Defragmentierung von Festplatte und SSD

Das Thema der Defragmentierung dürfte Anfang der 2000er weitaus häufiger gefallen sein, als es in 2018 noch der Fall sein dürfte. Fühlte sich der eigene Computer in allem ziemlich träge an und waren sämtliche Prozesse stark verlangsamt, dann gab es häufig die Empfehlung, dass man den Computer aufräumen (defragmentieren) müsse.

22. November 2018 - Sebastian Evers

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Warum defragmentieren?

Was ist Fragmentierung von Daten?

Um Defragmentierung zu verstehen, gilt es vorab zu verstehen, was Fragmentierung überhaupt ist. Die Fragmentierung ist die Aufteilung und Zerstückelung einzelner gespeicherter Dateien in verschiedene Bruchstücke. Im Optimalfall sind Festplatten – und Speichermedien im Allgemeinen – dazu angehalten, dass Dateien zusammenhängend und in einem Stück abgelegt werden; dafür sorgt das Betriebssystem. Dies ist allerdings nur dann möglich, wenn auch ausreichend Speicherplatz für den Prozess zur Verfügung steht - dies ist bei neuen oder frisch formatierten, also leeren Festplatten der Regelfall.

Ist die Festplatte nun schon über einen längeren Zeitraum in Verwendung oder wird sehr viel damit gearbeitet, sodass regelmäßig Dateilöschungen, – änderungen und -speicherungen erfolgen, dann bilden sich Lücken in der bisherigen Datenstruktur. Der Speicherplatz, welcher zuvor Dateinhalte bereit hielt, enthält nun die Information, dass an dieser Stelle keine bzw. gelöschte Daten enthalten sind und wird bei für die Speicherung neuer Daten bereitgestellt. In diesem Kontext offenbart sich auch das Problem, welches mit versehentlich gelöschten Daten und deren Unwiederbringlichkeit im Falle einer Überschreibung einher geht.

Sind die neu gespeicherten Dateien oder Dateiänderungen größer als die vorhandenen Lücken im Dateisystem, dann wird die jeweilige Datei aufgesplittet und in mehreren Versatzstücken (fragmentiert) über die einzelnen freien Speicherplätze und zwischen den anderen Daten verteilt. Das gilt auch für dynamische Dateiformate (z. B. E-Mail-Archive) mit entsprechenden Änderungen, welche vom Zeitpunkt der Erstellung an stetig weiter wachsen - auch für das Betriebssystem selbst, wenn neue Systemupdates installiert werden.

Defragmentierung noch nicht obsolet

Blickt man jetzt auf die Arbeitsweise und Mechanik von Festplattenlaufwerken, dann wird schnell deutlich, welche Auswirkungen ein hoher Fragmentierungsgrad in der Datenstruktur auf die Schreib- und Lesezugriffe sowie -zeiten hat. Der Schreib-/Lesekopf muss die Spuren oder die Oberfläche häufig wechseln, je umfangreicher die Daten über den gesamten Datenträger verteilt sind.

Bei einem Dateiaufruf kann die Datei dadurch nicht in einem Zugriff eingelesen werden und der bewegliche Kopfträger muss stetig hin und her springen, um das Puzzle der zerteilten Datei zusammenzusetzen. Das macht sich vor allem beim Aufrufen größerer Dateien oder umfangreicher Programme schnell bemerkbar und das nagt am Geduldsfaden. Dass die aktuellen Magnetfestplatten seit damals eine Vielzahl an Entwicklungen und Verbesserungen durchlaufen haben ist gemeinhin bekannt.

Sie verfügen über eigene hochkomplexe „Betriebsysteme“ für die Speicher- sowie Zugriffsoptimierung und liefern Kapazitäten und Zugriffszeiten, die vor 20 Jahren quasi undenkbar gewesen sind. Trotz dieser rasanten Entwicklungen sind Geschwindigkeitseinbußen durch hochgradig fragmentierte Daten immer noch deutlich wahrnehmbar. Eklatante, spürbare Verlangsamungen sind generell ein schlechtes Omen und im Extremfall deuten sie möglicherweise auch auf einen baldigen Ausfall des Datenträgers hin. In diesem Fall würde eine Defragmentierung eher weiteren Schaden anrichten, als dass es eine Hilfe wäre.

