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Die Grundlagen von Apple Fusion Drive: Datenorganisation- und Wiederherstellungsprinzipien

Um einen Kompromiss zu finden – bessere Leistung im Vergleich zur herkömmlichen Festplatte zu bieten und gleichzeitig die Kosten pro Gigabyte relativ niedrig zu halten, hat Apple Inc. Fusion Drive eingeführt: eine Kombination aus einem Festkörperlaufwerk und einem Festplattenlaufwerk, die das Beste aus zwei Welten nimmt, sprich moderner Flash- und gewöhnlicher Festplattenspeicherung. Die erheblichen Leistungssteigerungen, die Fusion Drive bietet, werden jedoch manchmal von verschiedenen Problemen begleitet, die zwangsläufig zu Datenverlust und Notwendigkeit ihrer Wiederherstellung führen. Der Artikel soll die Besonderheiten dieser Technologie erklären und einige Techniken vorschlagen, die zur Rettung verloren gegangener Daten angewendet werden können.


Was ist Fusion Drive?

Fusion Drive wurde erstmals in dem Ende 2012 veröffentlichten Betriebssystem Mountain Lion vorgestellt und wird jetzt von zwei Desktop-Computern von Apple unterstützt – iMac und Mac Mini, auf denen macOS 10.8 und höher ausgeführt wird.

Fusion Drive ist das intelligente automatische Datenverwaltungssystem von Apple, das zwei verschiedene digitale Medien integriert – eine herkömmliche rotierende Festplatte und einen nichtflüchtigen Speicher auf Solid-State-Drive-Technologie, die als eine einzige logische Einheit fungieren und dem Endbenutzer im Finder als einzelnes Volumen präsentiert werden.

Ähnlich wie bei RAID 0, bei dem Daten auf die Laufwerke des Arrays aufgeteilt werden, werden die Daten auf Fusion Drive über die beiden Komponenten des Systems verteilt, wobei ein wesentlicher Unterschied besteht: Der Speicherplatz kann je nach Häufigkeit der Datennutzung dynamisch neu zugewiesen werden, um maximale Leistung zu erreichen – die am häufigsten aufgerufenen Dateien zusammen mit Systemdateien befinden sich auf dem schnelleren Flash-Laufwerk, während selten verwendete Dateien in den großen Festplatte-Teil verschoben werden. Dadurch kann das System schneller booten und die Startzeit für regelmäßig verwendete Anwendungen wird ebenfalls reduziert.

Im Wesentlichen basiert Fusion Drive auf dem Konzept der automatisierten Speicher-Rangunterteilung, die Datenmigration zwischen verschiedenen angeschlossenen Speichergeräten in Übereinstimmung mit den Leistungs- und Kapazitätsanforderungen beinhaltet, und ist ihre reine softwarebasierte Implementierung. Die einzige Softwarekomponente, auf die sich Fusion Drive stützt, ist ein logischer Volume-Manager namens CoreStorage. CoreStorage dient als zusätzliche Abstraktionsebene zwischen macOS und Laufwerken/Partitionen von Mac, die in Logical Volume Groups angeordnet werden, anstatt direkt an das Betriebssystem übergeben zu werden. Es ermöglicht das Erstellen übergreifender Volumes, während Fusion Drive im Grunde eine Logical Volume Group ist, die aus einer Festplatte und einem Solid-State-Laufwerk besteht.

Datenorganisation

Wie bereits erwähnt, besteht Fusion Drive aus zwei einzelnen Laufwerken: einem Festplattenlaufwerk und einem Festkörperlaufwerk. Die Gesamtkapazität eines solchen Speichers entspricht der Summe der Kapazität beider Laufwerke. Die typische Konfiguration sieht folgendermaßen aus:

Dev/Disk0 – ein physisches Festkörperlaufwerk, das in eine Logical Volume Group integriert ist;

Dev/Disk1– eine physische Festplatte, die in eine Logical Volume Group integriert ist;

Dev/Disk2 – ein logisches Volumen, das sowohl Disk0 als auch Disk1 enthält.

