Inhaltsverzeichnis

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Zukunft_der_verteilten_Datenhaltung_zur_Vermeidung_von_Datenverlusten
Namen der Autoren:
André Neuhaus, Bernd Köhler, Jens Weierstahl
Titel der Arbeit:
"Zukunft der verteilten Datenhaltung zur Vermeidung von Datenverlusten"
Hochschule und Studienort: FOM Essen
Inhaltsverzeichnis
• 1 Abkürzungsverzeichnis
• 2 Abbildungsverzeichnis
• 3 Einleitung
• 4 Grundlagen
♦ 4.1 Bedrohungsszenarien
♦ 4.2 Anforderungen an die Infrastruktur und
die Topologie
♦ 4.3 Anforderungen an ein verteiltes
Dateisystem
♦ 4.4 Replizierung
◊ 4.4.1 Synchrone Replizierung
◊ 4.4.2 Asynchrone Replizierung
⋅ 4.4.2.1 Serialisierung
⋅ 4.4.2.2 Zeitstempel
• 5 Aktuelle Technologien und deren Zukunft
♦ 5.1 Datenspeicher
◊ 5.1.1 Redundant Arrays of
Independent Disks (RAID)
◊ 5.1.2 Network Attached Storage
(NAS)
◊ 5.1.3 Internet Small Computer
Systems Interface (iSCSI)
♦ 5.2 Cloud Datenspeicher
◊ 5.2.1 Microsoft Live Mesh
◊ 5.2.2 ZumoDrive
♦ 5.3 Grid Systeme
• 6 Technologien in der Entwicklung
♦ 6.1 Dateisysteme
◊ 6.1.1 NFS Dateissystem
⋅ 6.1.1.1 NFSv4.1
⋅ 6.1.1.2 pNFS
◊ 6.1.2 XtreemFS
⋅ 6.1.2.1 Aufbau des
XtreemFS
⋅ 6.1.2.2 Authentifizierung
im XtreemFS
⋅ 6.1.2.3 Datenverteilung im
XtreemFS
⋅ 6.1.2.4 Zugriffsrechte und
Benutzerrechte für
Dateizugriffe
♦ 6.2 Netzwerktechnologien
Inhaltsverzeichnis
1
◊ 6.2.1 LAN Verbindungen
◊ 6.2.2 WAN Anbindungen
♦ 6.3 Speichertechnologien
◊ 6.3.1 Flash
◊ 6.3.2 Hybrid Festplatten
◊ 6.3.3 Solid State Disks
◊ 6.3.4 Racetrack Memory
◊ 6.3.5 Phasenwechselspeicher
◊ 6.3.6 Nanoinseln als Datenspeicher
◊ 6.3.7 MRam
• 7 Storage as a Service
♦ 7.1 Symantec Online Backup
♦ 7.2 EMC Atmos
• 8 Fazit
• 9 Fußnoten
• 10 Literatur- und Quellenverzeichnis
1 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung
AES
API
Bit
CD
CIFS
DIR
DVD
EDGE
E-IDE
eSATA
FTP
FTTH
GB
GPRS
HHD
HSCSD
HSDPA
HSUPA
HTTP
IDE
IETF
IFS
ISDN
Bedeutung
Advanced Encryption Standard
Application Programming Interface
Binary Digit
Compact Disc
Common Internet File System
Directory Service
Digital Versatile Disc
Enhanced Data Rates for GSM Evolution
Enhanced Integrated Device Equipment
external SATA
File Transfer Protocol
Fibre to the house
Gigabyte
General Packet Radio Service
Hybrid Hard Drive
High Speed Circuit Switched Data
High Speed Downlink Packet Access
High Speed Uplink Packet Access
HyperText Transfer Protocol
Integrated Device Equipment
The Internet Engineering Task Force
Common Internet File System
Integrated Services Digital Network
1 Abkürzungsverzeichnis
2
I/O
LTE
JPG
KB
MB
MFM
MOSFET
MRAM
MRC
NAND
NAS
NDMP
NFS
Nm
NOR
NTFS
OSD
PCI
pNFS
RAM
REST
RFC
RPC
SAN
SaaS
SATA
SOAP
SSD
SSL
TB
TCP/IP
UDP
UMTS
VFS
WAN
WIMAX
XDR
Ein-/Ausgabe
Long Term Evolution
Joint Photographics Expert Group
Kilobyte
Megabyte
Modified Frequency Modulation
Metall-Oxid-Feldeffekttransistor
Magneto-Resistive Random Access Memory
Metadaten und Replica-Katalog
Not-And
Network Attached Storage
Network Data Management Protocol
Network File System
Nanometer
Not-Or
New Technology File System
Object Storage Device
Peripheral Component Interconnect
paralle Network File System
Random Access Memory
Representational State Transfer
Requests for Comments
Remote Procedure Call
Storage Area Network
Storage as a Service
Serial Advanced Technology Attachment
Simple Object Access Protocol
Solid State Disk
Secure Sockets Layer
Terabyte
Transmission Control Protocol / Internet Protocol
User Datagram Protocol
Universal Mobile Telecommunications System
Virtual File System
Wide Area Network
Worldwide Interoperability for Microwave Access
eXternal Data Representation
2 Abbildungsverzeichnis
Abb.-Nr.
2 Abbildungsverzeichnis
Abbildung
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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11
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17
18
19
20
21
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29
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31
32
LaCie Quadra Laufwerke[1]
LaCie Quadra 4x4 mit Hostcontroller[1]
RAID 0 [2]
RAID 1 [2]
RAID 5 [2]
LaCie Netzwerkfestplatte [1]
IBM N3600 NAS [3]
Live Mesh Geräte[4]
Live Mesh Dateifreigabe und Online-Nutzer[5]
ZumoDrive: Schematischen Ablauf der Datensicherung[6]
Der Aufbau eines Grids in Schichten[7]
Schematischer Ablauf einer NFS Kommunikation[8]
Kommunikationsablauf im pNFS[9]
Ablauf eines Dateiaufrufs im XtreemFS[10]
Flash Speicher[11]
Funktionsweise Flash Speicher 1[12]
Funktionsweise Flash Speicher 2[12]
Eigenschaften von NOR- und NAND-Speichern im Vergleich[11]
Solid State Disk[13]
Racetrack Memory[14]
Racetrack Memory 2[15]
Zustände des Phasenwechselspeicher[16]
Nano-Inseln unter dem Mikroskop betrachtet[17]
Nano-Inseln[18]
MRAM Schichten[19]
MRAM Schreib- Lesevorgänge[20]
MRAM Speicher 1[20]
MRAM Speicher 2[20]
MRAM Speicher 3[20]
Verzeichnisbaum im Symantec-Online-Backup[21]
Webseite für die Administration des Symantec-Online-Backup[22]
Aufbau eines EMC Atmos[23]
3 Einleitung
Seit Jahren ist die Informationstechnik auf dem Vormarsch. So schreibt der Bundesverband
Informationswirtschaft und neue Medien e.V. (Bitkom) im Jahre 2007 ?PC-Ausstattung in Deutschland knackt
erstmals 75 Prozent Marke? [24] und ?die Zahl der installierten PC wird im Jahr 2007 weiter zweistellig wachsen
und die Marke von einer Milliarde überschreiten? [25]. Gleichzeitig mit der Verbreitung von PC, Handys,
Digitalkameras, schnellen Breitbandnetzen und dem ?papierlosen Büro? in Form von
Dokumentenmanagementsystemen wachsen auch die Datenmengen, sowohl privat als auch gewerblich. Die
3 Einleitung
4
Tatsache, dass viele Daten oft nur noch elektronisch vorliegen, so z. B. die Urlaubsbilder oder -videos der
Digitalkamera im privaten Bereich, wie elektronisch übermittelte Dokumente im gewerblichen Umfeld, lässt der
ausfallsicheren Datenhaltung eine immer größere Bedeutung zukommen. So müssen im gewerblichen Umfeld
einige Daten, wie z. B. Rechnungen, per Gesetz über 10 Jahre hinweg aufbewahrt werden [26]. Bei Verlust von
elektronisch gespeicherten Kunden- oder Bestelldaten ist ein Unternehmen innerhalb weniger Augenblicke nicht
mehr handlungsfähig.
Neben der reinen Speicherung von Daten eröffnen sich bei einer ?Verteilung? weitere Probleme: Wie kann
sichergestellt werden, dass verteilte Daten nur an bestimmte Systeme verteilt werden und nicht an unerwünschte
Empfänger gehen und diese die Daten mitlesen können? Wie kann sichergestellt werden, dass
unternehmenskritische, vertrauliche und private Daten bei einer Verteilung geschützt bleiben? Weitere Probleme
können der Datenabgleich und der administrative Aufwand bei mehreren verteilten Systemen sein. Wie
dargestellt gibt es gravierende Unterschiede zwischen privaten und gewerblichen Anwendern: während im
privaten Umfeld lieb gewonnene Digitalfotos in Verlust geraten oder die mühsam digitalisierte Musiksammlung,
stellt sich ein Datenverlust in Unternehmen und Behörden oft mit gravierenden finanziellen, rechtlichen oder gar
existenziellen Folgen dar. So unterscheidet sich auch der sinnvolle, technische und finanzielle Aufwand der
Datenhaltung.
Diese Studie stellt vor dem Hintergrund der Vermeidung von Datenverlusten verschiedene Möglichkeiten der
verteilten Datenhaltung vor. Vor dem Oberthema ?Speichertechnologien? werden neben aktuellen, bereits
bestehenden Technologien und deren momentanen Weiterentwicklungen bzw. Entwicklungspotenzialen neue
Technologien vorgestellt. Des Weiteren wird auch auf Sicherungsmöglichkeiten der Systeme eingegangen.
Zunächst aber die Klärung der Grundbegriffe zur verteilten Datenhaltung:
Verteilte Systeme sind ?ein Zusammenschluss unabhängiger Computer, der sich für den Benutzer als ein
einzelnes System präsentiert? [27]. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) liefert bei der
Definition des verteilten Betriebssystems direkt einen Vorteil mit: ?Ein verteiltes Betriebssystem läuft in der
Regel auf mehreren, physisch autonomen Server-Rechnern ab, die jeweils wiederum mit mindestens einer CPU
ausgestattet sind. Zwischen den Rechnern muss ein Verbindungsnetzwerk vorhanden sein, über das die
Knotenrechner kommunizieren können ? Bei einem Ausfall eines physischen Rechners oder bei einem
schwerwiegenden Fehler innerhalb eines Betriebssystems kann ein Anwender meist über einen anderen Rechner
aus dem Verbund in transparenter Weise weiterarbeiten? [28].
?Daten? sind gemäß DIN 44 300 als Zeichen oder kontinuierliche Funktionen definiert, auf Basis von
Abmachungen, die Informationen darstellen [29]. So ist beispielsweise ?abgemacht?, dass die Digitalkamera ein
Urlaubsbild als digitale Information im JPG-Format in Bits und Bytes speichert und dieses Bild so auch gelesen
werden kann.
Zu ?Datenhaltung? findet man nur schwer eine Definition. Meist wird der Begriff im Universitätsumfeld benutzt,
und darunter Datenspeicherung, -sicherung und ?archivierung verstanden [30]. Datenhaltung erfordert auch die
Wahl eines geeigneten Speichermediums und seine geeignete Lagerung. Zugriffsrechte sind ebenfalls Teil der
Datenhaltung. Unter verteilter Datenhaltung lässt sich somit die Speicherung, Sicherung und Archivierung von
Daten auf Computern herleiten die miteinander verbunden sind. Wie ein Daten?verlust? entstehen kann und
wodurch Daten bedroht sind, stellt sich im folgenden Kapital dar.
4 Grundlagen
4 Grundlagen
5
4.1 Bedrohungsszenarien
Wie kann Datenverlust entstehen, wo durch sind Daten gefährdet?
Grundbedrohungen in der Informationstechnik sind
• Verlust der Verfügbarkeit
• Verlust der Integrität
• Verlust der Vertraulichkeit [31]
Neben dieser abstrakten Grundbedrohung gibt es konkrete Umstände und Ereignisse, die IT-Systeme und somit
auch die dort gelagerten Daten gefährden können:
• Stromausfall
• Ausfall der Klimaanlage
• Sabotage an Geräten
• Software-Fehler
• Elektromagnetische Abstrahlung
• Hardware-Fehlfunktion
• Feuer
• Wassereinbruch
• Fehlbedienung
• Unberechtigter Zugriff
• Raubkopien
• Manipulation von Programmen
• Mangelndes Sicherheitsbewusstsein
• Unberechtigter Zugang / Hacker / Virus /
Trojanisches Pferd
• Nutzung privater Hard- und Software
• Wurm
• Abhören von Leitungen
• Erdbeben
• unsachgemäße Entsorgung von Datenträgern
• unmotivierte Mitarbeiter
• Terroranschläge
• Statische Aufladung
• Hardware-Ausfall
• Fehlerhafte Dateneingabe
• Datenträgerdiebstahl
• ungeschulte Benutzer
(Auflistung angelehnt an Abb 1 BSI Sicherheitshandbuch) [31]
Wie kann nun eine verteilte Datenhaltung (v. DH) dem Datenverlust vorbeugen? Eine v. DH kann ein Punkt in
einem umfassenden Sicherheitspaket sein. V. DH kann mehrere Ausgestaltungen haben, wie z. B. die Verteilung
von Daten auf mehrere Datenträger in einem System, Verteilung auf mehrere (verschiedene) Systeme in einem
Gebäude, wie z. B. auf mehrere Brandabschnitte, Verteilung auf verschiedene Standorte oder Ähnliches. Unter
?Verteilung? lässt sich prinzipiell sowohl die Spiegelung von identischen Daten auf mehrere Systeme, als auch
die Aufteilung von Daten auf mehrere Systeme verstehen, so dass auf einem System niemals alle Daten komplett
vorhanden sind. Dies kann zum Zugriffsschutz, also aus Sicherheitsgründen sinnvoll sein: Selbst bei Diebstahl
eines Systems hat der Angreifer nur einen Teil der Daten in der Hand. Durch v. DH wird die Vermeidung von
Datenverlusten vor allem in der Verfügbarkeit unterstützt: Bei Ausfall eines Datenträgers, eines Servers oder
eines Standorts sind die Daten auf anderen, gespiegelten Systemen nach wie vor verfügbar. Ein weiterer
Sicherheitsgedanke ist die Datenintegrität. Unter Integrität versteht man die Tatsache, dass Informationen nur von
Befugten in beabsichtigter Weise verändert und nicht unzulässig modifiziert werden dürfen. [31] Wenn nun Daten
verändert, also verfälscht werden, ist bei einer gespiegelten Datenhaltung je nach Ausgestaltung selbiger nur ein
System betroffen, so dass noch weitere Systeme mit den originalen, also unveränderten Daten verfügbar sind.
