Datensicherung. On-/Offline-Produktion/Netze OPN. Skript zur Vorlesung. Prof. Dr. Nils Martini

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1 Datensicherung Skript zur Vorlesung On-/Offline-Produktion/Netze OPN Prof. Dr. Nils Martini Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg,

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Inhaltsverzeichnis 11 Datensicherung Grundlagen Hardware Magnetbänder Magneto-Optische Medien Backup-Strategien Storage Area Network Grundlagen Fibre Channel SCSI-Bus

3 11 DATENSICHERUNG 2 11 Datensicherung 11.1 Grundlagen Mithilfe von Datensicherungssystemen (Backupsysteme) werden Datenbestände, die sich auf direkt am Rechnersystem angeschlossenen Speichermedien (meistens Festplatten) befinden, auf externe Medien (oft Magnetbänder) kopiert dies ist deshalb erforderlich, da Datenverluste aufgrund diverser Fehlersituationen nicht auszuschließen sind, was im kommerziellen Umfeld zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen kann weitere Gründe für die Erstellung von Datenkopien sind z.b. gesetzliche Regelungen zur Aufbewahrung bestimmter Datenbestände oder die Auslagerung von weniger häufig benötigten Daten von teuren auf billige Speichermedien in Zeiten, in denen wichtige Daten ausschließlich auf Grossrechnersystemen verarbeitet wurden, waren Datensicherungssysteme ein selbstverständliches Element jeder EDV-Umgebung heute werden Daten meistens auf verteilten heterogenen Systemen gespeichert, sodass eine konsequente Sicherung auf externe Medien mit einem höheren Aufwand verbunden ist dies hat oftmals zur Folge, dass ein Backup selbst unternehmenskritischer Daten unterbleibt je nach Anforderungen an die Sicherheit oder Verfügbarkeit von Daten, kann ein Backup automatisch in regelmäßigen (auch kürzeren) Abständen oder nur nach Bedarf erfolgen die verwendete Technik für Backups reicht von einfachen manuellen Sicherungen (gelegentliches Kopieren wichtiger Dateien auf Diskette, CD oder auf eine zweite Festplatte) bis hin zu zentralen Backup-Lösungen mit Storage Area Networks (SAN, siehe Kapitel 12) mögliche Fehlersituationen, die zu Datenverlusten führen können, sind z.b.: Hardware-Fehler (z.b. Plattencrash) Stromausfall Betriebssystemfehler Software-Fehler Datenverlust durch Cracker, DoS, Viren... Fehlverhalten von Benutzern im Bereich Datensicherung sind folgende Begriffe zu unterscheiden: Backup: temporäre Speicherung aktueller Daten zum Zwecke der schnellen Wiederherstellung (Recovery) im Fehlerfall; Aufbewahrungszeitraum: wenige Wochen Archivierung: langfristige Speicherung, z.t. aus rechtlichen Gründen vorgeschrieben; Aufbewahrungszeitraum: mehrere Jahre

