Übungsaufgaben zu Speichersystemen: DAS, NAS, SAN, Deduplizierung und Zuordnungseinheiten

Geg.: 2 Gehäuse mit je 4 Platten zu 6\,\mathrm{TB}, RAID 5 (eine Platte für Parität)

Ges.: Nettokapazität gesamt

C_{netto} = 2 \cdot (4 - 1) \cdot 6\,\mathrm{TB} = \underline{\underline{36\,\mathrm{TB}}}

C_{netto} = \frac{36 \cdot 10^{12}\,\mathrm{Byte}}{2^{40}\,\frac{\mathrm{Byte}}{\mathrm{TiB}}} \approx \underline{\underline{32{,}742\,\mathrm{TiB}}}

Bewertung: Plattenzahl RAID 5 richtig (1 P), Ergebnis in TB (1 P), Umrechnung in TiB (1 P).

Bewertung: je Zelle 1 P. Andere sinnvolle Angaben sind möglich (z. B. 10-Gbit/s-NAS wäre schneller als USB).

Drei der folgenden, je 2 P:

• Bessere Ausnutzung: Freier Speicher wird dort zugeteilt, wo er gebraucht wird; srv-foto läuft nicht voll, während auf srv-cad Platz frei ist.

• Einfache Erweiterung an einer Stelle (weitere Platten oder Erweiterungsgehäuse), ohne die Server anzufassen.

• Zentrale Verwaltung von Rechten, Kontingenten und Überwachung; nur ein System muss gesichert werden.

• Beide Server und weitere Systeme können auf dieselben Daten zugreifen; fällt ein Server aus, bleiben die Daten erreichbar.

• Redundanz (Netzteile, Netzwerkanschlüsse, USV) lohnt sich für ein System eher als für mehrere.

Drei der folgenden, je 1 P:

• geringerer Stromverbrauch, kompakter, für Dauerbetrieb ausgelegt,

• vorkonfiguriert: RAID, Freigaben, Benutzerverwaltung und Sicherungsfunktionen über eine Weboberfläche, kein Server-Betriebssystem nötig,

• Platteneinschübe mit Hot Swap, Plattenüberwachung und Benachrichtigung,

• weniger Wartung und kleinere Angriffsfläche (nur benötigte Dienste),

• keine Lizenzkosten für ein Server-Betriebssystem; neue, für den Dauerbetrieb vorgesehene Hardware statt eines Altgeräts.

Zugriff über die Weboberfläche: Jonas ermittelt die IP-Adresse des NAS (Hersteller-App/Suchprogramm, DHCP-Tabelle des Routers oder Display) (1 P), ruft sie in einem Browser auf, möglichst über HTTPS (z. B. https://192.168.10.30:5001) (1 P), und meldet sich mit einem Administrationskonto an; bei der Ersteinrichtung ändert er das Standardkennwort und richtet dann RAID und Freigaben ein (1 P).

Alternativ: SSH-Zugang über die Kommandozeile oder die Verwaltungs-App des Herstellers.

Zwei der folgenden, je 2 P (Maßnahme 1 P, Begründung 1 P):

• Platten mit niedriger Drehzahl (5.400 min⁻¹) oder 2,5″-Platten bzw. SSDs verwenden, weil sie weniger Leistung aufnehmen.

• Wenige große statt vieler kleiner Platten und ein RAID-Level mit gutem Verhältnis von Netto- zu Bruttokapazität wählen; jede Platte weniger spart Dauerleistung.

• Ruhezustand der Platten (Spin-down) bei Inaktivität, z. B. nachts und am Wochenende, bzw. zeitgesteuertes Herunterfahren.

• Hot-Spare-Platte erst bei Bedarf hochfahren lassen.

