Datensicherung

Grundidee und Zweck

Datensicherung, englisch Backup, bedeutet das Anlegen mindestens einer Kopie von Daten auf anderen Datenträgern. Ziel ist, bei Datenverlust die Originaldaten wiederherstellen zu können. Sie ist deshalb eine grundlegende Maßnahme der Datensicherheit. Die gesicherten Daten heißen Sicherungskopie oder Backup; das Wiederherstellen heißt Datenwiederherstellung, Datenrücksicherung oder Restore.

Eine Sicherung sollte in einer sicheren Umgebung aufbewahrt werden, möglichst räumlich weit entfernt von der EDV-Anlage. Häufig wird zusätzlich ein anderes Speichermedium genutzt, um technische Risiken zu verringern. Privatpersonen verwenden oft externe USB-Festplatten, NAS-Systeme oder Wechselplatten. NAS-Systeme können zusätzlich mit RAID arbeiten, sodass Daten beim Ausfall einer einzelnen Festplatte weiter verfügbar bleiben. Für Langzeitarchivierung kommen zum Beispiel Bankschließfächer infrage. Online-Datensicherung in der Cloud liegt außer Haus, meist in einem Rechenzentrum; dabei müssen der Datentransfer und der Zugriff durch Dienstleister abgesichert sein. Größere Unternehmen nutzen etwa feuersichere Safes, gesicherte Räume oder mehrere Standorte und Rechenzentren.

Wichtige Sicherungsarten

Bei einer Komplett- oder Vollsicherung werden die ausgewählten Daten vollständig auf das Sicherungsmedium kopiert und als gesichert markiert. Gesichert werden können ein ganzes Laufwerk, eine Partition, bestimmte Verzeichnisse, Dateien oder Dateiformate. Die Vollsicherung ist technisch einfach, braucht aber bei großen Datenmengen viel Speicherplatz und Zeit. Manche Dateisysteme erlauben Snapshots: ein lesbarer Zustand der Daten wird gesichert, während Änderungen im Hintergrund per Copy-On-Write festgehalten werden. So bleibt die Sicherung konsistent.

Bei einer Speicherabbildsicherung, englisch Image Backup, wird ein kompletter Datenträger oder eine Partition als 1-zu-1-Abbild gespeichert. Dadurch können nicht nur Nutzdaten, sondern auch Dateisystem, Betriebssystem, Programme und Benutzereinstellungen gesichert werden. Nach einem Totalausfall kann der Zustand des Datenträgers zum Sicherungszeitpunkt vollständig wiederhergestellt werden.

Bei einer differenziellen Sicherung werden alle Dateien gespeichert, die seit der letzten Komplettsicherung geändert wurden oder neu hinzugekommen sind. Sie spart gegenüber einer neuen Vollsicherung Zeit und Speicherplatz. Ein differenzieller Sicherungsstand hängt nur von der letzten Komplettsicherung ab. Nachteilig ist das Verfahren bei großen Dateien, die sich häufig geringfügig ändern, etwa virtuellen Maschinen, Datenbanken oder Postfach-Dateien, weil dann oft die ganze Datei erneut gesichert wird.

Bei einer inkrementellen Sicherung werden nur Dateien oder Dateiteile gespeichert, die seit der letzten inkrementellen Sicherung oder, beim ersten Mal, seit der letzten Komplettsicherung geändert oder hinzugefügt wurden. Bei der Wiederherstellung müssen mehrere Sicherungen in richtiger Reihenfolge zusammengesetzt werden; die Kette bis zur letzten Vollsicherung muss fehlerfrei nachvollziehbar sein, etwa durch Datumsstempel oder Prüfsummen. Üblich sind Forward Deltas, bei denen die Vollsicherung unverändert bleibt und Inkremente darauf aufbauen. Bei Reverse Deltas wird die Vollsicherung bei jeder Sicherung aktualisiert, während ältere Daten in Inkrementen gespeichert werden. Inkrementelle Sicherungen brauchen wenig Speicherplatz, sind aber wegen der Verkettung schwer zu bereinigen.