4 11 DATENSICHERUNG 3 Migration (HSM): Verschieben von (großen) Dateien auf preiswertere Medien, wobei auf der Festplatte ein Verweis (Link) verbleibt für die verschiedenen Sicherungsarten werden oft unterschiedliche Typen von Sicherungsmedien verwendet Backup: meistens Magnetbänder; wichtig: große Speicherkapazität Archivierung: Bänder, MO, CD-R; wichtig: lange Haltbarkeit Migration: schnelle Medien (MO, CD-R); wichtig: schneller Zugriff 11.2 Hardware Magnetbänder die Speicherung von Daten auf Magnetbänder ist heute die am weitesten verbreitete Technik, da Bänder mit Abstand die größte Speicherkapazität im Vergleich mit anderen Medien sowie eine hohe Schreib- und Lesegeschwindigkeit bieten (gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis) zu unterscheiden sind im Wesentlichen folgende Techniken von Bandlaufwerken (alle Angaben beziehen sich auf unkomprimierte Daten): Digital Audio Tape DAT, 4mm: bis 12 GB 8mm, AIT: bis 25 GB Digital Linear Tape DLT: bis 40 GB Quarter Inch Tape QIC: bis 5 GB High-Speed-Techniken (IBM Magstar, StorageTek Redwood): schnelle Zugriffszeiten die Schreibgeschwindigkeiten liegen (unkomprimiert) bei 500 kb/s bis zu 15 MB/s prinzipielle Technik von Bandlaufwerken: Magnetisierung des Bandes in schrägen ( helical scan, rotierender Kopf, z.b. 8mm) oder linearen (fester Kopf, z.b. DLT) Spuren die mechanische Belastung ist bei beiden Verfahren heute nur noch sehr gering Nachteile von Magnetbändern: hohe Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern sowie Probleme mit mechanischen und thermischen Belastungen, mittelmäßige Haltbarkeit da die Kapazitäten eines einzigen Bandes meistens für die Sicherung eines Rechners nicht ausreichen und ein manueller Bandwechsel umständlich ist, gibt es Band-Roboter ( Jukebox ), die mehrere Bänder in einem Gerät zusammenfassen solche Jukeboxes sind für fast alle Laufwerkstypen verfügbar hierbei wird mittels eines Greifarms automatisch die Kassette gewechselt, sobald das Band voll beschrieben ist die Kapazitäten beginnen bei kleineren Geräten ab 4 Kassetten (z.b. für einzelne Rechner) bis zu mehreren hundert Kassetten (Kapazitäten bis über 50 TB) für netzwerkweites Backup

5 11 DATENSICHERUNG 4 jedes Gerät kann mehrere Laufwerke für ein gleichzeitiges Backup mehrerer Rechner enthalten für High-End-Anwendungen (Server-Farmen, große Datenbanken) reichen diese Kapazitäten oft nicht aus; hierfür werden so genannte Silos eingesetzt die Größen reichen von 1000 bis zu mehreren Slots (Kapazitäten größer 100 TB), wobei mehrere Dutzend Bandlaufwerke gleichzeitig verwendet werden (Hersteller: IBM, EMASS/Grau, StorageTek) Magneto-Optische Medien alle magneto-optische Medien basieren prinzipiell auf einer Kunststoffscheibe mit einer Reflexionsschicht, deren Relexionseigenschaften mittels unterschiedlicher Verfahren so verändert wird, dass ein Laserstrahl reflektiert oder abgelenkt wird sie eigenen sich aufgrund ihrer kurzen Zugriffszeiten insbesondere für die Migration, bei der Magnetbänder aufgrund ihrer längeren Spul- und Positionierungszeiten von Nachteil sind die Kapazitäten sind jedoch sehr gering: MO, CD-R, WORM bis zu 2,5 GB, DVD-R: bis 4 GB durch die geringe Kapazität ist das Preis-Leistungs-Verhältnis ungünstig, was durch die teilweise nicht wiederbeschreibbaren Medien noch verschlechtert wird Techniken von optischen Medien: CD-R (CD-WORM) 5 -Scheibe aus einem Plastomer Reflexionsschicht mit lichtempfindlicher Farbschicht beim Schreiben verändert ein Laser die Farbe und damit auch das Reflexionsvermögen Vorteil: preiswerte Technik, geeignet für gelegentliche lokale Sicherungen Nachteil: geringe Kapazität (800MB), langsame Schreibgeschwindigkeit ( n 150KB/s) DVD-R ähnliche Technik wie CD-R Speicherkapazität bis 4 GB (kleinere Pit-Länge, engere Datenspur, größere Datenfläche) mehrere Layer (wie bei DVD-ROM) sind nicht vorhanden magneto-optische Scheiben (MO) verfügbar als WORM oder wiederbeschreibbar 3 oder 5, beidseitig beschreibbar aktive Schicht aus magnetischem Material magnetische Speicherung der Daten, wobei sich die Schicht in einem permanenten Magnetfeld befindet und die Ummagnetisierung mittels

