Was ist Ext4 (Ext2, Ext3) – Linux-Dateisystem?

Jedes Dateisystem hat seine Vor- und Nachteile. In diesem Artikel werden wir uns ausführlich mit den Funktionen des EXT (Ext 2, Ext3, Ext4) Linux-Dateisystems befassen.

Inhalt

Was ist das EXT-Dateisystem?

Das EXT (Extended File System)-Dateisystem wurde speziell für das Betriebssystem Linux entwickelt. Das Hauptziel, das die Schöpfer von EXT im Sinn hatten, war, die maximale Größe beschreibbarer Dateien zu überwinden, die damals nur 64 MB betrug. Durch die Erstellung einer neuen Metadatenstruktur wurde die maximale mögliche Dateigröße auf 2 GB erhöht. Gleichzeitig wurde die maximale Länge von Dateinamen auf 255 Bytes erhöht.

Remy Card, der Chefdesigner des EXT-Dateisystems, bewunderte das UFS-Dateisystem, so dass einige seiner Funktionen an EXT weitergegeben wurden.

Obwohl Linux eine große Anzahl von Dateisystemen unterstützt, wird EXT bevorzugt, da es auf dem Linux-Kernel aufgebaut wurde.

Obwohl EXT die Hauptnachteile des Minix-Dateisystems (das damals in Linux verwendet wurde) überwunden hat, war sein Hauptnachteil die Zeitstempel. EXT erlaubte nur einen Zeitstempel pro Datei. Aus diesem Grund wurde die Entwicklung von EXT fortgesetzt und in späteren Versionen ständig weiterentwickelt und um neue Funktionen erweitert.

Es wurde nicht nur bei Linux-Benutzern sehr beliebt, sondern auch bei Besitzern von Android-Smartphones. Deshalb verwendet Android standardmäßig das Ext4-Dateisystem.

Entwicklung des EXT-Dateisystems. Die wechselnde Geschichte in den Versionen.

Wie oben erwähnt, überwand EXT zwar die Einschränkungen des Minix-Dateisystems, hatte aber immer noch viele Nachteile. Deshalb wurde die Entwicklung von EXT nicht gestoppt und es wurden drei weitere Versionen hinzugefügt.

Ext2

Wie die vorherige wurde auch Ext2 von Remy Card erstellt. Dieses Dateisystem wurde im Januar 1993 veröffentlicht.

Die wichtigste Neuerung war, dass Daten jetzt in Blöcken gleicher Länge geschrieben werden. Dies ermöglichte eine erhebliche Verbesserung der Leistung des Dateisystems. Außerdem ermöglichte die Verwendung von Datenblöcken eine Erhöhung der maximalen Größe der gespeicherten Dateien. Jetzt waren es 2 TB statt 2 GB. Die Dateinamenlänge betrug immer noch 255 Bytes.

Aber Ext2 hatte ziemlich viele Nachteile. Das größte Problem war das Fehlen von Journaling. Wenn ein Stromausfall auftrat, während die Dateien auf die Festplatte geschrieben wurden, wurde das Dateisystem beschädigt und es war ziemlich schwer wiederherzustellen.

In einigen Fällen war das Fehlen von Journaling jedoch ein definitiver Pluspunkt. Zum Beispiel ist Ext2 schneller als Ext3. Deshalb wird Ext2 in einigen Fällen immer noch verwendet. Außerdem reduziert das Fehlen von Journaling die Belastung von SSD-Laufwerken. Deshalb verwenden einige Unternehmen Ext2 und nutzen RAID als Datensicherung.

Weitere Details zu RAID finden Sie im Artikel „RAID – was ist es und wie kann man es nutzen?„

Ein weiterer Nachteil des Ext2-Dateisystems war die hohe Datenfragmentierung, die zu einem Leistungsverlust führte. Das heißt, beim Schreiben wurde die Datei in mehrere Teile aufgeteilt und dann an verschiedenen Stellen der Festplatte geschrieben. Dadurch dauerte der Lesevorgang länger. Je mehr Informationen auf der Festplatte gespeichert wurden, desto niedriger war die Geschwindigkeit des Lesens/Schreibens von Daten.

