Weizenfeld

Datensicherung - Backup und Verfügbarkeit

Autoren: D. Supper, A. Grella, Elektronikschule Tettnang, 2024

Als Datensicherung (engl. backup) wird eine Kopie der Daten zum Schutz vor Datenverlust bezeichnet. Um Daten bei Verlust wiederherstellen zu können hat man verschiedene Backupstrategien entwickelt. Ein weitere Aspekt liegt auf der Verfügbarkeit der Daten.

In diesem Artikel werden die Grundlagen der Datensicherung, Datensicherungs­strategien wie das Genartionenprinzip erklärt und die Verfügbarkeit von Daten untersucht.

Datensicherung und Datenarchivierung

Datenverlust und Datensicherung

Datenverlust kann durch Hardwarefehler, Softwarefehler, menschliche Fehler, Diebstahl und durch Cyberangriffe passieren. Es ist einerseits sehr ärgerlich und kann unter Umständen sehr hohe Kosten verursachen. Aus diesem Grund sichert man Daten so, dass sie lückenlos wieder herstellbar sind. Die Datensicherung (engl. backup) ist eine Kopie der Daten zum Schutz vor Datenverlust.

Welche Daten sind zu sichern?

Man speichert nur selbst veränderbare Dokumente wie Texte, Emails, Bilder, Datenbanken, u.s.w. Bei der Datensicherung verzichtet man auf Daten, welche über einen Download (Software) einfach wieder herzustellen sind. Idealerweise speichert man immer nur aktuelle Versionen und hat alle zu sichernden Daten in einem Verzeichnis.

Datenarchivierung

Die Archivierung der Daten hat den Zweck, dass Daten bspw. für eine Kontrolle des Finanzamtes nach mehreren Jahren noch verfügbar sind. Dabei ist es wichtig, das die Daten nicht mehr manipuliert werden können.

für Unternehmer und IT-Dienstleister

Jeder Unternehmer ist für die Sicherheit der Daten selbst verantwortlich (BSDG §11, §9, Anlage zu §9 Satz 1). Dies bedeutet, dass der Unternehmer bei Datenverlust oder Datenmissbrauch für Versäumnisse haftet, selbst wenn ein IT-Dienstleister beauftragt wurde.

Auf der anderen Seite ist für IT-Dienstleister ein Haftungsausschluss bei Datenverlust nicht möglich, da die Sicherstellung einer zuverlässigen Datensicherung eine grundlegende Pflicht für IT-Dienstleister darstellt.

Ort der Datensicherung - online, onsite, offsite

Für den richtigen Ort des Backups haben sich verschiedene Backupmethoden etabliert: online in der Cloud, onsite auf einer Festplatte for Ort, offsite an einem anderen Ort bspw. auf einem Bandlaufwerk. Das heißt, je nach Verfahren kommen unterschiedliche Datenträger zum Einsatz

Online-Backup

  • Ein Online- oder Cloudspeicher erfolgt bei einem externen Anbieter im Rechenzentrum
  • Vorteile: geringer Administrationsaufwand und kostengünstig, da der Dienstleister die Gesamtbetriebskosten und Wartungskosten auf viele Kunden verteilt.
  • Nachteile: hohe Bandbreite bei großen Datenmengen notwendig, die Daten werden außer Haus gespeichert.

Onsite-Backup

  • Beim Onsite-Backup werden die Daten dort gespeichert, wo sie liegen: auf einer separaten Festplatte oder Partition.
  • Vorteile: schneller Zugriff auf Backupdaten und hohe Geschwindigkeit beim Wiederherstellen
  • Nachteile: kein separater Speicherort bei Diebstahl und Brand, Kosten für Speicher und Wartung

Offsite-Backup

  • Beim Offsite-Backup wird das Speichermedium an einem anderen Ort aufbewahrt.
  • Vorteile: separater Speicherort bei Diebstahl, Brand oder Elementarschäden
  • Nachteile: hoher Administrationsaufwand für Transport, lange Zugriffszeiten auf Backupdaten

Backupstrategien und Backupfrequenz - Das Generationprinzip

Beim Generationenprinzip (auch Großvater-Vater-Sohn-Prinzip) sichert man die Daten zyklisch, aber so dass die Anzahl der notwendigen Speichermedien begrenzt, der Wiederherstellungszeitraum aber ein ganzes Jahr beträgt.

Täglich wird ein Sohn-Backup, wöchentlich ein Vater-Backup und monatlich ein Großvater-Backup gemacht (s. Abb. 1). Dabei werden die täglichen Backups nach einer Woche überschrieben, die wöchentlichen Backups nach einem Monat und die monatlichen Backups nach einem Jahr überschrieben.

Man beachte: Für einen Wiederherstellungszeitraum von einem Jahr benötigt man 4 Festplatten für das tägliche Backup, 4 Festplatten für das wöchentliche Backup und 12 Festplatten für das monatliche Backup, also insgesamt 20 Festplatten.