6 11 DATENSICHERUNG 5 Laserstrahl erfolgt Lesen ebenfalls per Laser die Polarisierung des Laserlichts ist abhängig von der Magnetisierungsrichtung (Kerr-Effekt) Vorteil: zuverlässige Technik, langer Archivierungszeitraum (größer 10 Jahre) Nachteil: geringe Kapazität (2,6 GB), langsame Schreibgeschwindigkeit (500KB/s) Phase-Change-Technik 5 -Polymer-Scheiben Laserlicht verändert die Polymer-Struktur von amorph (unstrukturiert) zu kristallin (strukturiert) Vorteil: bei platin-beschichteten Scheiben beträgt die Haltbarkeit mehr als 50 Jahre (?) Nachteil: geringe Kapazität (1,5 GB) 11.3 Backup-Strategien bei Backup-Strategien ist prinzipiell die lokale von der netzwerkweiten Sicherung zu unterscheiden Lokale Sicherung ohne festes Backup-Gerät CD, Diskette oder Bandlaufwerk sind direkt am zu sichernden Rechner angeschlossen alternativ kann der komplette Inhalt einer Festplatte auf eine zweite Platte gespiegelt werden, wobei das Recovery sehr schnell durch Austausch der Platten erfolgt Vorteil: geringe Kosten für Hardware, einfache Handhabung Nachteil: ab mittleren Umgebungen sehr umständlich, hoher administrativer Aufwand, meist nur für gelegentliche Teilsicherungen sinnvoll, aufwändiges Recovery Lokale Sicherung mit festem Backup-Gerät fest installiertes Laufwerk oder Jukebox geeignet für Server (z.b. File- oder Datenbank-Server) Vorteil: durch das regelmäßige, automatisierte Backup entsteht ein geringer administrativer Aufwand und es sind mehrere unterschiedliche Versionen einzelner Dateien wiederherstellbar Nachteile: hohe Kosten für Hardware, falls mehrere Server zu sichern sind; evtl. muss für verschiedene Betriebssysteme jeweils unterschiedliche Back- Software eingesetzt werden; das Recovery ist nur am Rechner direkt durchzuführen

7 11 DATENSICHERUNG 6 Zentrale Netzwerk-Sicherung die Backup-Geräte sind an einem zentralen Backup-Server angeschlossen die Sicherung anderer Rechner erfolgt über das LAN Client-Server-Anwendung Vorteile: zentrale Administration, automatisches regelmäßiges Backup aller Rechner im LAN unabhängig von ihrem Betriebssystem, Skalierbarkeit, benutzergesteuertes Recovery Nachteil: hohe Belastung des LAN, teure Software Hersteller z.b. IBM, HP, Legato, CA bei der Entwicklung einer Backup-Strategie sind u.a. folgende Punkte zu berücksichtigen welche Rechner sind zu sichern? welche Daten sind wichtig? Zeitpunkt der Sicherung Dauer der Sicherung (Geschwindigkeit von LAN, Rechnern und Laufwerken) wie oft sind Daten zu sichern? Art des Backups (Vollsicherung, inkrementell) Anforderungen an die Wiederherstellung (Recovery) Archivierung erforderlich? Kopieren (Clonen) des Bandmaterials? wie lange sollen Backup-Daten online sein? viele netzwerkbasierte Backup-Programme arbeiten mit einer Client-Server-Architektur die Aufgaben des Servers sind hierbei: Koordination aller Backup-Funktionen Verwaltung des Datei-Index Steuerung aller Medien- und Sicherungsoperationen sollte mehrere Clients parallel sichern können sollte mehrere Laufwerke parallel beschreiben bzw. auslesen können der Client ist zuständig für: starten der Backup-Prozesse auf Anforderung des Servers lesen aller benötigten Verzeichnisse und Dateien (Rechte!) die Weiterleitung der Daten an den Server ist i. Allg. selbst für das Recovery zuständig Kommunikation mit dem Server z.b. per RPC Anforderungen an eine Backup-Software Unterstützung diverser Betriebssysteme

