Partition (Datenträger)

Grundbegriff und Zweck

Eine Partition ist ein zusammenhängender Bereich aufeinanderfolgender Datenblöcke innerhalb eines Volumes. Sie kann den gesamten Speicherplatz oder nur einen Teil eines physischen beziehungsweise logischen Datenspeichers umfassen und ist selbst wieder ein Volume. Der zugrunde liegende Speicher kann etwa eine Festplatte, eine NVMe-SSD, ein USB-Stick, ein RAID-Verbund oder eine LVM-Konfiguration sein. Eine Partitionstabelle beschreibt die auf einem Volume vorhandenen Partitionen.

Die einfachste Aufteilung besteht aus einer einzigen Partition, die den gesamten verfügbaren Speicher einnimmt. Mehrere Partitionen ermöglichen dagegen mehrere Betriebssysteme auf einem Datenträger, unterschiedliche Dateisysteme sowie eine Trennung von System, Anwendungsprogrammen, Auslagerungsspeicher und Benutzerdaten. Diese Trennung vereinfacht Organisation und Datensicherung. Fehler in einem Dateisystem betreffen nicht automatisch die anderen Partitionen; bei einer Neuinstallation kann beispielsweise nur die Systempartition formatiert werden. Unixartige Systeme können außerdem je Partition Einschränkungen wie noexec oder reinen Lesezugriff festlegen. Versteckte Partitionen können als Wiederherstellungsvolumes dienen, etwa für die Windows-Wiederherstellungsumgebung oder macOS.

Ein physischer Datenträger kann auch ganz ohne Partitionstabelle als ein Volume verwendet werden. Dieses als „Superfloppy“ bezeichnete Verfahren findet sich beispielsweise bei Disketten. Es ist von einem Datenträger mit genau einer Partition zu unterscheiden, wie er bei USB-Sticks und externen Festplatten üblich ist.

Partitionierungskonzepte

Klassische Partitionstabellen teilen einen Datenträger logisch in Speicherbereiche. Bedeutende Formate sind der 1983 mit PC DOS beziehungsweise MS-DOS 2.0 eingeführte Master Boot Record (MBR), die Apple Partition Map (APM) von 1987, die Disklabels der BSD-Systeme von 1988 und der Rigid Disk Block (RDB) für Amiga-Rechner. Die um 2000 mit EFI eingeführte und seit 2005 mit UEFI weiterentwickelte GUID-Partitionstabelle (GPT) ist als Nachfolger des MBR vorgesehen.

Ein Logical Volume Manager (LVM) kann Speicher über Datenträger- und Partitionsgrenzen hinweg zusammenfassen und anschließend neu aufteilen. Dadurch lassen sich etwa mehrere Festplatten zu einem großen Speicherbereich verbinden und durch Hinzufügen oder Entfernen von Medien dynamisch vergrößern oder verkleinern. Windows bezeichnet ein solches Konzept seit Windows 2000 als „Dynamische Datenträger“; seit Windows 8.1 stehen zusätzlich Storage Spaces für Speicherpools bereit.

Auch moderne Dateisysteme wie ZFS und btrfs können mehrere Speichermedien gemeinsam verwalten und den Gesamtbereich in Subvolumes oder Snapshots gliedern. In der Praxis werden häufig mehrere Ebenen kombiniert: Partitionstabellen, LVM, Dateisysteme und RAID zur redundanten Speicherung. Ein RAID kann dabei aus ganzen Datenträgern, einzelnen Partitionen oder einer LVM Volume Group gebildet werden.

Typen, Namen und MBR-Struktur

Ein Partitionstyp kennzeichnet grob den vorgesehenen Inhalt und die Systeme, für die eine Partition bestimmt ist. Betriebssysteme nutzen gewöhnlich nur bekannte Typen. Unbekannte Bereiche werden dadurch nicht irrtümlich als leer behandelt, was besonders bei Multi-Boot-Systemen vor Beschädigungen schützt.

GPT-Datenträger besitzen zusätzlich einen Schutz-MBR. Dessen einzige Partition erstreckt sich über den verfügbaren Speicher und hat den Typ EE₁₆. Ältere Systeme erkennen diesen Typ zwar nicht, sehen den Datenträger aber als belegt an und verändern die eigentliche GPT daher normalerweise nicht.

APM und GPT können Partitionen Namen oder Labels zuweisen. Diese sind unabhängig von der Volumebezeichnung des enthaltenen Dateisystems. Entsprechend sind auch die UUID einer Partition und die UUID des Dateisystems zwei verschiedene Kennungen; bei FAT entspricht Letzterer die „Volume Serial Number“. Betriebssysteme zeigen meistens die Bezeichnung und Kennung des Dateisystems an.

