Wat is een bestandssysteem? Bestandssysteemtypen en voorbeelden uitgelegd

Een bestandssysteem (soms ook geschreven bestandssysteem) is een methode voor het structureren van gegevens die een besturingssysteem gebruikt om te bepalen hoe gegevens worden opgeslagen en opgehaald. Het organiseert bestanden en directories om te zorgen voor voldoende toewijzing van ruimte op het apparaat.

Een bestandssysteem organiseert gegevens in een hiërarchische structuur en maakt het maken, verplaatsen, wijzigen en verwijderen van bestanden en mappen mogelijk. Bestandssystemen zijn essentieel voor het optimaliseren van de prestaties en het garanderen data-integriteiten het faciliteren van gegevensbeheer en backups.

Hoe werken bestandssystemen?

Een bestandssysteem beheert de opslag en het ophalen van gegevens op een opslagapparaat, zoals een harde schijf, SSDof netwerkopslag. Hier ziet u hoe een bestandssysteem werkt:

Toewijzing van opslag. Het bestandssysteem verdeelt de beschikbare opslagruimte op een apparaat in de kleinst beheersbare eenheden, blokken of sectoren genoemd.
Bestandsopslag. Wanneer een bestand wordt opgeslagen, wijst het bestandssysteem deze eenheden toe om de bestandsgegevens op te slaan. Grotere bestanden worden opgedeeld in kleinere segmenten, die verspreid zijn over meerdere niet-aangrenzende eenheden.
Beheer van metagegevens. Het bestandssysteem houdt metagegevens bij over elk bestand en elke map, inclusief de naam, grootte, aanmaak- en wijzigingsdatums, machtigingen, enz.
Directory structuur. Het bestandssysteem organiseert de bestanden in een hiërarchische mapstructuur, waardoor gebruikers en toepassingen om gemakkelijk te navigeren en de bestanden te lokaliseren.
Toegangscontrole. Bestandssystemen beheren de toegang en machtigingen voor bestanden en mappen om te bepalen welke gebruikers de bestanden kunnen lezen, schrijven en uitvoeren.
Bestandsbewerkingen. Het bestandssysteem biedt mechanismen voor het uitvoeren van bewerkingen op bestanden en mappen. Deze bewerkingen omvatten het indien nodig bijwerken van de metagegevens.
Consistentie en integriteit. Geavanceerde bestandssystemen implementeren maatregelen om de consistentie en integriteit van gegevens te garanderen en om fouten op te sporen en te corrigeren in het geval van een systeemstoring.
Optimization. Bestandssystemen gebruiken verschillende mechanismen om de prestaties te verbeteren. Ze kunnen bijvoorbeeld caching uitvoeren om de toegang tot veelgebruikte gegevens te versnellen of gegevens zo organiseren dat de zoektijden op de schijf worden geminimaliseerd.

Elk bestandssysteemtype implementeert deze principes op unieke wijze en zorgt ervoor dat de prestatie- en betrouwbaarheidsvereisten overeenkomen met de verschillende opslag- en bestandssystemen hardware configuraties.

Bestandssysteemtypen

Bestandssystemen zijn ontworpen met specifieke opslagbehoeften en computeromgevingen in gedachten. Hier is een lijst met verschillende soorten bestandssystemen:

Schijfbestandssystemen

Schijfbestandssystemen zijn ontworpen voor gebruik op fysieke schijfstations, zoals harde schijven (HDD's) or solid-state schijven (SSD's). Ze beheren de toewijzing van schijfruimte en onderhouden het bestand metadataen de gegevensintegriteit en -beveiliging garanderen. Schijfbestandssystemen zijn essentieel voor de prestaties en betrouwbaarheid van computersystemen, omdat ze rechtstreeks invloed hebben op de toegangssnelheid van gegevens, het gebruik van de opslagcapaciteit en herstelmechanismen in geval van fouten of systeemstoringen.