February 2024
Mo Di Mi Do Fr Sa So
29 30 31 1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 1 2 3
Abb. 1: Beispiel für das Generationenprinzip bei einer Datensicherung. Farblich markiert sind die täglichen, wöchentlichen und monatlichen Updates, welche ein eigenes Speichermedium benötigen.

Backupstrategien und Backupfrequenz - Türme von Hanoi

April 2024
Mo Di Mi Do Fr Sa So
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 1 2 3 4 5
Abb. 2: Beispiel für das Prinzip der Türme von Hanoi bei einer Datensicherung. Die Sicherungen werden 2täglich, 4täglich, 8täglich u.s.w. auf verschiedenen Medien durchgeführt.

Das Prinzip der Türme von Hanoi funktioniert folgendermaßen: Das erste Medium wird 2täglich überschrieben. Das zweite Medium wird 4täglich, das dritte Medium 8täglich, das vierte Medium 16täglich u.s.w. (s. Abb. 2). So benötigt man zum Absichern eines Monats gerade einmal 5 Medien (25 = 32) und zum Absichern von beinahe anderthalb Jahren 9 Medien (29 = 512).

Die Anzahl der vorhandenen Backups ist dann immer die Anzahl der eingesetzten Medien weniger eins. Man benötigt weniger Medien als beim Generationenprinzip.

Backuparten - voll, inkrementell oder differentiell

Man unterscheidet zwischen einem Vollbackup, einem inkrementellen Backup und einem differentiellem Backup.

Vollbackup

  • Alle ausgewählten Dateien werden jedes mal gesichert.
  • Zur Wiederherstellung kann man einfach die aktuellste Kopie der Sicherungsdatei verwenden.

Inkrementelles Backup

  • Es werden nur die Dateien gesichert die seit der letzten Sicherung verändert wurden. Dies spart viel Zeit.
  • Zur Wiederherstellung wir das letzte Vollbackup und alle seither erstellten inkrementellen Sicherungen benötigt.

Differentielles Backup

  • Es werden nur die Dateien gesichert die seit dem letzten Vollbackup geändert wurden.
  • Bei der Wiederherstellung benötigt man das letzte Vollbackup und das letzte differentielle Backup.

Aufgabe 1

Das Systemhaus StrategicBackup hat bisher ihre Backups ausschließlich jährlich als Vollbackup durchgeführt. Für eine erhöhte Datensicherheit soll die Datensicherung nach dem Generationenprinzip durchgeführt werden. Es wird täglich ein inkrementelles, am Freitag und am Monatsende ein Vollbackup durchgeführt.

  1. Bestimme die Anzahl der notwendigen Medien für ein ganzes Jahr.

An einem Mittwoch kommt es zu einem Festplattenausfall.

  1. Beschreibe den Wiederherstellungsvorgang für das inkrementelles Tagesbackup.
  2. Beschreibe den Wiederherstellungsvorgang für ein differentielles Tagesbackup.
  3. Berechne die Festplattengröße und die Gesamtspeichergröße für die neue Backupstrategie bei einem Speicherbedarf von 100 TB.

Dem Systemhaus sind die Kosten für die Backupstrategie zu hoch. Deshalb überlegt man auf eine Cloudsicherung umzusteigen.

  1. Erläutern Sie dem Kunden die Vor- und Nachteile der Cloudsicherung.

  1. 20 Festplatten
    2. ...

Aufgabe 2 Welche Aussage ist wahr?

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Eine Firma macht 24/7 tägliche, wöchentliche und monatliche Backups nach dem Generationenprinzip. Bestimme die Anzahl der Laufwerke für ein Jahr.

  1. 7
  2. 20
  3. 22
  4. 23


Eine Firma macht für eine 5TageWoche plus Feiertage Backups nach dem Prinzip Türme von Hanoi. Bestimme die Anzahl der Laufwerke für 1 Jahr.

  1. 5
  2. 20
  3. 10
  4. 8



Für das Datensicherungsprinzip Türme von Hanoi stehen 15 Laufwerke zur Verfügung. Bestimme die Anzahl der möglichen Tage für die Datensicherung.

  1. 365
  2. 64528
  3. 32768
  4. 16345


Für das Datensicherungsprinzip Generationenprinzip stehen 15 Laufwerke zur Verfügung. Bestimme die Anzahl der möglichen Monate für die Datensicherung.

  1. 7
  2. 8
  3. 6
  4. 5


Nenne einen Vorteil eines Vollbackups.
Wähle eine Antwort.

  1. es funktioniert ausschließlich beim Generationenprinzip
  2. die Daten können schneller gespeichert werden
  3. schnelles Sichern und Wiederherstellen der Daten
  4. beim Ausfall sind die Daten wieder schnell hergestellt


Nenne einen Vorteil eines inkrementellen Backups.
Wähle eine Antwort.

