Mit Object Storage ins Zettabyte-Zeitalter

„Daten sind das Öl der Wissensgesellschaft“, diese Aussage ist häufig zu hören, von Wirtschaftsfachleuten, Unternehmern und Wissenschaftlern. Und sie haben Recht. Denn High-End-Technologien wie das Internet der Dinge (IoT, Internet of Things), Industrie 4.0 und selbstfahrende Autos sind ohne das Bearbeiten, Speichern und Übermitteln von Daten ebenso wenig denkbar wie triviale Vorgänge wie das Schreiben einer E-Mail oder der Einkauf bei einem Online-Versender. Doch dieses „Öl“ fällt mittlerweile in derart großen Mengen an, dass klassische Storage-Umgebungen damit Probleme bekommen. So kommt eine Studie, die das Marktforschungsunternehmen IDC im Auftrag des Storage-Spezialisten EMC erstellte, zu dem Schluss, dass der weltweite Datenbestand bis 2020 auf 44 Zettabyte anwachsen wird. Im Jahr 2013 lag er noch bei 4,4 Zettabyte. Zum Vergleich: 1 Zettabyte entspricht einer Milliarde Terabyte. Daran „schuld“ sind nicht nur Dokumente, Bilder und Videos, die Unternehmen und private User speichern. Das Marktforschungsunternehmen Gartner geht beispielsweise davon aus, dass im Jahr 2020 weltweit rund 20 Milliarden IoT-Komponenten (Internet of Things) im Einsatz sind, etwa Sensoren und RFID-Chips in Maschinen, Haushaltsgeräten, Fahrzeugen und intelligenten Kleidungsstücken. Hinzu kommen medizinische Daten, ERP-Archive (Enterprise Resource Planning) und Web-Content.

Laut IDC steigt der weltweite Datenbestand bis zum Jahr 2020 auf 44 Zettabyte an. Das entspricht über 40 Milliarden Terabyte-Festplatten. Bild: IDC / EMC

Spagat zwischen Kosten, Performance und Datenflut

Diese Entwicklung setzt die IT-Abteilungen unter Druck. Denn die müssen einerseits dafür Sorge tragen, dass für die rapide wachsenden Datenmengen genügend Speicherkapazitäten vorhanden sind. Andererseits dürfen jedoch die Kosten nicht aus dem Ruder laufen, weil vorhandene Speichersysteme ausgebaut beziehungsweise neue angeschafft werden müssen. Doch häufig sind die Speichertechnologien, die in Unternehmensnetzen eingesetzt werden, nur bedingt für rapide zunehmende Datenmengen gerüstet. Das gilt insbesondere für Informationen, die in strukturierter Form oder als halb- und unstrukturierte Daten vorliegen: als Fotos, Tabellen, Videos, E-Mails, Word- und PDF-Dateien, Archivdaten et cetera.

Der klassische Ansatz: Datei- und blockbasierte Speicherstrukturen

Derzeit dominieren bei Storage-Systemen zwei Ansätze: Dateibasierte (File) und blockorientierte Technologien. File-orientierte Verfahren kommen vorzugsweise bei Network-Attached-Storage-Systemen (NAS) zum Einsatz. Protokolle von CIFS (Common Internet File System), NFS (Network File System) und SMB (Server Message Block) legen Daten in einer hierarchischen Datei- und Verzeichnisstruktur auf einem Netzwerkspeicher ab. Nutzer können von unterschiedlichen Systemen aus auf diese Informationen zugreifen.

Laut dem Visual Networking Index (VNI) von Cisco steigt das Volumen des weltweiten IP-Traffics bis 2019 auf 168 Exabyte pro Monat. Bild: Cisco

Ein Nachteil von File-basierten Systemen: Wo auf einem physischen Datenträger, etwa den SSDs oder Festplatten eines NAS-Systems, die Daten lagern, wem sie „gehören“ und wer gerade auf sie zugreift, ist in Meta-Daten festgelegt. Je mehr Dateien vorhanden sind, desto komplexer wird das Verzeichnis dieser Meta-Daten und desto aufwändiger ist deren Verwaltung. Das schlägt sich negativ auf die Performance der Speichersysteme nieder. Hinzu kommt, dass sich NAS-Systeme nicht sonderlich gut skalieren lassen. Auch in diesem Fall erweist sich die hierarchische Dateistruktur mit einem begrenzten „Namensraum“ (Namespace) als Bremsklotz.

Blockorientierte Techniken für iSCSI und SAN

Vor allem in Speichernetzen (Storage Area Networks, SANs) kommen blockorientierte Speicherverfahren zum Zuge. Ein Block ist ein Rohdatensegment fester Größe, das über Schnittstellen und Protokolle wie Fibre Channel (FC), iSCSI oder Fibre Channel over Ethernet (FCoE) angesprochen wird. Ein Datenblock verfügt über keine Meta-Daten. Als Kontrollinstanz dient vielmehr das Server-Betriebssystem. Es verfügt über die Informationen, auf welchen Storage-Ressourcen welche Datenblöcke abgelegt sind und wer Zugriff darauf hat. Aus Sicht eines Endsystems (Client) stellt sich Block-orientierter Speicher wie eine Festplatte dar. Allerdings können die Datenblöcke auf diverse Speichermedien verteilt werden. Zu den größten Vorteilen von Block-Storage zählt die hohe Performance, sprich geringe Verzögerungszeiten beim Datenzugriff. Der Grund ist, dass auf keine File-Systeme wie EXT3 Rücksicht genommen werden muss. Hinzu kommt die hohe Zuverlässigkeit von Block-Storage-Systemen.