Beide Disk0 und Disk1 bestehen aus mindestens 3 Partitionen: Eine kleine Service-EFI-Partition am Anfang, eine große Fusion Drive-Datenpartition in der Mitte und eine macOS-Systemkonfigurationspartition am Ende des Speichers.

Fusion Drive-Datenpartition belegt bis zu 99% des Speicherplatzes und beginnt normalerweise mit dem Sektor 409,640. Dies ist die einzige Partition, die Fusion Drive gewidmet ist. Sie speichert auch alle Metadaten, die für das korrekte Zusammenfügen gesamtes Fusion Drives und das korrekte Lesen seiner Daten erforderlich sind. Drei Hauptbereiche von Metadaten können unterschieden werden:

Der Bereich mit verschlüsselten Blöcke befindet sich am Ende der Datenpartition und enthält verschlüsselte Metadaten, die für die Dateninterpretation erforderlich sind. Die Metadaten auf Disk0 und Disk1 sind mit verschiedenen Schlüsseln verschlüsselt, ihr Inhalt stimmt nicht vollständig überein, aber eine der Kopien reicht für eine korrekte Datenrekonstruktion aus.

Der Volumen-Header-Bereich befindet sich im nullten und letzten Sektor der Datenpartition und speichert seine UUID und die UUID der Logical Volume Group, zu der sie gehört, die Größe dieses Volumens, Verschlüsselungsschlüssel für verschlüsselte Blöcke, die im Bereich mit verschlüsselten Blöcke gefunden werden und die Disposition der Kopien von Disk-Label.

Der Disk-Label-Bereich enthält den Volumen-Descriptor, in dem der Speicherort der verschlüsselten Blöcke sowie verschiedene Informationen zur Logical Volume Group in XML gespeichert werden, einschließlich der UUID (die dem Wert im Volume-Header entspricht), dem Namen und der Liste der Volumens, aus denen sie besteht.

Alle Benutzerdaten werden zuerst auf das Solid-State-Laufwerk (Disk0) geschrieben, bis es fast voll wird – ein Pufferbereich von etwa 4 GB ist für eingehende Dateien reserviert. Danach füllt das System die Festplatte (Disk1) auf, während selten aufgerufene Elemente vom Flash-Laufwerk zum Magnetlaufwerk (und häufig verwendete – zur entsprechenden Festkörperlaufwerk) übertragen werden. Die Datenverschiebung zwischen Disk0 und Disk1 wird während Leerlaufperioden in Blockketten durchgeführt (die Größe eines Blocks beträgt 128 KB, die Anzahl der Blockketten kann mehrere Millionen erreichen) und hängt ausschließlich von Datenzugriffsmustern ab, die von CoreStorage verfolgt werden: wenn auf selten verwendete Daten, die auf der Festplatte gespeichert sind, häufig zugegriffen werden, werden sie auf das Festkörperlaufwerk migriert.

Es sollte auch erwähnt werden, dass „Fusion“ in diesem Fall nicht das Synonym für „Hybrid“ ist: Hybridantriebsarchitekturen verwenden unterschiedliche Techniken, die auf Daten-Caching beruhen, bei dem Informationen hauptsächlich auf dem Festplatte-Element gespeichert werden und nur einige algorithmisch bestimmte Teile davon werden gespiegelt, um die Leistung zu verbessern.

Vor- und Nachteile

Mit der Geschwindigkeit und dem sofortigen Start eines Festkörperlaufwerks sowie dem günstigen Speicherplatz einer Festplatte sorgt Fusion Drive dafür, dass Lese- und Schreibzeiten für häufig verwendete Daten so kurz wie möglich sind. Dennoch hat die Technologie eine Schattenseite, die auch berücksichtigt werden sollte:

  • Fusion Drive kann nicht so schnell wie ein reines Festkörperlaufwerk sein, besonders wenn Sie mit älteren Dateien arbeiten;

  • Fusion Drive wird nur von den Modellen iMac und Mac Mini unterstützt. Laut den Berichten wird die Option voraussichtlich nicht für andere Mac-Systeme verfügbar sein;

  • solche Konfiguration erhöht die Gefahr eines vollständigen Datenverlusts oder einer Beschädigung der Daten, falls eines der Laufwerke versehentlich getrennt wurde oder ausfällt.

