Virtual Tape Libraries auf dem Prüfstand

In großen Rechenzentren werden Datensicherungen mit disk-basierten Systemen, welche die klassische Magnetband-Hardware ersetzen, immer beliebter. In komplexen Storage-Area-Networks (SAN) gewährleisten Virtual Tape Libraries (VTL) die Sicherung und Wiederherstellung riesiger Datenmengen in Höchstgeschwindigkeit. In Kombination mit physischen Bandgeräten sind VTL-Lösungen bei Backup- und Restore-Vorgängen besonders effizient. Zudem sind sie ideal zur Datenrücksicherung im Krisenfall (Disaster Recovery).

Die Frage nach der richtigen Sicherungshardware wird für jedes Datenzentrum immer wichtiger. Stetig wachsende Datenmengen und immer kürzere Backup-Zeitfenster sorgen dafür, dass Administratoren bessere Backup- und Restore-Möglichkeiten benötigen als klassische Bandbibliotheken zur Zeit liefern können.

Eine neues Backup- und Restore-Modell erlaubt nun auch für primäre Standard-Backups mittels Magnetbändern, Daten direkt auf disk-basierten Lösungen (Backup-to-Disk-Systemen) zu sichern. Diese Systeme haben gegenüber band-basierter Hardware unter anderem den Vorteil, dass Daten wesentlich schneller gesichert und wiederhergestellt werden können. Da die Kosten für Festplatten ständig sinken und sich zugleich die Speicherkapazität permanent erhöht, wird diese Möglichkeit immer leistungs- und kosteneffektiver. Trotzdem können disk-basierte Systeme die traditionelle Datensicherung auf Bändern nicht ersetzen: Sicherheit vor allem bei Disaster Recovery und ortsferne Datennutzung gewährt hier nur die Kombination beider Komponenten.

Was sind Virtual Tape Libraries und Backup-to-Disk-Systeme?

Im Prinzip ist eine Virtual Tape Library eine unabhängige Hardware-Box mit einer variablen Anzahl von Disks, welche die Funktionen herkömmlicher physischer Bandbibliotheken imitieren (emulieren) kann. Mit Hilfe einer speziellen Virtualisierungssoftware emuliert eine über Schnittstellen zwischen Host Server und physikalischer Bandbibliothek geschaltetes Gerät, eine Virtual Tape Library Appliance (VTLA), Bandlaufwerke, die beim Backup-Prozess vorgeben, physische Bänder zur Datensicherung zu sein. Die VTLA kann zudem Befehle zur Steuerung von Roboterarmen und Bandlaufwerkoperationen imitieren (z.B. Move Media, Rewind, Load und Unload Media).

Sobald das Betriebssystem eines Host Servers jeden SCSI-Bus nach angeschlossenen Geräten scannt, meldet die Virtual Tape Library Appliance Statusinformationen zurück, die denen von physischen Bandrobotern absolut identisch sind. Daraufhin behandelt der Host Server die Virtual Tape Library Appliance wie ein physisches Backup-Bandgerät.

Eine Virtual Tape Library ist aus virtuellen Elementen wie Roboterarm, Bandlaufwerken und Datencontainern für Bandkassetten (cartride container) zusammengesetzt. Die Appliance-Software weist diesen Datencontainern virtuelle Barcodes zu. Die Datencontainer bestimmen jenen Ort auf dem ein Bandlaufwerk, die Backup-Datenströme speichert. Die Datenströme wiederum enthalten Header-Informationen, damit die Datencontainer eindeutig identifiziert werden können. Wenn die Datensicherungssoftware des Host Servers die Virtual Tape Library Appliance scannt und inventarisiert, sendet die VTLA Informationen über die virtuellen Bandkassetten und virtuellen Barcode Labels zurück. Während des Sicherungsvorganges schreibt die Sicherungssoftware genauso auf die virtuellen Bandkassetten, als ob es reale physische Bandkassetten wären.