Nur beim MBR wird zwischen primären, erweiterten und logischen Partitionen unterschieden. In seiner Haupttabelle können höchstens vier Partitionen stehen: bis zu vier primäre oder bis zu drei primäre und genau eine erweiterte Partition. Die erweiterte Partition ist ein Rahmen für beliebig viele logische Partitionen und enthält selbst normalerweise kein nutzbares Dateisystem. Mehr als eine erweiterte Partition widerspricht der Spezifikation.

Unter Linux werden die vier möglichen primären MBR-Einträge stets mitgezählt; deshalb beginnt die Nummerierung logischer Partitionen bei 5, etwa /dev/sda5. Die Nummer sagt nichts Sicheres über die räumliche Reihenfolge auf dem Datenträger aus. Ein Überschreiben der Gerätedatei einer erweiterten Partition würde auch alle darin liegenden logischen Partitionen löschen. Bei DOS und OS/2 ist die Vergabe der Laufwerksbuchstaben zudem nicht einheitlich und kann sich durch weitere Festplatten oder unterschiedliche Treiber verändern.

Startfähigkeit und Kompatibilität

Ob ein Betriebssystem von einem Datenträger starten kann, hängt von Firmware, Partitionstabelle, Dateisystem und Bootloader ab. Die Firmware initialisiert die notwendige Hardware und übergibt an den Bootloader, der das Betriebssystem startet. Viele Rechnerarchitekturen können beim Start nur eine bestimmte Partitionstabelle auswerten.

Das klassische PC-BIOS bildet eine Ausnahme: Es liest lediglich den ersten Datenblock mit einer angenommenen Größe von 512 Bytes. Beim MBR enthält dieser Block neben der Partitionstabelle den Master Boot Code. Dieser wertet die Tabelle aus und lädt nach dem Chainloading-Prinzip einen weiteren Bootloader aus einer Partition. Deshalb kann ein BIOS-PC grundsätzlich auch andere Partitionsschemata starten, sofern der erste Block passenden Code enthält und das Betriebssystem die Konfiguration unterstützt. Linux kann beispielsweise auf einem BIOS-PC von GPT starten; Windows betrachtet dies als nicht unterstützte Systemkonfiguration. Ab etwa 2010 wurde BIOS größtenteils durch UEFI ersetzt.

UEFI liest GPT und startet den Bootloader direkt aus einer besonderen, mit FAT32 formatierten EFI-Systempartition. Der Bootloader muss zur Prozessorarchitektur des UEFI passen, beispielsweise x86_64. GPT enthält außerdem stets den Schutz-MBR, damit ältere MBR-Programme den Datenträger nicht als leer ansehen. Bei Power-Macintosh-Rechnern der PowerPC-Ära von 1994 bis 2006 musste die Open Firmware dagegen einen Bootloader aus einer APM-Partition mit Hierarchical File System (HFS) laden.

Nach dem Start kann ein Betriebssystem meist mehr Partitionsschemata lesen, als seine Firmware zum Booten unterstützt. Linux unterstützt zahlreiche Formate; Windows kann MBR- und GPT-Medien verwenden, macOS zusätzlich APM. Für den Zugriff auf Dateien muss jedoch auch das Dateisystem unterstützt werden.

Eine besonders verbreitete, systemübergreifend kompatible Kombination ist eine MBR-Partition mit FAT32. Ältere Systeme unterstützen häufig zumindest FAT16, dessen Partitionen auf knapp unter 4 GiB begrenzt sind. MBR mit FAT32 eignet sich nicht für Datenspeicher über 2 TiB (= 2048 GiB, ≈ 2199 GB). Mit Festplatten ab 3 TiB seit etwa 2010 setzte sich deshalb GPT zunehmend als Standard durch. Moderne Systeme unterstützen häufig auch NTFS, teilweise nur mithilfe zusätzlicher Treiber für Schreibzugriffe; exFAT hebt einige Einschränkungen von FAT32 auf.

Einbinden und Betriebssysteme

Anwendungsprogramme greifen bei modernen Betriebssystemen nicht unmittelbar auf Partitionen zu. Das Betriebssystem stellt sie als Volume oder logisches Laufwerk bereit. Dieses „Einhängen“ oder „Mounten“ erfolgt an einem Einhängepunkt: DOS und Windows verwenden vor allem Laufwerksbuchstaben, unixartige Systeme beliebige leere Verzeichnisse. Voraussetzung ist ein Treiber für das jeweilige Dateisystem. Nicht jede Partition wird für Dateien bereitgestellt; eine Swap-Partition dient ausschließlich dem Auslagern von Speicherbereichen.