8 11 DATENSICHERUNG 7 Unterstützung diverser Sicherungsgeräte parallele Sicherung mehrerer Clients auf mehrere Laufwerke Integration von Online-DB-Sicherungen Sicherung offener Dateien folgende Backup-Arten sind zu unterscheiden Vollsicherung: Backup aller Dateien inkrementell: alle Dateien, die sich seit der letzten Sicherung geändert haben differentiell: alle Dateien, die sich seit einem Referenzzeitpunkt geändert haben konsolidierend: virtuelle Vollsicherung eine Backup-Software muss alle Informationen über die von ihr gesicherten Dateien in einer kleinen Datenbank (Datei-Index) speichern, um bei einer Recovery- Anforderung das richtige Band und die Position der benötigten Datei schnell zu finden nur Dateien, deren Informationen sich im Index befinden, sind gezielt wieder herstellbar (so genanntes Online-Recovery ) andere Dateien müssen umständlich auf dem Sicherungsmedium gesucht werden da dieser Index bei einer großen Anzahl gesicherter Dateien (und ihrer Versionen) sehr groß werden kann, müssen die ältesten Informationen im Index regelmäßig gelöscht werden dies ist insofern unproblematisch, da ein Backup üblicherweise nur für die Wiederherstellung von aktuellen Daten verwendet wird (und nicht für Archivierungszwecke) der Aufbewahrungs-Zeitraum im Index beträgt typischerweise 2 bis 4 Wochen da sich die Daten aber physikalisch immer noch auf den Bändern befinden, ist eine Wiederherstellung wenn auch mit höherem Aufwand bis zum Überschreiben der Bänder möglich wann Bänder wiederverwendet werden, ist abhängig von der Größe einer Jukebox oder allgemein abhängig von der Menge der Bänder oft wird der Wiederverwendungs-Zyklus an die gesicherte Datenmenge angepasst, um die Bänder in der Jukebox nicht austauschen zu müssen (Rotationsverfahren: die jeweils ältesten Daten werden von den aktuellen überschrieben) welche Daten sollen gesichert werden? alle lokal gemounteten Filesysteme einzelne Partitionen (/usr, C:, SYS:) einzelne Verzeichnisse (/usr/local/httpd) einzelne Dateien Wann soll die Sicherung starten? der Normalbetrieb im LAN sollte nicht behindert werden

9 12 STORAGE AREA NETWORK 8 das zur Verfügung stehende Zeitfenster muss eingehalten werden nicht alle Clients gleichzeitig starten geeignete Clients gleichzeitig sichern Behandlung spezieller Dateien einige Dateien/Dateitypen nie sichern einige Dateien immer sichern Wiederherstellung der access time client-seitige Kompression Staging: automatische Verlagerung gesicherter Daten von einem Medium auf ein anderes Beispiel: 1. Sicherung auf Festplatte (z.b. RAID-Array) 2. Kopieren der Daten in Abhängigkeit vom Alter auf ein langsameres (preiswerteres) Medium 3. Löschen der Daten von der Backup-Festplatte Vorteile: schnelles Recovery der aktuellsten Daten, Zwischenspeicherung der Daten während der Sicherung Hierarchical Storage Management HSM (Migration): erster Schritt: übliche Datensicherung anschließend: Entfernen der gesicherten Dateien, ersetzen durch einen Link migrieren von Dateien in Abhängigkeit von Alter oder Größe bzw. Füllgrad der Festplatte beim Öffnen einer migrierten Datei wird sie automatisch vom Band zurückgeholt (recall) 12 Storage Area Network 12.1 Grundlagen die im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Verfahren des netzwerkbasierten Backups haben einen wesentlichen Nachteil: zur Übertragung der Daten vom Client zum Server wird das LAN genutzt hiermit sind eine Reihe von Problemen verbunden: das Zeitfenster für die Sicherung ist bei großen Datenmengen und normalen LAN-Geschwindigkeiten oft zu klein die erreichbaren Datentransferraten sind für große Jukeboxes oder Silos oft zu gering der normale Netzverkehr wird durch Backups gestört