Unter der Vertraulichkeit von Informationen versteht man die Tatsache, dass die Information nur Befugten
zugänglich ist und kein unbefugter Informationsgewinn stattfinden kann [31]. Werden wichtige Daten nur
gestückelt auf mehrere Standorte verteilt, ist ein potenzieller Spion (Angreifer) nicht in der Lage, alle
4.1 Bedrohungsszenarien
6
Informationen auf einmal zu bekommen. Durch die Ausbreitung von vernetzten Systemen wird dieser Aspekt
jedoch hinfällig.
Viele dieser Aspekte werden durch eine verteilte Datenhaltung, verbunden mit vernetzten Systemen, entschärft,
da Daten mehrfach vorhanden sind: Bei Stromausfall an einem Standort übernimmt ein weiterer Standort,
genauso bei einem möglichen Terroranschlag, bei einem Hardwareausfall, bei Ausfall der Klimatechnik, bei
Feuer oder Wassereinbruch im Technikraum. Nach Wiederherstellung des Standorts findet ein Datenabgleich statt
und beide Systeme stehen wieder zur Verfügung.
Grenzen und Gefahren der v. DH: Nicht alle Aspekte werden durch eine v. DH aufgefangen, die Gefahr des
Datenträgerdiebstahls oder der unsachgemäßen Datenträgerentsorgung steigt logischerweise mit der Anzahl der
verteilten Datenträger. Bleiben Daten nicht im Haus, sondern werden zusätzlich zu anderen Standorten
übertragen, steigt die Gefahr des Mithörens des Netzwerkverkehrs. Je mehr Systeme im Einsatz sind, desto mehr
Systeme müssen administrativ verwaltet werden, dadurch steigt auch die Gefahr des unberechtigten Zugriffs und
die der Fehlbedienung. Werden Daten zu externen Firmen ausgelagert, steigt die Gefahr des unberechtigten
Zugriffs, der Manipulation und der Geheimhaltung.
4.2 Anforderungen an die Infrastruktur und die Topologie
Geschwindigkeit: Um eine dezentrale Datenhaltung zu betreiben sind schnelle Datenverbindungen
Vorraussetzung. Anwender erwarten heutzutage sofortige Datenverfügbarkeit. Nach verschiedenen Studien ist ein
langsamer Seitenaufbau für viele Kunden ein Grund einen Onlineeinkauf abzubrechen. [32] Ähnliches darf daher
für die Anwenderzufriedenheit beim langsamen Datenabruf in Anwendungen unterstellt werden. Im Idealfall
sollte der Datenzugriff ähnlich schnell vonstatten gehen, als wenn die Daten direkt lokal vor Ort verfügbar wären.
Dafür bedarf es schnelle und hochverfügbare Netzwerke. Je nach Ausprägung sind diese Datenverbindungen
sowohl im Haus, um z. B. virtuelle Festplatten mittels iSCSI bereitzustellen, wie auch als externe WAN
Anbindungen notwendig, um Daten auf verschiedene Standorte zu verteilen.
iSCSI z. B. wird erst durch performante Netzwerke ermöglicht. Näheres dazu in Kapitel 3.1.3
Näheres zu aktuellen Netzwerktechnologien in Kapitel 4.2
Redundanz bei verteilter Datenhaltung: Je nach Verteilung liegen alle oder nur ein Teil der Daten redundant
vor. Es muß sichergestellt werden, daß sich Daten abgleichen können, aber z. B. keine alten Datenbestände neue,
geänderte Bestände überschreiben. Denn dies würde die Datenintegrität gefährden, vergl. BSI Grundbedrohungen
Kapitel 5.1.
Berechtigungen / Authentifzierung: Bei einer Datenhaltung muss sichergestellt werden, dass nur berechtigte
User Zugriff auf die sensiblen Daten haben. Abgestufte Berechtigungskonzepte, z. B. bei NTFS oder Novell
Netware müssen auch auf die verteilte Datenhaltung umgesetzt werden können. Es muß eine Authentifizierung
der zugreifenden User erfolgen können, ggf. sind auch Logfiles der Zugriffe notwendig.
Sicherungsmaßnahmen / Dateisicherungen: Für herkömmliche Server gibt es Sicherungsmaßnahmen in Form
von redundanten Netzteilen, RAID Controller für Festplatten u.ä. Daneben gibt es eine Vielfalt von
Sicherungsmöglichkeiten / Backupkonzepte mittels Streamer, Bandroboter, Plattenstapel oder ähnliches. Dieses
muß auch bei einer verteilten Datenhaltung integriert werden können ? was nutzt es, wenn Daten zwar performant
und verteilt gespeichert werden können, aber keine Archivierung möglich ist.
4.2 Anforderungen an die Infrastruktur und die Topologie
7
4.3 Anforderungen an ein verteiltes Dateisystem
Verteilte Dateisysteme wurden schon zu Beginn der 80ger Jahre entwickelt. Sie stammen vornehmlich aus dem
Großrechnerumfeld und wurden für den Einsatz in Unternehmensnetzwerken konzipiert. Man unterscheidet in
Netzwerkdateisysteme, wie z. B. Network File System NFS [33] , OpenAFS [34] oder das SMB/CIFS (Samba) [35],
XtremeFS [36] Cluster Dateisysteme wie z. B. Lustre [37], OCFS2 [38] und globale Dateisysteme wie z. B. Google
Filesystem (GFS) [39] oder Oceanstore [40]. Allen gemein ist das dezentrale Speichern großer Datenmengen auf
einer Vielzahl von Datenspeichern, sowohl unternehmensweit als auch weltweit über Internetverbindungen. Sie
versprechen eine flexible Skalierbarkeit der Speichergrößen und eine hohe Performance. Verteilte Dateisysteme
ermöglichen es dem Benutzer, die Daten von jedem PC mit Internetanschluss aufzurufen. Global Dateisysteme
wurden bis vor einigen Jahren hauptsächlich im Bereich der Forschung eingesetzt. Durch permanente
Weiterentwicklung und vereinfachter Implementierung sind sie nun auch für kleinere Unternehmen immer
interessanter geworden. Netzwerk basierte Filesysteme NFS, XtremeFS sind im eigentlichen Sinne keine
Dateisysteme, sondern greifen über Protokolle, Applikationen auf ein vorhandenes Dateisystem zu und sind somit
unabhängig von der Art des darunterliegenden Systems. Sowohl das Netzwerk "Dateisystem", als auch das
Dateisystem auf dem Datenträger müssen Posix konform sein, damit ein Datenaustausch vollzogen werden kann.
Das Portable Operating System Interface (Posix) stellt die Schnittstelle zwischen der Applikation und dem
darunter liegenden Dateisystem zur Verfügung, die wiederum über eine RCP Schnittstelle mit dem Server
kommuniziert. [41] Je nach Zweck werden einzelne Dateisysteme ohne aufwendige Zugriffsicherung eingesetzt,
wie z. B. bei GFS. Solche Systeme werden als Dateiablage mit ausschließlich lesendem und schreibendem Zugriff
benutzt, auf die jedermann zugreifen kann.
4.4 Replizierung
In der verteilen Datenhaltung ist die Replizierung der Daten ein wesentlicher Faktor zur Erhöhung der
Datensicherheit. Es wir unterschieden in synchrone und asynchrone Relpizierung, Serialisierung und Replizierung
mit Zeitstempel.
4.4.1 Synchrone Replizierung
Unter synchroner Replizierung versteht man das gleichzeitige Schreiben der Dateien auf verschiedene
Speichersysteme. Diese Methode wir als spiegeln bezeichnet. Eine Spiegelung der Dateien kann im Server durch
das Einrichten eines RAID erreicht werden oder bei zu überbrückenden Entfernungen durch Software- oder
Hardwarelösungen, die die Replikation steuern. Die auf ein anderes System kopierte Datei wird als Replikat
bezeichet. Wird eine Änderung an der Originaldatei vorgenommen, werden nach dem Read One Write
All-Verfahren umgehend und fortlaufend alle Replikate aktualisiert. Voraussetzungen für einen reibungslosen
Ablauf ist die gleiche Hardware, um schnelle Replizierung und konsistente Datenbestände zu gewährleisten und
eine sehr hohe Bandbreite zwischen den Komponenten, wie sie z. B. FiberChannel oder iSCSI aufweist. Diese
Breitbandverbindungen schränken jedoch die maximale Entfernung zwischen den Datenspeichern stark ein und
machen diese Methode für die Überbrückung großer Entfernungen nur eingeschränkt verwendbar. Die Auslegung
der Komponenten bestimmt nicht zuletzt die Geschwindigkeit des gesamten Systems, da ein Schreibvorgang erst
abgeschlossen ist, wenn die Bestätigung erfolgt ist, dass das Replikat geschrieben wurde, dem sogenannten
?Two-Phase-Commit?. Dies kann bei großen Entfernungen zu Verzögerungen im Schreibvorgang führen. [42] [43]
4.3 Anforderungen an ein verteiltes Dateisystem
8
4.4.2 Asynchrone Replizierung
Bei der asynchronen Replizierung wird der Schreibvorgang des sekundären Standortes von dem des primären
entkoppelt. Das Replikat wird erst nach einem definierten Zeitraum auf einen Datenspeicher des sekundären
Standorts übertragen. Die am Original vorgenommenen Änderungen werden in eine lokale Warteschlange
übernommen und asynchron auf ein Ziel an dem sekundären Standort geschrieben. Hierdurch wird der
Schreibvorgang auf dem primären Datenspeicher mit lokaler Geschwindigkeit ausgeführt. Dies hat den Vorteil,
dass für die Übertragung nicht so viel Bandbreite benötigt wird und die Distanzen zwischen den Datenspeichern
um ein Vielfaches größer sein kann als dies bei der synchronen Replizierung der Fall ist. Das Entkoppeln der
Schreibvorgänge birgt aber die Gefahr der Datenkorruption, weil alle Änderungen an den Replikaten in exakt
derselben Reihenfolge ausgeführt werden müssen, wie dies von der Applikation am primären Standort definiert
wurde. Wird diese Reihenfolge nicht eingehalten, z. B. durch Ausfall von Netzwerkkomponenten oder
unterschiedlichen Latenzzeiten einzelner Komponenten, führt dies unweigerlich zur Dateninkonsistenz, was eine
Wiederherstellung der betroffenen Daten erheblich erschwert oder sogar unmöglich macht. [42] [43]
4.4.2.1 Serialisierung
Serialisierung ist eine Weiterentwicklung der asynchronen Replizierung. Es werden alle Schreibvorgänge in der
Reihenfolge ihrer Ausführung protokolliert und anschließend einzeln über das Netzwerk übermittelt um
sicherzustellen, dass alle Daten in der richtigen Reihenfolge auf dem sekundären Datenspeicher abgelegt werden.
Die lokale Schreibgeschwindigkeit ist bei dieser Methode durch die verzögerte Replizierung etwas reduziert. Bei
häufigen Schreibvorgängen kann die Protokollierung sehr umfangreich werden, was zusätzlich zu
Geschwindigkeitseinbußen führt. [42]
4.4.2.2 Zeitstempel
Die Replizierung durch Zeitstempel erzeugt einen Zeitstempel auf alle Schreibvorgänge aller durchlaufenen
Datenspeicher. Dieser wird anschließend zur Neuordnung der Schreibvorgänge am sekundär Standort genutzt. [42]
5 Aktuelle Technologien und deren Zukunft
5.1 Datenspeicher
Man unterscheidet magnetische Speicher wie Datenbänder, Disketten, Festplatten und optische Speicher wie CD,
DVD, Bluray. Deneben gibt es Sonder- bzw. Mischformen wie die Magnetic-Optical-Disk (MO). Sind optische
Speicher erst mit Einführung der CD Mitte der 80er Jahre relevant geworden, hält sich die Festplatte hingegen
schon seit Jahrzehnten als beliebter Datenspeicher auf dem Markt. Als Anschlüsse haben sich MFM, SCSI, IDE,
E-IDE und SATA die Hand gegeben. Die auf Festplatten speicherbaren Datenmengen und die Datendichte haben
sich in den letzten 20 Jahren massiv erhöht. Doch wie können Festplatten zeitgemäß in eine IT-Umgebung
eingebunden werden? Möglichkeiten dazu sind u.a. RAID-Verbünde, die Anbindung per iSCSI und direkt im
Netzwerk als "Network attached Storage".