Unter DOS und Windows bis einschließlich Version 4.0 stehen die Laufwerksbuchstaben A: bis Z: zur Verfügung. A: und B: sind fest für Disketten reserviert, sodass höchstens 24 weitere logische Laufwerke möglich sind. Bei MS-DOS und Windows 9x kann je Festplatte nur eine primäre DOS-Partition eingerichtet und eingehängt werden; sie erhält typischerweise C:.

Seit Windows NT 5.0 beziehungsweise Windows 2000 können Volumes auch in leere Verzeichnisse eines NTFS-Dateisystems eingehängt werden; das eingehängte Dateisystem selbst muss nicht NTFS sein. A: und B: sind nicht mehr auf Disketten beschränkt. Seit Windows 10 Version 1703 sind alle Partitionen externer entfernbarer Datenträger zugänglich, sofern ihre Dateisysteme unterstützt werden.

Microsoft unterscheidet bei Windows NT zwischen Systempartition und Startpartition. Die Systempartition enthält die hardwarebezogenen Startdateien, also NT-Loader oder Bootmgr mit BCD und Konfiguration; bei UEFI ist dies die zwingend vorhandene EFI-Systempartition. Die Startpartition enthält dagegen die Windows-Installation, gewöhnlich unter \WINDOWS, und trägt üblicherweise C:. Ihr Buchstabe steht in %SystemDrive%. Diese deutsche Microsoft-Terminologie ist gegenüber dem sonst üblichen Sprachgebrauch vertauscht. Auf BIOS-Systemen können beide Funktionen in derselben Partition liegen; UEFI wird ab Windows Vista SP1 unterstützt und ist ab Windows 11 Voraussetzung.

Unter Unix, Linux und ähnlichen Systemen erscheinen Partitionen als Gerätedateien. /dev/sda1 bezeichnet beispielsweise die erste Partition einer SCSI- oder SATA-Festplatte. Eingehängt wird sie etwa unter /mnt/Beispiel; /boot dient üblicherweise der Bootpartition und / ist die Systempartition des aktiven Systems. Unter Linux bestanden früher Nummerngrenzen: Ab Kernel 2.6.20 vom Februar 2007 galt für Festplatten ein Limit von 15 Partitionen. Seit Kernel 2.6.28 vom Januar 2009 beseitigen dynamische Block-Device-Nummern mit udev dieses Limit.

Gemeinsames Beispiel und Werkzeuge

Ein typisches MBR-Multi-Boot-System mit Windows und Linux kann eine primäre NTFS-Partition für Windows sowie eine erweiterte Partition mit vier logischen Partitionen enthalten: NTFS und FAT32 für gemeinsam genutzte Daten, ein Linux-Dateisystem für das Linux-System und Linux-Swap.

Windows würde normalerweise C: für das Windows-System sowie D: und E: für die NTFS- und FAT32-Datenpartitionen anzeigen. Linux könnte dieselben Bereiche als /dev/sda1, /dev/sda5 und /dev/sda6 darstellen; /dev/sda7 wäre das Linux-Dateisystem und /dev/sda8 der Swap-Bereich. /dev/sda2 bezeichnet die erweiterte Partition selbst und enthält kein Dateisystem.

Partitionstyp und tatsächliches Dateisystem müssen zusammenpassen. Würde nur der Typ einer Linux-Partition auf 0x07 für NTFS oder 0x0B für FAT32 geändert, könnte Windows sie zwar anzeigen, fände aber nicht die erwartete Dateizuordnungstabelle beziehungsweise Master File Table. Windows würde die Partition als nicht formatiert melden und eine Formatierung anbieten, die die Linux-Daten zerstören würde.

Partitionierungsprogramme erstellen und verändern Partitionsschemata. Zu den einfachen Werkzeugen gehört fdisk, wobei die gleichnamigen Programme unter DOS, BSD beziehungsweise macOS und Linux nicht identisch sind. Installationsprogramme wie YaST2 bieten häufig eine Oberfläche für Werkzeuge wie fdisk oder parted. Unter macOS stehen unter anderem diskutil und das Festplattendienstprogramm bereit; Windows enthält die Datenträgerverwaltung und seit Windows 2000 diskpart. Unter unixartigen Systemen sind fdisk-Varianten sowie parted, GParted und verwandte Werkzeuge verbreitet. Manche Programme können Partitionen bei vorhandenem freien Platz ohne Datenverlust verkleinern oder vergrößern, teilweise sogar die laufende Systempartition. Bootfähige Live-Systeme wie GParted LiveCD, Knoppix oder SystemRescueCd ermöglichen solche Arbeiten unabhängig vom installierten Betriebssystem.