Disk-to-Disk Backup: warum, wie, wo

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1 white paper Disk-to-Disk Backup Disk-to-Disk Backup: Andrew Brewerton Technical Director, BakBone Software D2D Backup Die Backup-Technologie ist stetigen und schnellen Änderungen unterworfen. Noch vor nicht all zu langer Zeit wurden bei einem Backup die primären Daten von der Festplatte auf Band kopiert - anfangs auf die beliebten Halbzoll-Bänder, dann auf verschiedene Typen von Magnetbandkassetten und Cartridges. Mittlerweile nutzen immer mehr Organisationen sowohl für ihre Primär-Daten, als auch für die Backups Festplatten - ein Prozess, der als Disk-to-Disk Backup oder kurz D2D bezeichnet wird. Es gibt eine ganze Reihe von Gründen für diesen Umstieg. Insbesondere sind die Kosten der Festplatten dramatisch gefallen, während gleichzeitig ihre Kapazität schnell zugenommen hat. Auch verfügen Platten-Arrays über eine viel bessere Schreib-/Lese- Leistung als Bandlaufwerke - was besonders bei Anwendungen wichtig ist, die für ein Backup angehalten oder offline geschaltet werden müssen. Darüber hinaus ist die Arbeit mit Bändern wirklich unpraktisch, besonders wenn eine Cartridge erst herausgesucht, geladen und vollständig durchsucht werden muss, nur um eine einzige Datei zurück zu speichern. Außerdem können sie verloren gehen oder gestohlen werden. Zwar ist eine Cartridge - obgleich sie in einem klimatisierten Lagerraum aufbewahrt wird - immer noch die kostengünstigste und energiesparendste Möglichkeit für die Langzeitspeicherung von Daten, aber sie eignet sich eher für ein Archiv als für ein Backup. Bänder werden zwar nicht so schnell in der Versenkung verschwinden, aber sie werden für ein Backup immer uninteressanter. Festplatten lassen sich auf vielfältige Art in den Backup-Prozess integrieren, von virtuellen Bibliotheken (VTLs), über Snapshots bis hin zu einer kontinuierlichen 1

2 Datensicherung (CDP). Jede Methode hat ihre Vorteile und eignet sich für bestimmte Anwendungen oder Anwenderanforderungen besonders gut. Es können sogar mehrere D2D-Backup-Verfahren parallel genutzt werden, um unterschiedliche Wiederherstellungsanforderungen zu erfüllen. Die Festplatte kommt auch in vielen anderen Formen der Datensicherung zum Einsatz, wie der Datenreplikation und der Spiegelung. Es ist aber wichtig zu verstehen, dass dies keine Backups sind. Sie schützen vor einem Hardware-Ausfall oder vor Katastrophen, aber sie können nicht vor Datenverlust oder einer Datenzerstörung schützen, da sie keine Rollback-Möglichkeit bieten. Warum ist ein Backup erforderlich? Computer und ihre Plattenspeicher können ausfallen - nicht sehr häufig, aber es kann passieren. Oder sie können gestohlen werden, durch Feuer oder anderen Katastrophen zerstört, durch einen Stromausfall beschädigt oder durch vielfältige andere Ereignisse einen Datenverlust erleiden. Letzteres beispielsweise wenn ein Anwender versehentlich eine Datei löscht oder die falsche Version abspeichert. In solchen Fällen wird ein Backup benötigt. Die Replizierung und Spiegelung decken einige sehr wichtige Anforderungen der Datensicherung ab, da wenn ein ganzes System ausfällt, das andere übernehmen kann. Allerdings ist eine Kopie oder Spiegelung kein Backup, weil wenn Daten in der einen Hälfte des Paares zerstört oder gelöscht werden, diese auch in der anderen Hälfte gelöscht oder zerstört werden können. Ein Backup ist eine Datensicherung zu einem bestimmten Zeitpunkt und in einer konsistenten Art und Weise. Es erlaubt die Rückkehr auf einen spezifischen Wiederherstellungspunkt, zum Beispiel um eine frühere Version einer zerstörten oder gelöschten Datei oder Datenbank