In­kre­men­tel­les Backup (In­cre­men­tal Backup)

In­kre­men­tel­le Backups er­mög­li­chen das fort­lau­fen­de Speichern sich ändernder Da­ten­be­stän­de. Dabei wird der Aufwand an Zeit, Band­brei­te und Spei­cher­platz gegenüber wie­der­hol­ten Full Backups minimiert. Die in­kre­men­tel­le Da­ten­si­che­rung beginnt mit einem Full Backup, gefolgt von einer Kette kleinerer in­kre­men­tel­ler Backups. Daraus ergibt sich eine höhere Kom­ple­xi­tät der Backup- und Wie­der­her­stel­lungs­pro­zes­se. Um dem Herr zu werden, kommt spezielle Software zum Einsatz.

Ein in­kre­men­tel­les Backup, auch „in­kre­men­tel­le Sicherung“, ist eine Backup-Methode, die häufig als Teil von Backup-Stra­te­gien ein­ge­setzt wird. Im Gegensatz zum Full Backup wird keine komplette Kopie des zu si­chern­den Da­ten­be­stands angelegt. Statt­des­sen werden lediglich die Än­de­run­gen seit dem letzten Backup gesichert.

Anders als beim dif­fe­ren­zi­el­len Backup bezieht sich der Abgleich der Än­de­run­gen nicht zwingend auf das letzte voll­stän­di­ge Backup. Vielmehr werden die Än­de­run­gen seit dem letzten voll­stän­di­gen oder in­kre­men­tel­len Backup ge­spei­chert.

Generell gibt es zwei große Ka­te­go­rien von Ansätzen für die in­kre­men­tel­le Da­ten­si­che­rung. Man un­ter­schei­det nach:

1. der Gra­nu­la­ri­tät der Än­de­run­gen
2. der zum Einsatz kommenden Strategie

Für ge­wöhn­lich werden hybride Ansätze verwendet. Bei­spiels­wei­se erzeugt das beliebte Tool Rsync im normalen Einsatz „Block-level synthetic full Backups“. Schauen wir uns die ver­schie­de­nen Arten der in­kre­men­tel­len Da­ten­si­che­rung im Detail an.

Digital ge­spei­cher­te Daten bestehen aus nahezu unendlich langen Ketten von Nullen und Einsen. Diese Bits sind in logischen Einheiten gruppiert, von denen die Dateien am be­kann­tes­ten sind. Unterhalb der Datei-Ebene liegen jedoch noch die „Blöcke“ und „Bytes“ als logische Grup­pie­run­gen in­di­vi­du­el­ler Bits.

Der Abgleich der Än­de­run­gen zwischen dem letzten Backup und dem aktuellen Zustand des Da­ten­be­stands kann sich auf un­ter­schied­li­che Ebenen beziehen. Je näher der Abgleich der Än­de­run­gen an die einzelnen Bits her­an­kommt, desto ef­fi­zi­en­ter wird die in­kre­men­tel­le Sicherung. Während Dateien un­ter­schied­lich groß sind, haben Blöcke und Bytes eine de­fi­nier­te, fixe Größe. So umfasst ein Byte acht hin­ter­ein­an­der liegende Bits; Blöcke sind für ge­wöhn­lich zwischen 512 und 4.096 Bytes lang.

Beim File-level in­cre­men­tal Backup wird lediglich un­ter­schie­den, ob eine Datei verändert wurde. Das Ausmaß der Än­de­run­gen bleibt dabei un­be­rück­sich­tigt. Wurde auch nur ein einziges Bit verändert, wird die komplette Datei im Zuge des in­kre­men­tel­len Backups neu gesichert. Um dies zu ver­deut­li­chen: Stellen Sie sich ein um­fang­rei­ches Buch-Ma­nu­skript vor, das als einzelne Datei auf einem Da­ten­spei­cher liegt. Bei der Änderung eines einzelnen Buch­sta­bens wird beim File-level in­cre­men­tal Backup das gesamte Ma­nu­skript neu gesichert.

Ein File-level in­cre­men­tal Backup ist am ein­fachs­ten zu im­ple­men­tie­ren, da Da­tei­sys­te­me das Än­de­rungs­da­tum von Dateien pro­to­kol­lie­ren. Zum Abgleich der Än­de­run­gen genügt es, die Zeit­stem­pel der letzten Änderung einer Datei auf Quell- und Ziel­sys­tem zu ver­glei­chen. Ist der Zeit­stem­pel auf dem Quell­sys­tem neuer, wurde die Datei verändert und muss erneut gesichert werden. So sind File-level in­cre­men­tal Backups in­ef­fi­zi­ent bei kleinen Ver­än­de­run­gen großer Dateien.

Der Begriff „Block“ entstammt der Da­ten­spei­che­rung. Fest­plat­ten und andere Mas­sen­spei­cher or­ga­ni­sie­ren Ab­schnit­te hin­ter­ein­an­der liegender Bytes als einen zu­sam­men­hän­gen­den logischen Bereich. Beim Erstellen des Block-level in­cre­men­tal Backup werden lediglich die ge­än­der­ten Blöcke gesichert. Vorteil ist die geringere Größe der zu über­tra­gen­den und zu spei­chern­den Daten. So werden nur die ver­än­der­ten Ab­schnit­te einzelner Dateien gesichert.