Schijfbestandssystemen voldoen aan verschillende opslagvereisten, waaronder de behoefte aan grote bestandsgroottes, hoge opslagcapaciteiten en robuuste functies voor gegevensherstel. Deze bestandssystemen bevatten functies om schijfruimte efficiënt te beheren, zoals ondersteuning voor grote blokgroottes, waardoor de overhead wordt verminderd samendrukking, waardoor de beschikbare ruimte beter wordt benut.

Enkele voorbeelden van schijfbestandssystemen zijn:

NTFS (Nieuw technologiebestandssysteem) voor Windows.
Ext4 (vierde uitgebreide bestandssysteem) voor Linux.
HFS + (Hiërarchisch bestandssysteem Plus) voor macOS.
exFAT (Extended File Allocation Table) voor platformonafhankelijke compatibiliteit.

Flash-bestandssystemen

Flash-bestandssystemen zijn ontworpen voor flash-geheugenopslagapparaten, zoals solid-state drives (SSD's), USB flashdrives en geheugenkaarten. Ze zijn afgestemd op de specifieke kenmerken en beperkingen van Flash-geheugen, zoals de afwezigheid van bewegende delen, snellere toegangstijden en een eindig aantal schrijfcycli voordat de geheugencellen verslijten.

Flash-bestandssystemen zijn ontworpen om de prestaties en efficiëntie tijdens lees-/schrijfbewerkingen te behouden door de schrijfversterking, dat wil zeggen het onnodig schrijven en wissen van flashcellen, te minimaliseren. Deze bestandssystemen bevatten vaak ook ingebouwde foutcorrectiecodes (ECC), die fouten detecteren en corrigeren data corruptie.

Voorbeelden van flashbestandssystemen zijn onder meer:

F2FS (Flash-vriendelijk bestandssysteem)
JFFS (Journaling Flash-bestandssysteem)

Tape-bestandssystemen

Tapebestandssystemen zijn ontworpen om gegevens in magneetbandopslag te beheren. Deze technologie wordt voornamelijk gebruikt voor backup, archivering en gegevensherstel vanwege de kosteneffectiviteit ervan. Tapebestandssystemen zijn geoptimaliseerd voor grote, sequentiële gegevensoverdrachten en bevatten robuuste foutcorrectiemechanismen om de gegevensintegriteit in de loop van de tijd te garanderen.

Moderne tapebestandssystemen, zoals het Linear Tape File System (LTFS), stellen gebruikers in staat om met tape-opslag te communiceren op een manier die vergelijkbaar is met andere verwijderbare media, zoals USB-drives, door het slepen en neerzetten van bestanden mogelijk te maken. Deze functie verbetert de bruikbaarheid van tape-opslag aanzienlijk, waardoor deze geschikt wordt voor een breed scala aan toepassingen en gebruikers.

Databasebestandssystemen

Databasebestandssystemen slaan bestanden en hun metagegevens op databanken, waardoor complexere relaties tussen gegevens en rijkere metadata-attributen mogelijk zijn. Deze aanpak maakt geavanceerde querymogelijkheden mogelijk, biedt transactionele ondersteuning en verbetert de gegevensintegriteit en -beveiliging. Databasebestandssystemen omvatten efficiënte indexering, gelijktijdigheidscontrole en herstelmechanismen, die cruciaal zijn voor het beheer van grote hoeveelheden bestanden.

Databasebestandssystemen maken complexe zoekopdrachten en bewerkingen op bestanden mogelijk op basis van hun metagegevens of inhoud. Deze mogelijkheid verbetert de efficiëntie van het ophalen en manipuleren van gegevens, vooral in zeer dynamische omgevingen. Deze bestandssystemen bieden ook gegevensintegriteit en consistentie door ervoor te zorgen dat wijzigingen in bestanden en metagegevens voldoen aan de ACID-eigenschappen:

Atomiciteit. Elke transactie wordt behandeld als een enkele eenheid, die geheel of helemaal niet wordt voltooid.
Consistentie. Elke transactie brengt het systeem van de ene geldige staat naar de andere, waarbij de vooraf gedefinieerde regels van de database worden gehandhaafd.
Isolatie. Zorgt ervoor dat transacties onafhankelijk plaatsvinden, waardoor wordt voorkomen dat gelijktijdige transacties elkaar verstoren.
Duurzaamheid. Zorgt ervoor dat zodra een transactie is vastgelegd, dit ook bij een systeemstoring zo blijft.