wiederherzustellen, um ein abgestürztes System in seinem bisherigen Arbeitszustand wiederherzustellen oder eine Sicherungskopie für eine externe Aufbewahrung herzustellen. Ein Backup wird konventionell auf nicht-flüchtigen und auswechselbaren Medien gespeichert, wie zum Beispiel Bändern, so dass diese Kopien extern aufbewahrt werden können. Zunehmend wird diese Rolle aber von nicht austauschbaren Medien an einem anderen Standort übernommen - entweder ein eigener sekundärer Standort oder ein von einem Dienstleister verwalteter Standort - wobei heute Datennetze an Stelle von Lieferwagen als Transportmechanismen dienen. Bei einer Wiederherstellung der Daten zeigt sich der große Vorteil der Platten gegenüber Bändern. Platten erlauben einen Direktzugriff anstatt eines sequenziellen Zugriffs. Das bedeutet, wenn nur eine einzige Datei oder einige wenige Dateien benötigt werden, ist die Wiederherstellung von Platte schneller und einfacher möglich. Welche Backup- und Wiederherstellungsmethoden zum Einsatz kommen, hängt von zwei Faktoren ab von der RPO-Vorgabe (Recovery Point Objective), d.h. wie viel Daten verloren gehen dürfen oder erneut erstellt werden müssen, und der RTO-Vorgabe (Recovery Time Objective), d.h. wie lange es dauern darf, bis die Daten wiederhergestellt sind bevor es zu Problemen im Geschäftsablauf kommt. Wenn zum Beispiel die RPO-Vorgabe bei 24 Stunden liegt, ist ein täglicher Backup auf Band ausreichend. Alle Daten die nach dem letzten Backup erstellt oder geändert 2

3 wurden, müssen nach dem Ausfall manuell wiederhergestellt werden. Ein RTO von 24 Stunden bedeutet damit vereinfacht, dass die Organisation einen Tag ohne das System zurechtkommen kann. Wenn RPO und RTO von Stunden auf Sekunden reduziert werden sollen, müsste die Backup-Technologie alle Datenänderungen nicht nur sofort erfassen sondern auch die Daten praktisch sofort wiederherstellen können. Dies lässt sich nur mit einer Festplattenbasierenden CDP-Strategie (Continuous Data Protection) erreichen. Einsatzmöglichkeiten von Festplatten Die meisten gegenwärtig erhältlichen Festplatten-basierenden Backup-Technologien fallen in eine von vier Kategorien, und können entweder als eine Anwendung oder als Software implementiert werden, die auf eine dedizierte Partition auf einem NAS-System oder einem anderen Speicher-Array schreibt: * Virtual-Tape-Library (VTL): Eine der ersten Backup-Anwendungen für Festplatten war die Emulation eines Bandlaufwerks. Dieses Verfahren war in Mainframe Tape-Libraries über viele Jahre im Einsatz, wobei das emulierte Bandlaufwerk als eine Art Cache fungierte - die Backup-Anwendung schreibt ein Volume auf die Festplatte, das dann im Hintergrund auf ein Band kopiert oder geklont wird. Durch den Einsatz einer VTL können vorhandene Software oder Prozesse ohne Änderung weiterverwendet werden und sie arbeiten auch viel schneller. Allerdings orientiert sich das Ganze immer noch sehr an einer Systemwiederherstellung und die Möglichkeiten für eine Rückspeicherung sind mit denen eines Bandlaufwerks vergleichbar. Im Allgemeinen können virtuelle Bänder nach wie vor im Hintergrund für Langzeitspeicherung auf echte Bänder geklont werden; dieser Prozess wird als D2D2T oder Disk-to-Disk-to-Tape bezeichnet. Einfachere VTLs nutzen einen Teil des Speicherplatzes, erstellen die Dateien sequenziell und behandeln sie wie ein Band, so dass die Sicherung einem echten Band gleicht. Allerdings wird aber Festplattenplatz vergeudet, da die volle Bandkapazität auf der Platte reserviert wird, selbst wenn das Band nicht voll ist. Fortschrittlichere VTLs vermeiden dieses Problem durch den Einsatz von Speicher- Virtualisierungstechnologien. Speziell