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Details zu Apples neuem Dateisystem «Apple File System»

— Veröffentlicht am Dienstag, 14. Juni 2016, um 13:18 Uhr von Stefan Rechsteiner

Apple arbeitet an neuem Filesystem

An der Keynote wurde es nicht mit einer Silbe erwähnt, doch im Zuge der WWDC-Woche kündigt Apple ein neues Dateisystem für seine Produkte an. Spätestens wohl nächstes Jahr soll mit dem «Apple File System», oder APFS, ein Dateisystem eingeführt werden, welches von der Apple Watch bis hin zum Mac Pro skaliert werden kann. Dereinst sollen also alle Apple-Produkte mit dem neuen Filesystem laufen können. Auch wenn schon seit Jahren über eine Ablösung für HFS+ spekuliert wurde, kommt die Ankündigung nun doch sehr überraschend.

HFS+ ist in die Jahre gekommen

Das aktuell bei Mac-Computern eingesetzte Dateisystem «HFS+» ist eine 1998 mit Mac OS 8.1 eingeführte Aktualisierung des schon 1985 mit System 2.1 lancierten «HFS». Im Grunde genommen, ist das aktuelle Mac-Dateisystem demnach bereits über 30 Jahre alt. Trotzdem galt das System lange als Top-Modern. Wurde es zuerst noch auf Disketten und später kleinen Festplatten eingesetzt, muss es seit Jahren auch mit riesigen Datenträgern und mittlerweile auch mit SSD Flash-Speichern auskommen. Dies funktioniert zwar zufriedenstellend, aber «HFS+» gilt trotzdem langsam aber sicher als veraltet. Längst sind modernere Dateisysteme verfügbar — wie beispielsweise das ZFS, welches Apple in den «Nuller»-Jahren des neuen Jahrtausends in OS X integrieren wollte. ZFS war zwischenzeitlich gar als offizielles Feature von Mac OS X 10.6 «Snow Leopard» gelistet. Apple scheiterte dann aber an der Implementierung von ZFS in OS X. Seit das Unternehmen die ZFS-Pläne für OS X 2009 aufgegeben hatte, hörte man seitens Apple nicht mehr viel betreffend einer HFS+-Ablösung. Entsprechend überraschend kommt nun die APFS-Ankündigung.

Mit dem neuen macOS 10.12 «Sierra» führt Apple nun die Entwicklung des eigenen Filesystems öffentlich fort, nachdem das System wohl bei Apple intern bereits seit Jahren in Entwicklung ist.

Später in dieser Woche wird Apple in einer WWDC-Session über das neue Dateisystem informieren. Eine erste Version der Dokumentation zum System ist bereits heute auf dem Entwickler-Portal von Apple einsehbar. Beta-Tester vom neuen macOS «Sierra» können das neue Dateisystem bereits seit dieser Nacht ausprobieren. Da es sich aber noch um eine frühe Vorabversion des Systems handelt, sind noch viele essentielle Funktionen noch nicht fertig. Laut der Dokumentation von Apple kann APFS demzufolge bisher noch nicht auf einem Startvolumen verwendet werden. Auch ist das System noch nicht mit Time Machine kompatibel und auch nicht mit «Fusion Drive»-Konfigurationen. Auch die «File Vault»-Verschlüsselung funktioniert noch nicht mit APFS. Ausserdem ist das «Apple File System» bisher nur als «case-sensitive» verfügbar, womit das System bei Dateinamen zwingend zwischen Gross- und Kleinschreibung unterscheidet. Auch HFS+ bietet diese Funktion, dort kann sie aber deaktiviert werden, da OS X und andere UNIX-Systeme damit Probleme haben können. Bei APFS lässt sich dieser Umstand bisher nicht deaktivieren. Aufgrund dieser Limitierungen rät Apple derzeit davon ab, APFS auf einem produktiv eingesetzten Volumen zu nutzen — vielmehr soll APFS vorerst auf einer externen Festplatte und ohne wichtige Daten ausprobiert werden.

64-bit Inodes, Nanosekunden-Timestamps, Copy-on-Write, TRIM, Sparse Files…

APFS unterstützt die Nummerierung über 64-bit inodes. HFS+ setzt auf 32-bit Datei-IDs. Als 64-bit Dateisystem unterstützt das neue APFS theoretisch über 9 Trillionen Dateien auf einer Festplatte (eine Trillion ist eine Eins mit 18 Nullen).

Weiter speichert APFS Timestamps viel genauer ab — während HFS+ einzelne Sekunden unterscheidet, unterstützt APFS laut Dokumentation eine Granulation von einer Nanosekunde, also 0.000000001 Sekunden.

APFS nutzt für Metadaten ausserdem ein «Copy-on-Write»-Schema, welches Apple «Crash Protection» nennt. Dadurch soll das System «absturzsicher» sein, da durch diese Technologie sichergestellt werden soll, dass jeder Prozess im Journal festgehalten wird, auch wenn es zu einem Vorkommnis wie ein Stromausfall kommen sollte. Dieses Schema gilt als viel zuverlässiger als das Journaling bei HFS+.