Änderungen, Verschlüsselung und Strategien

Backup-Programme müssen erkennen, welche Dateien verändert wurden. Manche Dateisysteme setzen dafür Dateiattribute, zum Beispiel das Archivbit bei FAT und NTFS. Fehlen solche Attribute, vergleicht die Software etwa Dateidatum, Dateigröße oder Prüfsummen wie SHA-1. Beispiele aus dem Artikel: tar nutzt Zeitstempel, rdiff-backup Zeitstempel und Dateigrößen, duplicity zusätzlich SHA-1.

Verschlüsselte Daten können Probleme verursachen. Wenn mehrere Backups leicht veränderter verschlüsselter Dateien vorliegen, können verschiedene Versionen für Kryptoanalyse nützlich sein. Außerdem speichern manche Verschlüsselungstools, etwa TrueCrypt, kein Änderungsdatum und verändern die Dateigröße nicht. Dann erkennt eine Backup-Software Änderungen unter Umständen nicht, sofern sie nicht mit Prüfsummen arbeitet.

Eine bekannte Strategie ist die 3-2-1-Regel: Daten sollen in dreifacher Ausführung gespeichert werden, auf zwei verschiedenen Medientypen wie Festplatte, Magnetband, DVD oder Cloud, und eine Kopie soll an einem anderen Standort liegen. Die Weiterentwicklungen 3-2-1-0 oder 3-2-1-1-0 ergänzen: Eine Kopie soll offline sein, also vom Netzwerk getrennt, oder durch WORM-Systeme vor Änderung und Löschung geschützt. Die 0 steht für „Null Fehler“: Daten sollen schon beim Backup verifiziert werden, und regelmäßige Wiederherstellungstests sollen zeigen, dass die Rücksicherung funktioniert.

FIFO, First in, first out, begrenzt die Zahl der Sicherungen, indem die älteste Vollsicherung und davon abhängige Sicherungen gelöscht werden. Beim Großvater-Vater-Sohn-Prinzip werden Sicherungen in verschiedenen Zeitabständen erstellt: Sohn-Backups meist werktäglich, Vater-Backups am Ende der Woche, Großvater-Backups am Ende des Monats. Time Machine auf macOS nutzt eine ähnliche Idee mit stündlichen Backups für die letzten 24 Stunden, täglichen Backups für den letzten Monat und monatlichen Backups, die erst bei Platzmangel gelöscht werden.

Planung, Umfang und Pflichten

Anzahl und Umfang der Sicherungen hängen davon ab, welche Daten gesichert werden. Stammdaten ändern sich meist seltener als Bewegungs- oder Vorgangsdaten, sind aber für viele Abläufe grundlegend. Für Buchführungsdaten gibt es in Deutschland gesetzliche Vorgaben. Elektronische Archivsysteme und damit auch Datensicherungen müssen unter anderem Anforderungen des Handelsgesetzbuches (§ 239, § 257), der Abgabenordnung (§ 146, § 147), der GoBD sowie weiterer steuer- und handelsrechtlicher Vorgaben erfüllen.

Mit der Strategie der Türme von Hanoi lässt sich die Zahl benötigter Datenträger bei Vollsicherungen planen. Bei täglicher Sicherung reicht man mit n Medien 2^{n-1} Tage, bis das letzte Medium überschrieben wird. Mit drei Medien bleiben Backups von vor vier Tagen erhalten, bei vier Medien acht Tage, bei fünf Medien 16 Tage. Wiederherstellungen sind je nach Medienzahl aus Abständen von 1, 2, 4, 8, 16, …, 2^{n-1} Tagen möglich.

Für Privatnutzer hängt die passende Sicherung von Hardware, Fachwissen und der persönlichen Bedeutung der Daten ab. Schon einfache Mittel können helfen: etwa mindestens zwei Sicherungen in regelmäßigen Abständen auf physisch unabhängigen Datenträgern. Eine externe Festplatte kann nach der Sicherung getrennt und sicher gelagert werden. Besonders wichtige oder aktuelle Daten können häufiger gesichert werden, zum Beispiel täglich.

