Optische Laufwerke

Kategorie: Speicher Erstellt: Sonntag, 17. Februar 2013 Zuletzt aktualisiert: Sonntag, 17. Februar 2013

Optische Laufwerke und Datenträger haben ihre Bezeichnung der Tatsache zu verdanken, dass ihre Daten nicht wie bei Festplatten mit Hilfe von Magnetfeldern, sondern mittels Laserlicht geschrieben und gelesen werden. Zu den optischen Datenmedien gehören als wichtigste Vertreter CDs, DVDs und BluRay-Disks. Bei der Herstellung größerer Auflagen dieser Scheiben werden die Daten im Werk nicht mit einem Laser gebrannt. Stattdessen werden die Daten in den Rohling gepresst. Für kleinere Auflagen oder Einzelanfertigungen hingegen brennt ein Laser die Informationen in die Datenschicht. Gelesen wird immer mittels Laserstrahl.

cd-rom mitsumi medNicht mehr ganz neuer, aber typischer Vertreter der optischen Laufwerke: Ein CD-ROM-laufwerk von Mitsumi

Die Entwicklung von CD über DVD zu BluRay

Die ersten CDs (Compact Disk) gab es schon Ende der 80er Jahre, Einzug in den PC hielten CD-ROM-Laufwerke aber erst Mitte der 90er Jahre. Ihre Kapazität betrug zunächst 650 MB (oder 74 Minuten unkomprimierter Stereo-Ton), später 700 MB, in Einzelfällen auch mehr. Erschwingliche CD-Brenner gab es ab ca. 1998. Die Datenrate wurde im x-Fachen der Gewschindigkeit zum Abspielen einer Audio-CD (150 kB/s) angegeben, die schnellsten Laufwerke erreichen in den äußeren Bereichen der CD 50x (=50 x 150 kb/s = 7,5 MB/s), beim Schreiben wurden ähnliche Geschwindigkeiten bis 48x erreicht, oft aber auf Kosten der Qualität.

Primär als Nachfolger der Videokassette geplant, trat die DVD (Digital Versatile Disk) auch am PC bald die Nachfolge der CD an. Bei Verwendung einer Datenschicht können 4,7 GB, bei Verwendung zweier Datenschichten 8,5 GB auf einer DVD untergebracht werden (dual-layer). Deutlich seltener, aber im DVD-Standard spezifiziert, ist die beidseitege Benutzung einer DVD mit jeweils mit einer (9,4 GB) oder zwei Datenschichten (17 GB Gesamtgröße). Bei der Verwendung als Video-DVD können in diesen Kapazitäten Filme in SD-Auflösung (PAL, 720x576 oder NTSC) abgespeichert werden. Die Lesegeschwindigkeiten sind aufgrund der höheren Datendichte teils deutlich höher als bei der CD. Mit einfacher Geschwindigkeit (1x) werden knapp 1,4 MB/s übertragen, mittlerweile sind Lesegeschwindigkeiten von 24x (24 x 1,4 MB/s = 33 MB/s) möglich. Auch die Schreibgeschwindigkeit in DVD-Brennern liegt von der Datenrate her naturgemäß höher, als beim Brennen von CDs. Geschwindigkeiten von 16x werden angeboten, sind aber nur bei perfekt aufeinander abgestimmten Laufwerken und Speichermedien ratsam. Auf der sicheren Seite ist man meist mit einer Schreibgeschwindigkeit von 8x.

Erneut aus dem Ansinnen heraus, Videos in höherer Qualität abspeichern zu können, wurde die BluRay-Disk entwickelt. In einer Datenschicht einer BluRay können 25 GB gespeichert werden, bei zweischichtiger Nutzung sind es knapp 50 GB. Damit können Videos in HDTV-Auflösung abgespeichert werden. Die Geschwindigkeit erhöhte sich auch hier, 1x-bluray bedeutet eine Übertragungsrate von etwa 4,5 MB/s, möglich sind Geschwindigkeiten von 12x bis zu 16x sowohl zum Lesen als auch zum Schreiben. Von letzterem kann man nur abraten, wenn man die gebrannten Scheiben auch irgendwann wieder lesen möchte.

Da die Datendichte im Zuge der Entwicklung immer höher wurden, mussten die Wellenlängen der lesenden und schreibenden Laser immer weiter verringert werden, was dazu führte, dass Laufwerke, die sowohl CDS, DVDs und BluRay-Disks lesen und schreiben können, verschiedene Laser benötigen, was den Preis nach oben treibt. Daher sind auch einige Jahre nach Produkteinführung BluRay-Laufwerke noch wesentlich teurer als DVD-Laufwerke.