4.4.2 Asynchrone Replizierung
9
5.1.1 Redundant Arrays of Independent Disks (RAID)
Abb.-Nr. 1:
LaCie Quadra Laufwerke
Abb.-Nr. 2:
LaCie Quadra 4x4 mit Hostcontroller
RAID geht aus einer Studie aus dem Jahr 1988 hervor: "A Case für redundant Arrays of Inexpensive Disks
(RAID)" [44]. Ein RAID bezeichnet einen Festplattenverbund, um mehr Speicher zur Verfügung zu stellen oder
Speicher schneller oder sicherer zur Verfügung zu stellen. Es gibt verschiedene Ausprägungen, sogenannte RAID
Level. Je nach Level werden Speichergröße, Schnelligkeit und Sicherheit unterschiedlich miteinander kombiniert.
Man unterscheidet daneben auch zwischen Hardware- und Software-RAID. So bietet Microsoft Windows in den
Serverversionen seit Jahren als Software RAID die Möglichkeit Festplatten zu spiegeln (RAID Level 1) sowie
RAID Level 5 für mehrere Festplatten. Ein Hardware RAID erfordert einen seperaten RAID Controller. Seit
einigen Jahren gibt es selbst auf Consumer-PC-Motherboards onboard RAID Controller.
Übliche RAID Level sind 0, 1 und 5 (siehe Abb.-Nr. 3-5). Neuerdings gibt es auch weitere Kombinationen wie z.
B. Matrix RAID, bei der verschiedene Partitionen auf einem Datenträgern unterschiedlich genutzt werden.
Vorstellbar sind RAID Verbünde auch mit neuen Speicher-Technologien aus Kapitel 7.3.
Aktuelle RAID Systeme werden als Subsystem z. B. von der Firma Lacie angeboten (siehe Abb.-Nr. 1 und 2) und
stellen bis zu 32 TB Speicherplatz bereit. Das Lacie Quadra Bundle System wird mittels eSATA II PCI Express
Card an einen Hostcomputer angeschlossen [45] [46].
5.1.1 Redundant Arrays of Independent Disks (RAID)
10
Abb.-Nr. 3: RAID 0
Abb.-Nr. 4: RAID 1
Abb.-Nr. 5: RAID 5
5.1.2 Network Attached Storage (NAS)
Abb.-Nr. 6:
LaCie Netzwerkfestplatte mit RJ-45 Anschluß
Abb.-Nr. 7:
IBM N3600 NAS
Unter NAS wird ein einfach im Netzwerk zu installierender Speicher verstanden. Da die Anbindung im Netzwerk
erfolgt, geschieht die Kommunikation mit NAS-Systemen über IP. Oft werden die einfachen Consumer-Boxen
auch als ?Netzwerkfestplatte? bezeichnet, da sie einfach mittels handelsüblichen, weit verbreitetem RJ-45
Netzwerkanschluß bestückt sind (siehe Abb.-Nr. 6). Es handelt sich dabei um Endgeräte mit eigenem
Betriebssystem, diese ?Speicherboxen? werden meist mit Linux betrieben. Zur Datensicherung hat sich die
Schnittstelle NDMP durchgesetzt. Die Kommunikation erfolgt bei Windows User über CIFS, bei Unix Usern über
NFS, die Konfiguration erfolgt oft über eine Weboberfläche (HTTP) [47]. Bei einigen Geräten ist auch ein
FTP-Zugriff möglich [48]. Die Geschwindigkeit hängt bei NAS System erstrangig vom angeschlossen Netzwerk
ab. Auch einfache Consumer Geräte unterstützen meist 1 GBit Übertragungsrate, laufen aber auch
abwärtskompatibel mit 10 und 100 Mbit/s. Bei Preisen von unter 200 ? für 1 TB für einfache
?Netzwerkfestplatten? eignen sich solche NAS Systeme auch für Heimanwender. Eine Betriebssicherheit in Form
von RAID-Systemen, wie in Kapitel 3.1.1 beschrieben, ist bei den einfachen Geräten meist nicht vorhanden. Für
5.1.2 Network Attached Storage (NAS)
11
viele System gibt es darüber hinaus inzwischen ?Hacks?, um die von den Herstellern implementierten Funktionen
zu erweitern, so z. B. die übergreifende Community nas-central.org [49]. Auch einige Modelle der Consumer Serie
"Fritz!box", vom deutschen Hersteller AVM, ursprünglich nur ein DSL-Router, bieten die Möglichkeit, über
einen USB-Anschluss, USB-Devices als Speicher im Netzwerk zur Verfügung zu stellen. [50] Dies zeigt, dass
Speichern im Netzwerk aktuell auch für Privatanwender ein Thema ist.
Als Freeware zum Aufbau von eigenen NAS Systemen ist hier FreeNAS auf Basis von der Linuxversion
FreeBSD zu nennen. Es werden SCSI-, IDE-, SATA-, Compactflash- und USB-Drives als Netzwerkspeicher
unterstützt. [51]
Wie in der Einleitung beschrieben, gibt es bei der Datenhaltung erhebliche Unterschiede zwischen privaten und
gewerblichen Anwendern. Im gewerblichen Umfeld gibt es professionelle Geräte, z. B. von IBM TotalStorage
NAS (siehe Abb.-Nr. 7). Bei diesem System werden dann auch Backup und Recovery Lösungen angeboten. [52]
5.1.3 Internet Small Computer Systems Interface (iSCSI)
Über das Netzwerkprotokoll TCP/IP lassen sich inzwischen nicht nur Festplatten (wie im vorherigen Kapitel
beschrieben), sondern auch komplette Storage Area Netzwerke (SAN) ansprechen.
Eine Möglichkeit ist seit 2004 die Anbindung über Internet Small Computer Systems Interface (iSCSI) [53]. War
SCSI in diversen Ausführungen schon seit Jahren im Serverbereich als Anschluss für Festplatten,
Band-Laufwerke und Medienwechsler üblich, so ermöglicht iSCSI nun als Erweiterung Speicher über das
Netzwerk bereitzustellen. Mit iSCSI wurde SCSI auf das TCP/IP Protokoll gemappt. Inzwischen bringen IP
Netzwerke mit z. B. bis zu 10Gbit/s die notwendige Performance, um eine solch schnelle Datenübertragung zu
ermöglichen. Mittels iSCSI und entsprechenden Treibern lassen sich entfernte Datenspeicher logisch so im Server
anbinden, als wäre der Speicher direkt physikalisch im Gerät verbaut. Der große Vorteil von iSCSI gegenüber
Fibre Channel ist die Nutzung von vorhandener Netzwerkhardware. Es ist keine zusätzliche und teure Fibre
Channel Hardware, wie ein spezieller Switch oder eine spezielle Steckkarte notwendig. [54] Allerdings muss die
Netzwerkinfrastruktur, also die Verkabelung, der Ethernet-Switch und die Netzwerkkarten performant sein und
sollte 10Gbit/s unterstützen, um einen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Fibre Channel mit 8Gbit/s zu erzielen.
Auch Microsoft stellt mit ?iSCSI Software Target? passende Software für seine Systeme bereit. Bereits seit 2003
gibt es den ?Microsoft iSCSI Software Initiator? für Windows 2000 und aufwärts. Mittels dieser Software kann
eine handelsübliche Ethernet-Karte als Anbindung für ein iSCSI-System genutzt werden. [55]
5.2 Cloud Datenspeicher
Das Angebot für die Onlinespeicherung von Daten ist in den letzten Jahren unaufhörlich gewachsen. Es gibt
mittlerweile eine ganze Reihe Anbieter die z. T. kostenlosen Cloud Datenspeicher zur Verfügung stellen. Bis auf
wenige Ausnahmen synchronisieren sie die Dateien und Ordner zwischen der lokalen Festplatte und dem
Cloud-Speicher. Diese verteilte Datenhaltung führt neben einer höheren Flexibilität beim Datenzugriff auch zu
einer besseren Absicherung der Daten gegen Verlust. Durch einfache Handhabung und immer schnellere
Internetzugänge werden diese Dienste auch für den Privatanwender immer attraktiver.
5.1.3 Internet Small Computer Systems Interface (iSCSI)
12
5.2.1 Microsoft Live Mesh
Microsoft bietet Live Mesh einen zur Zeit noch kostenlosen Online-Speicher im Internet an. Neben Windows
Live Mesh wird My Phone, die mobile Version von Live Mesh angeboten. Beide Online-Datenspeicher befinden
sich noch in der Betaphase und stellen auf Wunsch zusätzlich Windows-Live-Applikationen zur Verfügung, unter
anderem das Microsoft Office Live Workspace.
Windows Live Mesh ist
ein von Microsoft
betriebener
Cloud-Datenspeicher.
Über eine Mesh
Software, die auf dem
Rechner installiert wird,
können Dateien
zwischen mehreren PCs
und einem 5 GB großen
Online-Datenspeicher
synchronisiert werden
(siehe Abb.-Nr. 8). Die
Software greift tief in
das Betriebssystem ein,
so dass man unter
Windows im
Abb.-Nr. 8: Live Mesh Geräte
Kontextmenü einen
neuen Eintrag findet,
über den man einzelne
Ordner für das Mesh
freigeben kann. Wenn
eine Datei oder ein
Ordner für die
Synchronisation
freigegeben ist, wird
jede Veränderung mit
dem Mesh Speicher
synchronisiert. Die
Konfiguration des Mesh
erfolgt über die so
genannte Meshbar. Hier
können die
wesentlichen Teile der
Konfiguration verändert
werden, wie z. B. die
Einstellung der
Synchronisation,
Ordner für andere
Benutzer freigeben
(siehe Abb.-Nr. 9) oder
die Änderung der
Zugriffsberechtigungen
5.2.1 Microsoft Live Mesh
Abb.-Nr. 9: Live Mesh Dateifreigabe und Online Nutzer
13
auf einzelne Ordner und
Dateien. Ein Zugang
zum Mesh bekommt der
Interessent nur über die
von Microsoft an jeden
Benutzer vergebene
Mesh ID. Microsoft
benutzt diese ID, um
die Kommunikation und
Rechtevergabe
zwischen den einzelnen
Teilnehmern
abzuwickeln. [56]
So kann über die Mesh ID ein anderer Teilnehmer eingeladen werden, sich ausgewählte Dateien auf dem
Datenspeicher anzusehen. Alternativ kann der Benutzer seine Daten über den so genannten Live Desktop von
jedem an das Internet angeschlossenen PC mit einem Web-Browser einsehen oder sie herunterladen. Microsoft
verspricht eine weitestgehende Kompatibilität zu Macintosh Rechnern und einigen Mobiltelefonen. Microsoft My
Phone ist der Online-Datenspeicher für das Mobiltelefon in dem Microsoft Cloud-Speicher. Die My Phone
Anwendung wird auf dem Mobiltelefon installiert, diese synchronisiert automatisch die Daten wie Kontaktdaten,
Fotos, Termine über das Internet mit dem von Microsoft betrieben Datenspeicher. Es können bis zu 200 MB
gespeichert werden. Über eine Web-Anwendung lassen sich, wie auch bei Live Mesh, Zugriffsrechte und weitere
Konfigurationen ändern, so dass es möglich ist, die Daten wie z. B. Fotos auch auf den heimischen PC zu laden.
[57]
5.2.2 ZumoDrive
Ein etwas anderes Konzept verfolgt der Cloud Speicher Anbieter ZumoDrive mit seiner skalierbaren HybridCloud
Storage-Lösung. Bei dieser Art der Speicherung in einer Cloud werden die Daten nicht vollständig mit dem
Datenspeicher synchronisiert, sondern selektiv einzelne Daten ausgesucht und in den Cloud-Datenspeicher
geschrieben. Die ZumoDrive Clientsoftware wird zur Zeit für Windows XP, Vista, OS X Tiger, Leopard und das
iPhone angeboten. Nachdem die ZumoDrive Software auf dem Rechner oder iPhone installiert wurde, erscheint
ein neuer Laufwerksbuchstabe der in den Verzeichnisbaum eingebunden ist. Dieses Laufwerk ist über eine 128
Bit SSL Verschlüsselung mit dem Datenspeicher von ZumoDrive verbunden. Im Unterschied zu Live Mesh
werden die Dateien nicht synchronisiert, also doppelt gehalten, sondern das Laufwerk wird wie ein lokales
Festplattenlaufwerk behandelt. Die Dateien, die auf diesem Laufwerk gespeichert werden, sind im Cloud
Datenspeicher gespeichert, belegen also auf dem lokalen System keinen Festplattenspeicher mehr. Dies hat den
Vorteil, dass die Daten nicht auf der lokalen Festplatte gespeichert sind, sondern nur im Online-Datenspeicher,
was den Client entlastet und eine höhere Datensicherheit gewährleistet. Es ist ferner möglich Dateien gleichzeitig,
sowohl auf dem lokalen Rechner als auch in der Cloud zu speichern. Hierfür kann man im Kontextmenü die
entsprechenden Dateien für den lokalen Rechner als verfügbar markieren. Bei der nächsten Verbindung mit dem
Datenspeicher wird diese mit dem lokalen Rechner synchronisiert. Die Freigabe von Dateien an einen anderen
Benutzter kann direkt im Dateisystem über ein Kontextmenü erfolgen. Der Link wird per Mail versandt und der
Empfänger kann sich die Dateien ansehen.
Über eine Webseite kann der entsprechende Datenspeicher administriert werden oder der Zugriff auf die Dateien
von einem beliebigen PC aus erfolgen.
5.2.2 ZumoDrive
14
Abb.-Nr. 10: Schematischer Ablauf der Datensicherung
Es können unter anderem Dateifreigaben erstellt oder gelöschte Dateien wiederhergestellt werden. Musikdateien,
die z. B. in einer Musik Bibliothek gespeichert sind, können als Link aus dem Cloud Speicher aufgerufen werden
und nehmen somit keinen lokalen Festplattenspeicher mehr in Anspruch.
