Seite 2: Das 3-TB-Adressierungsproblem

Alle Festplatten mit Kapazitäten oberhalb von  2,2 Terabyte haben ein gemeinsames Problem: Sie sind unter Verwendung der MBR-Partitionierung mit 512-Byte-Blöcken nicht vollständig adressierbar, aber unter Nutzung von GPT oder 4k-Sektoren nicht unter allen Betriebssystemen ohne Schwierigkeiten lauffähig. Das erste Problem der Adressierung ist historisch begründet und liegt an der damaligen Definition von Partitionsgrößen und logischen Speicheradressen. Das zweite Problem der Inkompatibilität wurde teilweise durch Design-Annahmen seitens der Betriebssystem-Schmieden hervorgerufen und durch nachträgliche Patches eingeschränkt. Jedoch: Einige Systemkonfigurationen (bzw. ausgewählte Betriebssysteme) bleiben aber dauerhaft inkompatibel zu 3-TB-Festplatten.

Doch beginnen wir am Anfang:

Jede Festplatte besteht aus Schreib-/Leseköpfen, die über unterschiedliche viele Magnetscheiben ("Platter") fliegen. Jede dieser Magnetscheiben besitzt eine feste Anzahl an Spuren ("Tracks"). Diese Tracks sind nichts anderes als konzentrische „Fahrspuren“ auf den Scheiben. Je mehr man sich dabei dem Mittelpunkt nähert, desto kürzer werden die Tracks. Doch es geht noch weiter: Jeder Track ist wiederum unterteilt in unterschiedlich viele Sektoren, wobei aber jeder Sektor eine festgelegte Bytegröße besitzt. Die Mehrzahl der aktuell im Einsatz befindlichen Festplatten ist mit einer Sektorgröße von 512 Byte ausgestattet. Festplatten mit größeren Sektoren (Stichwort „4K“) sind auch schon im Handel und kurz- bis mittelfristig werden die Exemplare mit 512 Byte auslaufen.

Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass jeder Sektor einen eigenen Initialisierungs-, Adress- und Fehlerkorrektur-Bereich besitzt, was zwangsläufig Overhead und damit Speicherplatzverlust bedeutet. Je mehr Sektoren also eingesetzt werden, desto mehr Kapazität geht für die Verwaltung/Fehlerkorrektur etc. verloren. Um also den physischen Platz möglichst effizient zu nutzen, haben sich die Hersteller gemeinsam darauf verständigt die Sektorgröße um dem Faktor 8 auf 4096 Byte anzuheben. Damit schrumpft nicht nur die Anzahl der erwähnten Korrektur- und Initialisierungs-Bytes deutlich, sondern auch die Anzahl der benötigten Sektoren für eine feste Kapazität.

Doch was hat das mit dem Adressierungsproblem bei 3 TB zu tun?

Die oben erwähnten physischen Informationen einer Festplatte müssen für das Betriebssystem auf logische Bereiche umgesetzt werden. Dies geschieht mittels LBA ("Logical Block Adressing"). Hier erhält jeder physische Sektor der Festplatte eine logische fortlaufende Blocknummer, über die er seitens des Betriebssystems unmittelbar ansprechbar ist. Von diesen LBA-Adressen kann es aber nur 2^32 viele geben, weil das entsprechende Adress-Feld einer MBR-Partition auf eine Länge von 32 Bit beschränkt ist. Dies bedeutet: Hat eine Festplatte eine Kapazität von mehr als 2,2 Terabyte (2.199.023.255.552 Byte) unter Verwendung von 512-Byte-Sektoren, ist der Zahlenvorrat aufgebraucht. Einer Datenpartition oberhalb dieser Grenze kann dann kein weiterer Block zugewiesen werden, da das Feld für die Blocknummern schlicht ausgeschöpft ist.

Damit sind wir auch gleich am Kern des Problems, nämlich der MBR-Partitionierung. Die damalige Definition entstammte aus Zeiten, wo Speicherplatz ein rares Gut war und eine Festplattengröße der Kategorie Terabyte erschien undenkbar (man erinnere sich an an zweistellige Jahreswerte für ein Datum und 5,25-Zoll-Disketten). Deswegen wurde für LBA nur ein 32-Bit-Feld vorgesehen, sodass mit „normalen“ 512-Byte-Sektoren maximal 2,2 TB adressierbar sind.

Gilt diese Limitierung auch für Platten mit 4k-Sektoren?

Ja und nein: Die maximale Blockanzahl bleibt unter Verwendung einer MBR-Partition natürlich erhalten und auf 32 Bit beschränkt, allerdings steigt der zur Verfügung stehende Speicherplatz durch die erhöhte Sektorgröße: Nutzt man die bereitstehenden maximal 2^32 Blocknummern mit 4k-Sektoren, lässt sich bei gleichbleibender Blockanzahl das 8-fache an physischem Speicherplatz adressieren. Einziger Wermutstropfen: HDDs mit 4k-Sektoren können nicht ohne Weiteres unter älteren Windows-Systemen (XP, Server 2003, Home Server) als Boot-Laufwerke eingesetzt werden: Hier müssen Hersteller-spezifische Alignment-Tools (WD Align, Hitachi Align Tool, Seagate DiscWizard) zum Einsatz kommen, damit die MBR-Blocknummern für das jeweilige OS „richtig“ nummeriert werden. Dieses Umschieben der Adressen hängt mit den Windows-spezifischen Boot-Informationen zusammen, die seitens Microsoft immer bei festen LBA-Blocknummern erwartet werden.

Doch ist dieser Trick keine finale Patentlösung: Zur Behebung der limitierenden MBR-Partitionen wurde eine neue Spezifikation namens GPT (GUID Partition Table) entworfen, die bis zu 9,4 Zettabyte (9,4*10^21 bzw. 1 Milliarde Terabyte) hinsichtlich ihrer verfügbaren Blocknummern adressieren kann. Hiermit stellen die verhältnisweise „mageren“ 3 TB nun überhaupt kein Problem mehr dar. Dafür bringt GPT allerdings eigene Kompatibilitätsprobleme mit sich (ggf. EFI-BIOS nötig und entsprechendes Betriebssystem), die wir hier aber nicht weiter im Detail vertiefen möchten.

Fakt ist: Wer eine Festplatte mit einer Kapazität von 3 TB in vollem Umfang und uneingeschränkt nutzen möchte, der sollte sie per GPT betreiben und benötigt zusätzlich ein 64-Bit-Betriebssystem (oder alternativ ein 32-Bit-System mit einem entsprechenden Patch-Stand). Die Verwendung unter älteren Systemen halten wir aufgrund der gegebenen Einschränkungen und zu beachtenden Umstände eher für unpraktisch, zumal sich dort auch die Frage stellt, wofür die Kapazität eingesetzt werden soll.

Doch nun genug der Technik, weiter geht’s mit den eigentlichen Akteuren dieses Artikels!