Thin Provisioning, das ein logisches Volume der erwünschten Kapazität reserviert und erst dann physikalisch auf die Platte schreibt, wenn die Daten wirklich vorliegen. Zudem kann es hierfür beliebige Kapazitäten nutzen, z.b. von einem Storage Area Network, einer lokalen Platte und selbst von Network Attached Storage. * Disk-to-Disk (D2D): Normalerweise bezieht sich dies auf eine dedizierte Plattenbasierende Anwendung oder ein kostengünstiges SATA-Array, aber hier fungiert die Platte als Platte und nicht als Band. Die meisten Backup-Anwendungen unterstützen dies mittlerweile. Es vereinfacht den Zugang zu individuellen Dateien, obwohl System- Backups langsamer sein können als ein Streaming auf eine VTL. Es erfolgt keine Emulation eines Bandlaufwerks mehr. D2D-Systeme arbeiten als Direktzugriffsspeicher und nicht sequenziell - das Gerät kann beispielsweise gleichzeitig mehrere Streams senden und empfangen oder individuelle Dateien wiederherstellen, ohne dass das ganze Backup-Volume durchsucht werden muss. 3

4 So ist D2D so einfach zu nutzen, wie die Verwendung einer Wechselplatte anstatt eines Bands. Der Vorteil ist hier die Backup- und Wiederherstellungsgeschwindigkeit, wobei die Festplattenkassette wie ein Band gelagert oder offsite aufbewahrt werden kann. * Snapshot: Hier wird, in vorab festgelegten Intervallen, in Form einer Momentaufnahme eine Kopie der Daten angefertigt. Jeder Snapshot benötigt den gleichen Speicherplatz wie das Original, es sei denn, dies erfolgt differentiell (was einem inkrementellen Backup entspricht) oder eine Komprimierungs-, Datenreduzierungs- oder Deduplizierungs- Technologie kommt zum Einsatz, benötigt jeder Snapshot den gleichen Speicherplatz wie das Original. Differentielle Snapshots sind ideal für Rollbacks und die Wiederherstellung von Dateien, können aber von einer ursprünglichen Kopie abhängig sein, so dass sie für ein Disaster Recovery weniger geeignet sind. Viele NAS-Anbieter (Network Attached Storage) bieten Tools an, die ein Snapshot von Daten von einem NAS-Server oder Applikationsserver auf einen NAS-Server in einem anderen Wiederherstellungs-Standort ermöglichen. In den letzten Jahren ist die Snapshot-Technologie zunehmend unabhängiger von der Hardware geworden - ursprünglich war es eine interne Funktion eines Platten- Arrays oder NAS-Server, mittlerweile gibt es aber immer mehr Software Snapshot- Möglichkeiten. * CDP (Continuous Data Protection): Diese kontinuierliche Datensicherung wird manchmal auch als Echtzeit-Datensicherung bezeichnet. Sie erfasst und repliziert Änderungen auf Datei-Ebene zum Zeitpunkt des Geschehens, so dass bei einer Datei oder in einem System die Uhr quasi auf jeden beliebigen bisherigen Punkt zurückgedreht werden kann. Die Änderungen werden auf Byte- oder Blockebene gespeichert, und zwar zusammen mit Metadaten, die die Informationen enthalten, welche Blöcke wie und wann geändert wurden. So ist oftmals keine Rekonstruierung der Datei für eine Wiederherstellung erforderlich - das CDP-System gibt einfach die Version die zum jeweiligen Zeitpunkt existierte zurück. Alle seitdem erfolgten Änderungen müssen auf andere Art rekonstruiert werden, zum Beispiel über Journaling innerhalb der Anwendung. CDP ist nur für Festplatten geeignet und nicht für Bandlaufwerke, denn es setzt einen Direktzugriff auf die gespeicherten Daten voraus. Ein Nachteil dabei, abhängig von der Funktionsweise des CDP-Prozesses: je granularer das CDP-System arbeitet, desto stärkere Auswirkungen hat dies auf die Leistung des Systems und die Anwendungen. Technologien, die sich nicht ausschließlich auf eine Snapshot-Technologie verlassen, bieten