Bei einer Backup-to-Disk-Umgebung sorgt eine spezielle und zusätzliche Option der Datensicherungssoftware dafür, dass Datenströme beim Sicherungsvorgang an das Diskgerät direkt geschickt werden. Ziele sind Festplattenpartitionen, die vom Disk Management Utility des Betriebssystems erstellt wurden. Weil die Laufwerke mit dem File-System des verwendeteten Betriebssystems versehen sind, müssen alle Datenströme durch dieses Dateisystem durchgeschleust werden, bevor sie auf die eigentliche Festplatte geschrieben werden. Mit Backup-to-Disk-Umgebungen haben Virtual-Tape-Umgebungen gemein, dass die Daten auf ein disk-basiertes System geschrieben werden. Allerdings bieten VTLs hinsichtlich der Performanz entscheidende Vorteile:

• Betriebssystem Overhead: Dadurch, dass beim Backup-Prozess mit Hilfe einer VTL die physische Datenübertragung eines herkömmlichen Dateisystems umgangen wird, wird der Overhead deutlich reduziert. Dadurch lassen sich Backups bei einer wesentlich geringeren Prozessorbelastung des Sicherungsservers durchführen.
• Keine Fragmentierung: Backup-to-Disk-Umgebungen schicken Daten durch das File-System des Betriebssystems und schreiben Daten bisweilen in zufälliger Abfolge auf die Disk, welches zu Fragmentierungen führen kann. Die Virtual Tape Library Appliance hingegen, schreibt Daten in sequenzieller Reihenfolge auf eine physikalische Diskumgebung. Verzögerungen bei der Datensuche und –abfrage werden somit effektiv vermieden.

Zur Topologie von Virtual-Tape- und Backup-to-Disk-Systemen

Integration von Virtual Tape Libraries

In einer SAN-Umgebung mit integrierter Virtual Tape Library sind sowohl das physische Disk-System (ein fester Bestandteil der VTL) als auch die physische Bandbibliothek hinter der Virtual Tape Appliance installiert (siehe Illustration 1). Jeder Host Server greift mit einer herkömmlichen Datensicherungs- oder Datenmanagementsoftware auf eine ihm exklusiv zugewiesene Partition der VTL zu. Jeder Server ‚sieht’ somit seine eigene Tapelibrary.

Die durchgezogene grauen Linien zeigen den wechselseitigen Datenfluss zwischen Host Server und primärem Speicherarray, grau gestrichelte Linien den wechselseitigen Datenfluss zwischen Host Server und Virtual Tape Library. Blaue Linien stellen den Datenfluss von der VTL zur physischen Bandbibliothek dar.

Während des Backups schickt jeder Host Server Daten an die Virtual Tape Library Appliance – so, als ob die VTLA eine physische Bandbibliothek wäre. Alle Daten werden gestreamt und dann in sequenzieller Abfolge auf das physische Disk-Array geschrieben. Danach zeigt die VTLA durch entsprechende Statusinformationen an, dass der Datentransfer abgeschlossen ist.

Die Virtual Tape Library ist Disk-System und Anwendung in einem, funktioniert also unabhängig vom Betriebssystem und seinen Übertragungsprotokollen. Daher generiert eine VTL auf dem Host Server keinen zusätzlichen Overhead. Beim Cloning oder Export auf physische Bandmedien wird der Host Server nicht mehr zusätzlich belastet, da die physische Bandbibliothek direkt mit der Virtual Tape Library Appliance verbunden ist. Somit wird der Host Server von den sehr resourcenintensiven Cloneing- und Exportvorgängen erheblich entlastet.

Backup-to-Disk-Topologie

Illustration 2 veranschaulicht beispielhaft, wie Daten in einer Backup-to-Disk-Umgebung vom primären Speicher-Array durch den Host Server zum Backup-to-Disk-Array fließen. Sowohl beim Sichern vom primären Speicher-Array auf das Backup-to-Disk-Array (graue Pfeile) als auch beim Sichern vom Backup-to-Disk-Zielordner zur physischen Bandbibliothek (blaue Pfeile) fließen Daten durch das File-System des Host Servers.