Dies ist besonders vorteilhaft bei Geräten mit geringer Festplattenkapazität wie z. B. einem Smartphone. Um eine
ausreichende Sicherheit gegen Datenverlust zu gewährleisten, wird ein AES verschlüsseltes Backup auf drei
verschiedenen physikalischen voneinander getrennten Orten im Amazon S3 Datencenter gespeichert (siehe
Abb.-Nr. 10). [58]
5.3 Grid Systeme
Gridsysteme, also die Verbindung aller angeschlossenen Resourcen über eine Grid-Software, umfassen nicht nur
das geographisch verteilte Rechnen über das Internet, sondern auch die dezentrale, verteilte Datenhaltung. Einem
Grid können folgende Eigenschaften zugerechnet werden: Gleichrangige Ressourcen, die dezentral kontrolliert
werden, die offene standardisierte, allgemein gebräuchliche Protokolle und Schnittstellen benutzen und eine
außerordentliche Qualität der Dienste anbieten. [59]
Abb.-Nr. 11: Der Aufbau eines Grid in Schichten
5.3 Grid Systeme
15
Insofern unterscheidet sich das Grid-Computing vom Cloudcomputing, als dass es unabhängig von der darunter
liegenden Hardware ist und keinen Provider benötigt, der diesen Dienst anbietet, da die Daten auf
unterschiedlichsten Systemen und Orten innerhalb eines Namespace gespeichert werden. Das Grid virtualisiert
und vereinheitlicht dabei den Zugang zu heterogenen Ressourcen. Ferner ist es möglich, ohne Weiteres einem
Grid als neuer Benutzer beizutreten oder es zu verlassen. Das Daten-Grid soll große Datenmengen zuverlässig
und ausfallsicher speichern, diese einfach wieder zugänglich machen und Methoden zur effizienten Suche zur
Verfügung stellen. Der Aufbau eines Grid besteht neben den physischen Ressourcen auch aus der Middleware,
die die eigentliche Funktionalität des Grids für den Anwender bereitstellt. Die Aufgabe der Grid-Middleware ist
es, den Anwendungen bzw. Nutzern einen Zugang (z. B. mittels eines Browsers) zu den Grid-Ressourcen zur
Verfügung zu stellen und eine koordinierte Verwendung der Ressourcen zu gewährleisten (siehe Abb.-Nr. 11). [60]
Ein Grid ermöglicht es, Daten weltweit über viele Datenträger parallel verteilen zu können. Dabei ist für den
Anwender nicht ersichtlich wo seine Daten lagern, ihm stellt sich das Daten-Grid als eine große
Speicherressource dar. Ziel ist es, die Rechen- und Speicherresourcen in der virtuellen Organisation des Grids
möglichst effizient zu nutzen, um das immer weiter steigende Datenvolumen bewältigen zu können. Die Nutzung
eines Grid bei datenintensiven Anwendungen hat den Vorteil der Verteilung der Daten auf verschiedene
Ressourcen. Die Parallelisierung des Zugriffs auf die Daten ermöglicht eine gesteigerte Geschwindigkeit und
damit verbunden einen höheren Datendurchsatz bei datenintensiven Anwendungen. An datenorientierte Dienste,
wie die eines Grids, werden hohe Anforderungen gestellt. Neben der Authentifizierung und
Berechtigungsstruktur, müssen Datenreplika und unterschiedliche Datenstände auf unterschiedlichen
Datenträgern verwaltet werden können, die schnelle Identifizierung der Datensätze muss möglich sein, Daten
müssen schnell und effizient bewegt werden können. Ein Grid ist besonders für global agierende Unternehmen
mit großem Datenvolumen oder die Anbindung mobiler Mitarbeiter an die Unternehmensdaten vorteilhaft. Es
ermöglicht eine flexible Skalierung und schellen Zugriff auf die Unternehmensressourcen. [61]
D-Grid Initiative
Das D-Grid Projekt als Initiative der deutschen Wissenschaft und Wirtschaft, gefördert durch das
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), startete im September 2005 mit der Entwicklung einer
verteilten, integrierten Ressourcenplattform für Hochleistungsrechnen, große Datenmengen und den für den
Zugriff benötigten Dienstleistungen. [62] Bis 2010 soll die zweite Ausbaustufe des D-Grid vollendet sein, die
neben Diensten für die Wissenschaft auch Dienste für die Industrie anbieten soll. Ein entferntes Ziel ist es, die
Grid-Dienste kommerziell über ein Web-Portal modular anbieten zu können und je nach Nutzungsdauer und
Umfang abzurechnen. Dazu wird eine Infrastruktur benötigt, die sowohl die notwendige Sicherheit bietet und
garantiert, dass die Identität nicht gestohlen werden kann, als auch eine Technik vorhält, welche die Daten auf
eine sichere Art speichert. Zurzeit gliedert sich das D-Grid in 20 Einzelprojekte, die hauptsächlich im
wissenschaftlichen Bereich angesiedelt sind. Es gibt aber auch einige Projekte, die speziell auf die Industrie
abzielen, u. a. die Finanzwirtschaft, Automobilindustrie und Bauwirtschaft. Neben der Möglichkeit fast
unbegrenzte Datenmengen abspeichern zu können wird der Industrie auch Rechenkapazität für hochkomplexe
Simulationsberechnungen zur Verfügung gestellt. Um die D-Grid Struktur auch kommerziell nutzen zu können
sind in einem weiteren Schritt die Einführung professioneller Betriebskonzepte, Service-Level-Agreements für
die Verhandlungen zwischen Nutzern und Betreibern von Ressourcen, eine Wissensschicht, dem Aufbau von
virtuellen Kompetenzzentren, die Anbindung service-orientierter Architekturen der Industrie und die
Bereitstellung von Grid-Ressourcen geplant. [63]
6 Technologien in der Entwicklung
6 Technologien in der Entwicklung
16
6.1 Dateisysteme
Ein Netzwerk Dateisystem ist eine bewährte Methode, Daten über eine grössere Anzahl Datenspeicher zu
verteilen. Es gibt eine Vielzahl z.T. herstellerabhängige Dateisystemformate, die schon eine lange
Entwicklungszeit hinter sich gebracht haben. Zwei neue Implementierungen sind im folgenden exemplarisch
aufgeführt.
6.1.1 NFS Dateissystem
Abb.-Nr. 12: Schematischer Ablauf einer NFS Kommunikation
In den 80iger Jahren wurde von SUN-Microsystems das Network File-System NFS entwickelt und von der IETF
(The Internet Engineering Task Force) standardisiert. Es erfreut sich zunehmender Beliebtheit. [64] Das NFS ist im
eigentlichen Sinne kein Dateisystem, sondern eine Zusammenstellung mehrerer Protokolle, die in ihrer Summe
den Clients einen Zugriff auf entfernte Dateisysteme erlauben und somit ein verteiltes Dateisystem zur Verfügung
stellen.[27] Das NFS-Protokoll erlaubt einen transparenten Remotezugriff auf ein entferntes Dateisystem. Da es
sich hierbei um ein Protokoll handelt, ist es unabhängig von dem jeweiligen Betriebssystemen, der
Netzwerkstruktur sowie den Netzwerkprotokollen. [64] Dies wird ermöglicht durch das eXternal Data
Representation (XDR), das die angeforderten Daten in einem plattformunabhängigem Format beschreibt und an
die Remote Procedure Call (RPC) als Funktionsaufruf vom Client an den Server weitergibt (siehe Abb.-Nr. 12).
[65] [66] Die NFS Version 2 und 3 werden von den meisten aktuellen Betriebssystemen, unter anderem auch
Windows Betriebssystemen unterstützt. [67] Durch die Kombination von RPC und XDR in Verbindung mit
TCP/IP und einer Clientsoftware ist es für den Client möglich, sich mit einem freigegebenen remote Dateisystem
über das Netzwerk zu verbinden, den entfernten Verzeichnisbaum einzuhängen und die Daten so zu nutzen, als
wenn sie lokal auf dem Rechner abgelegt wären. [64]
6.1 Dateisysteme
17
6.1.1.1 NFSv4.1
Die Aktuelle Version NFSv4.1 ist eine Open Source Neuimplementierung und hat gegenüber den früheren
Versionen einige wichtige Veränderungen mit sich gebracht. Neben der schon seit langem implementierten
Unterstützung für Unix-Systeme wurden folgende Neuerungen hinzugefügt:
• bessere Unterstützung von Windows,
• starke AES verschlüsselte Kerberos V5 Authentifizierung, [68]
• zeichenbasierte Identifikation, (z. B. [email protected])
• Zugriffserlaubnis wie bei Windows,
• ausschließlich TCP/IP Protokoll Unterstützung, nicht wie in den Vorgängerversionen UDP Protokoll.
• Implementierung einer Datenverschlüsselung, somit ist auch eine gesicherte Kommunikation über das
Internet möglich.
• Es ist nun möglich, ohne vorherigen Kontakt mit einem Server einen Client in der Lage zu versetzen,
Daten aus einer Datei in einer Anfrage durch die Kombination der Befehle öffnen und lesen in einem
einzigen Schritt über das RPC aufzurufen.
• Eine Replikation und Migration auf eine anderes Dateisystem ist möglich.
• Durch die Konzentration der Kommunikation auf den TCP/IP Port 2049 ist nun eine einfache
Kommunikation durch Firewalls möglich, was zu einem besseren Schutz der Daten vor unbefugtem
Zugriff beiträgt. [69]
• Delegieren von Datei-Caching. Datei Caching bedeutet, dass der Client nun Dateien zwischenspeichern
darf. Solange der Client Änderungen an der Datei vornimmt wird sie erst im Client Cache gespeichert und
dann an den Server zurückgegeben bzw. vom Server zurückgefordert, wenn die Datei von einem anderen
Client benötigt wird. Dies um die Netzwerklast und die I/O Last des Servers zu verringern. Das Cachen
von Dateien setzt ein Client Server Konzept voraus, welches das zustandslose Konzept der
Vorgängerversionen ablöst. Um die Datenkonsistenz bei Schreib- und Lesezugriffen durch mehrere
Clients gewährleisten zu können, ist eine aufwendige Synchronisation zwischen Client und Datenspeicher
notwendig. Alle Operationen werden in eine Transaktion zwischen Client und Dateispeicher
zusammengefasst. Somit werden bei gleichzeitigen Zugriff mehrerer Clients die jeweiligen Client
Operationen konsistent gehalten. Das Ergebnis ist so als wenn die Clients in einer beliebigen
sequentiellen Reihenfolge auf den Dateispeicher geschrieben hätten. [27]
Für die aktuelle Version NFSv4 wird zurzeit von der University of Michigan ein Open Source NFS-Client für
Windows entwickelt, dieses Projekt wird von Microsoft finanziell unterstützt. [70]
6.1.1.2 pNFS
Das Netzwerkdateisystem pNFS ist Bestandteil des NFSv4.1 Protokolls und kann optional genutzt werden. [71]
Ende 2008 wurde der Entwurf an die IETF übergeben und soll innerhalb 2009 zu einem neuen Standard ernannt
werden. Die überarbeitete Version wurde von den Firmen EMC, IBM, LSI, NetApp, Panasas, SUN und der
Linuxgemeinde als Open Source Projekt vorangetrieben. Neben den grundlegenden Funktionen des NFSv4
wurden weitere Funktionen inplementiert.
6.1.1.1 NFSv4.1
18
Abb.-Nr. 13: Kommunikationsablauf im pNFS
Das pNFS Protokoll ermöglicht es, den Clients Datenspeicher direkt und parallel von mehreren Servern
gleichzeitig anzusprechen (siehe Abb.-Nr.13). Dieses bewirkt gegenüber der aktuellen Version NFSv4 eine
bessere Verarbeitung von parallelen I/O Zugriffen, die zu einem schnelleren Dateiaufruf führen und eine bessere
Skalierbarkeit der Datenspeicher ermöglichen. [72] Die Architektur sieht eine Trennung der Daten und der
dazugehörigen Metadaten sowie die Auslagerung der Metadaten auf einen separaten Server vor. Der Aufbau
innerhalb eines NFS Systems gestaltet sich folgendermaßen: Der Metadatenserver speichert die Metadaten, also
den Speicherort und die Speicherart der einzelnen Dateien, das sogenante Layout. Unabhängig davon gibt es den
eigentlichen Dateiserver oder Storage. Dieser speichert die Daten und stellt Lese- und Schreibzugriffe direkt auf
die Dateien zur Verfügung. Diese Dateien können auf mehrere Speicher verteilt und durch die Informationen in
den Metadaten mehreren Clients gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden. Die Kommunikation innerhalb eines
pNFS-Systems vollzieht sich wie folgt: Der Metaserver bedient die Anfragen der Clients nach Speicherort und der
Speicherart der einzelnen Dateien. Einer oder mehrere Dateiserver führen direkt die Lese- und Schreibzugriffe der
Clients durch. Ein oder mehrere Clients können mittels der von Metaserver zur Verfügung gestellten
Informationen direkt auf die Daten zugreifen. Der Metadatenserver kann das Layout jederzeit von Client
zurückfordern, um die Datei für andere Schreibzugriffe wieder freizugeben. Wenn der Client die Datei geändert
hat wird sie an den Metaserver zurückgegeben und die Kommunikation ist beendet. Die Kommunikation
zwischen Clients, Metadatenserver und Fileserver erfolgt über drei Protokolltypen: Das Kontrollprotokoll sorgt
für die Synchronisation des Metadatenservers mit dem Datenserver, das pNFS Protokoll ist für die
Kommunikation zwischen Client und Metaserver zuständig und eine Reihe von Speicherzugriffsprotokollen,
mittels derer die Clients direkt auf Datenserver zugreifen können. Anhand dieser Protokolle kann pNFS sich
diversen Speicher-Layout-Typen anpassen und verschiedene Arten von Storage-Infrastrukturen unterstützen. Die
pNFS Spezifikation ist derzeit mit drei Kategorien von Storage-Protokollen einsetzbar: File-basierte,
Block-basierte oder Objekt-basierte Protokolle. Unter Layouttypen versteht man den Aufbau des Speichertyps, z.