• Effizientes Netzteil und stromsparende Plattform wählen.

ga) Die Zuordnungseinheit (Cluster) ist der kleinste Speicherplatz, den eine Datei belegen kann. Eine Datei belegt immer ganze Zuordnungseinheiten; ist sie kein Vielfaches davon, bleibt der Rest der letzten Einheit ungenutzt (1 P). Je größer die Zuordnungseinheit, desto mehr Platz geht bei vielen kleinen Dateien verloren (1 P).

gb) Ges.: belegter Speicher

Jede Datei (1.300\,\mathrm{Byte} < 4\,\mathrm{KiB}) belegt genau eine Zuordnungseinheit:

S_{4} = 18.000 \cdot 4\,\mathrm{KiB} = \frac{72.000\,\mathrm{KiB}}{1.024\,\frac{\mathrm{KiB}}{\mathrm{MiB}}} \approx \underline{\underline{70{,}313\,\mathrm{MiB}}}

S_{64} = 18.000 \cdot 64\,\mathrm{KiB} = \frac{1.152.000\,\mathrm{KiB}}{1.024\,\frac{\mathrm{KiB}}{\mathrm{MiB}}} = \underline{\underline{1.125\,\mathrm{MiB}}}

Bewertung: Erkenntnis „eine Einheit je Datei“ (1 P), je Ergebnis 1 P. Zum Vergleich: Die Nutzdaten sind nur rund 22,3 MiB groß.

gc) Je 2 P:

• Kleine Zuordnungseinheiten (z. B. 4 KiB) für das Volume mit vielen kleinen Dateien wie den Steuerdateien, Konfigurations- und Office-Dateien: wenig Verschnitt, der Speicher wird effizient genutzt.

• Große Zuordnungseinheiten (z. B. 64 KiB) für ein Volume mit den Produktfotos, Videos oder Sicherungsdateien: Der Verschnitt fällt bei großen Dateien kaum ins Gewicht, die Dateien liegen zusammenhängend, und der Verwaltungsaufwand sinkt.

Bewertung: Anbindung 2 P, Zugriffsebene 2 P, Protokoll 1 P, Adressierung 1 P.

• Fibre Channel (FC): eigenes Übertragungsverfahren mit eigenen FC-Switches und HBAs, meist über Lichtwellenleiter; sehr schnell (z. B. 32 oder 64 Gbit/s) und latenzarm, aber teuer und mit Spezialwissen verbunden (2 P).

• iSCSI: überträgt SCSI-Befehle in TCP/IP-Paketen über normales Ethernet; nutzt vorhandene, preiswerte Netzwerktechnik und vertrautes Know-how, ist aber von der Ethernet-Geschwindigkeit abhängig und sollte in einem eigenen Netz bzw. VLAN laufen (2 P).

Server-Spalte von oben nach unten: SCSI, iSCSI, TCP, IP, Ethernet (MAC/LLC) – je Feld 0,5 P, also 2,5 P; 0,5 P für die Erkenntnis, dass beide Seiten den gleichen Stapel nutzen (Schicht 6 bis 2 identisch).

iqn.2019-03.example.schul-it-owl:backup-01

Bewertung: Präfix iqn. (1 P), Datum 2019-03 (1 P), umgekehrte Domäne example.schul-it-owl (1 P), :backup-01 (1 P).

Bewertung: SAN-Switch(es) als eigenes Netz zwischen Servern und Speicher (1 P), beide Server an das SAN angeschlossen (1 P), beide Speichersysteme angeschlossen (1 P), Redundanz durch zwei getrennte Fabrics bzw. doppelte Anbindung (1 P). Das LAN bleibt unverändert.

Je 1 P, z. B.:

• dafür: eigenes Netz, daher hohe Übertragungsrate und keine Beeinflussung durch den übrigen LAN-Verkehr; Blockzugriff, wie ihn Virtualisierungs-Cluster und Datenbanken brauchen; mehrere Server greifen auf mehrere Speichersysteme zu (gut skalierbar); große Entfernungen bzw. Standortspiegelung möglich.

• dagegen: hohe Kosten für Switches, HBAs und Speichersysteme; höherer Planungs- und Verwaltungsaufwand und Spezialwissen; für eine reine Dateiablage der Verwaltung nicht nötig.

