Lernen: Zusammenhang zwischen LBA, Sektorgröße und Speicherkapazität

Bei der Arbeit mit USB-Sticks, SD-Karten, microSD-Karten, SSDs und anderen blockbasierten Speichergeräten sind zwei Werte besonders nützlich: die Sektorgröße und die LBA-Anzahl. Zusammen beschreiben diese Werte die adressierbare Kapazität eines Speichergeräts auf Blockebene.

LBA steht für Logical Block Addressing, also logische Blockadressierung. Anstatt ein Speichergerät mit älteren physischen Konzepten wie Zylindern, Köpfen und Sektoren zu beschreiben, werden moderne Speichergeräte als fortlaufende Sammlung logischer Blöcke adressiert. Jedem Block wird eine Nummer zugewiesen, beginnend mit LBA 0 und fortlaufend bis zum letzten verfügbaren logischen Block des Geräts.

Einfach ausgedrückt sagt uns die LBA-Anzahl, wie viele adressierbare Sektoren verfügbar sind, während die Sektorgröße angibt, wie viele Bytes in jedem dieser Sektoren enthalten sind.

Warum die exakte LBA-Anzahl wichtig ist

Bei der normalen Dateispeicherung bleibt ein kleiner Unterschied in der Rohkapazität eines Geräts normalerweise unbemerkt. Ein Benutzer, der Dokumente oder Fotos auf einen USB-Stick kopiert, interessiert sich in der Regel nicht dafür, ob zwei nominell identische Laufwerke eine geringfügig unterschiedliche Anzahl von Sektoren enthalten.

Bei Disk-Imaging und Duplizierung sieht das anders aus.

Ein Quellgerät kann eine Partition oder Datenträgerstruktur enthalten, die sich bis sehr nahe an die letzte verfügbare LBA erstreckt. Wenn das Zielgerät weniger LBAs als die Quelle besitzt, selbst wenn der Unterschied relativ klein ist, passt ein sektorweises Image möglicherweise nicht auf das Zielgerät.

Das kann selbst dann passieren, wenn beide Geräte mit exakt derselben Kapazität beworben werden. Zwei Geräte mit der Bezeichnung 32 GB, 64 GB oder 128 GB enthalten nicht zwangsläufig exakt dieselbe Anzahl adressierbarer logischer Sektoren.

Das Problem wird besonders bei Strukturen wichtig, die sich nahe am Ende eines Datenträgers befinden. GPT-formatierte Medien speichern beispielsweise einen Backup-GPT-Header nahe dem Ende des Geräts. Eine Änderung des verfügbaren LBA-Bereichs kann daher mehr beeinflussen als lediglich die Menge des ungenutzten Speicherplatzes am Ende eines Datenträgers.

LBA ist präziser als die auf dem Gerät angegebene Kapazität

Kommerzielle Kapazitätsangaben wie 32 GB, 64 GB und 128 GB sind für Verbraucher nützlich, stellen jedoch keine präzise Beschreibung der Speichergeometrie dar.

Wenn eine exakte Kompatibilität wichtig ist, liefern drei Werte ein wesentlich klareres Bild:

Wenn diese Werte bekannt sind, lässt sich exakt bestimmen, wie viel adressierbarer Speicher vorhanden ist und ob ein Speichergerät tatsächlich groß genug ist, um die vollständige Blockstruktur eines anderen Geräts aufzunehmen.

Der Zusammenhang zwischen LBA und Sektorgröße

Die grundlegende Berechnung der Kapazität lautet:

Für ein Gerät mit logischen 512-Byte-Sektoren gilt:

Die Berechnung kann auch umgekehrt werden. Wenn die gesamte Gerätekapazität in Bytes und die logische Sektorgröße bekannt sind, kann die LBA-Anzahl folgendermaßen berechnet werden:

Betrachten wir beispielsweise ein Gerät mit einer LBA-Anzahl von 60.125.184 und einer logischen Sektorgröße von 512 Bytes:

Dieser Zusammenhang wird besonders wichtig, wenn Speichergeräte für Disk-Imaging, Duplizierung, Klonen, forensische Arbeiten oder andere Anwendungen verglichen werden, bei denen die exakte Anzahl verfügbarer Sektoren eine Rolle spielt.

Warum 512-Byte-Sektoren so verbreitet sind

Eine logische Sektorgröße von 512 Bytes war jahrzehntelang der traditionelle Standard für Speichergeräte. Sie ist bei USB-Sticks, Speicherkarten und vielen anderen Speichergeräten nach wie vor äußerst verbreitet, da sie mit Betriebssystemen, Dateisystemen, Boot-Strukturen, Controllern und vorhandener Software kompatibel ist.