daher einen Vorteil. Um die gewünschte Version zu finden, kann es außerdem notwendig sein vorwärts oder rückwärts zu spulen. Eine Möglichkeit ist hier der Einsatz von CDP, um Änderungen zu verfolgen, sehr granular zu speichern, und dann die Backup-Daten in verschiedene Snapshots für eine einfachere Wiederherstellung zu konvertieren. Eine gut funktionierende CDP-Lösung bietet, abgesehen vom Datenschutz, noch weitere Vorteile, wie z. B. eine geringere Auswirkung auf die Anwendungen und den Server. Außerdem werden weniger Daten über das Netzwerk bewegt als bei Datei-basierenden Schutzmechanismen, da nur die veränderten Bytes gesendet werden. 4

5 Kohärenz und Wiederherstellung Ein Backup muss kohärent sein - eine Kopie von Daten, die mitten im Backup-Prozess aktualisiert wurde, kann nicht zuverlässig zurückgespeichert werden. Bei konventionellen Backup-Methoden würden die Anwendungen normalerweise über Nacht für das Backup offline genommen werden. Neuere Backup-Methoden, wie Snapshots und CDP, wurden aber so entwickelt, dass sie jederzeit funktionieren. Snapshots weisen eine relativ grobe zeitliche Granularität auf, so dass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit ein vollständiges und kohärentes Backup erzeugen. Allerdings gehen alle seit dem letzten Snapshot gemachten Updates verloren. Beim feinkörnigen Ansatz von CDP ist ein Datenverlust weniger wahrscheinlich, aber es kann schwieriger sein, das System in einen kohärenten Status zurückzubringen. Wie sich ein kohärenter Backup erreichen lässt, ist von der Anwendung oder den Daten abhängig. Zum Beispiel muss bei unstrukturierten Dateisystemen eine fehlerfreie Dateiversion gesucht werden - normalerweise die letzte geschlossene oder abgespeicherte Version. Bei Dateien, die lange Zeit geöffnet bleiben können, muss eine Auslagerung des Dateisystems initiiert und in den Metadaten ein Pointer darauf erzeugt werden. Um Daten wiederherzustellen, würde dann der richtige Punkt im CDP-Backup gesucht, anschließend die Daten zurück auf den Applikationsserver kopiert und dann die Anwendung neu gestartet werden. Allerdings bedeutet dies, dass je mehr Daten vorhanden sind und je langsamer das Netzwerk ist, desto länger dauert die Wiederherstellung. Glücklicherweise gibt es seit kurzem Technologien, um diesen Prozess zu beschleunigen. Diese liefern der Anwendung eine Kurzfassung der wiederhergestellten Daten, die ausreicht um die Anwendung zu starten, auch wenn noch nicht alle Daten wiederhergestellt wurden; ein Software-Agent, der neben der Anwendung läuft, kontrolliert dann die Datenanforderungen und priorisiert den Rückspeicherungsprozess entsprechend - dadurch werden die Daten dann in der Reihenfolge, in der sie benötigt werden, zurückgespeichert. Mit solchen Verfahren können Anwendungen in weniger als 10 Minuten wieder zum Laufen gebracht werden, da die schnell wiederhergestellte Shell-Datei nur wenige Megabyte groß ist. Natürlich dauert es noch eine ganze Zeit bis die Anwendung vollständig wiederhergestellt ist, aber zumindest können die Anwender praktisch sofort wieder damit arbeiten. Ein anderer Aspekt, der die Wahl zwischen Snapshot und CDP beeinflusst, ist die gegenseitige Abhängigkeit der Anwendung und der zugehörigen Dateien. Bei zu großer Abhängigkeit ist es schwieriger einen konsistenten Wiederherstellungspunkt zu finden. Eine potenzielle Lösung besteht darin, eine Software auszuwählen, die Anwendungsorientiert ist und die eine intelligente, granulare Wiederherstellung erlaubt, da sie die jeweiligen Abhängigkeiten kennt. Energie- und Effizienzaspekte Ein Aspekt der für Bänder spricht, ist der sehr geringe Stromverbrauch für eine Offline- Datenspeicherung - vielleicht so niedrig wie die Kosten der Klimaanlage für das Regal 5

