit Dateien oder Ordnern möglich sind. Linux kann Datenträger mit HFS+ teils direkt lesen und beschreiben, u. U. müssen aber spezielle Pakete installiert werden (hfsutils, hfsplus, hfsprogs). Unter Windows wird für die umfassende Unterstützung von HFS+ zusätzliche Software benötigt.

APFS (Apple File System)

APFS, das 2017 von Apple eingeführt wurde, wird vor allem den Anforderungen moderner Solid State Drives gerecht. APFS ist als 64-Bit-System konzipiert, die Verschlüsselung von Daten und Dateien ist möglich. Befindet sich ein Betriebssystem auf einer SSD, wird das Dateisystem von HFS+ automatisch in APFS konvertiert. Eingeführt wurde diese „Auto-Formatierung“ mit dem Betriebssystem „High Sierra“. Seit macOS 10.14 Mojave werden auch Fusion Drives (logische Laufwerke, die aus SSDs und mechanischen Festplatten gebildet werden) automatisch auf APFS migriert. Beim Konvertieren von HFS+ zu APFS kann es gelegentlich zu Problemen kommen.

ext4

ext4 wurde 2008 als Nachfolger von ext3 vorgestellt. Das Dateisystem ist derzeit Standard vieler Linux-Systeme (z. B. Ubuntu). Die weitreichendste Neuerung ist das Extents-Feature, das die Verwaltung großer Dateien optimiert und einer Fragmentierung effizienter vorbeugt als die Vorgänger. Unter ext4 lassen sich Partitionen beliebig vergrößern und verkleinern, und zwar im laufenden Betrieb. Die maximale Dateisystemgröße war bei ext3 auf 32 TB begrenzt, bei ext4 beträgt sie um ein Vielfaches mehr: 1 Exabyte (ca. 1 Million Terabyte).

Das Dateisystem wechseln – ist das möglich?

Sehr wichtig bei der Wahl der Formatierung ist die Kompatibilität – beispielsweise wenn man eine externe Festplatte nicht nur lokal am heimischen Rechner, sondern auch plattform- und geräteübergreifend nutzen möchte. Für höchste Flexibilität beim Datentransfer zwischen einem Apple- und einem Windows-Gerät empfiehlt sich z. B. eine Formatierung mit dem Dateisystem exFAT. Die richtige Wahl bei der Formatierung eines Datenträgers ist also weitreichend und kann im Alltag Probleme und Einschränkungen beim Datenaustausch vermeiden.

Sind die grundsätzlichen Voraussetzungen erfüllt (z. B. aktuelle Hardware), kann man das System aber auch jederzeit wechseln – z. B. von einem älteren auf ein moderneres Dateisystem. Allerdings ist unbedingt vorher zu klären, ob ein Wechsel ohne Verlust von Dateien möglich ist oder ob erst alle Daten per Backup gesichert und dann wieder auf den Datenträger zurückkopiert werden müssen. Es gibt für solche Transfers Freeware und kostenpflichtige Programme, die die Umstellung sicherer und komfortabler gestalten. Es geht teils aber auch mit den Bordmitteln eines Betriebssystems. In unserem Artikel „USB-Stick formatieren“ erfahren Sie beispielsweise, wie Sie das Dateisystem eines USB-Sticks direkt in Windows wechseln können.


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