Deshalb wurde die Entwicklung des EXT-Dateisystems nicht bei dieser Version gestoppt und im November 2001 erschien die nächste Version – Ext3.

Ext3

Das Ext3-Dateisystem ist eine verbesserte Version von Ext2. Informationen werden immer noch in Datenblöcken gleicher Länge geschrieben und die maximale Dateigröße bleibt bei 2 TB.

Es enthält jedoch Journaling, eine Technologie, die das Risiko von Datenverlusten erheblich reduziert.

Die Essenz ist folgende – das Dateisystem markiert alle geplanten Änderungen in der Datenstruktur. Im Falle eines Stromausfalls liest das System sofort die Informationen aus dem „Journal“ und die Dateien gehen nicht verloren.

Ext3 unterstützt drei Ebenen des Journalings:

Journal – das Dateisystem schreibt sowohl Metadaten als auch Benutzerdaten in das Journal und garantiert damit praktisch eine erfolgreiche Wiederherstellung des Dateisystems im Falle eines Stromausfalls. Gleichzeitig beeinträchtigt diese Methode die Leistung des Dateisystems am stärksten.
Writeback – zuerst werden die Metadaten in das Protokoll geschrieben und erst dann werden die Informationen in das Dateisystem geschrieben. Es gibt keine Synchronisation von Metadaten und Informationen im Dateisystem. Diese Ebene des Journalings ist die schnellste, da keine Validierung erforderlich ist. Der Hauptnachteil besteht jedoch darin, dass bei einem Systemausfall die Daten verloren gehen.
Ordered (geordnetes Journaling) – der Schreibprozess erfolgt in einer bestimmten Reihenfolge: Zuerst werden die Metadaten in das Protokoll geschrieben, dann werden die Benutzerdaten in das Dateisystem geschrieben. Danach werden die Metadaten mit den Dateien auf der Festplatte verbunden. Im Falle eines Stromausfalls „verschwinden“ nur die Dateien, die zu diesem Zeitpunkt auf die Festplatte geschrieben wurden. Die Struktur des Dateisystems wird nicht beschädigt.

Das Ext3-Dateisystem wurde ziemlich populär und wurde bis zur nächsten Version – Ext4 – verwendet.

Ext4

Ext4 wurde 2008 eingeführt und ist derzeit die neueste Version des EXT-Dateisystems. Es verwendet die Grundprinzipien von Ext3, aber die Geschwindigkeit wurde erheblich erhöht (es ist sogar schneller als in Ext2), die maximale Dateigröße wurde auf 16 GB erhöht, die Unterstützung für Laufwerke bis zu 1 Exabyte wurde hinzugefügt und vieles mehr.

Es gibt ziemlich viele Innovationen. Gehen Sie zum nächsten Punkt in diesem Artikel, um mehr darüber zu lesen.

Merkmale des Ext4-Dateisystems

Obwohl das Ext4-Dateisystem die grundlegenden Konzepte von Ext3 verwendet, verfügt es über viele Innovationen, die es so beliebt gemacht haben.

Zunächst wird im Ext4-Dateisystem die Methode der platzbasierten Dateiaufzeichnung verwendet, um die Leistung zu erhöhen. Das bedeutet, dass das Dateisystem vor dem Schreiben der Datei auf die Festplatte die Oberfläche zuweist und dann die Daten am Ende dieser Oberfläche schreibt.

Das Ext4-Dateisystem bietet erstmals Rückwärtskompatibilität mit Ext2 und Ext3. Zum Beispiel können Sie Ext3 automatisch mit dem Ext4-Treiber mounten.

Ein weiterer Punkt ist die Einführung von Extents. Das Problem bei älteren Versionen ist, dass die Datenblöcke der Datei auf die alte Art und Weise angezeigt werden, d.h. alle Blöcke, die zu einer bestimmten Datei gehören, werden angezeigt. Dies bringt einige Einschränkungen bei der Arbeit mit großen Dateien mit sich. Zum Beispiel verringert es die Leistung.

Die Implementierung von Extents ermöglicht die Anzeige einer großen Anzahl aufeinanderfolgender Informationsblöcke mit einem einzigen Deskriptor. Ein solcher Ansatz erhöht die Leistung des Dateisystems um ein Vielfaches. Das System speichert nur die Adresse des ersten und letzten Datenblocks, der einer großen Datei entspricht.