Transactionele bestandssystemen

Transactionele bestandssystemen garanderen de integriteit en consistentie van gegevens door principes toe te passen die vergelijkbaar zijn met die in transactionele databases. Ze groeperen een reeks bestandsbewerkingen in één enkele transactie. Operaties slagen of mislukken als geheel, waardoor het systeem van de ene consistente toestand naar de andere wordt gebracht. Deze atomiciteit voorkomt gedeeltelijke updates en zorgt ervoor dat het bestandssysteem consistent blijft, zelfs in geval van uitval of systeemstoringen. Deze kenmerken maken transactionele bestandssystemen bijzonder waardevol voor kritieke toepassingen, zoals financiële of realtime gegevensverwerkingssystemen.

Transactionele bestandssystemen maken gebruik van journaling, vooruitschrijvende logboekregistratie en momentopnamen om wijzigingen bij te houden en terugdraaien of opnieuw uitvoeren mogelijk te maken als de transactie niet met succes is voltooid. Door het consistentiebeheer via deze mechanismen te automatiseren, verminderen transactionele bestandssystemen de complexiteit van het ontwikkelen van applicaties. Ontwikkelaars kunnen zich concentreren op hun taken zonder zich zorgen te hoeven maken over gedeeltelijk voltooide bewerkingen of gegevenscorruptie. Transactionele bestandssystemen verbeteren ook het systeemherstel en helpen organisaties snel terug te keren naar de normale bedrijfsvoering zonder handmatige tussenkomst of uitgebreide controles.

Netwerkbestandssystemen

Met netwerkbestandssystemen kunnen meerdere gebruikers en systemen bestanden delen via een computernetwerk in plaats van lokale opslag. Door de complexiteit van het netwerk te abstraheren, bieden deze systemen een naadloze interface voor het lezen, schrijven en uitvoeren van bestanden. Dit soort bestandssystemen zijn essentieel in samenwerkingsomgevingen, omdat ze het efficiënt delen en beheren van bronnen tussen verschillende systemen en platforms mogelijk maken.

Veel voorkomende protocollen voor netwerkbestandssystemen zijn onder meer:

Netwerkbestandssysteem (NFS) voor Unix en Linux.
Server Berichtenblok (SMB) voor Windows.
Apple Filling Protocol (AFP) voor macOS.

Netwerkbestandssystemen zijn afhankelijk van robuuste beveiligingsmaatregelen, zoals authenticatie en encryptie. Deze protocollen beschermen gevoelige gegevens tijdens de verzending en zorgen ervoor dat alleen geautoriseerde personen er toegang toe hebben. Verbeteren netwerklatentie en bandbreedte, passen netwerkbestandssystemen technieken toe zoals caching en bestandscompressie, die de responsiviteit verbeteren en de gegevensoverdrachttijden verkorten. Bovendien helpen mechanismen zoals bestandsvergrendeling en versiebeheer gegevensbeschadiging te voorkomen doordat meerdere gebruikers bestanden openen en wijzigen.

Bestandssystemen voor gedeelde schijven

Gedeelde schijfbestandssystemen, ook wel clusterbestandssystemen genoemd, bieden gelijktijdige toegang tot een deel van de schijfopslag van meerdere servers of knooppunten. Ze maken een hoog niveau van gegevensdeling en samenwerking tussen geclusterde systemen mogelijk, wat geschikt is voor omgevingen die hoge beschikbaarheid, schaalbaarheid en prestaties vereisen, zoals databaseclusters en enterprise storage-systemen.

Bestandssystemen op gedeelde schijven zijn afhankelijk van een netwerkopslaginfrastructuur, zoals SAN (Storage Area Network). SAN's bieden een snel netwerk dat meerdere met elkaar verbindt servers, wat effectief werklastverdeling mogelijk maakt en systeemredundantie verbetert. Functies zoals journaling, snapshotting en replicatie ondersteunen data-integriteit, backup, en herstel, waardoor shard-schijfbestandssystemen een robuuste oplossing zijn voor het beheren van kritieke gegevens in complexe computeromgevingen.

Minimale bestandssystemen

Minimale bestandssystemen zijn ontworpen om een minimale hoeveelheid opslagruimte in beslag te nemen en minimale verwerkingsbronnen te vereisen. Deze ontwerpbenadering maakt ze geschikt voor embedded systemen, bootloaders en energiezuinige systemen IoT-apparaten (Internet of Things)., die goed gedefinieerde operationele vereisten en beperkte computermogelijkheden hebben.

Minimale bestandssystemen bieden doorgaans een basisstructuur voor het opslaan van bestanden zonder geavanceerde functies, zoals NTFS, ext4 of HFS+. In plaats daarvan is hun primaire focus het bieden van voldoende functionaliteit om bestanden efficiënt te beheren binnen de beperkingen van de bronnen van het apparaat.

Platte bestandssystemen

Platte bestandssystemen zijn een simplistische benadering van bestandsopslag waarbij geen mappen of mappen worden gebruikt voor het opslaan van bestanden. In plaats daarvan worden alle bestanden op hetzelfde niveau of in één map opgeslagen, wat het bestandsbeheer en de toegang vereenvoudigt. Platte bestandssystemen zijn zeer geschikt voor systemen met beperkte opslagruimte of voor toepassingen die zich de overhead van een hiërarchische structuur niet kunnen veroorloven.

Zonder mappen kunnen platte bestandssystemen echter een groot of groeiend aantal bestanden niet efficiënt beheren. Om deze reden zijn ze het meest geschikt voor gespecialiseerde of ingebedde systemen met een beperkte reikwijdte.

Voorbeelden van bestandssystemen

Hier zijn de meest voorkomende voorbeelden van bestandssystemen:

Bestandstoewijzingstabel (FAT). FAT is compatibel met veel besturingssystemen, zoals DOS, Windows, Mac OS en Unix-gebaseerd systeemS. Het wordt meestal gebruikt voor verwisselbare media zoals USB-flashstations of SD-kaarten. De FAT32-variant is beperkt tot de maximale bestandsgrootte van 4GB en volume van 2TB.
Uitgebreide bestandstoewijzingstabel (exFAT). Dit is een bijgewerkte versie van het FAT-systeem dat de omvang ervan uitbreidt tot 16EB en het volume tot 128PB.
Vierde uitgebreid bestandssysteem (Ext4). Dit bestandssysteem wordt gebruikt door Linux en ondersteunt grotere bestanden en volumes (tot 1EB voor bestanden en 16TB tot 1EB voor volumes).
Globaal bestandssysteem (GFS). GFS is een bestandssysteem met gedeelde schijven voor Linux-computerclusters. Het biedt gelijktijdige toegang tot dezelfde gedeelde blokopslag voor alle knooppunten.
Hiërarchisch bestandssysteem (HFS). HFS is een bestandssysteem dat door Apple is ontwikkeld voor gebruik op Macintosh-computers. Het is vervangen door HFS+, dat betere prestaties biedt en grotere bestanden en volumes ondersteunt.
Universeel schijfformaat (UDF). UDF is een bestandssysteemstandaard voor optische media, zoals cd's, dvd's en Blu-ray-schijven. Het ondersteunt grotere bestanden en volumes dan zijn voorganger, ISO9660.
Nieuw technologiebestandssysteem (NTFS). NTFS is een bestandssysteem ontwikkeld door Microsoft voor het Windows-besturingssysteem. Vanaf Windows NT biedt NTFS ondersteuning voor grote bestanden en volumes, geavanceerde mogelijkheden voor gegevensbescherming en herstel, en beveiliging op bestandsniveau.
Apple-bestandssysteem (APFS). APFS is een bestandssysteem ontwikkeld door Apple ter vervanging van HFS+. Het verbetert de efficiëntie, betrouwbaarheid en beveiliging voor flash/SSD-opslag. Het beschikt ook over sterke codering, het delen van ruimte en het snel aanpassen van de mapgrootte.