Aufbau optischer Datenträger und entsprechender Laufwerke

Ein optisches Laufwerk besteht hauptsächlich aus einem Motor, der die Disk dreht, einer Einheit, die den Laser-Strahl erzeugt, einer Fotozelle, die den reflektierten Laserstahl empfängt, einem weiteren Motor, der den Laserstrahl und die Fotozelle positioniert sowie jeder Menge Elektronik, die die Daten vom Laserstrahl auswertet und weitergibt sowie gegebenenfalls Lesefehler korrigiert.
Nach außen wird das Laufwerk durch jeweils einen Anschluss für die Spannungsversorgung (mit 5 und 12 Volt) sowie einen Datenanschluss komplettiert. Nahezu alle aktuellen Laufwerke werden mittels S-ATA angeschlossen. Ältere Laufwerke haben die parallele Version (P-ATA) und seltener auch SCSI verwendet.

cd backDie Rückansicht eines CD-ROM-Laufwerks mit P-ATA-Anschluss

Die Datenträger bestehen fast vollständig aus Kunststoff (Polycarbonat) sowie der Schicht, die die Daten beinhaltet. Bei gepressten Disks besteht diese Schicht aus Aluminium, bei gebrannten aus organischen Verbindungen, früher auch aus Gold. Die Daten sind dabei wie bei einer Schallplatte spiralförmig hintereinander angeordnet. Im Gegensatz zur alten Vinylscheibe sind die Daten bei optischen Datenträgern aber von innen nach außen angeordnet.

cdrom1CD-ROM: Die Daten werden durch Pits und lands repräsentiert. Die Datenschicht befindet sich an der Oberseite der Disk.

Die einzelnen Bits werden durch Höhen (lands) und Tiefen (pits) in der Datenschicht dargestellt. Während der Laserstrahl bei den höheren Stellen fast zu 100 % reflektiert wird, wird er in den Senken gestreut und kann somit nicht zur Fotozelle gelangen.
Brenner funktionieren so ähnlich: Hier sorgt ein starker Laserstrahl dafür, dass in eine ebene Fläche Bits gebrannt werden, d.h. am Anfang reflektiert die gesamte Scheibe gleich stark, wenn nun der Laser auf eine Stelle trifft, verändern sich die Eigenschaften des Stoffes und er reflektiert nicht mehr.

Korrekt korrigiert

Die Daten sind dabei auf einer CD in Sektoren und Frames unterteilt, wobei ein 2352 Byte großer Sektor aus 98 Frames besteht. Jedes Frame enthält 24 Byte "echte" Daten und 9 Byte zur Fehlerkorrektur. Doch damit nicht genug: Jedes Frame wird durch weitere Fehlerkorrektur-Algorithmen auf ganze 588 Bit (=73,5 Byte) aufgeblasen. Damit liegen auf einer CD etwa 2287 MB an Daten, von denen gerade einmal 650 MB genutzt werden, der Rest geht auf die Fehlerkorrektur zurück. Das Verhältnis Nutzdaten zu Fehlerkorrekturdaten beträgt also ca. 1:3,5 !

Im Grunde genommen arbeiten DVD- und BluRay-Laufwerke nach dem gleichen Prinzip wie CD-Laufwerke. Auf einer Scheibe aus Kunststoff ist eine dünne, teil-reflektierende Schicht aufgebracht, auf der die Daten in Form von Erhöhungen und Vertiefungen dargestellt sind. Diese Schicht wird von einem Laser abgetastet und je nach dem, ob er auf eine Vertiefung trifft oder nicht, wird das Laser-Licht entweder reflektiert oder gestreut. Das reflektierte Licht wird von einem Foto-Sensor aufgefangen und danach in Nullen und Einsen umgewandelt.

dvd dual-layer1Dual-Layer DVD: Die Datenschichten liegen in der Mitte des Datenträgers

Um aber die Speicherkapazität einer DVD nochmals zu erhöhen, entschlossen sich die Entwickler die Daten in zwei Schichten unterzubringen: Die eine Schicht ist halb-transparent, so dass ein Teil des auftreffenden Laser-Lichtes reflektiert, der andere Teil zur zweiten, total reflektierenden Schicht durchgeleitet wird. Falls der Platz dann immer noch nicht ausreichen sollte, gibt es noch die Möglichkeit, beide Seiten der DVD zu füllen, so dass man dann, wie beim guten, alten Plattenspieler, die DVD wenden muss, um an alle Daten zu kommen.