Zusätzlich zu den hohen Zugriffsgeschwindigkeiten der Laufwerke nehmen moderne Betriebsysteme, sofern dementsprechend eingerichtet, automatisiert die Defragmentierung vor, um Dateien hintereinander weg zu speichern, die Zugriffszeiten zu optimieren und die Laufwerke zu entlasten. Die manuelle Ausführung einer Defragmentierung, bei einem modernen System, würde ich in aktuellen Zeiten demnach als obsolet einstufen - bei einem antiquierteren Computer wäre auch eher eine Modernisierung zu empfehlen, anstatt einer Defragmentierung.

SSDs NICHT defragmentieren

Bei einer SSD ist von einer eigenen Defragmentierung prinzipiell abzuraten! Die Fragmentierung von Daten ist bei Solid State Drives bereits als elementarer Bestandteil des Speicheralgorithmus einzustufen.

Über das sogenannte Wear Leveling, welches über einen separaten Teil des Controllers bzw. der Firmware vorgenommen wird, sorgt die SSD dafür, dass die Flash-Speicherzellen gleichmäßig beschrieben werden.

Die Flash-Speicherzellen sind begrenzt wiederbeschreibbar und das Wear Leveling ermöglicht, durch die Protokollierung der bisherigen Schreibvorgänge, die bestmögliche Lebensdauer des Datenträgers.

Wear Leveling sorgt für Fragmentierung

Generell sind die Zugriffszeiten dermaßen flott, dass eine Defragmentierung gar keine Leistungssteigerungen ermöglichen könnte. Der SSD-Controller merkt sich durch das Wear Leveling wie Daten fragmentiert auf die Speicherzellen aufgeteilt werden, sodass deren Ausgabe beim Lesezugriff, über den SSD-Controller, als hintereinander weg geschriebene Datei erfolgt und beim Lesezugriff auch ebenso ausgegeben wird.

Der SSD-Controller verfügt dementsprechend gar nicht über die detaillierte Information der Fragmentierung der Daten, da das Wear Leveling diese Aufgabe übernimmt. Eine zusätzlich initiierte Defragmentierung von SSDs Datenträgern bietet demnach keinerlei Vorteile und wird durch eine vermeidbare Anzahl an Schreibzugriffen die Lebensdauer des Datenträgers maßgeblich verringern.

TRIM-Befehl

Bei Festplatten werden, wie bereits oben erwähnt, gelöschte Daten sukzessive überschrieben, sobald neue Daten gespeichert werden. Die Festplatte leert den Bereich also erst, löscht die darin befindlichen Daten und schreibt danach die neue Information hinein. Das sind zwei Schreibzugriffe auf einen Bereich. Die Haltbarkeit einer SSD würde in einem solchen Fall allerdings stark darunter leiden, wenn erst Daten endgültig gelöscht und dann der geleerte Bereich beschrieben werden würde.

Aus diesem speziellen Grund existiert der TRIM-Befehl, welcher dem SSD-Controller die Sektoren, die gelöschte Daten enthalten, als „leer“ präsentiert. Hier erfolgt also keine klassische Löschung, sondern der TRIM-Befehl schaltet einfach die Information über den Füllstatus des Bereichs von „gefüllt“ auf „leer“ um, sodass bei einem Schreibzugriff ohne vorheriges Löschen geschrieben werden kann.

So bleibt auch die angegebene Schreibgeschwindigkeit gewährleistet, während ein zweifacher Schreibvorgang (Löschen und Speichern) langsamer von Statten gehen würde. Die Bereinigung der entsprechenden Speicherzellen erfolgt von Zeit zu Zeit automatisiert und findet im Hintergrund bzw. Leerlauf der SSD statt.

Defragmentierung = TRIM

Unter manchen Betriebssystemen sorgt die Initiierung einer Defragmentierung auf die SSD sogar die Ausführung von TRIM - keinesfalls für eine klassische Defragmentierung. Voraussetzung hierfür: Das Betriebssystem erkennt den jeweiligen Datenträger auch als SSD. Mittlerweile führen die Betriebsysteme TRIM aber selbstständig aus, sodass ein manuelles Starten über eine Defragmentierung nicht erforderlich ist.