10 12 STORAGE AREA NETWORK 9 ein Ausweg aus dieser Situation ist die Einrichtung eines eigenen zusätzlichen Netzwerks für Datensicherungen (das nicht notwendig TCP/IP-basierend sein muss) ein solches Zusatz-Netzwerk wird als Storage Area Network (SAN) bezeichnet es ist ein high-performance Netz, das nicht nur für Backups genutzt wird, und oft auf der Fibre-Channel-Technik basiert hierbei werden Geräte (z.b. Festplatten, Bandlaufwerke, Jukeboxes) direkt, d.h. ohne Serverrechner, an den Fibre-Channel-Bus angeschlossen Vorteile: alle Server können mit allen Speichergeräten kommunizieren, da ein Gerät nicht über proprietäre Treiber oder sonstige betriebssystem-abhängige Hardware angesprochen wird ein SAN kann wie ein normales Netz strukturiert sein es bietet hohe Übertragungsgeschwindigkeiten, hohe Zuverlässigkeit, große Reichweite aufgrund von LWL dadurch können Speichergerät und Server in großer Entfernung voneinander aufgestellt werden ein kontinuierlicher Transfer von Massendaten (bulk data), wie es bei Backups üblich ist, wird im LAN nicht optimal erreicht (ein Ethernet ist eher für burst data geeignet) es gibt weniger Sicherheitsprobleme als im LAN auch zentrale Datenspeicher können im SAN von mehreren Servern gemeinsam genutzt werden Rechner unterschiedlicher Betriebssysteme werden mit Host Bus Adaptern (HBA) an das SAN angeschlossen mittels SAN-Bridges und Extendern werden herkömmliche Speichergeräte (SCSI) eingebunden zusammengefasst sind die Ziele bei SAN: erheblich erweiterte Skalierbarkeit verbesserter, einheitlicher Geräteanschluss LAN-unabhängiges Backup direktes Backup (ohne Server direkt von der Platte auf das Band) Cluster-Bildung von Servern und/oder Geräten data-sharing (File-Server greifen gemeinsam auf Datenbestände zu ohne NFS oder Netzlaufwerke) remote mirroring (Spiegelung von Daten) load balancing (Lastverteilung zwischen Servern oder Geräten) Einrichtung von Hochverfügbarkeitssystemen ein weiterer Begriff in diesem Zusammenhang ist Network Attached Storage

11 12 STORAGE AREA NETWORK 10 (NAS), der häufig mit SAN verwechselt wird: hierbei handelt es sich um spezielle Speichersysteme z.b. für Fileserver, die an das LAN angeschlossen werden diese Geräte unterstützen verschiedene File-I/O-Requests (Unix-NFS, Netware, andere datei-orientierte Protokolle), sodass unterschiedliche Rechner mit ihren es handelt sich bei NAS jedoch nicht um einen Standard sondern um proprietäre Systeme Nachteile: hohe Belastung des LAN, Probleme mit bulk data Vorteile: einfache Handhabung, kein zusätzliches Netz, Nutzung herkömmlicher TCP/IP-Protokolle, geeignet für kleinere bis mittlere Umgebungen Web Attached Storage WAS Auslagerung oder Archivierung von Daten über das Internet einfache Lösung im Small-Office oder Privat-Bereich (SOHO) Vorteil: keine teure Hardware und kaum Administration erforderlich Nachteil: nur für kleine Datenmengen geeignet (wegen WAN-Verbindung), Speicherung bei externem Anbieter 12.2 Fibre Channel Für Storage Area Networks sind die Techniken lokaler Netzwerke aus den zuvor genannten Gründen unvorteilhaft es werden schnelle Übertragungsmedien benötigt, die insbesondere für bulk data geeignet sind mit dem Fibre Channel steht heute eine Technik zur Verfügung, die diese Anforderungen gut erfüllt Fibre Channel bietet aktuell Datenraten von 100 MB/s, in Zukunft sollen bis zu 800 MB/s erreicht werden, wobei diese Geschwindigkeiten im Duplex-Betrieb möglich sind (beachte: bei Bus-Systemen wird die Übertragungsrate nicht wie bei Netzwerken in Bit sondern in Byte pro Sekunde angegeben) Fibre Channel ist ein Datenkanal mit den Eigenschaften eines I/O-Bus (z.b. SCSI) ein Rechner sieht ein Gerät im SAN genauso wie ein lokal angeschlossenes die Vorteile von Fibre Channel (FC) für die Verwendung im SAN sind: Unterstützung mehrerer Protokollarten Funktionalität eines Netzwerks Unterstützung heterogener Verbindungen Fibre Channel soll die Vorteile von Netz- und Bus-Techniken vereinen mit Fibre Channel lassen sich unterschiedliche Topologien für ein SAN einrichten: Point-to-Point