Reduzierung der Dateifragmentierung durch effizientere Zuweisung von Speicherblöcken ist eine weitere Innovation. Vor dem Schreiben einer Datei hebt Ext4 Blöcke hervor, die in der Nähe liegen, um die Zeit zu reduzieren, die zum Finden des richtigen Blocks beim Lesen der Daten benötigt wird.

Ext4 verfügt über eine Funktion der verzögerten Zuweisung, die Speicherblöcke unmittelbar vor dem Schreiben von Dateien auf die Festplatte zuweist. Eine solche Lösung ermöglicht es, die Belastung des Cache-Speichers zu reduzieren und somit die Leistung zu erhöhen.

Neu für Ext4 ist die Möglichkeit, eine unbegrenzte Anzahl von Unterverzeichnissen ohne Leistungsverlust zu erstellen. Der Grund dafür ist, dass Ext4 die HTree-Datenstruktur verwendet, die eine Version des Baumstrukturs ist, die speziell für Ext4 angepasst wurde.

Eine Innovation, die die Leistung und Sicherheit gleichzeitig verbessert, ist die Implementierung von Journal-Checksummen. Diese Methode überprüft ständig Datenblöcke auf Korruption. Dies reduziert wiederum die Journaling-Zeit und erhöht die Leistung.

Es ist jetzt eine schnelle Dateisystemprüfung verfügbar. Die Art und Weise, wie sie implementiert wurde, ist wie folgt: In Ext4 werden die Inode-Tabellen und freien Blockgruppen markiert. Das bedeutet, dass nur Blöcke mit Daten während der Dateisystemprüfung überprüft werden.

Eine neue Funktion ist e4defrag, mit der Sie sowohl die gesamte Festplatte als auch einzelne Dateien defragmentieren können. Die Reduzierung der Fragmentierung macht das System nicht nur schneller, sondern reduziert auch die Belastung des Prozessors usw.

Wie Sie sehen können, gibt es viele Innovationen, die die Sicherheit und Leistung erheblich verbessern. Das ist genau das, was Benutzer benötigen. Deshalb ist Ext4 heute so beliebt.

Vor- und Nachteile des Ext4-Dateisystems

Trotz der Einführung neuer Funktionen und Leistungsverbesserungen hat das Ext4-Dateisystem auch viele Nachteile. Bevor Sie es also auf Ihrer Festplatte verwenden, empfehlen wir dem Benutzer, seine Vor- und Nachteile zu vergleichen.

Zu den Vorteilen von Ext4 gehören:

Journaling – das Dateisystem führt ein Änderungsprotokoll, sodass Sie im Falle von Ausfällen die Dateisystemstruktur wiederherstellen können, ohne Probleme zu haben;
Verschlüsselungsunterstützung – Benutzer können jetzt ihre Daten verschlüsseln, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird;
Hohe Stabilität – Das Ext4-Dateisystem kann seinen Zustand selbst kontrollieren. Dies geschieht mit Hilfe von Journal-Checksummen. Außerdem sind seit der Veröffentlichung von Ext4 mehr als 10 Jahre vergangen, und in dieser Zeit hat es sich als sehr zuverlässiges Dateisystem erwiesen;
Standardmäßig in vielen Distributionen unterstützt – was bedeutet, dass Sie alle Ext4-Tools, die Sie benötigen, von Anfang an haben werden. Es wird auch in Speicherkarten in Android-Smartphones verwendet, was bedeutet, dass Sie keine zusätzliche Software installieren müssen, um mit Smartphone-Daten zu arbeiten;
Aktive Entwicklung – Entwickler arbeiten aktiv an der Verbesserung von Ext4. Sie werden ständig neue Möglichkeiten für die Arbeit mit Daten erhalten;
Geringe Fragmentierung – Sie erhalten ein sehr schnelles Dateisystem. Oft ist das Fehlen von Fragmentierung der entscheidende Faktor dafür, welches Dateisystem auf Flash-Laufwerken und Wechselmedien verwendet werden soll;
Eine große Anzahl von Grenzen – Bei der Erstellung des Dateisystems werden eine bestimmte Anzahl von Inodes erstellt, die zum Schreiben der Dateien benötigt werden. In einigen Dateisystemen kann die Anzahl der Inodes zu klein sein, und der Benutzer kann keine neue Datei schreiben, auch wenn auf der Festplatte freier Speicherplatz vorhanden ist. Dies kann passieren, wenn Sie viele kleine Dateien haben. Glücklicherweise hat Ext4 dieses Problem nicht, und es gibt genügend Inodes für Benutzer und Server-Systeme gleichermaßen;

