Speichernetze. Grundlagen und Einsatz von Fibre Channel SAN, NAS, iscsi und InfiniBand. dpunkt.verlag. Ulf Troppens Rainer Erkens Wolfgang Müller

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1 Ulf Troppens Rainer Erkens Wolfgang Müller Speichernetze Grundlagen und Einsatz von Fibre Channel SAN, NAS, iscsi und InfiniBand Mit Beiträgen von Nils Haustein und Rainer Wolafka 2., aktualisierte und erweiterte Auflage dpunkt.verlag

2 xvii Inhaltsverzeichnis Geleitwort zur zweiten Auflage Vorwort Abbildungs- und Tabellenverzeichnis vii xi xxvii 1 Einleitung Die serverzentrierte IT-Architektur und ihre Beschränkungen Die speicherzentrierte IT-Architektur und ihre Vorteile Beispiel: Austausch eines Servers mit Speichernetzen Gliederung des Buchs 6 1 Techniken für Speichernetze 13 2 Intelligente Disksubsysteme Architektur Intelligenter Disksubsysteme Festplatten und interne I/O-Kanäle JBOD: Just a Bunch of Disks Speichervirtualisierung durch RAID Verschiedene RAID-Level im Detail RAID 0: Blockweises Striping RAID 1: Blockweises Mirroring RAID 0+1/RAID 10: Striping und Mirroring kombiniert RAID 4 und RAID 5: Parity statt Mirroring RAID 6: Double Parity RAID 2 und RAID Die RAID-Level im Vergleich Caching: Beschleunigung der Festplattenzugriffe Cache auf der Festplatte Schreib-Cache im Controller des Disksubsystems Lese-Cache im RAID-Controller 43

3 xviii Inhaltsverzeichnis 2.7 Intelligente Disksubsysteme Instant Copies Remote Mirroring Konsistenzgruppen LUN Masking Verfügbarkeit von Disksubsystemen Zusammenfassung und Ausblick 59 3 I/O-Techniken Der physikalische I/O-Pfad von der CPU zum Speichersystem Small Computer System Interface (SCSI) SCSI-Grundlagen SCSI und Speichernetze Der Fibre-Channel-Protokollturm Links, Ports und Topologien FC-0: Kabel, Stecker und Signalkodierung FC-1: 8b/1 Ob-Kodierung, Ordered Sets und Link Control FC-2: Exchange, Sequence, Frame, Flusskontrolle und Dienstklassen FC-3: Gemeinsame Dienste Link Services: Login und Adressierung Fabric Services: Name Server und Co FC-4 und ULPs: Anwendungsprotokolle Fibre Channel SAN Die Point-to-Point-Topologie Die Fabric-Topologie Die Arbitrated-Loop-Topologie Hardwarekomponenten für Fibre Channel SAN InterSANs Interoperabilität von Fibre Channel SAN IP Storage IP-Storage-Standards: iscsi, ifcp, mfcp, FCIP und isns TCP/IP und Ethernet als I/O-Technik Migration von Fibre Channel zu IP Storage InfiniBand Virtual Interface Architecture (VIA) Zusammenfassung und Ausblick Dateisysteme und Network Attached Storage (NAS) Lokale Dateisysteme Dateisysteme und Datenbanken Journaling Snapshots Volume Manager 141

4 Inhaltsverzeichnis xix 4.2 Netzwerk-Dateisysteme und Fileserver Grundprinzip Network Attached Storage (NAS) Performance-Engpässe in Fileservern Beschleunigung von Netzwerk-Dateisystemen Fallstudie: Das Direct Access File System (DAFS) Shared-Disk-Dateisysteme Fallstudie: Das General Parallel File System (GPFS) Vergleich: NAS, Fibre Channel SAN und iscsi SAN Zusammenfassung und Ausblick Speichervirtualisierung Noch einmal: Virtualisierung im I/O-Pfad Beschränkungen und Anforderungen Architekturbedingte Einschränkungen nichtvirtualisierter Speichernetze Implementierungsbedingte Einschränkungen von Speichernetzen Anforderungen der Daten Lösungsansatz: Speichervirtualisierung Definition Speichervirtualisierung Implementierungsüberlegungen Realisierung der Virtualisierungsinstanz Austausch von Speichergeräten Effiziente Ressourcennutzung durch dynamische Speicherzuweisung Effiziente Ressourcennutzung durch Datenmigration Performance-Steigerung Verfügbarkeit durch Einführung von Redundanz Datensicherung und Archivierung Gemeinsame Datennutzung Datenschutz Speichervirtualisierung auf Block- oder Dateiebene Speichervirtualisierung auf verschiedenen Ebenen des Speichernetzes Speichervirtualisierung im Server Speichervirtualisierung in Speichergeräten Speichervirtualisierung im Netz Symmetrische und asymmetrische Speichervirtualisierung im Netz Symmetrische Speichervirtualisierung Asymmetrische Speichervirtualisierung Zusammenfassung und Ausblick 199