12 12 STORAGE AREA NETWORK 11 Ring-Struktur switched fabric mit der Funktionalität des zoning ist es möglich, logische Gruppen von Geräten zu bilden die Adressierung und das Routing im FC erfolgt durch eindeutige Hardware- Adressen (World Wide Names WWN) die Fibre Channel Protokoll-Architektur FC hat keine höheren Protokolle vorhandene Protokolle (z.b. SCSI, IP, ATM, HIPPI) setzen auf FC auf FC bietet einen skalierbaren, zuverlässigen Datentransport für höhere Protokolle (Upper Level Protocols ULP) die Protokollschicht FC-4 stellt Schnittstelle zwischen der FC-fabric und den ULP dar, d.h. sie liefert die Interoperabilität zwischen ULP-Prozessen und der Fibre Channel Hardware FC-3: definiert das Stations-Management in den Switches FC-2: Transportschicht für Signalisierung, Flusskontrolle, Adressierung FC-1: Codierung/Decodierung FC-0: physikalische Schnittstelle Fibre Channel-Klassen bestätigter verbindungsorientierter Dienst (zuverlässig, aber hoher Aufwand) bestätigter verbindungsloser Dienst (ähnlich wie IP) unbestätigter verbindungsloser Dienst (unzuverlässig, aber die ULPs haben i. Allg. eigene Bestätigungsmechanismen) für Fibre Channel sind verschiedene Hardware-Spezifikationen definiert (unterschiedliche Übertragungsraten und Entfernungen) optisch: LED langwellig, 62,5m MMF, 12,5-25 MB/s, bis 1,5 km Laser langwellig, SMF, MB/s, 2-10 km Laser kurzwellig, 50m MMF, MB/s, 1-2 km elektrisch: Koax, 12,5-100 MB/s, m TP, 12,5-25 MB/s, m Fibre Channel-Frames je 4 Byte für Start- und Endmarkierung 24 Byte Header: Quell-/Zieladresse (je 3 Byte), Sequenz-Nr., Exchange-Nr. bis 2112 Byte Nutzdaten FC-Komponenten Host Bus Adapter HBA für PCI oder Sbus

13 12 STORAGE AREA NETWORK 12 FC Hub: Verwendung in Arbitrated Loops, bis 126 Geräte, shared bandwidth FC Switch: beliebige dedizierte Verbindungen zwischen Geräten FC Bridge: Schnittstelle für SCSI-Geräte FC Extender: Erweiterung der Entfernung Fibre Channel ist eine schnelle Bus-Technik, die viele Protokolle unterstützt und daher flexibel eingesetzt werden kann FC ist weniger für den SOHO-Bereich geeignet sondern mehr für das mittlere bis High-End-Segment im unteren bis mittleren Segment lassen sich einfachere und preiswertere Techniken einsetzen, wie z.b. USB, SCSI, FireWire 12.3 SCSI-Bus da Fibre Channel eine neue und damit noch aufwändige und teure Technik ist, herrscht im Bereich professioneller File-Server und Datensicherungsgeräte die SCSI-Schnittstelle (Small Computer System Interface) vor es handelt sich hierbei um ein geräteunabhängiges I/O-Subsystem, sodass der Anschluss verschiedenster Peripherie-Geräte an den Computer ermöglicht wird das Betriebssystem benötigt keine detaillierten Kenntnisse (Treiber) über das Gerät Anschluss von bis zu 16 (SCSI-3) bzw. 8 (SCSI-2) Geräten an einen Bus Begriffe Geräteadressen werden als SCSI-ID bezeichnet Hostadapter: Anschluss Computer Bus SCSI-Controller: Anschluss Bus Gerät Logical Unit Number LUN: eine SCSI-ID kann in 8 Untereinheiten geteilt werden Narrow SCSI: 8 Bit breiter Bus, 50-poliges Kabel Wide-SCSI: 16 Bit breiter Bus, 68-poliges Kabel Terminator: Widerstand zur Verhinderung von Signalreflexionen am Bus- Ende Fast-SCSI Ultra-SCSI Ultra-2-SCSI Ultra-160-SCSI

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