Leider gibt es auch viele Nachteile von Ext4. Zu den wichtigsten gehören:

Fehlende Unterstützung für Funktionen der Dateisysteme der nächsten Generation – Ext4 unterstützt kein Volumenmanagement, Daten-Deduplizierung usw.;
Fehlende Prüfsummenüberprüfung für Daten – dies macht es unmöglich, Datenkorruption aufgrund von Hardwarefehlern zu erkennen;
Schlechte Skalierbarkeit – obwohl die maximale Größe einer Partition 1 Exabyte beträgt, ist die Leistung in der Realität sehr langsam, wenn Sie Partitionen größer als 100 Terabyte erstellen;
Fehlende Unterstützung für transparente Kompression und transparente Verschlüsselung – diese Technologien befinden sich noch im experimentellen Stadium;
Inodes belegen bis zu 10% des Partitionsspeichers – Wenn bei der Erstellung des Dateisystems weniger Inodes zugewiesen werden, besteht die Möglichkeit, dass sie ausgehen und der Benutzer keine neuen Dateien schreiben kann, auch wenn die Festplatte über freien Speicherplatz verfügt;

Jetzt können Sie die Vor- und Nachteile des Ext4-Dateisystems vergleichen und selbst entscheiden, ob Sie es verwenden möchten oder nicht.

Die Struktur des EXT-Dateisystems

Die Struktur des EXT-Dateisystems ist dieselbe wie die der meisten UNIX-Dateisysteme. Schematisch kann es wie folgt dargestellt werden:

Das heißt, es können mehrere Hauptkomponenten in der EXT-Struktur unterschieden werden:

Superblock – befindet sich am Anfang des Dateisystems (normalerweise in den ersten 1024 Bytes der Partition). Das System erstellt automatisch mehrere Kopien des Superblocks, da es ohne einen solchen nicht funktionieren kann. Der Superblock speichert grundlegende Informationen über das Dateisystem, wie z.B.:
1. die Gesamtzahl der Datenblöcke und Inodes für das gesamte Dateisystem;
2. die Anzahl der freien Inodes und Datenblöcke, in die Dateien geschrieben werden können;
3. die Größe des Inodes und Datenblocks (diese Daten werden bei der Erstellung des Dateisystems angegeben);
4. Informationen über das Dateisystem – Montagezeit, letzte Änderungen usw.
Unmittelbar nach dem Superblock befindet sich eine globale Tabelle der Blockgruppendeskriptoren (Group Description Table). Diese Tabelle beschreibt die ersten und letzten Blöcke für jede Gruppe von Blöcken sowie Informationen darüber, wo in jeder Gruppe die Inodetabelle beginnt, der Beginn der Datenblöcke usw.
Block Bitmap ist eine spezielle Tabelle, die angibt, welche Blöcke in einer Gruppe verwendet und welche frei sind. Diese Informationen werden während der Zuweisung von Blockinformationen verwendet. 0 bedeutet, dass der Block frei ist, und 1 bedeutet, dass der Block belegt ist.
Inode Bitmap – ist dasselbe wie die Blockbitmap, zeigt jedoch Informationen über freie Inodes an, die zum Schreiben neuer Dateien verwendet werden können.
Datenblöcke – die zugewiesenen physischen Speicherblöcke, in denen Benutzerdaten gespeichert werden.

Die Dateisystemstruktur ist für Ext2, Ext3 und Ext4 ungefähr gleich. Nur die Funktionalität jeder Version des EXT-Dateisystems unterscheidet sich.

Lohnt es sich, das Journaling auszuschalten?