5 XX Inhaltsverzeichnis II Einsatz von Speichernetzen Basisarchitekturen Begriffsbestimmung»Speichernetz« Schichtung der Übertragungstechniken und Protokolle Netze im I/O-Pfad Datennetze, Sprachnetze und Speichernetze Storage Sharing Disk Storage Pooling Dynamic Tape Library Sharing Data Sharing Verfügbarkeit von Daten Ausfall eines I/O-Busses Ausfall eines Servers Ausfall eines Disksubsystems Ausfall einer Virtualisierung im Speichernetz Ausfall eines Rechenzentrums am Beispiel»Schutz einer wichtigen Datenbank« Anpassbarkeit und Skalierbarkeit von IT-Systemen Clustering zur Lastverteilung Webarchitektur (Fünf-Schichten-Architektur) Webanwendungen am Beispiel»Reiseportal« Zusammenfassung und Ausblick Netzwerk-Datensicherung Rahmenbedingungen der Datensicherung Dienste der Netzwerk-Datensicherung Serverkomponenten Job Scheduler Error Handler Metadaten-Datenbank Media Manager Backup-Clients Performance-Gewinne durch Netzwerk-Datensicherung Performance-Engpässe der Netzwerk-Datensicherung Anwendungsspezifische Performance-Engpässe Performance-Engpässe aufgrund der serverzentrierten IT-Architektur Eingeschränkte Möglichkeiten zur Performance-Steigerung Separates LAN für die Netzwerk-Datensicherung Mehrere Backup-Server Backup-Server und Anwendungsserver auf dem gleichen physikalischen Rechner 261

6 Inhaltsverzeichnis 7.8 Datensicherung mit Speichernetzen Server-free Backup LAN-free Backup LAN-free Backup mit Shared-Disk-Dateisystemen Datensicherung mit Instant Copies Datensicherung mit Remote Mirroring Tape Library Sharing Sicherung von Dateisystemen Sicherung von Fileservern Sicherung von Dateisystemen Sicherung von NAS-Servern Das Network Data Management Protocol (NDMP) Sicherung von Datenbanken Arbeitsweise von Datenbanksystemen Klassische Sicherung von Datenbanken Sicherung von Datenbanken mit Speichernetzen Organisatorische Aspekte der Datensicherung Zusammenfassung und Ausblick Archivierung Begriffsbestimmung Abgrenzung: Informationen vs. Daten Archivierung Digitale Archivierung Referenzarchitektur für digitale Archivsysteme Abgrenzung: Archivierung vs. Datensicherung Abgrenzung: Archivierung vs. ILM Motivation, Rahmenbedingungen und Anforderungen Gründe für die Archivierung Gesetzliche Anforderungen Technischer Fortschritt Anforderung der Beständigkeit Risiken aus Umwelt und Gesellschaft Anforderung der Anpassbarkeit und der Skalierbarkeit Operative Anforderungen Kostenbezogene Anforderungen Fazit: Archivsysteme als strategische Investition Implementierungsüberlegungen WORM-Techniken Datensicherheit Datenintegrität Nachweis der Revisionssicherheit Löschen von Daten Unterbrechungsfreier Betrieb 324

7 xxii Inhaltsverzeichnis Verlustfreier Betrieb Datensteuerung: Speicherhierarchie und Migration Komponentenneutrale Archivierung Auswahl von Komponenten und Herstellern Schnittstellen im Archivsystem Schnittstelle zwischen Anwendung und DMS Java Content Repository (JCR) Schnittstelle zwischen DMS und Archivspeicher extensible Access Method (XAM) Verwaltungsschnittstellen Schnittstelle zwischen DMS-Systemen Standardisierte Schnittstellen für Archivsysteme Archivlösungen Archivierung von s Archivierung von Dateien Archivierung von ERP-Systemen Archivierung in Krankenhäusern Zentrales Archiv Operative und organisatorische Aspekte Zusammenfassung und Ausblick Business Continuity Rahmenbedingungen der Business Continuity Begriffsbestimmungen Zielgruppen Klassifikation von Risiken Klassifikation von Ausfällen IT-Ausfälle im Kontext von Geschäftsprozessen Wiederanlauf von Geschäftsprozessen Business Continuity für die Webarchitektur Kostenoptimierung für Business Continuity Risikoanalyse und Risikomanagement Erstellen eines Business-Continuity-Plans Strategien der Business Continuity Hochverfügbarkeit (High Availability) Desasterschutz (Disaster Recovery) Kontinuierlicher Geschäftsbetrieb Kenngrößen der Business Continuity Verfügbarkeit Charakterisierung der Verfügbarkeit (MTBF, MTTR, MTTF) Berechnung von Gesamtverfügbarkeiten Charakterisierung von Ausfällen (RTO, RPO) Network Recovery Objective (NRO) 386