6 zur Aufbewahrung der Cartridges. Für Wechselplatten-Kassetten gilt dies natürlich auch, aber nur für konventionelle Backup-Prozesse mit den zugehörigen Verzögerungen. Bei neueren Backup-Prozessen wie Snapshots und CDP müssen die Plattenspeicher immer online sein. Die Entwickler von D2D-Hardware haben sich deswegen Systeme wie MAID (Massive Array of idle Disk) ausgedacht, das den Stromverbrauch reduziert, indem die Festplatten, wenn auf sie nicht zugegriffen wird, eine geringere Leistungsaufnahme haben. MAID-Systeme von Copan, Hitachi Data Systems und Nexsan und vergleichbare Technologien wie IPM (Intelligent Power Management) RAID-Controller von Adaptec, erlauben damit den Betrieb ganzer Gruppen von Plattenlaufwerken in verschiedenen Leistungsmodi zu unterschiedlichen Zeiten. Man kann z.b. auch die Leistungsaufnahme der Laufwerke automatisieren, so dass diese in einen Standby-Betrieb gehen oder sogar sich sogar zu bestimmten Zeiten ganz abschalten können. Wenn auf ein abgeschaltetes Laufwerk zugegriffen wird, fährt es der Controller wieder hoch; alternativ kann der Administrator aber auch Zeiträume mit hoher IT-Aktivität definieren, in denen die Laufwerke nie heruntergefahren werden. Der Controller überwacht auch Laufwerke, die über längere Zeit abgeschaltet sind, um sicherzustellen, dass diese noch problemlos arbeiten. Wenn auf Laufwerke zugegriffen werden muss, implementieren diese Speicher- Arrays zudem gestaffelte Einschaltverfahren. Damit lässt sich eine Überlastung der Stromversorgung eines Arrays vermeiden, falls alle Laufwerke gleichzeitig hochgefahren werden sollten. Diese Leistungsmanagementverfahren können so konfiguriert werden, dass der Stromverbrauch eines Laufwerks ohne Einschränkungen der Leistung um bis zu 70 Prozent reduziert werden kann. Es sind sogar noch höhere Einsparungen möglich, allerdings auf Kosten einer höheren Latenzzeit und/oder eines geringeren Durchsatzes. Doppelte Duplizierung Es gibt noch weitere Gründe warum Platten für Backups verwendet werden als nur die Geschwindigkeit. Ein großer Vorteil der Platten gegenüber Bändern ist die Möglichkeit eines Direktzugriffs bei Plattenspeichern, wogegen sich Bänder nur sequenziell lesen lassen: Die Verarbeitung der Daten auf der Platte direkt nach dem Backup. Das hat wie bei Snapshots und CDP zu einer weiteren wichtigen Innovation beim Backup geführt: Deduplizierung. Die Deduplizierung ist ein Komprimierungs- oder Datenreduzierungsverfahren, das die gesamte Datenmenge oder den gesamten Stream nimmt und darin nach sich wiederholenden Elementen sucht und mehrfach vorkommende Daten nur einmal speichert oder sendet. Offensichtlich enthalten einige Datenmengen mehr Duplikate als andere - zum Beispiel sind aus Templates erzeugte virtuelle Server fast identisch. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Anwender von Komprimierungsverhältnissen von 10:1 oder mehr berichten, in einigen Fällen wurden sogar Verhältnisse von 50:1 erreicht. In der Vergangenheit wurde die Deduplizierung normalerweise in Speichersysteme oder Hardware-Anwendungen integriert, und war deswegen hardwareabhängig. Heutzutage gibt es Backup-Software, die Deduplizierungsfunktionen beinhalten und damit hardwareunabhängig ist. 6