Auch TRIM ist fest ins System eingebaut, genau so wie Unterstützung für Sparse Files. Interessanterweise wird das Apple Filing Protocol, kurz AFP, vom neuen Apple Dateisystem für Shares nicht unterstützt — dazu muss laut Dokumentation zwingend SMB benutzt werden. AFP wurde 1988 zusammen mit AppleShare in System 6 lanciert.

Native hochsichere Verschlüsselung

Sehr interessant ist Apples Ansatz, dass APFS nicht nur modern und performant, sondern auch die grösst-mögliche Sicherheit bieten soll. Verschlüsselung ist bei APFS bereits ein naviver Bestandteil des Systems. Die ist eine Verbesserung gegenüber Apples bisheriger Full-Disk-Verschlüsselungstechnologie «File Vault». Verfügbar sind zwei verschiedene Verschlüsselungsarten — Single-Key- und Multi-Key-Encryption. Letzteres ist eine äusserst sichere Verschlüsselung welche Per-Key Files und einen weiteren Schlüssel für sensitive Metadaten nutzt. Dabei wird sowohl AES-XTS als auch AES-CBC unterstützt — «je nach Hardware», so die Apple-Dokumentation.
APFS kann auf Wunsch aber auch ohne Verschlüsselung genutzt werden.

Des Weiteren kommt APFS auch mit «Write Coalescing» und «Extensible Block Allocation» daher, sowie eine integrierte Lösung für «Extended Object Attributes» (Goodbye, «.DS_store»). Auch soll mittels «Fast Directory Sizing» innert kürzester Zeit die Grösse eines Verzeichnisses und dessen Inhalt angezeigt werden können, ohne dass zuerst alle Dateien durchgerechnet werden müssen wie beim bisherigen Filesystem.

Snapshots und Clones für Versionen und effiziente Backups

Überdies bietet APFS neu Snapshots und Clones an. Bei Snapshots handelt es sich um sofortige Momentaufnahmen des aktuellen Stands des ganzen Dateisystems. Die Kopien sind deshalb «sofort», weil beim Anlegen eines Snapshots vorerst keine Dateien kopiert werden. Beim «Snapshoten» wird einzig vermerkt, bei welchem Stand die Dateien zu diesem Zeitpunkt waren. Sobald dann eine Datei verändert wird, wird diese an eine neue Position auf dem Speicher geschrieben und APFS vermerkt, dass die Änderung nicht zum angelegten Snapshot gehört. Dank diesem Prozess wird beim Anlegen eines späteren Backup die zeitaufwändige Suche nach den seit der letzten Sicherung geänderten Dateien hinfällig. Backup-System basierend auf Snapshots sind deshalb viel effizienter. «Clones» unterscheiden sich dahingehend von Snapshots, dass die angelegten Kopien tatsächlich neue Dateien sind, die als eine «Datei zu diesem Zeitpunkt» weiterverwendet werden kann. Laut der Dokumentation eignen sich Clones bestens für die Versionisierung von Dateien.

Space Sharing

Das neue Apple File System unterstützt ausserdem «Space Sharing». Mit dieser Technologie können auf einer Festplatte Volumen erstellt werden, die keine feste Grösse haben. Bei einer 1 Terabyte grossen Festplatte können beispielsweise drei 1 Terabyte grosse Volumen angelegt werden. Jedes Volumen nimmt also theoretisch so viel Platz in Anspruch, wie auf der Festplatte zur Verfügung steht. Wachsen die Volumen nun über die tatsächlich physikalisch verfügbare Datenmenge hinaus, kann laufend mehr physikalischer Speicher hinzugefügt werden, ohne dass die Volumen-Schemas angepasst werden müssen. Das ist insbesondere dann nützlich, wenn man nicht bereits zum Beginn der Computer-Einrichtung weiss, wie viel Platz welches Volumen dereinst tatsächlich benötigen wird. Natürlich erfordert diese Technologie aber auch ein entsprechend erweiterbare Hardware.

APFS kommt frühestens 2017

Auch wenn das neue Apple File System nun in einer ersten Vorabversion mit der Beta-Version vom neuen macOS 10.12 «Sierra» verfügbar gemacht wird, dürfte das neue Mac-Betriebssystem im Herbst noch mit dem altbekannten HFS+ als Dateisystem daherkommen. APFS wird frühestens 2017 für den produktiven Einsatz fertig sein.

Kategorie: Mac, OS X und macOS
Tags: 2017, AES, AES-CBC, AES-XTS, AFP, APFS, Apple File System, Apple WWDC 2016, Backup, Beta, Clone, Copy-on-Write, Crash Protection, Dateisystem, Extended Object Attributes, Extensible Block Allocation, Fast Directory Sizing, Festplatte, File Vault, Filesystem, Fusion Drive, HFS, HFS+, Inodes, Journaling, Mac OS 8, Mac OS 8.1, Mac OS X 10.6, Mac OS X Snow Leopard, macOS, macOS 10.12, macOS Sierra, OS X, Partition, Schema, SMB, Snapshot, Space Sharing, Sparse Files, Speicher, SSD, System 2, System 2.1, System 6, Time Machine, UNIX, Verschlüsselung, Versions, Volumen, Vorabversion, Write Coalescing, WWDC, WWDC 2016, ZFS

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