Der Hauptzweck des Journalings besteht darin, sicherzustellen, dass die Dateisystemstruktur im Falle von Fehlern oder plötzlichen Stromausfällen wiederhergestellt werden kann. Gleichzeitig erfordert der Journaling-Prozess jedoch Zeit und Ressourcen. Daher entscheiden sich einige Benutzer, das Journaling zu deaktivieren, um eine bessere Leistung zu erzielen.

Es ist subjektiv, da das Deaktivieren des Journalings nur dann sinnvoll ist, wenn Sie über fortschrittliche Datensicherheitsfunktionen verfügen (z. B. wenn Sie RAID 5 verwenden).

Wenn Sie keine zusätzliche Sicherheit haben, sollten Sie das Journaling nicht deaktivieren, da der Leistungsgewinn sehr gering ist, während das Risiko, wichtige Daten zu verlieren, mehrere Male höher ist.

Wenn Sie sich jedoch entscheiden, das Journaling zu deaktivieren, stellen Sie sicher, dass Sie Ihre wichtigen Daten zuerst durch Sicherungskopien, Verwendung eines RAID-Arrays oder zumindest durch Verwendung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung schützen.

Wie öffnet man eine EXT-Festplatte in Windows?

Das Betriebssystem Windows verwendet standardmäßig das Dateisystem NTFS. Wenn Sie also eine Festplatte im Format EXT, Ext2, Ext3, Ext4 anschließen, erhalten Sie sofort eine Benachrichtigung, dass das Dateisystem der Festplatte nicht unterstützt wird.

Der erste (und beste) Weg ist die Verwendung des Programms RS Partition Recovery. Dieses Programm ist einfach zu bedienen. Sie müssen es nur auf Ihrem Computer installieren. Dann können Sie sofort die Ext2,3,4-Festplatte anschließen und mit den Daten arbeiten. Sie müssen nicht einmal Ihren Computer neu starten.

Am wichtigsten ist jedoch, dass RS Partition Recovery es Ihnen ermöglicht, verlorene Daten wiederherzustellen, wenn etwas mit dem Dateisystem oder der Datei selbst passiert. Wenn Sie beispielsweise eine Datei versehentlich gelöscht haben, ist das kein Problem. Wenn Sie die Festplatte mit wichtigen Informationen formatiert haben, ist das auch kein großes Problem. RS Partition Recovery wird Ihre Daten wiederherstellen.

Wir möchten auch die Unterstützung für ALLE modernen Dateisysteme erwähnen, die RS Partition Recovery zu einem universellen Werkzeug machen, das jeder haben sollte, der mit Daten arbeitet.

Der zweite Weg besteht darin, den EXT2FSD-Treiber zu installieren, der Unterstützung für das Dateisystem Ext 2, 3 oder 4 in Windows hinzufügt.

Der Hauptnachteil dieser Methode besteht darin, dass der EXT2FSD-Treiber manchmal mit den Windows-Treibern in Konflikt gerät und anstelle der versprochenen EXT-Unterstützung ein nicht funktionierendes Betriebssystem entstehen kann. Versuche, die Windows-Funktionalität wiederherzustellen, können oft zum Verlust wichtiger Daten führen. Nicht nur auf der C:-Festplatte, sondern auch auf der externen Festplatte (wenn sie zum Zeitpunkt des Ausfalls mit dem Computer verbunden war).

Der dritte Weg besteht darin, ein spezielles Plug-in für Total Commander namens ext4tc zu installieren. Diese Methode hat auch ihre Tücken. Zunächst müssen Sie Total Commander selbst kaufen und dann das ext4tc-Plugin zusätzlich installieren.

Manchmal stürzt der Dateimanager nach der Installation des ext4tc-Plugins ab. Daher sollten Sie vorsichtig sein, wenn Sie wichtige Daten manipulieren.

Wir empfehlen dringend, nicht mit wichtigen Informationen zu riskieren, da diese manchmal mehr kosten als der gesamte Computer und die Programme. Deshalb ist es besser, den oben beschriebenen ersten Weg zu verwenden.