Aus diesem Grund ist bei der Untersuchung eines typischen USB-Sticks eine logische Sektorgröße von 512 Bytes im Allgemeinen eine vernünftige Erwartung. Wenn es jedoch auf die exakte Kapazität ankommt, sollte dieser Wert nicht einfach vorausgesetzt werden. Windows kann die logische Sektorgröße direkt ausgeben, und durch die Überprüfung des tatsächlichen Werts lässt sich jede Unsicherheit beseitigen.

Einige moderne Speichergeräte verwenden physische Sektoren mit 4.096 Bytes, präsentieren dem Betriebssystem jedoch weiterhin logische Sektoren mit 512 Bytes. Diese Konfiguration wird üblicherweise als 512e beziehungsweise 512-Byte-Emulation bezeichnet. Andere Geräte können logische Sektoren mit 4.096 Bytes direkt bereitstellen; diese werden üblicherweise als 4Kn bezeichnet.

Warum sollte ein Gerät eine andere Sektorgröße verwenden?

Größere Sektoren können die Speichereffizienz verbessern, weil weniger Sektoren benötigt werden, um dieselbe Kapazität zu beschreiben. Ein 4.096-Byte-Sektor enthält achtmal so viele Daten wie ein 512-Byte-Sektor. Größere Sektoren können außerdem einen Teil des Aufwands für Adressierung und Fehlerkorrektur reduzieren und besser zur internen Architektur moderner Speichergeräte mit hoher Kapazität passen.

Eine Änderung der logischen Sektorgröße hat jedoch Auswirkungen auf die Kompatibilität. Betriebssysteme, Bootloader, Dateisysteme, Dupliziergeräte, eingebettete Systeme und spezialisierte Software können logische 512-Byte-Sektoren voraussetzen. Das ist einer der Gründe, warum ein Speichergerät intern physische 4K-Sektoren verwenden kann, dem Host aber weiterhin logische 512-Byte-Sektoren präsentiert.

Wie die Sektorgröße die LBA-Anzahl verändert

Dieselbe Kapazität in Bytes kann je nach logischer Sektorgröße sehr unterschiedliche LBA-Anzahlen besitzen.

Betrachten wir einen hypothetischen Speicherbereich mit 4.096.000 Bytes.

Die Speichermenge hat sich nicht verändert. Geändert hat sich lediglich die Größe jedes adressierbaren logischen Blocks. Das Gerät mit 4K-Sektoren benötigt daher nur ein Achtel so viele LBAs, um dieselbe Kapazität in Bytes zu beschreiben.

Deshalb beschreibt die LBA-Anzahl allein die Speicherkapazität nicht vollständig. Auch die logische Sektorgröße muss bekannt sein.

LBA in MB und MiB umrechnen

Beim Umrechnen einer LBA-Anzahl in einen geläufigeren Kapazitätswert ist es wichtig, zwischen dezimalen Megabytes (MB) und binären Mebibytes (MiB) zu unterscheiden. Obwohl die Begriffe in alltäglichen Gesprächen häufig austauschbar verwendet werden, stehen sie für unterschiedliche Byte-Anzahlen.

Diese Unterscheidung erklärt, warum Speicherkapazitäten unterschiedlich erscheinen können, je nachdem, wie ein Dienstprogramm oder Betriebssystem den Wert ausgibt. Laufwerkshersteller geben die Kapazität üblicherweise in Dezimaleinheiten an, während viele Betriebssysteme und technische Berechnungen traditionell Binäreinheiten verwendet haben.

Bei einem Gerät mit logischen 512-Byte-Sektoren lässt sich eine LBA-Anzahl besonders einfach in MiB umrechnen:

Das ist eine praktische Kurzformel bei der Arbeit mit USB-Sticks, die logische 512-Byte-Sektoren melden.

Die umgekehrte Berechnung lautet:

Um beispielsweise einem Gerät mit 512-Byte-Sektoren 7 MiB adressierbare Kapazität hinzuzufügen, ist folgende Berechnung erforderlich:

Das bedeutet, dass ein Gerät mit 60.110.848 LBAs weitere 14.336 logische Sektoren benötigen würde, um 60.125.184 LBAs zu erreichen. Bei logischen 512-Byte-Sektoren entspricht dieser Unterschied exakt 7 MiB adressierbarer Kapazität.