B. SAN blockbasiertes oder NAS dateibasiertes Layout. Der Unterschied zwischen dem dateibasierten und dem
block- oder objektbasierten Layout besteht in der Anzahl der möglichen Zugriffe durch einen Client. Während bei
einem blockbasierten Layout nur ein Client auf einen bestimmten Dateibereich schreiben kann, können bei einem
dateibasierten Layout zwei unterschiedliche Clients auf demselben logischen Bereich Lese- oder
Schreiboperationen durchführen. [73] [74] [75]
6.1.1.2 pNFS
19
6.1.2 XtreemFS
XtreemFS mit Stand von 2009 ist ein neues, verteiltes und repliziertes Dateisystem, veröffentlicht unter der
OpenSource Lizenz. Wie andere verteilte Dateisysteme speichert es Daten auf einer großen Anzahl
Datenspeichern mit unterschiedlichster Hardware und ist unabhängig von dem Dateisystem des Client. Das
XtreemFS wurde speziell für die Wide Area Network (WAN) Umgebung konzipiert und ermöglicht je nach
Berechtigung des Anwenders direkten Zugriff auf das Dateisystem, von jedem Standort auch über das Internet.
Wie viele andere auf Unix basierende Dateisysteme ist XtreemFS posixkonform. Das Portable Operating System
Interface (Posix) stellt die Schnittstelle zwischen der Applikation und dem darunter liegenden Dateisystem zur
Verfügung. Ein besonderer Geschwindigkeitszuwachs wird durch das Datei-Stipping erzielt. Dies ist eine Technik
zum Aufteilen einer Datei auf mehrere Daten-Server und ermöglicht so einen parallelen Zugriff auf die einzelnen
Dateiteile. [36]
6.1.2.1 Aufbau des XtreemFS
Das XtreemFS setzt eine objektbasierte Datei-System-Architektur ein. Objektbasierte Datei-Systeme teilen
Dateiinhalte in eine Reihe von Objekte mit fester Größe auf und speichern sie verteilt über ihre Datenserver. Die
Metadaten einer Datei (alles was nicht Rohdaten sind, wie z. B. der Dateiname oder Datei-Größe) wird getrennt
vom Inhalt der Datei auf einem Metadaten-Server gespeichert. Dieser Metadaten-Server organisiert Volumes als
eine Reihe von Datensätzen die hierarchisch in einen Verzeichnisbaum eingehängt werden die wiederum
Untermengen des gesamten Speichers enthalten. Ein XtreemFS Installation enthält drei Arten Server, die sich auf
eine oder mehrere Maschinen verteilen und das Clientinterface mit dem der Clientzugriff bewerkstelligt wird.
• DIR - Directory Service. Der Verzeichnisdienst ist die zentrale Registrierungsstelle für alle Dienste im
XtreemFS. Die MRC verwendet ihn um den Datenserver zu finden.
• MRC - Metadaten und Replica-Katalog. Der MRC speichert den Verzeichnisbaum und die
Datei-Metadaten, wie Dateiname, Größe oder Änderungsdatum. Darüber hinaus authentifiziert die MRC
den Benutzer und erlaubt den Zugriff auf die Dateien.
• OSD - Object Storage Device. Ein OSD speichert beliebige Objekte (Teile) von Daten. Die Anwender
lesen und schreiben Daten über das OSD (siehe Abb.-Nr. 14).
Abb.-Nr. 14 Ablauf eines Dateiaufrufs im XtreemFS
Der Zugriff auf eine Datei läuft in folgenden Schritten ab (siehe Abb.-Nr. 14):
6.1.2 XtreemFS
20
1. Der Client bindet ein Volume von dem MRC in seinen lokalen Verzeichnisbaum. Dieser übersetzt die
Dateianforderung des Client in eine RPC Anforderung. Der Client wird als ein Treiber auf
Benutzerebene eingebunden und fungiert wie ein normaler Prozess. Er stellt die Verbindung zum Virtual
File System (VFS) des Clientrechners her.
2. der Client stellt eine Anfrage an den Metadatenserver, er erhält die notwendigen Informationen über den
Ort der Datei.
3. Der Client lädt die Datei über einen Access Demon des Datenspeichers auf die lokale Festplatte und
öffnet sie.
4. Geänderte Daten werden auf den Datenspeicher geladen oder als Kopie registriert.
5. Die Dateiübertragung erfolgt über RPC und dem virtuellen Dateisystem an die Applikation. [36] [76]
6.1.2.2 Authentifizierung im XtreemFS
In der Grundeinstellung gibt es keine Authentifizierung und keine Verschlüsselung für die Verbindung mit dem
Metadatenserver und den Storage-Servern. Es besteht aber die Möglichkeit für alle Benutzer und Dienste eine
SSL Verschlüsselung mit einem X.509 Zertifikat zu implementieren. Das Verhalten beim Speichern einer Datei
wir über MRC-Richtlinien gesteuert. Diese bestimmen, wo die Datei gespeichert wird, z. B. im gleichen Subnet,
um eine höhere Performance zu ermöglichen oder dort, wo noch mindestens 2GB Speicher frei ist.[36]
6.1.2.3 Datenverteilung im XtreemFS
Das XtreemFS kann den Inhalt einer Datei auf mehrere Speichermedien (OSDs) verteilen. Das Teilen der Datei
auf unterschiedlichen ODSs gewährleistet eine höhere Geschwindigkeit durch gleichzeitigen Zugriff. Je mehr
OSDs genutzt werden, desto höher ist die Geschwindigkeit für den Lese- und Schreibezugriff. Die Zahl der OSDs
wird als Striping-Breite bezeichnet.[36]
6.1.2.4 Zugriffsrechte und Benutzerrechte für Dateizugriffe
Es gibt zwei Möglichkeiten sich an dem Dateisystem zu authentifizieren: Die erste ist die Unix Benutzer-ID und
Gruppen-IDs, die von den Benutzer mit jeder Anfrage übergeben wird. Diese wird mit der Datenbank des MRC
verglichen und die entsprechenden Rechte werden erteilt. Der Umfang der Benutzerrechte bestimmt die
Geschwindigkeit des Dateizugriffs. Je mehr Benutzerrechte vergeben werden desto geringer ist die
Geschwindigkeit, weil die Rechte erst verifiziert werden müssen. Je nach Konzept können keine Benutzerrechte
vergeben werden oder über Posix ACLs eine fein gegliederte Zugriffskontrolle auf Benutzerbasis eingerichtet
werden. Darüber hinaus kann die MRC die Informationen nutzen, welche in einem SSL-Zertifikat enthalten sind.
[36]
6.2 Netzwerktechnologien
Im Laufe der letzten Jahre haben sich nicht nur Endgeräte und Server, sondern auch die Netzwerktechnik
weiterentwickelt. Für eine verteilte Datenhaltung werden je nach Ausprägung performante lokale Netze (LAN)
wie auch Hochgeschwindigkeits-WAN-Zugänge notwendig.
6.2.1 LAN Verbindungen
Waren Anfang der 90er Jahre noch 10Mbit BNC Netzwerke und Hubs Standard, haben sich inzwischen
strukturierte Twistet-Pair Verkabelung (CAT5 oder besser) und Switches durchgesetzt. Hier sind die EN 50173-1
6.1.2.1 Aufbau des XtreemFS
21
und die nordamerikanische Norm TIA/EIA 568 zu nennen.
Auch im Glasfaserbereich haben sich die Kabelqualitäten erheblich verbessert: bei Multimode ist z. B. die
Kabelqualität OM4 in der Entwicklung, die höhere Geschwindigkeiten bzw. größere Längen zulässt [77].
Die Netzwerkgeschwindigkeit ist von 4/16 MBit (Token Ring) bzw. 10 Mbit (Ethernet) auf 100 bzw. sogar
1000Mbit bis zum Arbeitsplatz angestiegen. Somit müssen auch die Server, d.h. die Datenspeicher ihre Daten
immer schneller zur Verfügung stellen.
Im Backbone-Netzen sind zurzeit 10Gbit möglich und Geschwindigkeiten von 40GBit und 100Gbit in der
Entwicklung. Obgleich der Standard 802.3ba nocht nicht verabschiedet ist, bringt die Fa. Juniper ganz aktuell als
erster Hersteller 100GB Module heraus. Diese Module sind in CFM Technik ausgeführt und für seine T-Serie
Core Router entwickelt [78].
Funknetzwerke, sogenannte WLANs, haben sich trotz Sicherheitsbedenken durchgesetzt. Auch bei dieser
Netzwerktechnik hat sich die Geschwindigkeit stets gesteigert, von IEEE 802.11 mit max 2 Mbit/s zu IEEE
802.11n mit bis zu 600 Mbit/s [79]. Verbesserung der Sicherheit wurde neben MAC-Adressfiltern mit der
Entwicklung von neuen Verschlüsselungssystemen wie Wi-Fi Protected Access (WPA) erzielt [80].
6.2.2 WAN Anbindungen
Waren in den 90er Jahren noch Modemwählverbindungen mit max. 56kbit/s (analog) im Privatbereich und
Liegenschaften im Firmenumfeld noch mit 64kbit/s oder 128kbit/s (digital) angebunden, hat sich aktuell "DSL" in
verschiedenen Ausprägungen selbst für Privathaushalte durchgesetzt. War schon ISDN eine "digital subscriber
line" (DSL), meint man umgangssprachlich mit DSL das verbreitete ADSL mit ursprünglich 1024 Kbit/s
Downstream. Das ursprüngliche ADSL hat sich zu ADSL2+ entwickelt und bietet inzwischen Geschwindigkeiten
bis zu 16 Mbit/s Downstream. Daneben gibt es symmetrische DSL-Verbindungen (SDSL) mit bis zu 20 Mbit/s
Up-/Down-Stream und "Very Highspeed DSL" mit bis zu 52 Mbit/s Downstream / 11 Mbit/s Upstream (VDSL1
sowie VDSL2, ehemals auch als VHDSL bezeichnet). Fiber to the house (FTTH) als schneller Zugang zu
Breitbandnetzen auf Basis von Glasfaserverkabelung ist ebenfalls im Vormarsch [81].
Neben lokalen Funknetzwerken, den WLANs, gibt es flächendeckende Mobilfunknetze, die neben dem reinen
Telefonieren eine Datenverbindung ermöglichen. Neben dem langsamen GSM Netz (9,6kBit/s) haben sich mehr
oder weniger darauf aufsetzend in den letzten Jahren viele Standards entwickelt. So ist in diesem Bereich UMTS,
sowie WiMAX (IEEE 802.16) und der Konkurrent LTE als UMTS Nachfolger zu nennen. Gerade ländliche
Gebiete sollen so nach der Frequenzumstellung ab 2015 mit schnellen Breitbandzugang versorgt werden
können[82]. Daneben gibt es zahlreiche GSM- bzw. UMTS-Erweiterungen wie GPRS, HSCSD, EDGE, HSDPA
und HSUPA. Neben dem Mobilfunknetz gibt es vereinzelt Bestrebungen weltweit flächendeckende WLANs
aufzubauen, hier ist z. B. die Initiative "FON" mit ihren Access-Points (AP) "LAFONERA" zu nennen. Wie eng
diese beiden Bereiche WLAN und Mobilfunknetz zusammenliegen können, zeigt sich in der aktuellen
Kooperation der E-Plus-Gruppe mit FON. So können seit 01.09.2009 E-Plus-Kunden an den FONERA
Zugangspunkten kostenlos mit ihrem Mobiltelefon und anderen Geräten surfen, sowie vergünstigte FON
WLAN-APs und WLAN-Router beziehen [83].
Mit einem schnellen Zugriff via einem mobilen Endgerät von quasi überall unterwegs auf Server in der Firma
oder den PC zu Hause läßt sich nicht nur auf zentralisierte Daten zugreifen, sondern auch von überall aus Daten
erzeugen, verändern oder herunterladen.
6.2.1 LAN Verbindungen
22
6.3 Speichertechnologien
In Zukunft werden die Hersteller von Speichertechnologien immer weiter versuchen den zurzeit üblichen
volatilen (flüchtigen) Speicher, wie z. B. RAM Speicher, durch non volatilen (nicht flüchtigen) Speicher zu
ersetzen. Dies hätte zum einen den Effekt, dass z. B. Betriebssysteme auf Knopfdruck sofort zur Verfügung
ständen, da sie ihre Einstellungen speichern und nicht mehr nach dem Einschalten gebootet werden müssten.
Ebenso wird der Speicher durch die fortlaufende Entwicklung immer kleiner miniaturisiert bis in den atomaren
Bereich. Durch diese Techniken entfallen bewegliche (mechanische) Teile in den Komponenten und die Speicher
werden gegenüber Umwelteinflüssen immer unempfindlicher, wodurch einem möglichen Datenverlust
vorgebeugt wird. Einige vielversprechende, zukunftsweisende Techniken werden im folgenden vorgestellt.