8 Inhaltsverzeichnis xxiii 9.4 Dienstgüten für Business Continuity Service Level Agreements (SLAs) Hochverfügbarkeit vs. Desasterschutz Das Sieben-Stufen-Modell der Business Continuity Stufe 0 - Keine Datensicherung Stufe 1 - Datensicherung ohne Notfallrechenzentrum Stufe 2 - Datensicherung mit Notfallrechenzentrum Stufe 3 - Elektronische Auslagerung Stufe 4 - Instant Copies Stufe 5 - Software-Spiegelung Stufe 6 - Disksubsystem-basierte Spiegelung Stufe 7 - Vollautomatische Lösungen Business-Continuity-Lösungen Basistechniken Lösungssegmente des Sieben-Stufen-Modells Datensicherung Schnelle Datenwiederherstellung mit Kopien Schnelle Datenwiederherstellung mit Spiegeln Kontinuierliche Verfügbarkeit Operativer Standortwechsel Organisatorische Aspekte Zusammenfassung und Ausblick Verwaltung von Speichernetzen Anforderungen Benutzerbezogene Anforderungen Komponentenbezogene Anforderungen Architekturbezogene Anforderungen Ein zentrales Verwaltungswerkzeug Fünf Basisdienste Charakterisierung von Verwaltungsschnittstellen In-Band-Schnittstellen Out-Band-Schnittstellen Standardisierte Schnittstellen Proprietäre Schnittstellen Fazit In-Band-Management In-Band-Management im Fibre Channel SAN Out-Band-Management Das Simple Network Management Protocol (SNMP) CIM und WBEM Storage Management Initiative Specification (SMI-S) CMIP und DMI 437

9 xxiv Inhaltsverzeichnis 10.5 Operationale Aspekte der Verwaltung von Speichernetzen Zusammenfassung Verwaltung von Wechselmedien Die Bedeutung von Magnetbändern Wechselmedien Magnetbänder (Tapes) CD, DVD und magneto-optische Medien Verwaltungsmerkmale von Wechselmedien Libraries und Laufwerke (Drives) Libraries Laufwerke (Drives) Media Changer und Inventarverzeichnis Probleme und Anforderungen an die Verwaltung von Wechselmedien Effiziente Nutzung der Ressourcen Zugriffskontrolle Zugriffssynchronisation Zugriffspriorisierung und Mount Request Queuing Grouping, Pooling Media Tracking und Vaulting Cartridge Lifecycle Management Monitoring Reporting IEEE 1244 Standard for Removable Media Management Architektur des Media Management Systems Media Manager und Media Management Protocol Library Manager und Drive Manager Zusammenfassung Schlussbemerkung 479 Anhfinn ÜQI A Glossar 483 B Kommentiertes Literatur- und Quellenverzeichnis 515 C Berechnung des Paritätsblocks von RAID 4 und 5 523

10 Inhaltsverzeichnis xxv D Checkliste für die Verwaltung von Speichernetzen 525 D.1 Anwendungen 526 D.1.1 Monitoring 526 D.1.2 Verfügbarkeit 526 D.1.3 Performance 526 D.I.4 Skalierbarkeit 526 D.1.5 Effiziente Nutzung 526 D.2 Daten 527 D.2.1 Verfügbarkeit 527 D.2.2 Performance 527 D.2.3 Sicherung 527 D.2.4 Archivierung 527 D.2.5 Migration 527 D.2.6 Gemeinsame Datennutzung 528 D.2.7 Sicherheit / Zugriffskontrolle 528 D.3 Ressourcen 528 D.3.1 Inventur / Asset Management und Planung 528 D.3.2 Monitoring 528 D.3.3 Konfiguration 528 D.3.4 Ressourcennutzung 528 D.3.5 Kapazität 529 D.3.6 Effiziente Ressourcennutzung 529 D.3.7 Verfügbarkeit 529 D.3.8 Ressourcenmigration 529 D.3.9 Sicherheit 529 D.4 Netz 530 D.4.1 Topologie 530 D.4.2 Monitoring 530 D.4.3 Verfügbarkeit 530 D.4.4 Performance 530 Index 531

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