Geg.: 4 Platten zu 20\,\mathrm{TB} im RAID 6 (+ Hot Spare); Auslastung höchstens 80\,\%; Altbestand 24\,\mathrm{TiB} \cdot 0{,}85; Zuwachs 1.200\,\mathrm{GiB/Jahr}

ga) Ges.: Nettokapazität

C_{netto} = (4 - 2) \cdot 20\,\mathrm{TB} = 40\,\mathrm{TB} = \frac{40 \cdot 10^{12}\,\mathrm{Byte}}{2^{40}\,\frac{\mathrm{Byte}}{\mathrm{TiB}}} \approx \underline{\underline{36{,}380\,\mathrm{TiB}}}

Bewertung: RAID 6 mit zwei Paritätsplatten und ohne Hot Spare (1 P), 40 TB (1 P), Umrechnung (1 P).

gb) Ges.: Reichweite in vollen Jahren

S_{nutzbar} = 36{,}380\,\mathrm{TiB} \cdot 0{,}8 \cdot 1.024\,\frac{\mathrm{GiB}}{\mathrm{TiB}} \approx 29.802{,}3\,\mathrm{GiB}

S_{Bestand} = 24\,\mathrm{TiB} \cdot 0{,}85 \cdot 1.024\,\frac{\mathrm{GiB}}{\mathrm{TiB}} = 20.889{,}6\,\mathrm{GiB}

\text{Jahre} = \frac{S_{nutzbar} - S_{Bestand}}{\text{Zuwachs}} = \frac{29.802{,}3\,\mathrm{GiB} - 20.889{,}6\,\mathrm{GiB}}{1.200\,\frac{\mathrm{GiB}}{\mathrm{Jahr}}} \approx 7{,}427\,\mathrm{Jahre}

Das SX-24 reicht \underline{\underline{7\ \text{volle Jahre}}} (abgerundet, im 8. Jahr wird die 80-%-Grenze überschritten).

Bewertung: nutzbare Kapazität (1 P), Altbestand (1 P), Differenz (1 P), Division (1 P), Abrunden mit Begründung (1 P). Folgefehler aus ga) werden nicht erneut abgezogen.

Die eingehenden Daten werden in Abschnitte (Chunks) variabler Größe von 8 bis 64 KiB zerlegt (1 P). Für jeden Abschnitt wird ein Hashwert (Fingerabdruck, SHA-256) berechnet (1 P) und mit einem Index der bereits gespeicherten Hashwerte verglichen (1 P). Ist der Abschnitt neu, wird er (komprimiert) gespeichert (1 P); ist er schon vorhanden, wird er nicht erneut geschrieben, sondern nur ein Verweis auf die vorhandene Kopie abgelegt (1 P). Dies geschieht „inline“, also bevor die Daten auf die Platten geschrieben werden.

Zwei der folgenden, je 2 P:

• mehr Sicherungsstände auf weniger Speicherplatz (geringere Kosten für Platten),

• Sicherungen sind schneller fertig, weil nur neue Abschnitte geschrieben werden,

• die Replikation in das zweite Rechenzentrum braucht deutlich weniger WAN-Bandbreite,

• hohe Einsparung bei täglichen Vollsicherungen (Faktor 10 bis 30).

Geg.: 14 Vollsicherungen zu 800\,\mathrm{GiB}; täglich 2\,\% neue Daten; Kompression um 40\,\%

ca) Ges.: S_{ohne}, S_{dedup}

S_{ohne} = 14 \cdot 800\,\mathrm{GiB} = \underline{\underline{11.200\,\mathrm{GiB}}}

Die erste Sicherung wird vollständig gespeichert, von den 13 weiteren nur die neuen Abschnitte:

S_{dedup} = 800\,\mathrm{GiB} + 13 \cdot 0{,}02 \cdot 800\,\mathrm{GiB} = 800\,\mathrm{GiB} + 208\,\mathrm{GiB} = \underline{\underline{1.008\,\mathrm{GiB}}}