Unternehmen und Gewerbetreibende sind in Deutschland durch die „Grundsätze ordnungsmäßiger Buchführung“ zur Datensicherung verpflichtet. Bei personenbezogenen Daten müssen besondere Regeln und Schutzmaßnahmen beachtet werden. Je nach Betriebsgröße reichen die Möglichkeiten bis zum eigenen Rechenzentrum.

Datenbanken, Dokumentation und Technik

Datenbanken müssen in einem konsistenten Zustand gesichert werden. Ein Cold Backup ist eine Sicherung, während das System nicht aktiv ist; die Datenbank wird zum Beispiel nachts heruntergefahren, gesichert und danach wieder gestartet. Das sorgt für Konsistenz, unterbricht aber den Betrieb und ist für hochverfügbare Dienste ungeeignet. Ein Hot Backup oder Online Backup entsteht während des laufenden Betriebs. Es kann sehr aktuell sein und im Idealfall dem Live-System entsprechen, muss aber vom System unterstützt werden, sonst drohen Inkonsistenzen. Ein Nachteil ist, dass Fehler schnell in die Sicherung übernommen werden können; ein kurzer zeitlicher Versatz kann dieses Risiko verringern.

Eine gute Dokumentation ist wichtig, weil sie Erfolg und Geschwindigkeit von Sicherung und Wiederherstellung beeinflusst. Festgelegt werden sollten unter anderem Ablauf der Sicherung, Aufbau der Archivierung, Sofortmaßnahmen, Zuständigkeiten, Prioritäten, Zeitpunkt der Sicherungen, zu sichernde Daten, verwendete Medien, sicherer Aufbewahrungsort, Schutz vor Datendiebstahl, Aufbewahrungsdauer und regelmäßige Prüfungen der Wiederherstellbarkeit. Der sichere Beweis einer erfolgreichen Datensicherung ist, dass die Daten vollständig und innerhalb eines angemessenen Zeitraums wiederhergestellt werden können.

Organisatorisch muss auch der Extremfall bedacht werden, dass Datenträger mit Programmen und Daten unwiederbringlich zerstört sind. Je nach Schaden kann ein schnelles Verfahren nötig sein, etwa ein Speicherabbild, wenn die Neuinstallation eines PCs einen Tag dauern würde. Technisch ist es sinnvoll, Daten mit unterschiedlichen Anforderungen auf verschiedene Speicherorte wie Festplatten oder Partitionen zu trennen. Datenkompression kann Speicherplatz sparen, kann aber Wiederherstellung, Integritätsprüfung und Rechenzeit beeinflussen.

Allgemein sollen Datensicherungen regelmäßig, geschützt vor unbefugtem Zugriff, räumlich getrennt, überprüft, angepasst und möglichst automatisch erfolgen. Die Häufigkeit richtet sich nach der Änderung der Daten: Für private PCs kann monatlich reichen, in Produktionsumgebungen sind meist tägliche Sicherungen der Produktivdaten erforderlich.

Historische Entwicklung

Seit den 1960er Jahren war Magnetband bei großen Unternehmen ein wichtiger Datenträger und wurde auch für Datensicherungen genutzt. Häufig wurden Wechseldatenträger gemeinsam in gesicherten Räumen aufbewahrt. Bis in die 1980er Jahre wurde viel mit Disketten gearbeitet, die sich leicht kopieren ließen. Mit wachsenden Festplattenkapazitäten wurde eine Sicherung auf vielen Disketten jedoch unpraktisch. Danach kamen auch bei Privatpersonen Bandlaufwerke auf, etwa über Diskettencontroller oder professioneller über SCSI.

In den 1990er Jahren versuchte Iomega, Zip-Disketten mit 100 bis später 750 Megabyte als Sicherungslösung zu etablieren. Ab Ende der 1990er Jahre wurden beschreibbare CDs und später DVDs im Privatbereich sehr beliebt. Datensicherungen von festplattenbasierten Produktionssystemen auf Magnetband waren bis etwa 2005 üblich, zum Beispiel mit Digital Linear Tape oder Linear Tape Open. Mit günstigen Breitband-Internetverbindungen gewannen Netzwerk- und Online-Datensicherungen auf externen Servern an Bedeutung.