7 Die Technologie wird auch für Backups zwischen Datenzentren oder zwischen Niederlassungen und dem Hauptsitz verwendet, da sich die über WAN-Verbindungen geschickte Datenmenge reduzieren lässt. D2D in Niederlassungen und externen Büros Es gibt viele Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Backup in Niederlassungen und externen Büros. Wer wechselt die Bänder und lagert diese beispielsweise an einem externen Ort? Außerdem wachsen die lokalen Datenmengen und immer mehr Standorte führen jetzt Anwendungen lokal aus. Was kann man also machen, wenn das Backup- Fenster zu klein wird? Eine Möglichkeit ist ein Backup oder eine Replizierung im Hauptsitz. Vorzugsweise kommt eine CDP- oder Deduplizierungs-Technologie zum Einsatz, um nur die veränderten Datenblöcke zu senden und so die Last auf dem WAN zu reduzieren. Der Nachteil einer derartigen online oder konsolidierten Lösung ist, dass es lange dauert, um ein ausgefallenes System wiederherzustellen. Auch wenn das notwendige Fachwissen und eine schnelle Verbindung vorhanden sind, kann es sehr lange dauern bis einige Hundert Gigabyte Daten wiederhergestellt sind. D2D ist der nächste logische Schritt - es kann als VTL installiert werden, wodurch es auf die gleiche Weise wie ein Band arbeitet, nur eben schneller. Zudem steht eine lokale Kopie der Dateien für die Wiederherstellung zur Verfügung. Diese lokale Kopie deckt vermutlich 90 bis 95 Prozent der Wiederherstellungsanforderungen ab. Mit einer zusätzlichen asynchronen Replizierung im Hauptsitz muss nur noch eine Generation von Backups lokal gelagert werden. Damit lässt sich eine bessere Konsolidierung im Datenzentrum erreichen. Durch eine zusätzliche Deduplizierung müssen weniger Daten von der Niederlassung gesichert werden und es wird weniger Bandbreite benötigt. Die Konsolidierung der Backups in einem Datenzentrum kann noch andere Vorteile bringen, insbesondere können Informationen einfacher gesucht und archiviert werden. Zudem nimmt es auch die Backup-Last von den Niederlassungen, da deren Backups dann einfacher gelagert werden können und eine schnelle lokale Wiederherstellung erlauben. Die Backups müssen nicht mehr lange aufbewahrt werden. Sollten die gesamten Daten der Niederlassung oder des externen Büros verloren gehen, dann gibt es Verfahren, um den Prozess der Wiederherstellung eines ganzen Server- oder Speichersystems zu beschleunigen. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von externen USB-Festplatten, die per Kurier verschickt werden und als Grundlage für das wiederhergestellte System dienen. Noch schneller sind Daten-Streaming-Technologien. Diese virtualisieren den Wiederherstellungsprozess, wobei die Anwendung zuerst ein Image der Daten erhält und die zu Grunde liegenden Daten dann per Streaming in der benötigten Reihenfolge wiederhergestellt werden. 7

8 Über BakBone Software, Inc. European Headquarters 100 Longwater Avenue Green Park Reading RG2 6GP United Kingdom P: 44 (0) F: 44 (0) E: BakBone ist ein führender Anbieter von Universal Data Management Lösungen. Diese ermöglichen einen datenzentrischen Ansatz für eine Integration der Datensicherung, eine Zentralisierung des Policy- Managements und ein Management der Messaging-Infrastruktur zur Optimierung der Performance, Verbesserung der Datenverfügbarkeit und Verbesserung der Unternehmens-Compliance. Weitere Informationen über BakBones Universal Data Management Vision erhalten Sie unter com oder per von BakBone, BakBone Software, NetVault, Application Plugin Module(tm), BakBone logo, Integrated Data Protection(tm), NetVault: SmartDisk(tm), Asempra, FASTRecover, ColdSpark and Spark Engine are all trademarks or registered trademarks of BakBone Software, Inc., in the United States and/or in other countries. All other brands, products or service names are or may be trademarks, registered trademarks or service marks of, and used to identify, products or services of their respective owners. 8

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