Der haupt­säch­li­che Nachteil ist, dass ein Me­cha­nis­mus benötigt wird, der pro­to­kol­liert, welche Blöcke Än­de­run­gen aufweisen. Manche Spei­cher­tech­no­lo­gien verwalten diese In­for­ma­ti­on. Dann lässt sich ein Block-level in­cre­men­tal Backup im­ple­men­tie­ren. An­dern­falls müsste erst aufwendig das komplette Backup auf Block-Ebene mit dem aktuellen Zustand ver­gli­chen werden, um die Än­de­run­gen zu erkennen.

Ein Byte-level in­cre­men­tal Backup ist noch feiner als eine in­kre­men­tel­le Sicherung auf Block-Ebene. So werden nur die ge­än­der­ten Bytes eines Blocks gesichert. In Bezug auf den zeit­li­chen Aufwand und den be­nö­tig­ten Spei­cher­platz ist das Byte-level in­cre­men­tal Backup ggf. deutlich ef­fi­zi­en­ter. Jedoch sind die An­for­de­run­gen noch an­spruchs­vol­ler. Denn zum Iden­ti­fi­zie­ren der ge­än­der­ten Bytes wird ein Journal der Än­de­run­gen auf Byte-Ebene benötigt. Der zu­sätz­li­che Aufwand beim Anlegen in­kre­men­tel­ler Da­ten­si­che­run­gen auf Byte-Ebene ist sinnvoll bei punk­tu­el­len Än­de­run­gen sehr großer Dateien.

In­kre­men­tel­le Backups sind Be­stand­teil einer Kette einzelner Backups, die Än­de­run­gen zum vor­he­ri­gen Zustand enthalten. Am Anfang der Kette befindet sich immer ein Full Backup. Nun gibt es un­ter­schied­li­che Verfahren, die Kette zu kon­stru­ie­ren und neue Full Backups anzulegen. Daraus ergeben sich Vorteile in Hinsicht auf Kom­ple­xi­tät und Dauer der Backup- und Wie­der­her­stel­lungs­pro­zes­se. Schauen wir uns einige Stra­te­gien zum Anlegen in­kre­men­tel­ler Si­che­run­gen an.

Eine her­kömm­li­che in­kre­men­tel­le Backup-Strategie erfordert pe­ri­odi­sche angelegte Full Backups. Dabei ist das Anlegen einer Kom­plett­si­che­rung aufwendig und langsam. Beim Synthetic Full Backup wird ein neues Full Backup auf dem Backup-System erzeugt. Dabei wird auf das ur­sprüng­li­che Full Backup und die dar­auf­fol­gen­den in­kre­men­tel­len Backups zu­rück­ge­grif­fen. Dies erspart den Ko­pier­vor­gang des gesamten Da­ten­be­stands vom Quell­sys­tem, der ansonsten beim Anlegen eines Full Backup anfällt. Der Prozess ist auch als „Forward in­cre­men­tal Backup“ bekannt.

Das In­cre­men­tal forever Backup ist für die Sicherung von Fest­plat­ten und ähnlichen Da­ten­trä­gern optimiert. Zu Beginn wird ein Full Backup angelegt; danach werden lediglich die ge­än­der­ten Blöcke in einer „für immer“ fort­lau­fen­den Kette ge­spei­chert. Anders als beim Synthetic full oder Reverse in­cre­men­tal Backup werden nach dem initialen keine weiteren Full Backups erzeugt. Dies spart Spei­cher­platz und minimiert die bei den Ko­pier­vor­gän­gen trans­fe­rier­ten Daten.

Das Reverse in­cre­men­tal Backup funk­tio­niert ähnlich dem Synthetic full Backup. Nach jedem in­kre­men­tel­len Backup werden die Än­de­run­gen mit dem letztem Full Backup logisch zu­sam­men­ge­führt. So ist am Ende der Backup-Kette immer ein Full Backup vorhanden. Zwar dauert das Anlegen eines Reverse in­cre­men­tal Backup länger als beim Forward in­cre­men­tal Backup. Dafür lässt sich bei Bedarf das Quell­sys­tem ohne Ver­zö­ge­rung wie­der­her­stel­len, da der letzte aktuelle Zustand bereits als komplette Kopie vorliegt.

Beim Enhanced in­cre­men­tal Backup kann es sich um eine in­kre­men­tel­le Da­ten­si­che­rung jeglichen Typs handeln. Besonders ist, dass dabei auch Än­de­run­gen an Dateien erkannt werden, die durch Ver­schie­ben oder Um­be­nen­nen entstehen. Sofern es sich um große Dateien handelt, kann dies erheblich zur Effizienz beitragen.