6.3.1 Flash
Flash Speicher (siehe Abb.-Nr. 15) ist ein sich immer weiter durchsetzender nicht
flüchtiger Speicher der seine Daten bis zu 10 Jahren speichern kann und in der Regel
aus nur einem Baustein, einem sogenannten EEPROM (Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory ? elektrisch löschbarer, programmierbarer
?Nur-Lese-Speicher?) besteht. Früher kamen lediglich EPROMs (ohne E wie
Electrically - also Erasable Programmable Read Only Memory) zum Einsatz welche
nur mit speziellen Lösch- und Schreibgeräten gelöscht werden konnten. Heutige
EEPROMs wie sie in Flash Speichern verwendet werden, können allerdings mit
höheren elektrischen Stromimpulsen gelöscht werden. Bei einem Flash Speicher sind in
einem speziellen Transistor Elektronen eingesperrt. Legt man an einen solchen
Transistor (Schalter) eine Spannung an, können die Elektronen entweder fließen
(logisch 1) oder eben nicht (logisch 0). Auch Flash Speicher bestehen wie fast alle
Halbleiterbauelemente aus unterschiedlich dotierten Siliziumbereichen. Ein solcher
Abb.-Nr. 15:
Bereich wird mit Atomen gespickt (dotiert), die mehr oder weniger freie
Flash Speicher
Valenzelektronen mitbringen als das Trägermaterial (Substrat). An den Grenzen
solcher Gebiete treten dann Halbleitereffekte auf, die man sich zunutze macht, um
bestimmte Schaltungselemente wie Dioden (Einbahnstraßen für Elektronen) oder
Transistoren (Schalter) zu realisieren. [84] [85]
Eine einzelne Flash-Zelle ähnelt dem Metall-Oxid-Feldeffekttransistor
(MOSFET), der aus drei Siliziumflächen, den Elektronen Gate (Tor),
Drain (Abfluss) und Source (Quelle) besteht. (siehe Abb.-Nr. 16) ?Bei
einem n-Kanal-MOSFET trennt ein schwach positiv-dotiertes (p)
Substrat die beiden stark negativ-dotierten (n) Elektroden Drain und
Source. Es entsteht ein npn-Übergang, der erst einmal ? wie bei einem
npn-Transistor ohne Basisstrom ? nicht leitet, da die freien
Ladungsträger an den Übergängen miteinander rekombinieren und
nicht mehr für den Ladungstransport zur Verfügung stehen. Das Gate
liegt direkt über der n-Zone und wird durch eine sehr dünne
Oxidschicht isoliert. Es bildet mit einem unter dem Substrat liegenden
und mit Source verbundenen Bulk-Anschluss einen kleinen
Kondensator. Wird dieser Kondensator nun über eine
Gate-Source-Spannung aufgeladen, entsteht ein elektrisches Feld.
Dieses bewegt Ladungsträger aus dem Substrat zur Grenzschicht. Dort
rekombinieren sie zuerst mit den dort vorhandenen Ladungsträgern.
Erreicht die Spannung eine bestimmte Grenze (Threshold), entsteht in
dem ursprünglichen p-Bereich ein dünner n-leitender Kanal mit
6.3 Speichertechnologien
23
Elektronenüberschuss. Durch diesen kann nun ein großer Strom
nahezu ungehindert zwischen Drain und Source fließen.? [86]
?Der größte Unterschied zwischen MOSFET und einem klassischen
bipolaren Transistor besteht darin, dass zwischen Gate und Source
kein Strom mehr fließt, sobald der Transistor einen stabilen Zustand
erreicht hat. Es wird nur ein Strom benötigt, um den Kondensator zu
laden oder zu entladen. Ein MOSFET behält also ? einmal geladen ?
ohne einen (statischen) Strom seinen Zustand (leitend/nicht leitend)
bei. Da an der Gate-Elektrode eines MOSFET jedoch immer weitere
Schaltungsteile hängen, entlädt sich das Gate, sobald die Schaltung
nicht mehr mit Energie versorgt wird. (?) Daher platziert man bei einer
Flash-Zelle zwischen Gate (Control Gate) und Substrat mitten in die
nicht leitende Isolierschicht eine weitere Elektrode: das Floating Gate.
Diese besitzt keinen Anschluss nach außen und arbeitet als
Ladungsfalle.? [86]
?Gelingt es, Ladungsträger auf das Floating Gate zu bringen, bleiben
sie dort. Der Kondensator kann sich nicht mehr entladen und der
Zustand der Flash-Zelle bleibt auch nach dem Ausschalten erhalten.
Da das Floating Gate keinen Anschluss nach außen besitzt, erfolgt
eine Ladungsänderung über den quantenmechanischen Effekt des
Fowler-Nordheim-Tunnels: Legt man an das Control Gate eine hohe
Spannung (10 bis 13 Volt) an, tunneln einige Elektronen aus dem
Source Gate durch die dünne Isolierschicht (meist Siliziumoxid)
hindurch in das Floating Gate. Diese Elektronen bleiben dort so lange
gefangen, bis man sie mit einer hohen negativen Spannung wieder
austreibt. Das Schreiben erfolgt selektiv für jede einzelne Zelle. Beim
Löschen werden hingegen immer ganze Speicherblöcke wieder
zurückgesetzt. Oder anders ausgedrückt: Beim Löschvorgang wird ein
ganzer Block von Zellen (256 Bytes bis 128 KByte) auf einmal in den
Ursprungszustand (beispielsweise logisch 0) versetzt. Beim Schreiben
kann man dann jede einzelne Zelle in den anderen Zustand, aber nicht
wieder einzeln zurück versetzen.? [86]
Es gibt zwei verschiedene Arten von Flash Speicher: NOR- und
NAND-Schaltungen. (siehe Abb.-Nr. 17 und 18) Bei NOR-Flash sind
die Zellen parallel (OR) in einem Gitter aus Word- und Bit-Lines und
lassen sich direkt auslesen. Sie eignen sich daher für
Programmspeicher von Mikroprozessoren, haben aber den Nachteil,
dass sie sehr teuer sind und keine hohe Speicherdichte haben.
NAND-Flash besitzt eine deutlich höhere Speicherdichte, da viele
Transistoren in Reihe (AND) geschaltet sind. Will man eine einzelne
Zelle auslesen, muss man die anderen erst auf leitend schalten
(maskieren), da ein direktes Auslesen nicht möglich ist. Sie werden
daher blockweise über interne Register, die sich um die
Adressierungsdetails kümmern, angesprochen. Diese
Registrierschnittstelle ist weitgehend standardisiert und unabhängig
von der internen Organisation der Zellen. Die Zugriffszeiten liegen bei
etwa 100 µs, die Lesegeschwindigkeit liegt bei über 50 MB/s. [86] [87]
6.3.1 Flash
Abb.-Nr. 16:
Funktionsweise Flash Speicher 1
Abb.-Nr. 17:
Funktionsweise Flash Speicher 2
24
Moderne NAND-Flash-Zellen, so genannte Multi Level Cells (MLC),
speichern nicht nur ein Bit, sondern gleich zwei oder vier Bit pro
Zelle, wodurch die Speicherdichte nochmals erhöht wird. Hierbei gibt
es diverse Techniken, bei denen entweder durch die Stärke des Stroms
die Zustände kodiert werden oder man mehrere Floating Gates in einer
Zelle platziert. Dadurch unterscheiden sie sich auch beim Auslesen
und Schreiben vom klassischen NAND-Speicher. [86]
Flash Speicher Zellen sind durch ihren speziellen Aufbau mit
verschiedenen Schichten nicht lange haltbar. Nach einiger Zeit treten
Schäden in den Oxidschichten zwischen Control-, Floating Gate und
Substrat auf (Degradation). Diese Schäden führen dazu, dass die
Schicht nicht mehr richtig isoliert und die Ladungsträger vom
Floating Gate abfließen können. Von den Herstellern werden bei
NOR Speicher 10.000 Löschzyklen angegeben und bei NAND
100.000, wobei die Zellen im Durchschnitt das Zehnfache schaffen
können. Die Blockgröße ist bei NAND Speicher deutlich kleiner als
bei NOR, wodurch der einzelne Block seltener gelöscht werden
muss. Ein Defektmanagement ist dennoch unerlässlich, da defekte
Blöcke markiert und diese in Reserveblöcke ausgelagert werden
müssen. Zudem muss es dafür sorgen, dass nicht immer dieselben
Blöcke beschrieben und gelöscht werden, sondern eine gute
Verteilung stattfindet. Die Blöcke enthalten Prüfsummen, mit denen
Abb.-Nr. 18: Eigenschaften von NOR- und
sich Bitfehler rekonstruieren lassen, um bei Feststellung eines
NAND-Speichern im Vergleich
solchen Fehlers die verlorenen Bits aus den Prüfsummen
wiederherstellen zu können und die Daten in intakte Reserveblöcke
zu transferieren. Die defekten Blöcke werden ab diesem Zeitpunkt
nicht mehr eingesetzt. Dies geschieht alles einzig im Flash Speicher
selbst, so dass das System, welches den Flash-Speicher nutzt, davon
nichts mitbekommt und sogar das Dateisystem selbst wählen kann.
[86]
6.3.2 Hybrid Festplatten
Hybrid bedeutet immer eine Kombination aus zwei oder mehreren veschiedenen Techniken. Dies gilt auch für
Hybrid Festplatten (HHD) welche eine Kombination aus der derzeitig aktuellen Festplattentechnologie mit
routierenden Datenscheiben und Flashspeicher darstellt. Zusammen erbringen sie den Vorteil geringerer
Zugriffszeiten, da Flash wesentlich schneller arbeitet als die herkömmliche Festplattentechnik. Der Flashspeicher
einer Hybridfestplatte wird als Zwischenpuffer solange mit Daten gefüllt, bis er voll ist. Erst dann werden Daten
auf die Festplatte geschrieben, was dazu führt, dass die Datenscheiben sowie die Schreib-/Leseköpfe in der
übrigen Zeit stillstehen. Dadurch wird weniger Energie benötigt, es entsteht weniger Wärme und das Arbeiten ist
geräuschärmer als bei herkömmlichen Festplatten. Nachteil ist, dass eine Hybridfestplatte vom Betriebssystem
unterstützt werden muss (derzeit nur durch Windows Vista unterstützt) und sich durch den Dauereinsatz, der
Flashspeicher schnell abnutzt. Daher sind Hybridfestplatten auch nicht für die Serverwelt geeignet. Sie stellen
allerdings einen wichtigen Schritt in die richtige Richtung dar, der durch weitere Forschung und Entwicklung
auch in Kombination mit anderen Speichertechnologien in diesem Gebiet schnell zu einem neuen Standard der
Festplattentechnik führen kann. [88]
6.3.2 Hybrid Festplatten
25
6.3.3 Solid State Disks
Abb.-Nr. 19:
Solid State Disk
Bei Solid State Disks (SSD ? siehe Abb.-Nr. 19) sind viele Flash Speicherzellen in größeren Gruppen
hintereinander geschaltet. Verwendet werden hier die sogenannten NAND-Chips, da dieser Speichertyp weniger
Platz benötigt und deutlich mehr Lösch-Schreib-Zyklen zulässt als bei NOR-Chips. SSD`s gibt es in den gängigen
Formfaktorgrößen 3,5-, 2,5- und 1,8-Zoll mit Kapazitäten zwischen 30 und 256 GB. Zudem sind
Formfaktorgrößen im 1,0 Zoll Format z. B. für Kompakt-Notebooks oder Smartphones geplant, bei denen
Hersteller herkömmlicher Festplatten wegen der vorhandenen Mechanik an ihre Grenzen stoßen. Die größten
Vorteile gegenüber herkömmlichen Festplatten sind schnelle Zugriffszeiten, eine kompakte Größe, geringer
Stromverbrauch und Robustheit z. B. gegenüber Erschütterungen. Dem gegenüber stehen Nachteile von zurzeit
noch geringen Kapazitäten, einer beschränkten Zahl an Schreibzugriffen, noch höheren Preisen und niedrigen
Datentransferraten. [89] [90] Geeignet sind SSD vorallem aufgrund ihrer kompakten Bauweise daher besonders für
den mobilen Einsatz, da sie vor allem weniger Energie benötigen, robuster und geräuschärmer sind als
herkömmliche Festplatten. Wenn die Preise weiterhin fallen, werden SSD-Festplatten laut Sun Manager John
Fowler auch für den Serverbereich immer interessanter, da sie deutlich schnellere Zugriffszeiten beim Lesen und
Schreiben sowie geringeren Stromverbrauch gewährleisten. Angekündigt ist bereits eine 1,6 TB SSD im 3,5 Zoll
Format mit über 200 MB/s an Datentransferraten, allerdings vorerst nur für militärische und industrielle Zwecke.
[90]
In Zukunft wird daran gearbeitet die Flash Technik noch weiter zu miniaturisieren. Aktuelle Fertigungsverfahren
erlauben momentane Strukturbreiten von 65 beziehungsweise 45 Nanometern. Ein erst kürzlich gefertigter
34-Nm-Baustein werde das Speichervolumen von SSD noch weiter verdoppeln. Auf einer Fläche von 172
Quadratmillimetern bietet der 32 Gigabit-Chip 4 GB an Daten Platz. Mit den neuen Flash-Bausteinen könnten
schon bald 1,8-Zoll-SSD mit einem Speichervolumen jenseits der 256-GB-Grenze möglich sein. Da die
Entwicklung immer dünnerer Strukturbreiten allerdings aufgrund von Materialproblemen und Leckströmen
(Ströme die unbeabsichtigt abfließen) allmählich an die physikalischen Grenzen stößt und zudem aufwändige
Fertigungsverfahren erfordert, wird auch nach anderen Wegen gesucht, die Flash-Leistung zu verbessern. [90]
Flash-Speicher dürften wohl kaum aufzuhalten sein, ob SSD allerdings in den kommenden Jahren die bewährte
Festplattentechnik komplett ablösen wird, ist fraglich. In speziellen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise für
mobile Rechner oder Smartphones, dürfte sich der neue Speichertyp aufgrund der kompakten Bauweise, sowie
weiteren Vorteilen in Sachen Gewicht und Stromverbrauch, jedoch zügig durchsetzen. Für eine breitere
Akzeptanz der SSD-Technik müssten die Preise allerdings weiter sinken. [90]
6.3.4 Racetrack Memory
6.3.3 Solid State Disks
26
Ebenfalls mehr Leistung und
Kapazität sowie niedrigere
Kosten und geringeren
Stromverbrauch verspricht der
Racetrack Memory. IBM hat mit
dem Racetrack eine alte Technik
des Speicherns neu erfunden.