Wenn stattdessen dezimale MB benötigt werden, verwendet die Berechnung 1.000.000 Bytes pro MB anstelle von 1.048.576 Bytes pro MiB:

Anleitung: Sektorgröße in Windows PowerShell überprüfen

Mit Windows PowerShell lassen sich die von angeschlossenen Speichergeräten gemeldeten logischen und physischen Sektorgrößen einfach überprüfen.

Öffnen Sie PowerShell und geben Sie Folgendes ein: (kopieren und einfügen)

Get-Disk | Select-Object Number, FriendlyName, BusType, LogicalSectorSize, PhysicalSectorSize

Dieser Befehl listet die von Windows erkannten Datenträger auf und zeigt Datenträgernummer, Gerätename, Bustyp, logische Sektorgröße und physische Sektorgröße an. Weitere Hintergrundinformationen dazu, wie Windows USB-Speichergeräte erkennt und anspricht, finden Sie in der Erklärung zum USB-Massenspeichergeräte-Protokoll.

Die Ausgabe könnte beispielsweise ein USB-Gerät wie dieses anzeigen:

Number  FriendlyName       BusType  LogicalSectorSize  PhysicalSectorSize
2       USB Flash Drive    USB      512                512

Der wichtige Wert für die Berechnung der LBA-Anzahl ist LogicalSectorSize. In diesem Beispiel enthält jeder Windows präsentierte logische Block 512 Bytes.

Es ist wichtig, zwischen der logischen und der physischen Sektorgröße zu unterscheiden. LBA adressiert die logischen Blöcke, die dem Betriebssystem präsentiert werden. Daher ist bei der Berechnung einer LBA-Anzahl der Wert LogicalSectorSize die relevante Größe.

Ein 512e-Laufwerk kann beispielsweise eine logische Sektorgröße von 512 Bytes und eine physische Sektorgröße von 4.096 Bytes melden. Windows adressiert dieses Gerät weiterhin über seine logischen 512-Byte-Blöcke, sodass die LBA-Berechnung auf 512 Bytes und nicht auf den zugrunde liegenden physischen 4.096-Byte-Sektoren basiert.

Anleitung: LBA-Anzahl mit PowerShell ermitteln

Sobald die richtige Datenträgernummer ermittelt wurde, kann PowerShell die gesamte LBA-Anzahl direkt berechnen.

Wenn das USB-Gerät beispielsweise Datenträger 2 ist: (kopieren und einfügen)

Get-Disk -Number 2 | Select Number, FriendlyName, LogicalSectorSize, @{Name="LBA_Count";Expression={$_.Size / $_.LogicalSectorSize}}

Die von PowerShell ausgeführte Berechnung lautet einfach:

Der PowerShell-Befehl setzt nicht voraus, dass jedes Speichergerät logische 512-Byte-Sektoren verwendet. Stattdessen liest er den vom ausgewählten Gerät gemeldeten Wert LogicalSectorSize aus und verwendet diesen Wert für die Berechnung.

Das bedeutet, dass derselbe Befehl mit herkömmlichen Geräten mit logischen 512-Byte-Sektoren, 512e-Laufwerken und nativen 4Kn-Laufwerken funktioniert. Bei einem 512-Byte- oder 512e-Gerät, das logische 512-Byte-Sektoren meldet, wird die Gerätegröße durch 512 geteilt. Bei einem nativen 4Kn-Gerät, das logische 4.096-Byte-Sektoren meldet, wird die Gerätegröße durch 4.096 geteilt.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil ein 512e-Laufwerk Daten physisch in 4.096-Byte-Sektoren speichern kann, Windows aber weiterhin logische 512-Byte-Sektoren präsentiert. Die LBA-Nummerierung richtet sich nach der logischen Blockgröße, die dem Betriebssystem zur Verfügung gestellt wird, und nicht zwangsläufig nach der physischen Sektorgröße, die intern vom Speichergerät verwendet wird.

Die einfachen LBA-Formeln

Als schnelle Referenz finden Sie hier die wichtigsten Berechnungen für die Arbeit mit LBA-Werten:

Diese letzte Gleichung ist besonders nützlich, wenn exakt bestimmt werden soll, um wie viel kleiner ein USB-Stick im Vergleich zu einem anderen ist. Das wichtige Detail dabei ist, dass die Division der LBA-Differenz durch 2.048 bei Geräten mit logischen 512-Byte-Sektoren ein Ergebnis in MiB und nicht in dezimalen MB liefert.