Der größte Vorteil der in­kre­men­tel­len Da­ten­si­che­rung ist, dass einzelne Backups klein ausfallen. Da jeweils nur die Un­ter­schie­de seit dem letzten Backup ge­spei­chert werden, benötigt der Backup-Vorgang relativ wenig Zeit, Band­brei­te und Spei­cher­platz. Vor­aus­set­zung ist, dass der Zeitraum zwischen den einzelnen Backups kurz gehalten wird. Ansonsten sammeln sich große Mengen ge­än­der­ter Daten an, die trans­fe­riert werden müssen.

Gut ver­deut­li­chen lässt sich der inhärente Vorteil in­kre­men­tel­ler Backups am Begriff des „Backup-Fenster“. Dabei handelt es sich um den Zeitraum, innerhalb dessen ein Backup angelegt werden kann, ohne den Betrieb zu stören. Ist die Da­ten­men­ge so groß, dass der Ko­pier­vor­gang länger dauern würde, als es das Backup-Zeit­fens­ter zulässt, wird es unmöglich, im laufenden Betrieb ein Full Backup anzulegen. Dann ist es besser, in kurzen Abständen kleine in­kre­men­tel­le Backups zu erzeugen.

Un­mit­tel­ba­rer Nachteil in­kre­men­tel­ler Backups ist, dass zum Erstellen in der Regel spe­zia­li­sier­te Software benötigt wird. Für die Planung der Backup-Strategie muss ebenfalls mehr Aufwand betrieben werden als beim Anlegen kom­plet­ter Backups. Beim Wie­der­her­stel­len des Ori­gi­nal­zu­stands aus den Backups verhält es sich ähnlich: Da die Daten über mehrere Backups verteilt vorliegen, gestaltet sich der Prozess komplexer. Ferner besteht ein höheres Risiko von Da­ten­ver­lus­ten: Ist eines der in­kre­men­tel­len Backups innerhalb der Kette be­schä­digt, wird die In­te­gri­tät aller dar­auf­fol­gen­der Backups in Mit­lei­den­schaft gezogen.

In­kre­men­tel­le Backups zielen in erster Linie darauf ab, den Spei­cher­be­darf und zeit­li­chen Aufwand beim Anlegen eines Backups zu mi­ni­mie­ren. Sie kommen daher immer dann zum Einsatz, wenn das wie­der­hol­te Anlegen kom­plet­ter Backups lo­gis­tisch unsinnig wäre. Schauen wir uns ein paar Szenarien im Detail an.

Um vom Mac ein Backup zu erstellen, bedient man sich am besten des in macOS ein­ge­bau­ten Backup-Tools „Time Machine“. Damit werden Än­de­run­gen am internen Da­ten­spei­cher in­kre­men­tell auf einer externen Fest­plat­te gesichert. Wie bei in­kre­men­tel­len Backups üblich, wird beim ersten Durchlauf ein initiales Full Backup angelegt. Im Anschluss werden Än­de­run­gen am Da­tei­sys­tem pro­to­kol­liert und stehen für weitere Backups zur Verfügung.

Time Machine erlaubt das Wie­der­her­stel­len einzelner Dateien zu früheren Zeit­punk­ten. Ferner lässt sich das komplette System aus dem Backup re­kon­stru­ie­ren. Dies ist praktisch bei feh­ler­haf­ter Hardware oder wenn man das eigene System auf neue Hardware migrieren möchte. Besonders über­zeu­gend ist die einfache Hand­ha­bung der Backup-Software. Der Nutzer muss lediglich eine externe Fest­plat­te an­schlie­ßen und den Backup-Vorgang starten, der Rest funk­tio­niert au­to­ma­tisch.

Auch unter Windows greift man auf Methoden der in­kre­men­tel­len Sicherung zurück. Zum einen lässt sich mit Hilfe der Windows-Sicherung unter Windows 10 ein Backup erstellen. Zum anderen nutzt man auf der Kom­man­do­zei­le das Backup-Tool Robocopy, um den Inhalt eines Ver­zeich­nis­ses in­kre­men­tell zu sichern. Be­trach­ten wir bei­spiel­haft einen ent­spre­chen­den Aufruf:

Die Option /MIR steht hier für das Verb „mirror“, also „spiegeln“. Der Aufruf spiegelt das Quell­ver­zeich­nis auf den Zielpfad. Sofern dort bereits ein Ver­zeich­nis mit demselben Namen existiert, wird eine in­kre­men­tel­le Da­ten­si­che­rung durch­ge­führt. Robocopy überträgt dann nur die Än­de­run­gen seit dem letzten Backup-Vorgang.

Robocopy existiert nur unter Windows. Möchte man unter Linux ein Server-Backup mit Rsync erstellen, kommt ebenfalls ein in­kre­men­tel­les Backup zum Einsatz. Beim ersten Durchlauf wird zunächst ein Full Backup erzeugt. Ab dem nächsten Aufruf des Befehls überträgt Rsync nur noch die block­wei­sen Än­de­run­gen seit dem letzten Backup. Die über­tra­ge­nen Daten werden mit dem be­stehen­den Da­ten­be­stand zu­sam­men­ge­führt. Das Ergebnis des Backup-Vorgangs ist also ein Synthetic full Backup. Hier ein Beispiel eines ent­spre­chen­den Rsync-Aufrufs: