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: