Festplattenfragmentierung und ihre Auswirkungen auf die Datenintegrität

Seit den Anfängen von Multitasking-Betriebssystemen war Fragmentierung ein Problem. Es beeinträchtigt die Lese- und Schreibgeschwindigkeit auf herkömmlichen magnetischen Festplatten und hat auch heute noch negative Auswirkungen auf Solid-State-Medien. Wie können wir Fragmentierung reduzieren und sollten wir sie auf SSD-Laufwerken bekämpfen? Lesen Sie weiter, um es herauszufinden!

Inhalt

1. Wie entsteht Fragmentierung?
2. Reduzierung der Fragmentierung
3. Solid-State Drives und Fragmentierung

Wie entsteht Fragmentierung?

Jede Datei, die Sie auf der Festplatte speichern möchten, wird in den größten zusammenhängenden Speicherbereich platziert. Wenn Sie eine neue Festplatte mit viel freiem Speicherplatz haben, ist der größte zusammenhängende Speicherbereich größer als die Datei, die Sie speichern möchten. Nach einigen Tagen, Wochen und Monaten des Speicherns von Dateien, Löschen und erneutem Speichern haben Sie jedoch nicht mehr so viel freien Speicherplatz auf Ihrer Festplatte. Und selbst wenn Sie es tun, ist es wahrscheinlich in Form von mehreren kleineren freien Speicherbereichen auf der Festplatte verstreut. Jede Datei, die Sie jetzt schreiben möchten, wird immer noch in den größten freien Speicherbereich platziert, nur dass die Datei diesmal tatsächlich größer sein kann als der größte verfügbare freie Block.

Wenn dies geschieht, speichert das Betriebssystem Teile der Datei in verschiedenen Blöcken, unabhängig von ihrer physischen Position auf der Festplatte. Wenn Sie eine wirklich große Datei und eine stark fragmentierte Festplatte haben, kann die Datei in so viele wie mehrere hundert Fragmente aufgeteilt werden. Beim Lesen einer solchen Datei muss das System auf jeden Block nacheinander zugreifen. Die Festplatte muss Suchvorgänge durchführen, magnetische Köpfe an einen neuen Ort bewegen und warten, bis sie sich stabilisiert haben. Dies geschieht für jeden einzelnen Block und verlangsamt die Leseleistung von Dateien erheblich. Anstatt eines einzigen, zusammenhängenden Lesevorgangs mit der maximalen Übertragungsrate, die Ihre Festplatte leisten kann (vielleicht 100-150 MB/s), erhalten Sie eine viel, viel langsamere Rate von etwa 10-30 MB/s (abhängig davon, wie groß und wie fragmentiert die Datei ist). Klingt schon schlimm genug? Der schlimmste Teil kommt noch.

Ein großer Bestand an stark fragmentierten Dateien auf Ihrer Festplatte reduziert nicht nur die Lese- und Schreibgeschwindigkeit, sondern kann auch die Lebensdauer der Festplatte selbst beeinträchtigen. Ständige Bewegungen der magnetischen Köpfe belasten die Mechanik des Laufwerks zusätzlich und verursachen vorzeitigen Verschleiß und reduzieren seine effektive Lebensdauer.

Wenn das nicht genug ist, haben wir noch eine letzte schlechte Nachricht für Sie. Fragmentierte Dateien sind viel schwieriger wiederherzustellen, wenn etwas mit Ihren Daten passiert. Eine winzige Korruption im Dateisystem, ein versehentlich gelöschtes Dokument oder ein aufregendes Experiment mit Ubuntu können Ihre Daten leicht plötzlich verschwinden lassen.

Wenn Sie unserem Blog schon eine Weile folgen, kennen Sie vielleicht bereits kontextsensitive Wiederherstellungsalgorithmen, die auf der Suche nach Signaturen basieren. Kontextsensitive Wiederherstellung funktioniert durch Scannen der Festplatte auf niedriger Ebene in dem Versuch, Dateien bekannter Typen zu erkennen, indem rohe Daten analysiert und mit einer Datenbank bekannter Muster abgeglichen werden. Mit anderen Worten, die kontextsensitive Wiederherstellung liest die Oberfläche der Festplatte Sektor für Sektor und analysiert ihren Inhalt, um herauszufinden, ob der Sektor einen Dateikopf enthält oder nicht.

Nachdem ein Dateikopf gefunden wurde, analysiert der Algorithmus ihn, um die Länge der Datei zu bestimmen (diese Information ist oft im Kopf enthalten oder kann durch Analyse nachfolgender Daten anderweitig bestimmt werden). Jetzt, da bekannt ist, wo die Datei beginnt und wie lang die Datei ist, kann der kontextsensitive Algorithmus versuchen, festzustellen, welche Sektoren auf der Festplatte zu dieser Datei gehören.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu tun. Der dumme Weg besteht darin, einfach anzunehmen, dass eine bestimmte Anzahl von Sektoren nach demjenigen, der den Dateikopf enthält, zu dieser Datei gehören. Diese Methode ist dumm wegen, nun ja, Fragmentierung. Wenn jedoch kein Dateisystem verfügbar ist, muss selbst der intelligenteste Datenwiederherstellungsalgorithmus die „dumme“ Methode verwenden, da fortgeschrittenere Techniken nicht verfügbar sind.