Speichern in Nanogröße nach
dem Tonbandprinzip mit Hilfe
von Nanofäden. (siehe Abb.-Nr.
20 und 21) Nanofäden oder auch
Nanodrähte genannt, sind
eindimensionale Drähte gemessen Abb.-Nr. 20:
Racetrack Memory
in Nanometern. Das heißt, ihr
Durchmesser beträgt nicht mehr
als nur ein paar 0,000000001
Meter (0,000000001 Meter
entspricht 1 Nanometer ist etwa
ein Tausendstel von einem
einzigen Strang des menschlichen
Haares). [91] [92] [93] Bei diesem
Prinzip werden kleine Nanofäden
der Länge nach waagerecht oder
senkrecht in Form einer Schleife
(Racetrack) auf einer
Siliziumfläche angebracht. Durch
Anlegen präziser Stromimpulse
im Nanosekundenbereich werden
dann nicht die Fäden oder das
Silizium bewegt, sondern die
magnetischen Domain Walls in
den Fäden. [94] Eine Domain Wall
stellt die Begrenzung zwischen
den gegensätzlich gepolten
magnetisierten Regionen in
magnetischen Nanodrähten dar,
wobei jede Domäne ein Bit
repräsentiert. In jedem Racetrack
werden viele Domain Walls
gespeichert und ermöglichen so
eine hohe Speicherdichte. [94] Ziel
wird es sein, viele Tausende
dieser Nanodraht-Speicher, die
zwischen 10 und 100 Bits
speichern können, dicht auf einer
Fläche anzuordnen. Dabei wird
durch die senkrechte Anordnung
eine ganz neuartige
Anordnungsmöglichkeit eröffnet,
nämlich die im Gegensatz zur
6.3.4 Racetrack Memory
Abb.-Nr. 21:
Racetrack Memory 2
27
bisherigen zweidimensionalen,
auch eine dreidimensionale
Architektur. [94] [91] [95]
Der Racetrack Memory ist ein nicht flüchtiger Speicher mit hoher Leistung. Da 16 Bits gleichzeitig statt 1, 2 oder
4 Bits gelesen werden können, ist er 100.000-mal schneller als aktuelle Flashmodule. Gerade einmal einige 10
Nanosekunden werden für den Schreib- und Verschiebezyklus benötigt. Da keine beweglichen Teile verbaut sind,
ist er nahezu unverwüstlich. Der Energieverbrauch ist dabei sehr gering, wodurch auch weniger Hitze entsteht.
Laut IBM soll diese neue Technik in spätestens fünf Jahren serienreif sein und dann gleich die
Flash-Speicherkarte sowie die Festplatte beerben. [91] [96]
6.3.5 Phasenwechselspeicher
Phasenwechselspeicher (Phase-Change-Memory - PCM) wird zurzeit u.a. von Ovonyx, Intel, einer
Forschungsallianz rund um IBM, Macronix und Qimonda, Samsung Electronics und einigen anderen erforscht
bzw. entwickelt. Diese Firmen sind der Ansicht, dass diese Speichertechnik eines Tages den Flash-Speicher
ersetzen wird. [97] [98] [99]
Phase-Change-Memory ist im Gegensatz zu Flash-Speicher schneller (mehr als 500-mal schnellere Schaltung), ist
nicht flüchtig, benötigt beim Schreiben weniger als die Hälfte des Stroms und ist in der Baugröße beträchtlich
kleiner. Flash-Speicher wird voraussichtlich nur Strukturgrößen bis zu 45 Nanometer erreichen können, während
Phase-Change-Memory wahrscheinlich die 22 Nanometer Marke erreichen kann. Als Werkstoff dient eine
komplexe Germanium-Antimon-Legierung mit kleinen Beimengungen anderer Elemente, die der Legierung
zugesetzt werden. [97] [100]
Abb.-Nr. 22:
Zustände des Phasenwechselspeicher
Technisch funktioniert der Phase-Change-Memory nach dem Prinzip der Unterscheidung von unterschiedlichen
Materialzuständen und den dadurch resultierenden Widerstandsveränderungen. Im Innern des Speichers befindet
sich eine Halbleiterlegierung, in der sich die Atome durch Zusetzen eines Stromstoßes mit unterschiedlicher
Amplitude und Dauer schnell in eine amorphe oder kristalline Form versetzen lassen. (siehe Abb.-Nr. 22) Der
Strom, der lediglich einen Volt beträgt ? bei Flash hohe Spannungen, erhitzt das Material bis knapp über den
Schmelzpunkt, wodurch den Atomen die Möglichkeit gegeben wird sich zufällig anzuordnen. Es liegt ein hoher
Widerstand vor. Wird nun der Strom plötzlich unterbrochen, verharren die Atome sofort in ihrer willkürlichen
Form. Wird der Strom allerdings langsam über 10 Nanosekunden gesenkt, bleibt den Atomen genug Zeit sich
wieder zu einer geordneten kristallinen Struktur zu sortieren. Es liegt ein niedriger Widerstand vor. [97] [98]
Das Material kann beim Phase-Change-Memory etwa doppelt so viele Speicherzyklen realisieren wie der
Flash-Speicher und sie müssen nicht blockweise gelöscht werden. In Lizenz wird die Technik des Speichers
bereits heute von allen wiederbeschreibbaren DVD-Varianten eingesetzt. Dort werden allerdings die Reflektionen
zwischen den zwei unterschiedlichen Zuständen des Materials gemessen und nicht dessen Widerstände. [98]
6.3.5 Phasenwechselspeicher
28
6.3.6 Nanoinseln als Datenspeicher
Eine zuvor auf nur wenige Nanometer ultraglatt
polierte Fläche mit einer
Aluminium-/Eisen-Legierung, wird durch einen sehr
fein gebündelten Ionenstrahl (Strahl aus schnellen
geladenen Atomen) strukturiert, wodurch sogenannte
Nanoinseln mit gerade mal einhundert Atomen
entstehen, die sich als superflache einkristalline
Strukturen von rund 20 mal 20 Nanometer zum
Quadrat darstellen (siehe Abb.-Nr. 23). [101] [102]
Mit Hilfe eines spinpolarisierten
Rastertunnelmikroskops, bei dem durch Verwendung
einer metallischen Sondenspitze mittels Tunnelstrom
berührungsfrei eine magnetische Oberfläche lokal
untersucht werden kann, können diese Nanoinseln
nun durch Spinströme (ein Strom elektrischer
Ladungen) gezielt und berührungsfrei in die
Bitzustände ?0? und ?1? geschaltet werden (siehe
Abb.-Nr. 23:
Abb.-Nr. 24). [103]
Nano-Inseln unter dem Mikroskop betrachtet
Welchen magnetischen Zustand die Nanoinsel gerade
hat, kann man an der unterschiedlichen Färbung in
Abb.-Nr. 9 erkennen. Ein dunkles oder helles Signal
auf den Inseln repräsentiert jeweils eine magnetische
Ausrichtung zur magnetischen Spitze. Streifen
tauchen auf kleinen Inseln (z. B. im Einsatz) auf, weil
sie ihre magnetische Lage häufig ändern. [104]
Abb.-Nr. 24:
Nano-Inseln
Im Gegensatz zur konventionellen Technik wird hierbei komplett auf magnetische Felder verzichtet, wodurch
wesentlich mehr Daten auf kleinstem Raum geschrieben werden können und das Schreiben von Informationen
nicht mehr über magnetische Felder realisiert werden muss. Wurde die Datendichte bei konventioneller Technik
bisher zu hoch, beeinflusste das Magnetfeld beim Schreiben eines Bits auch benachbarte Bits, was unweigerlich
zu Datenverlusten führte. [103]
?Daher könnte (strominduziertes Schalten der Magnetisierung) in absehbarer Zukunft das Speichern und
Auslesen von Informationen in einzelne magnetische Atome ermöglichen und zu neuen, revolutionären
Festplattentechnologien führen, deren Speicherdichte bis zu zehntausendfach höher ist als die heutiger
Festplatten.? [105]
6.3.6 Nanoinseln als Datenspeicher
29
6.3.7 MRam
Abb.-Nr. 25:
MRAM Schichten
Neben dem Racetrack Memory, dem Phasenwechselspeicher und den Nanoinseln, wird sich auch von dem
MRAM eine große Zukunft versprochen, die zu einer Ablösung des billigen NAND-Flash-Speichechips führen
könnte. MRAM steht für Magneto-resistive Random Access Memory und nutzt magnetische statt elektrische
Ladungselemente. Es werden die Informationen 0 und 1 durch die Ausrichtung von Magnetpaaren dargestellt.
Dabei ist jedes Atom im MRAM ein kleiner Elektromagnet. Diese Atome stecken in drei verschiedenen
Schichten, zwei aus ferro-magnetischem Material und dazwischen eine dünne Isolierschicht (siehe Abb.-Nr. 25).
Die Richtung der atomaren Magnete ist in der untersten Schicht (Domäne) fest. Die Atommagneten in der oberen
Schicht lassen sich ändern. Dabei sind sie entweder in dieselbe Richtung oder entgegen der Richtung ausgerichtet.
[106] [107]
Beim Lesen wird nun eine Spannung angelegt, wodurch einige Elektronen die dünne Isolierschicht durchdringen
können und ein sogenannter Tunnelstrom fließt. Die Stärke des Tunnelstroms hängt dabei von der Orientierung
der beiden Magnetfelder ab. Wenn die obere und untere Lage parallel ausgerichtet sind, ist der Widerstand gering
und wenn sie antiparallel ausgerichtet sind, ist der Widerstand hoch.
Abb.-Nr. 26:
MRAM Schreib- Lesevorgänge
Zum Schreiben (siehe Abb.-Nr. 26) werden entsprechend die Magnetrichtungen in den Bit- und Zeichenleitungen
zwischen diesen Schichten entsprechend gewählt. [106] [107]
MRAM-Zellen behalten ihren Bitzustand nach dem Lesen, sind daher nicht flüchtig und somit besonders
stromsparend. Zudem kann man in einer MRAM Zelle bis zu 1 Million Mal öfter Informationen speichern als bei
Flash-Bausteinen. [106] [108]
Zurzeit kämpfen Unternehmen wie Infineon, Philips, Motorola oder NEC um eine mögliche Vormachtstellung im
6.3.7 MRam
30
MRAM-Markt. Infineon stellte allerdings kürzlich in Zusammenarbeit mit IBM nach eigenen Angaben den bisher
kleinsten MRAM-Chip vor, der etwa 1000mal schneller sein soll als Flash-Speicher (siehe Abb.-Nr. 27-29). [107]
Abb.-Nr. 27:
MRAM Speicher 1
Abb.-Nr. 28:
MRAM Speicher 2
Abb.-Nr. 29:
MRAM Speicher 3
7 Storage as a Service
Storage as a Service ist mittlerweile zu einem verstärkten Trend geworden und stellt eine einfache Möglichkeit
zur verteilten Datenhaltung dar. Unter Storage as a Service wird die Auslagerung von Dateien bei einem externen
Dienstleister verstanden. Es umfasst heute nicht mehr nur die reine Speicherung von Dateien, der Kunde kann
neben dem Speicherangebot auch eine Vielzahl weiterer Funktionen kostenfrei nutzen oder hinzubuchen. Die
Angebote sind vielfältig und gehen von reinem Datenspeicher bis hin zu Datenspeicher kombiniert mit
Softwarelösungen für z. B. Online-Backups. Grundsätzlich ist es möglich alle Daten des Unternehmens auf einen
externen Datenspeicher auszulagern. Hier sollte man aber die UnternehmHensprozesse, Sicherheitsvorgaben, die
Haftung des Unternehmens bei Verlust von personenbezogenen Daten und das rechtliche Umfeld der teilweise im
Ausland befindlichen Datenspeicher nicht unberücksichtigt lassen. Hierzu ist es wichtig, dass die Daten, obwohl
sie auf unbekannten Datenträgern gespeichert sind, nur dem Unternehmen zugänglich sind und die Löschung der
Dateien in einem zertifizierten Verfahren vorgenommen wird. Ferner sollten alle Dateien sowohl während der
Übertragung als auch auf dem Datenträger selbst verschlüsselt werden können. Durch die Verschlüsselung der
Daten während der Kommunikation und dem damit verbundenen Geschwindigkeitsverlust ist das Unternehmen
auf eine entsprechende, möglichst redundante, Breitband Standleitung zum externen Rechenzentrum angewiesen.
Die hierdurch entstehenden Kosten sollte man bei der Entscheidung für eine Auslagerung berücksichtigen.