Bewertung: S_{ohne} (1 P), Ansatz erste Sicherung voll + 13 × Änderungen (1 P), Ergebnis (1 P).

cb) Ges.: Deduplizierungsrate, S_{dedup+komp}

\text{Rate} = \frac{11.200\,\mathrm{GiB}}{1.008\,\mathrm{GiB}} = \frac{100}{9} \approx \underline{\underline{11{,}111 : 1}}

S_{dedup+komp} = 1.008\,\mathrm{GiB} \cdot (1 - 0{,}4) = \underline{\underline{604{,}8\,\mathrm{GiB}}}

Bewertung: Rate (1 P), Faktor 0,6 statt 0,4 (1 P), Ergebnis (1 P).

• Deduplizierung (2 P): sucht gleiche Dateien oder Blöcke zwischen verschiedenen Daten und speichert jeden Inhalt nur einmal, alle weiteren Vorkommen als Verweis; immer verlustfrei. Beispiel (1 P): tägliche Vollsicherungen, viele VMs mit gleichem Betriebssystem, derselbe Mailanhang in vielen Postfächern.

• Kompression (1 P): codiert Daten innerhalb einer Datei bzw. eines Datenstroms kürzer, indem Redundanz entfernt wird.

• Verlustfreie Kompression (1 P): Die Originaldaten lassen sich exakt wiederherstellen. Beispiel (1 P): ZIP-Archiv, Datenbank-Dump, Programmdateien, Logdateien.

• Verlustbehaftete Kompression (1 P): Weniger wichtige Informationen werden weggelassen; das Original ist nicht mehr exakt herstellbar, dafür ist die Ersparnis größer. Beispiel (1 P): Profilfotos als JPEG, Videos als H.264.

Verschlüsselung und Kompression verändern schon bei kleinen Änderungen am Original große Teile der erzeugten Datei; die Daten wirken wie Zufallsdaten (1 P). Gleiche Inhalte zweier Sicherungen ergeben daher keine gleichen Blöcke mehr und damit keine gleichen Hashwerte (1 P). Die Deduplizierung findet kaum Duplikate. Besser: zuerst deduplizieren, dann komprimieren und verschlüsseln, z. B. durch die Verschlüsselung im Sicherungsspeicher bzw. auf dem Transportweg (1 P).

• Replikation (2 P): Der Datenbestand wird laufend (synchron oder mit kurzem Zeitversatz asynchron) auf ein zweites System, hier im zweiten Rechenzentrum, übertragen. So bleibt bei Ausfall oder Zerstörung des ersten Standorts eine aktuelle Kopie erhalten, und Datenverlust zwischen zwei Sicherungen wird vermieden.

• WORM-Speicherung (Write Once Read Many, 2 P): Daten werden einmal geschrieben und können danach bis zum Ablauf einer Frist nur gelesen, aber weder geändert noch gelöscht werden. Das schützt vor Manipulation und Ransomware und erfüllt Anforderungen an revisionssichere Archivierung.

• Begründung (2 P): Die Replikation überträgt jede Änderung, also auch versehentliches Löschen, logische Fehler oder eine Verschlüsselung durch Ransomware, sofort auf die Kopie. Ältere Stände gibt es nur in einer Datensicherung mit mehreren Generationen.

Ein Snapshot speichert nur Verweise auf die vorhandenen Blöcke und danach die Änderungen; er liegt auf denselben Platten und hängt von denselben Verwaltungstabellen ab wie das Original (1 P). Bei einem Hardwaredefekt des Speichersystems, einem Fehler in den Zuordnungstabellen, Brand oder Diebstahl sind Original und Snapshots gleichzeitig verloren (1 P). Eine Datensicherung muss getrennt vom Original auf einem anderen Medium bzw. an einem anderen Ort liegen (3-2-1-Regel); Snapshots ergänzen sie nur, z. B. für schnelles Zurückholen oder als konsistente Quelle der Sicherung (1 P).