Die intelligentere Methode überprüft das Dateisystem, bevor Annahmen getroffen werden. Wenn wir Sektoren 1, 2, 3 und 4 haben, Sektor 1 als „verfügbar“ aufgeführt ist und ein JPEG-Dateikopf mit einer Dateilänge von genau 2 Sektoren erkannt wurde, welche sollten wir wählen? Der dumme Algorithmus wählt immer Sektoren 1 und 2, unabhängig von allem anderen. Der intelligentere wird das Dateisystem überprüfen, um festzustellen, ob Sektor 2 als „freier Speicherplatz“ aufgeführt ist oder ob er bereits Teil einer anderen Datei ist. Wenn Sektor 2 zu einer anderen Datei gehört, wird der Algorithmus Sektoren 3 und 4 überprüfen. Wenn beispielsweise Sektor 3 als „freier Speicherplatz“ aufgeführt ist, geht der intelligente Algorithmus davon aus, dass die betreffende JPEG-Datei in den Sektoren 1 und 3 lag.

Natürlich können beide Algorithmen falsch sein. Aber Sie verstehen die Idee. Je weniger Fragmente die Datei hat, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Wiederherstellung.

Reduzierung der Fragmentierung

Wie reduziert man die Fragmentierung auf ein absolutes Minimum? Vor allem gibt es Defragmentierungstools. Windows hat ein anständiges Festplattenoptimierungs- und Defragmentierungstool, das in Windows 7 integriert ist. In Windows 8 erschien ein wirklich gutes Tool und in Windows 10 ist ein großartiges Defragmentierungsdienstprogramm verfügbar. Unabhängig von der Windows-Version, die Sie verwenden, ist die Einrichtung des Festplattenoptimierungs- und Defragmentierungsdienstprogramms zur regelmäßigen Ausführung auf allen Festplatten und Partitionen eine großartige Möglichkeit, die Fragmentierung zu reduzieren.

Auf stark genutzten Festplatten mit wenig freiem Speicherplatz kann die Defragmentierung möglicherweise nicht effektiv sein. Es gibt wirklich keine Lösung außer sicherzustellen, dass jeder einzelne Partition auf Ihrer Festplatte ein bestimmter Prozentsatz ihres Speicherplatzes nicht verwendet wird. Im Allgemeinen reicht es aus, etwa 20 bis 40 Prozent des Speicherplatzes frei zu halten, um einen reibungslosen Betrieb der Defragmentierungstools zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht das Freihalten von möglichst viel freiem Speicherplatz Windows, jedes Mal, wenn Sie eine neue Datei speichern möchten, größere zusammenhängende Blöcke auszuwählen und Fragmentierung von Anfang an zu verhindern.

Also: lassen Sie einen Defragmentierer regelmäßig laufen und stellen Sie sicher, dass Ihre Festplatte genügend freien Speicherplatz hat, und Sie sind gut. Aber gilt dieser Rat auch für Solid-State-Medien wie USB-Flash-Laufwerke, Speicherkarten und vor allem SSD-Laufwerke?

Solid-State Drives und Fragmentierung

Es ist allgemein bekannt, dass SSD-Laufwerke nicht defragmentiert werden sollten (oder sogar nicht dürfen). Tatsächlich haben SSD-Laufwerke keine beweglichen mechanischen Teile. Es gibt keine beweglichen Köpfe, die zu einem neuen Sektor springen müssen und Zeit benötigen, um sich zu stabilisieren. Ein SSD-Laufwerk liest genauso schnell eine Reihe aufeinanderfolgender Sektoren wie eine Reihe zufälliger Sektoren (nun ja, bis zu einem gewissen Grad und vorausgesetzt, dass die Größe eines Festplattensektors mit der Größe des SSD-Minimaldatenblocks übereinstimmt und ausgerichtet ist).

Wenn das nicht genug Argument ist, bedenken Sie, dass SSD-Laufwerke auf NAND-Flash-Speicher basieren und eine begrenzte Lebensdauer haben. Ihre Lebensdauer ist begrenzt durch die Anzahl der Schreiboperationen auf jede Flash-Zelle. Das Verschieben von Daten (was ein Defragmentierungstool für Festplatten tut) belastet die Flash-Zellen unnötig und bietet keine sichtbaren Vorteile für Lese- oder Schreibgeschwindigkeiten.

Schließlich speichern SSD-Laufwerke Daten nicht intern in einer zusammenhängenden oder aufeinanderfolgenden Weise. Stattdessen remappen eingebaute Controller in SSD-Laufwerken ständig logische und physische Datenblöcke, um die Abnutzung gleichmäßig auf die vielen Flash-Zellen zu verteilen.

Wie vermeiden Sie also Fragmentierung auf SSD-Laufwerken, wenn keine Defragmentierung möglich ist? Der einzige Weg, um Fragmentierung auf SSD-Laufwerken zu vermeiden, besteht darin, eine ausreichende Menge an freiem Speicherplatz zu haben. Stellen Sie sicher, dass Sie mindestens 30 Prozent freien Speicherplatz auf Ihrem SSD-Laufwerk haben. Ich weiß, das ist nicht einfach, da SSD-Laufwerke typischerweise viel kleiner sind als ihre mechanischen Pendants. Aber das Vorhalten von dediziertem freiem Speicherplatz auf einer SSD hilft der Festplatte, interne Wartungsaufgaben wie Wear-Leveling und vorbeugendes Block-Löschen (TRIM und Garbage Collection) viel schneller und effizienter auszuführen als bei einer fast vollständigen Einheit.