Da DVDs eine große Ähnlichkeit mit CDs besitzen, funktionieren auch die Laufwerke ähnlich. Allerdings ist die Wellenlänge des DVD-Lasers eine andere als die des CD-Lasers. Außerdem müssen DVD-Laufwerke den Laser exakt fokussieren können, damit die beiden Datenschichten einer Scheibe erfasst werden können. Im übrigen sind alle DVD-Laufwerke zu CDs abwärtskompatibel, es befinden sich extra CD-Lese-Einheiten in den Laufwerken, damit die alten CD-Laufwerke komplett ersetzt werden können.

Wegen der für die kleineren Datenstrukturen kürzeren Wellenlänge der Laser wurde auch die Datenschicht immer weiter an den laser heran gerückt, um das Fokussieren zu erleichtern. Während die Daten bei einer CD "oben" direkt unter der Oberseite liegen, befinden sie sich bei der DVD mittig in der Scheibe und bei der BluRay-Disk "unten", nah am Laser.

bluray dual-layer1Zweischichtige BluRay-Disk: Die Datenschichten sind dem kurzwelligen Laser sehr nah.

Brenner und Rewriter

Dank immer weiter sinkender Preise sind Brenner für optische Datenträger zum Allerweltsgerät geworden. Auch von den Schwierigkeiten der Anfangszeit sind, nicht zuletzt durch schnellere Hardware allgemein, nur noch wenige Probleme geblieben. Im Folgenden werde ich einen Einblick in die Technik der CD/DVD/BluRay-Aufzeichnung geben.

DAO und TAO
Diese beiden Abkürzungen stehen für "Disk At Once" und "Track At Once". Bei DAO wird die ganze Disk am Stück geschrieben, der Disk kann hinterher nichts hinzu gefügt werden. Im Gegensatz dazu können bei im TAO-Modus geschriebenen Disks noch weitere Tracks hinzu gefügt werden. Allerdings geht dabei teilweise einiges an Speicherplatz verloren, da jedes Mal das Inhaltsverzeichnis neu geschrieben werden muss. Außerdem sind bei Audio-CDs zwischen den einzelnen Track Pausen bis zu 2 Sekunden Länge, was beim konzertgenuss mitunter sehr störend sein kann.

Feuer frei!
Im Gegensatz zu gepressten Datenträgern kann man beim Brennen im Heim-Computer keine "Löcher" in die Scheibe schießen, trotzdem muss man irgendwie zu reflektierenden und streuenden Bereichen auf dem Datenträger kommen. Schließlich hat man heraus gefunden, dass man nicht unbedingt pits und lands braucht, sondern dass es reicht, in einer ebenen Schicht diese reflektierenden und streuenden Bereiche zu haben. Da es genug Stoffe gibt, die unter Hitzeeinwirkung ihre Eigenschaften verändern, war das Problem gelöst: Mit einem starken Laser werden einige Bereiche der Datenschicht erhitzt, so dass die Moleküle durcheinander kommen und kein Licht mehr reflektieren können.
Ähnlich funktioniert das bei wieder beschreibbaren Medien. Mit dem Unterschied, dass hier nicht nur "kaputt gemacht" wird, sondern dass die Moleküle des Reflexions-Stoffes auch wieder geordnet werden können.

cdrom2

Kopierschutz im Wandel der Zeit
Die Audio-Daten auf der CD werden im Normalfall unverschlüsselt und ohne Kopierschutz abgelegt. Einige Studios haben sich aber - nicht spezifikationsgemäße - Möglichkeiten einfallen lassen, um das Kopieren von CDs zu erschweren. Leider führt das manchmal dazu, dass sich auch das Original nicht mehr abspielen lässt. Die Details spare ich mir hier, die ganzen Tricks werden auch zunehmend weniger angewendet.

Anfangs bedeutete DVD noch "Digital Video Disk", da sie dazu auserkoren war, die VHS-Kassette (um die Video-CD-Pleite erst gar nicht zu erwähnen) abzulösen. Daher rühren auch die Versuche, die DVD mit einem sicheren Kopierschutz auszustatten. Denn im Gegensatz zur analogen Video-Kassette können von Digital Video Disks theoretisch beliebig viele Kopien ohne Qualitätsverlust angefertigt werden. Also versuchten vor allem die Film-Produzenten eine Verschlüsselung durchzusetzen. Da dieser Kopierschutz unumgehbar sein sollte, diskutierte man lange und konnte sich jahrelang nicht einigen. Als man sich dann endlich entschieden hatte, dauerte es nur ein paar Wochen bis der Schutz umgangen war (mehr dazu auf einer der folgenden Seiten).