Was kann zu Datenverlust führen?

Genau wie bei jedem Speichergerät kann Fusion Drive während des Betriebs Probleme bekommen und wichtige Benutzerdaten verlieren. Neben typischen Datenverlustsituationen, bei denen Datenverlust durch fehlerhaftes Löschen von Dateien oder Speicherformatierung verursacht wird, sind folgende Probleme am häufigsten aufgetreten:

Fusion Drive wird als zwei Laufwerke anstelle eines im Finder dargestellt

In diesem Fall werden die Festplatten nicht mehr verbunden und fungieren nicht mehr als Fusion Drive. Dadurch werden die darin enthaltenen Daten unbrauchbar. Dies kann durch den Missbrauch von Datenträgerverwaltungsprogrammen, ein Softwareproblem oder den Austausch eines der Laufwerke verursacht werden.

Fusion Drive wird nicht mehr bootfähig

In der Regel tritt dieses Problem auf, wenn entweder das Festkörperlaufwerk oder die Festplatte ausfällt. Die Festplatte-Komponente ist anfälliger für plötzliche Ausfälle, während das Festkörperlaufwerk normalerweise nach und nach ausfällt und Warnungen wie Schreibfehler, SMART-Benachrichtigungen usw. ausgibt. Das Besondere an Fusion Drive ist, dass selbst wenn nur eines der Laufwerke ausfällt, der gesamte Speicher nicht mehr funktionsfähig ist und nicht mehr booten kann, wodurch die Daten auf dem intakten Laufwerk unlesbar bleiben.

Eine Partition(-en) geht(-en) verloren

Für dieses Problem kann es mehrere Gründe geben, von der Beschädigung des Dateisystems aufgrund eines plötzlichen Stromausfalls oder einer Softwarefehlfunktion bis hin zur fehlerhaften Verwendung von Festplattenverwaltungsprogrammen.

Fehlerhafte Sektoren auf der Festplatte

Versuche, fehlerhafte Sektoren zu reparieren oder Korruptionsprobleme mit Disk Utility zu lösen, können zu schweren logischen Schäden und irreversiblem Datenverlust führen. Wichtige Daten sollten daher vor dem Reparaturvorgang abgerufen werden.

Die Besonderheiten der Datenrettung

Die Daten auf Fusion Drive werden über die beiden Laufwerke verteilt, ohne dupliziert oder gespiegelt zu werden, und sind weitgehend fragmentiert. Ein Teil der Metadatenblöcke, die für das korrekte Lesen erforderlich sind, wird nur auf dem Festkörperlaufwerk gespeichert, und der andere Teil – auf der Festplatte. Auf diese Weise wird die Arbeit mit Fusion Drive ohne ordnungsgemäßen Speicher-Aufbau oder wenn eine der Komponenten fehlt, kein brauchbares Ergebnis geben, da es über die Grenzen der Möglichkeit, alle Teile zusammen zu setzen. Außerdem sind fast alle Dateisystem-Metadaten auf dem Festkörperlaufwerk-Teil gespeichert, ohne das es unmöglich ist, eine Datei- und Verzeichnisstruktur korrekt zu erstellen. Darüber hinaus muss mindestens eine Kopie des Bereichs mit verschlüsselten Blöcke erfolgreich mit den im Volumen-Header gespeicherten Entschlüsselungsschlüsseln entschlüsselt werden.

Ein Totalausfall eines der Laufwerke oder ein schwerwiegender Schaden von Metadaten lassen also keine Chance auf Datenwiederherstellung. In anderen Fällen können verlorene Dateien mit einer der folgenden Methoden gerettet werden:

  • physische Probleme mit dem Laufwerk können nicht durch Software behoben werden. Einige davon können jedoch repariert werden, wenn beide Laufwerke an einen zuverlässigen Wiederherstellungsdienstanbieter gesendet werden;

  • im Falle eines logischen Problems kann der Speicher mit Hilfe von UFS Explorer zusammengestellt werden.

Letzte Aktualisierung: 22.01.2019