Die besten Alternativen zum EXT-Dateisystem

Immer mehr Informationen im Web besagen, dass das Ext4-Dateisystem keine Next-Generation-Funktionen unterstützt und das Linux-Betriebssystem bald auf Btrfs umsteigen wird. Deshalb fragen sich viele Benutzer, ob es sich lohnt, Ext4 zu verwenden oder ob es besser ist, ein alternatives Dateisystem wie Btrfs oder ein anderes zu installieren.

Die Entscheidung liegt beim Benutzer, aber wirklich – Ext4 unterstützt viele heutige Funktionen nicht. Wenn Sie also ein bewährtes Dateisystem verwenden möchten, aber bereit sind, viele moderne Funktionen aufzugeben, ist Ihre Wahl Ext4. Es ist stabil, weit verbreitet und funktioniert gut.

Wenn Sie ein modernes Dateisystem haben möchten, das alle neuen Funktionen unterstützt und gleichzeitig keine Angst haben möchten, mit einem etwas weniger ausgereiften Ökosystem umzugehen, ist Btrfs die richtige Wahl. Außerdem sind Sie einen Schritt voraus, da die meisten Linux-Distributionen es in Kürze standardmäßig verwenden werden.

Wenn Sie das beste Dateisystem für Ihren Server suchen und Zuverlässigkeit und minimales Risiko eines Datenverlusts wünschen, ist das beste Alternative das ZFS-Dateisystem. Es gibt jedoch eine Sache – Sie müssen viele Informationen lesen und viele Befehle lernen, um es so effizient wie möglich zu nutzen.

Ob Sie das EXT-Dateisystem verwenden oder nicht, liegt bei jedem Einzelnen. Wir hoffen, dass Sie nach dem Lesen dieses Artikels die Wahl treffen können, die Ihren Bedürfnissen am besten entspricht.

Häufig gestellte Fragen

Ext2, Ext3 und Ext4 sind alle Dateisysteme, die in Linux verwendet werden. Der Hauptunterschied zwischen ihnen liegt in den Funktionen und der Leistung. Ext2 ist das älteste und einfachste Dateisystem, das keine Journaling-Funktion hat. Ext3 ist eine Weiterentwicklung von Ext2 und bietet Journaling, was die Datenintegrität verbessert. Ext4 ist die neueste Version und bietet Verbesserungen in Bezug auf Größe, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit. Es unterstützt größere Dateisysteme und hat erweiterte Funktionen wie Unterstützung für verschlüsselte Dateisysteme.

Das Ext4-Dateisystem bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu seinen Vorgängerversionen. Es unterstützt größere Dateisysteme und Dateigrößen, was bedeutet, dass es mit heutigen Speicheranforderungen besser umgehen kann. Es bietet auch eine verbesserte Leistung, insbesondere bei der Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Darüber hinaus bietet Ext4 eine bessere Datenintegrität und Zuverlässigkeit durch die Implementierung von Journaling-Techniken. Es unterstützt auch erweiterte Funktionen wie Verschlüsselung und verbesserte Unterstützung für SSDs.

Ja, ältere Linux-Systeme können das Ext4-Dateisystem verwenden, sofern sie über den entsprechenden Kernel-Support verfügen. Das Ext4-Dateisystem wurde erstmals im Jahr 2008 eingeführt und ist seitdem in vielen Linux-Distributionen standardmäßig enthalten. Es bietet Verbesserungen gegenüber dem älteren Ext3-Dateisystem, wie z.B. eine größere maximale Dateigröße und bessere Leistung. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ältere Linux-Systeme möglicherweise nicht über die neuesten Versionen des Ext4-Treibers verfügen, was zu Inkompatibilitäten führen kann.

Ja, es gibt verschiedene Tools und Programme, die für die Verwaltung von Ext4-Dateisystemen empfohlen werden. Ein beliebtes Tool ist "e2fsprogs", das eine Reihe von Befehlen und Dienstprogrammen zur Verwaltung von Ext2-, Ext3- und Ext4-Dateisystemen bereitstellt. Ein weiteres empfohlenes Programm ist "tune2fs", mit dem Sie verschiedene Einstellungen und Eigenschaften eines Ext4-Dateisystems anpassen können. Andere Tools wie "fsck" und "dumpe2fs" können zur Überprüfung und Analyse von Ext4-Dateisystemen verwendet werden.