(K)ein Schutz - Die Aufteilung der Welt in Zonen und Kopierschutz

Eigentlich hatten sich die Filmstudios alles so schön ausgemalt: Endlich gibt es ein neues Medium, um Filme in hoher Bild- und Tonqualität auf den Markt zu bringen. Und um Bösen Kopier-Buben das Handwerk zu lagen, werden alle Filme verschlüsselt aufgezeichnet, so dass ein einfaches Kopieren der Filme nicht möglich ist. Und um zu vermeiden, dass ein US-Film in einem deutschen Player landet, während der Film in Europa gerade mal in den Kinos läuft wurde der Regional-Code erfunden, der die Welt in sechs Zonen einteilt. Soweit die Theorie.

Zuerst gab es ein Problem mit dem Regional-Code (RC): Kein Laufwerkshersteller baute ihn ein, da es vielen zu lange dauerte, bis sich die Filmindustrie einigen konnte. Die zweite Stufe war, dass die Laufwerke Mechanismen zur Kontrolle des RC besaßen, man die Kontrolle aber durch das Setzen eines Jumpers umgehen konnte. Der momentane Status ist, dass alle DVD-Laufwerke einen fest eingestellten RC haben. Man kann aber, dank einiger findiger Köpfe, auch diese Sperre umgehen, indem man eine neue Firmware in das Laufwerk lädt, die region-free ist. Sperren, die das verhindern sollten erwiesen sich wieder einmal als unwirksam.

0 - region-free (überall abspielbar)    
1 - Nord-Amerika (USA-Kanada)
2 - Europa, Arabien, Japan, Süd-Afrika
3 - Süd-Ost-Asien
4 - Süd- und Mittel-Amerika, Ozeanien
5 - Afrika, Asien
6 - China

Ähnlich erging es der eigentlichen Verschlüsselung: Die Film-Daten auf der DVD sind nach dem CSS (Constant Scrambling Standard) verschlüsselt. Die Dekodierung erfolgt so: Laufwerk und Software bescheinigen sich gegenseitig ihre Authentizität, danach "darf" die Software die Daten erhalten und darstellen, ein Abgreifen der dekodierten Daten, z. B. über den Speicherbus ist so gut wie unmöglich. Das Problem hierbei ist aber, dass die Daten irgendwo decodiert werden müssen, um sie letztendlich darzustellen. Um dies zu ermöglichen, besitzt jede Player-Software einen geheimen Schlüssel. Ehemals geheim. Mittlerweile sind zumindest die Schlüssel von zwei Playern bekannt - somit sind alle DVDs entschlüsselbar. Ein kleines Programm war eigentlich dazu angedacht, auch für Linux eine DVD-Software zu entwickeln, die kostenlos (wie das ganze Betriebssystem) ist. Da für die Verschlüsselung aber Lizenzgebühren bezahlt werden müssen, haben einige "Aktivisten" die Verschlüsselung kurzerhand geknackt.
Nach der neuesten Rechtsprechung ist es übrigens nicht illegal, DVDs mit anderen RCs zu besitzen und abzuspielen. Nur der Verkauf in andere Zonen kann untersagt werden. (Hiervon sind Privat-Importe nicht betroffen.)

Für die BluRay-Disk wurde ein verstärktes Verschlüsselungsverfahren eingesetzt. Sollten hier Dekoderungsschlüssel bekannt werden, so können die betroffenen Geräte oder die jeweilige für zukünftige BluRays gesperrt werden. Außerdem kann eine BluRay einen Befehl enthalten, der dem Abspielgerät verbietet, das Bildsignal über einen unverschlüsselten Ausgang auszugeben. Nichtsdestotrotz hat es nicht lange gedauert, bis die ersten BluRays kopiert und entschlüsselt worden sind. Der Kopierschutz behindert momentan nur noch die ehrlichen Käufer, wer genug Energie investiert, kann BluRay-Filme kopieren und konvertieren, so dass sie auf jedem PC und Media-Player abgespielt werden können. Zur weiteren Verstärkung des Kopierschutzes gibt es die Formaterweiterung BD+, die auf der BluRay Software mitliefert, die vom Player ausgeführt werden muss, um das Video zu dekodieren. klingt kompliziert, ist es auch - und wird wahrscheinlich trotzdem umgangen.