  1. es funktioniert ausschließlich beim Generationenprinzip
  2. die Daten können schneller gespeichert werden
  3. schnelles Sichern und Wiederherstellen der Daten
  4. beim Ausfall sind die Daten wieder schnell hergestellt

Verfügbarkeit - erhöhte Zugriffsrate und Redundanz

$$\text{Verfügbarkeit}=\frac{t_{ges}-t_{down}}{t_{ges}}=\frac{t_{up}}{t_{ges}}$$ $$t_{ges}=t_{up}+t_{down}$$

Man unterscheidet zwischen Betriebszeit (engl. uptime) und Ausfallzeit (engl. downtime), wobei die Gesamtzeit die Summe aus Betriebszeit und Ausfallzeit ist. Verfügbarkeit ist das Verhältnis von Betriebszeit $t_{up}$ zur Gesamtzeit $t_{ges}$.

Erreicht ein System eine Verfügbarkeit von 99 % gilt es als stabil, bei einem Wert von 99,99 % als hoch verfügbar.

Beispiele für zwei Zeiträume

Geschäftszeiten: 7 Tage die Woche, 24 h
Betriebszeit pro Jahr: 52 Wochen * 7 Tage * 24 h = 8760 h
jährliche Restzeit für Wartung: 0 h

Geschäftszeiten: Mo-Fr 8:00-20:00, 5 Tage die Woche
Betriebszeit pro Jahr: 52 Wochen * 5 Tage * 12 h = 3120 h
jährliche Restzeit für Wartung: 8760 h - 3120 h = 5620 h

Man beachte, im Beispiel 1 ist die Wartungszeit außerhalb der Betriebszeit und wird deshalb nicht als Ausfallzeit gewertet.

Verfügbarkeit - hochverfügbar

In Abb. 3 werden Ursachen für Ausfallzeiten von Serverdiensten gezeigt. Eine der häufigen Ursachen sind mit knapp 30 % geplante Ausfallzeiten. Hierzu gehören Wartungsarbeiten, Ausbau der Hardware oder Einspielen von Upgrades. Zu ungeplanten Ausfallzeiten gehören der Ausfall von Hardware und fehlerhafte Software. Dabei sind die Ursachen der ungeplanten Ausfallzeiten sehr vielfältig.

A. Held in Hochverfügbarkeit und Downtime: Eine Einführung, informatik-aktuell.de, 2015

Hochverfügbarkeit erfordert eine Vermeidung und Begrenzung ungeplanter Ausfallzeiten. Dies kann durch folgende Maßnahmen optimiert werden:

  • Einsatz redundanter Hardware, Stromversorgung, Netzwerkkomponenten und Standorte
  • Durchführung regelmäßiger Softwareupdates
  • durch aktuelle und intakte Backups können menschliche Bedienungsfehler zügig behoben werden

Auch wenn sich geplante Ausfallzeiten nicht vollständig vermeiden lassen ist es auch hier sinnvoll diese Zeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Auf jeden Fall ist es wichtig die Kosten für einen Ausfall zu bestimmen und die Wahrscheinlichkeit für diesen Ausfall zu bewerten. So lassen sich geeignete Strategien entwickeln.

Abb. 3: Ursachen für Ausfallzeiten von Serverdiensten. Quelle: IEEE Computer 2005.

Aufgabe 3 Hochverfügbarkeit

Für ein System was Mo-Fr 8:00-20:00, 5 Tage die Woche zur Verfügung steht soll die Verfügbarkeit berechnet werden und mit einem System was 24/7 arbeitet verglichen werden.

Verfügbarkeit Betriebs­zeit/Jahr in Stunden maximale Ausfallzeit in Stunden Restzeit in Stunden
99 %
99,9 %
99,99 %
99,999 %
99,9999 %

Aufgabe 4 Welche Aussage ist wahr?

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Bestimme die Verfügbarkeit eines Systems, was bei 1000 h Betriebszeit eine Ausfallzeit von 20 Stunden hat.

  1. 97,5 %
  2. 98,0 %
  3. 99,2 %
  4. 99,9 %


Bestimme die Verfügbarkeit eines Systems, was bei 1000 h Gesamtzeit eine Ausfallzeit von 10 h hat.

  1. 980 ‰
  2. 98 %
  3. 0,99
  4. 99 %



Bestimme die Verfügbarkeit eines Systems, was bei 1000 h Gesamtzeit eine Ausfallzeit von 588 Minuten hat.

  1. 98,99 %
  2. 99,00 %
  3. 99,01 %
  4. 99,02 %


Bestimme die Verfügbarkeit eines Systems, was bei 1000 h Gesamtzeit eine Betriebszeit von 999 Stunden hat.

  1. 9 %
  2. 99 %
  3. 99,9 %
  4. 99,99 %



Englische und deutsche Wörter



storage Speichersystem
die Backup­methode Orte für die Datensicherung
das Genera­tionen­prinzip Sicherungskonzept mit täglichen, wöchentlichen und monatlichen Backups
die Verfüg­barkeit das Verhältnis von Betriebszeit tup zur Gesamtzeit tges
hoch verfüg­bar Verfügbarkeit von 99,99 %