Beim typischen Backup-to-Disk-Prozess sichert die Datensicherungssoftware Daten vom primären Speicher-Array. Danach wird der Datenstrom zum Backup-to-Disk-Ordner (seinerseits wiederum eine Disk) weitergeleitet. Dabei können Backups, wie bei jeder klassischen Datensicherung, voll oder inkrementell erfolgen.

Hat der Backup-to-Disk-Ordner sein Speicherlimit erreicht, sendet die Datensicherungssoftware eine entsprechende Warnung. Eventuell muss dann ein Administrator manuell Platz auf der Festplatte schaffen.

Auslagerung von Daten auf phys. Medien in VTL- und Backup-to-Disk-Umgebungen

Bei der Frage, ob Virtual Tape- oder Backup-to-Disk-Lösungen implementiert werden sollen, spielt der Transfer von Backup-Daten von den Disk-Geräten zum physischen Bandmedium eine zentrale Rolle. Selbst wenn das Disk-System die primäre Backup-Lösung darstellt, sollte ein regelmäßiger Kopiervorgang auf eine physische Bandbibliothek durchgeführt werden.

In einer Virtual-Tape-Umgebung können Administratoren Daten auf physische Bänder kopieren, indem sie als Tools:

• "Media Export" (Teil der Backup-Software) bzw.
• "Media Clone" (Teil der VTLA-Software)

verwenden.

Mit "Media Export" können Datenkassetten über einen spezifischen Export-Slot (Mailslot) ausgegeben werden. Da eine VTL-Umgebung weder über physische Datenkassetten noch über einen physisches Export-Slot verfügt, müssen diese Funktionen durch die Virtual Tape Library Appliance emuliert werden. Diese nimmt den Media-Export-Befehl der Backup-Software entgegen und startet eine physikalische Übertragung, indem die virtuelle Datenkassette vom Disk-Array der VTL auf eine reale Datenkassette der physischen Bandbibliothek übertragen wird. Nach Abschluss der erfolgreichen Übertragung sendet die VTLA einen entsprechenden Statuscode an den Host Server. Danach wird die virtuelle Datenkassette (container) vom VTL-Diskarray automatisch gelöscht.

Eine Alternative zum Auslagern von virtuellen Datenkassetten von der Virtual Tape Library auf die physische Bandbibliothek via "Media Export" bietet "Media Clone", das als Feature in der VTLA-Software enthalten ist. "Media Clone" erlaubt es dem Administrator, virtuelle Datenkassetten über das Graphical User Interface (GUI) auszuwählen, auf ein physisches Medium zu kopieren um dieses dann in einem Tresor (Vault) abzulegen. Es können somit mehrere Kopien von Datenkassetten erzeugt werden. Die VTLA-Software kann diesen Vorgang zur Entlastung der Administratoren auch automatisieren.

Vor- und Nachteile von Virtual-Tape- und Backup-to-Disk-Verfahren

Diese Risiken sind bei Virtual-Tape-Geräten erheblich geringer, da die Virtual Tape Appliance über ein unabhängiges File-System verfügt. Da die Host Server über die VTL-Appliance und nicht direkt auf das VTL-Diskarray zugreifen, vermindert sich die Gefahr eingeschleuster Viren oder versehentlichen Löschens. Auch vermeiden Virtual-Tape-Geräte durch sequenzielles Speichern der Daten eine Fragmentierung. Die VTLA ist zudem flexibel genug, um mehrere Virtual Tape Libraries auf einem einzigen Disk-Array zu erstellen und anschließend verschiedenen Host Servern zuzuweisen.

Beim Erstellen eines Backup- und Restore-Plans muss jeder Administrator Aspekte wie Kosten, Systemkomplexität, Benutzerfreundlichkeit und Datensicherheit mit einbeziehen. Dabei sollte nicht gänzlich auf physische Bandgeräte verzichtet werden. Ideal ist eine Kombination von disk-basierten Backup-Lösungen in Kombination mit physischer Datensicherung.