Interessant ist SaaS schon heute für die längerfristige Auslagerung und Archivierung von Dateien oder die
Sicherung der eigenen Datenbestände, da in diesen Fällen nur ein sporadischer Zugriff auf die Daten erfolgt und
die Bandbreite der Leitung nicht so ausschlaggebend ist.[109] [110]
7.1 Symantec Online Backup
Symantec bietet im Rahmen seines Norton Online Backup Produktes für kleine Unternehmen und Heimanwender
einen Cloud basierten Speicher Service für PC und einzelne Server an. Die Daten werden in der ersten Sicherung
als Fullbackup, alle weiteren inkrementell gesichert und über eine Internetverbindung auf einem Cloud Storage
von Symantec gespeichert. Benutzer können sich von jedem Rechner, der an das Internet angeschlossen ist, an
einem Webportal anmelden und das Backup von bis zu fünf PC administrieren. Hier können die gängigen
Backupfunktionen wie Einstellungen für die Sicherung und die Wiederherstellung der Dateien für jeden einzelnen
PC konfiguriert werden (siehe Abb.-Nr. 30 und 31). Die Sicherung kann während vordefinierter Zeiten oder bei
Inaktivität des PC durchgeführt werden. Hierfür werden die Daten lokal komprimiert, während des Transfers mit
einer 128 Bit AES Schlüssel verschlüsselt und auf dem Cloud-Storage mit einer 258 Bit AES Verschlüsselung
abgelegt. Das Backup wird mehrfach kopiert und an weiteren Stellen für ein disaster recovery hinterlegt. Die
7 Storage as a Service
31
Backupdateien können je nach Servicelevel bis zu 7 Jahre aufbewahrt werden. Für Backup Exec dem Enterprise
Sicherungsprogramm von Symantec gibt es nun auch eine Online Sicherung. Das Verfahren gleicht der
Online-Sicherung für kleinere Systeme, es wird aber über einen im Unternehmen befindlichen Sicherungsserver
eine Kopie der Backupdateien in dem Cloud-Datenspeicher abgelegt.[111] [112] Ein ähnliches Produkt mit gleichem
Konzept bietet F-Secure, McAfee in Zusammenarbeit mit EMC und Iron Mountain Digital für den Microsoft
System Center Data Protection Manager 2007 an.[113]
bb.-Nr. 30: Verzeichnisbaum im Symantec-Online-Backup
Abb.-Nr. 31: Webseite für die Administration des
Symantec-Online-Backup
7.2 EMC Atmos
EMC bietet speziell für Unternehmen, einen online Datenspeicher zur Auslagerung großer Datenmengen an.
Atmos onLine ist zurzeit noch in der Betaphase. Die Besonderheit an diesem Cloud basierten Dienst besteht in
der Möglichkeit, flexibel zusätzlichen Speicherplatz hinzu buchen zu können, um Spitzen in der Produktion
abzufangen und nach Bedarf über eine Funktion "EMC Atmos internal to external Federation" Daten gesichert
vom Unternehmensserver, in dem Online-Speicher nach belieben hin und her zu bewegen. Hierdurch kann das
Unternehmen selber entscheiden, ob es sensible Daten weiterhin im Unternehmen belässt oder in der Cloud
speichert.[114]
Grundlage ist die EMCs Multi-Petabyte-Lösung Atmos. Sie ermöglicht eine global vernetzte Speicherung und
Verteilung von Informationen. Die Atmos-Lösung ist eine vorkonfigurierte Storageeinheit, die in Kapazitäten von
120, 240 und 360 Terabyte auf dem Markt ist. Sie lässt sich durch eine Management Software wahlweise zu
großen Datenspeichern miteinander verbinden.
7.1 Symantec Online Backup
32
Abb.-Nr. 32: Aufbau eines EMC Atmos
Diese lassen sich nicht nur in einem Rechenzentrum vorhalten, sondern weltweit miteinander vernetzten, was das
mögliche Datenvolumen noch einmal erheblich vergrößert. Die Datenablage geschieht über eine regelbasierte und
automatisierte Informationsverteilung. Diese schreibt vor, wie, wann und wo Informationen gespeichert werden.
Atmos onLine wird über eine Web Service-API oder über CIFS/NFS/IFS angesprochen und kann somit auch
durch eigene Applikationen Verwendung finden (siehe Abb.-Nr. 32).
Atmos onLine bietet eine umfangreiche Anzahl von Funktionen:
• Globaler Zugang zum Datenspeicher
• Regelbasierte automatische Informationsverteilung. Diese schreibt vor, wie, wann und wo Informationen
gespeichert werden.
• Verwendung von Objekt-Metadaten, um die Content-Verteilung und Aufbewahrungsregeln zu verfeinern,
Suchläufe zu optimieren oder individuelle Abfragen für Cloud-basierte Dienste zu erstellen.
• Replikation, Komprimierung, Deduplizierung, Versionen verwalten
• Einheitlicher Namespace, um einen standortunabhängigen Dauerzugriff sicherzustellen und die
Komplexität zu verringern.
• Partionierung der Datenbereiche je nach Funktion, um unerlaubten Zugriff vorzubeugen
• Zugriffsmechanismen über eine Web Service-API (REST/SOAP) für Internet-basierte Anwendungen
oder Legacy-Protokolle (CIFS/NFS/IFS) für dateibasierte Systeme.
• browserbasierte Administration.[115] [116]
8 Fazit
Verteilte Datenhaltung wird zukünftig nicht nur in Unternehmen, sondern auch für die Privatpersonen zu einem
wichtigen Aspekt bei der Vermeidung von Datenverlusten. Sie ist ein Zusammenspiel vieler Komponenten der
IT-Infrastruktur. Neben reiner Software, wie z. B. Netzwerk Dateisysteme, erlangen die Hardwarekomponenten,
wie Netzwerke und schnelle Datenspeicher, eine immer größere Bedeutung bei der Bewältigung großer
Datenmengen. Grundlage der verteilten Datenhaltung ist ein schnelles, hochverfügbares Netzwerk für die
reibungslose Kommunikation der einzelnen Komponenten. Die neuen Internetanbindungen, wie Glasfaser bis
zum Haus (FTTH), Mobilfunk in jetziger DSL-Geschwindigkeit und WLAN, das bis zu 600 MBit/s schnell ist,
werden zum Standard für Privatanwender werden und auch bei mobilen Geräten eine verteilte Datenhaltung
ermöglichen. Im Bereich der Unternehmen werden bis zu 100 GBit schnelle Backbone Netzwerke eine weitere
7.2 EMC Atmos
33
Verbreitung finden. Für ein immer weiter anwachsendes Volumen der Datenbestände werden Techniken zur
Herstellung immer leistungsfähigerer Datenträger gesucht. Einige Ansatzpunkte sind der Flash Speicher, der
schon in Hybridfestplatten oder immer häufiger in reinen Flash-Festplatten (Solid-State-Disks) zu finden ist. Das
Resultat sind immer schnellere und gegen Umwelteinflüsse unempfindlichere Datenspeicher. Diese können zu
widerstandsfähigen Speichereinheiten zusammengefasst werden. Auf dieser Technologie aufbauend, geht der
Trend zu einer immer stärkeren Miniaturisierung der Speichereinheiten, bis hin zur Datenspeicherung auf
atomarer Ebene, wie bei der Racetrack Memory Technik, dem Phasenwechselspeicher und den Nanoinseln. Hier
liegt auch das größte Potential zum Ausbau der Speicherkapazitäten. Einfache Technologien zur verteilten
Datenhaltung sind hauptsächlich Weiterentwicklungen und Zusammenfassungen schon existierender Techniken.
Hier ist im Besonderen das iSCSI zu nennen, welches eine Anbindung von netzwerkbasierten Speichern wie NAS
und somit eine dezentrale Datenhaltung ermöglicht. Ein großes Potential für die verteilte Datenhaltung zur
Vermeidung von Datenverlusten bietet das Cloud-Computing wie z. B. Microsoft Live Mesh. Cloud-Computing
ist noch in den Anfängen, hat aber das Potential zu einem neuen Standard in der verteilten Datenhaltung zu
werden. Neben einer Breitbandanbindung an die Cloud sollte der Benutzer besonderes Augenmerk auf die
Datensicherheit, Zugriffsberechtigungen und die rechtlichen Anforderungen an die Datenhaltung legen, da der
Speicherort der Dateien unbekannt ist und sich in einem anderen Rechtsgebiet befinden kann. In Zukunft wird
neben dem Cloud-Speicher auch der häufig zusätzlich angebotene Storage as a Service an Bedeutung gewinnen.
Neben Diensten für Online-Backup und Office-Applikationen, werden Möglichkeiten zur dauerhaften
Archivierung der Daten angeboten. Auch hierbei sind die rechtlichen Grundlagen und die technische Realisierung
zu prüfen. Sind die Daten nur dem autorisierten Nutzer zugänglich, welche Sicherungsmaßnahmen gegen
Datenverlust werden angeboten, kann der Anbieter gewährleisten, dass die rechtliche Grundlage mit dem
innerdeutschen Recht konform ist. Alle diese Aspekte tragen zu einer verteilten Datenhaltung zur Vermeidung
von Datenverlust bei und sind in vielen Fällen voneinander abhängig. Ohne Breitbandanbindung ist Storage as a
Service nur eingeschrängt zu nutzen, ohne große Datenträgerkapazitäten ist eine Cloud nur ein "Wölkchen".
9 Fußnoten
1. ? 1,0 1,1 1,2 entnommen LaCie (2009)
2. ? 2,0 2,1 2,2 entnommen pc-erfahrung (2009)
3. ? entnommen IBM (2009)
4. ? entnommen Microsoft (2009 c)
5. ? entnommen Microsoft (2009 c)
6. ? entnommen ZumoDrive (2009)
7. ? entnommen Neuroth, Kerzel, Gentzsch (2007)
8. ? entnommen Neuroth, Kerzel, Gentzsch (2007)
9. ? entnommen pNFS.org (2009)
10. ? entnommen Kolbeck (2009)
11. ? 11,0 11,1 entnommen ITWissen
12. ? 12,0 12,1 entnommen Benz, Benjamin (2006)
13. ? entnommen Computerwoche (2008)
14. ? entnommen Searchstorage (2007a)
15. ? entnommen Searchstorage (2008)
16. ? entnommen Tecchannel (2003 a)
17. ? entnommen Science (2007)
18. ? entnommen Sonderforschungsbereich 668 (2009)
19. ? entnommen Tecchannel (2003 b)
20. ? 20,0 20,1 20,2 20,3 entnommen IBM-Research News
21. ? entnommen Symantec Corporation (2008)
22. ? entnommen Symantec Corporation (2008)
8 Fazit
34
23. ? entnommen EMC Corporation (2009 a)
24. ? vgl. bitkom (2007)
25. ? vgl. bitkom (2008)
26. ? UStG § 14b IV (1)
27. ? 27,0 27,1 27,2 vgl. Tanenbaum, Steen (2007)
28. ? vgl. BSI HV-Kompendium
29. ? vgl. DIN 44 300
30. ? vgl. Uni Heidelberg
31. ? 31,0 31,1 31,2 31,3 vgl. BSI (2009 a)
32. ? vgl. FAZ-Institut (2004
33. ? vgl. Baker, Faibish et al. (2008)
34. ? vgl. OpenAFS.org (2009)
35. ? vgl. Herte (2001)
36. ? 36,0 36,1 36,2 36,3 36,4 36,5 vgl. Kolbeck, Stender et al. (2009)
37. ? vgl. Sun Microsystems (2008)
38. ? vgl. Oracle (2009)
39. ? vgl. Ghemawat, Gobioff, Shun-Tak (2003)
40. ? vgl. Hildrum (2002)
41. ? vgl. Josey (2006)
42. ? 42,0 42,1 42,2 42,3 vgl. NetApp (2006)
43. ? 43,0 43,1 vgl. Bunn (2006)
44. ? vgl. Patterson (1988)
45. ? vgl. LaCie (2009 b)
46. ? vgl. LaCie (2009)
47. ? vgl. NetApp (2009)
48. ? vgl. IBM (2009 b)
49. ? vgl. NAS-Central.org (2009)
50. ? vgl. AVM (2009)
51. ? vgl. FreeNAS.org (2009)
52. ? vgl. IBM (2009 c)
53. ? vgl. Satran, Meth et al. (2004)
54. ? vgl. Microsoft (2009 a)
55. ? vgl. Microsoft (2009 b)
56. ? vgl. Microsoft (2009 c)
57. ? vgl. Microsoft (2009 d)
58. ? vgl. ZumoDrive (2009)
59. ? vgl. Forster (2003)
60. ? vgl. Subramaniam, Nakata et al. (2009)
61. ? vgl. Müller-Pfeferkorn, Nagel (2007)
62. ? vgl. D-Grid Initiative (2009)
63. ? vgl. Neuroth, Kerzel, Gentzsch (2007)
64. ? 64,0 64,1 64,2 vgl. Sun Microsystems (1989)
65. ? vgl. Eisler (2006)
66. ? vgl. Thurlow (2009)
67. ? vgl. Microsoft (2008)
68. ? vgl. Reaburn (2005)
69. ? vgl. Beame, Callaghan et al.(2003)
70. ? vgl. Arbor (2009)
71. ? vgl. Baker, Faibish, Fields (2008)
72. ? vgl. pNFS.com(2009)
73. ? vgl. Eisler, Konkle (2008)
9 Fußnoten
35
74. ? vgl. Haynes (2009)
75. ? vgl. Halevy (2009)
76. ? vgl. Kolbeck (2009)
77. ? vgl. Draka (2008)
78. ? vgl. Juniper (2009)
79. ? vgl. Heise Verlag Netz (2009b)
80. ? vgl. Microsoft (2008b)
81. ? vgl. GTN
82. ? vgl. Bundesnetzagentur (2009)
83. ? vgl. FON (2009)
84. ? vgl. Benz, Benjamin (2006)
85. ? vgl. Comptech-Info (2007)
86. ? 86,0 86,1 86,2 86,3 86,4 86,5 Benz, Benjamin (2006)
87. ? vgl. ITWissen
88. ? vgl. Afib-It (2007)
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