Die drei Storage-Technologien im Überblick - Bild: Canonical

Zu den Nachteilen zählen die relativ hohen Kosten solcher Systeme und die eingeschränkte Skalierbarkeit. Daher werden Block-Storage-Komponenten meist in einem Rechenzentrum konzentriert. Große, räumlich verteilte Storage-Umgebungen, erhöhen die Komplexität und Managementkosten. Doch gerade solche Speicher-Strategien liegen derzeit im Trend. So „wandern“ Daten verstärkt in externe Rechenzentren, etwa Cloud-Datacenter. In einer Cloud lassen sich Daten auf einfache und kostengünstige Weise archivieren. Außerdem können Nutzer Daten und virtuelle Maschinen (Virtual Machines) in eine Cloud „replizieren“. Nach Ausfall von IT-Systemen im eigenen Rechenzentrum stehen diese Ressourcen dann schnell wieder zur Verfügung, Stichwort Disaster Recovery.

Object Storage – der neue „Star“ am Storage-Himmel

Anders liegt der Fall bei einer relativ jungen Technik: Object Storage. Sie organisiert Daten in Objekten. Ein Objekt besteht aus drei Elementen:

• Den eigentlichen Daten: Diese können in unterschiedlicher Form und Größe vorliegen, vom Word-Dokument über Fotos bis hin zu einem 1000 Seiten starken Handbuch für eine Werkzeugmaschine.
• Einem variablen Bestand an Meta-Daten, die der Nutzer definieren kann: Sie enthalten beispielsweise Informationen über die Art der Informationen, ihren Verwendungszweck, die Zugriffberechtigung, die Vertraulichkeitsstufe etc. Ein Vorteil ist, dass sich diese Meta-Daten nach Bedarf anpassen lassen. So kann der Nutzer ergänzende Informationen hinzufügen, etwa auf welchen Speichersystemen an welchen Standorten Objekte abgelegt werden sollen, etwa im Rechenzentrum eines Cloud-Service-Providers.
• Einer eindeutigen ID („Object Identifier“): Sie ermöglicht es, den Speicherort jedes Objekts zu ermitteln, auch dann, wenn Daten auf unterschiedlichen Storage-Systemen gespeichert werden.

Ein Object-Storage-System kommt ohne File-System und Datenblöcke aus. Die Objekte werden direkt von den Anwendungen beziehungsweise Mobile Apps angesprochen. Das erfolgt über das http-Protokoll oder RESTful APIs (Representational State Transfer Application Programming Interfaces). Beim objektorientierten Speicher gibt es zudem keine Verzeichnisstruktur und Mount-Punkte. Ein Index sorgt dafür, dass die Objekte anhand ihrer ID schnell wiedergefunden werden können. Dieser Index ist deutlich einfacher zu handhaben als die Informationen, die bei block- und dateiorientierten Speichertechniken verwaltet werden. Ein weiteres Element von objektorientierten Daten und entsprechenden Storage-Lösungen ist ein „Global Namespace“. Er ermöglicht eine logische Sicht auf die Storage-Ressourcen, unabhängig davon, auf welcher Technologie diese basieren und an welchem Standort sich die Speichersysteme befinden. Der Vorteil: Daten können auf Storage-Komponenten in einer Cloud und im Unternehmensrechenzentrum verteilt werden und lassen sich dennoch zentral verwalten.

Die Struktur eines Objekts: Es besteht aus den Nutzdaten sowie system- und nutzerbezogenen Meta-Informationen. Hinzu kommt eine eindeutige ID für jedes Objekt. Bild: HDS

Vorteile: Ausfallsicherheit und Skalierbarkeit

Zu den größten Vorteilen von Object Storage zählt die Skalierbarkeit. Die Speicherressourcen lassen sich nach Belieben um weitere „Storage-Knoten“ (Nodes) erweitern, ohne dass die Performance leidet. Hinzu kommt die hohe Fehlertoleranz, vor allem in Verbindung mit Object-Storage-Services aus der Cloud. Je nach Anforderung lässt sich ein Objekt parallel in drei, vier oder noch mehr Nodes ablegen. Diese können an unterschiedlichen Standorten platziert werden, etwa mehreren Rechenzentren eines Cloud-Service-Providers. Fallen Speicherknoten aus, sind die Informationen dennoch verfügbar. Eine weitere Sicherheitsmaßnahme ist das „Erasure Coding“. Die Technologie arbeitet ähnlich wie RAID und ermöglicht es, Daten anhand von Paritätsinformationen wiederherzustellen. Beide Techniken – das Speichern von Objekten auf mehreren Nodes und Erasure Encoding – ermöglichen es, wichtige Informationen gegen Verlust abzusichern. Das gilt vor allem dann, wenn neben dem unternehmenseigenen Datacenter ein externes Cloud-Rechenzentrum als Speicherort genutzt wird. Dann hat der Anwender die Gewähr, dass sich auch nach massiven IT-Problemen Datenbestände wiederherstellen lassen.

Tabelle: Techtarget

Für welche Aufgaben Object Storage in Frage kommt

Nach Einschätzung des amerikanischen IT-Beratungshauses ESG eignen sich Object-Storage-Lösungen vor allem für das Archivieren von Daten, auch von heterogenen Informationsbeständen mit Dokumenten, Bild- und Videodaten sowie Informationen aus den Bereichen Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) und M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine). Gleiches gilt für Informationen, die aus rechtlichen Gründen lange Zeit vorgehalten werden müssen, etwa Finanz- und medizinische Daten. ESG zufolge bietet es sich für Unternehmen und Organisationen an, objektbasierte Storage-Ressourcen im eigenen Rechenzentrum mit solchen bei einem Cloud Service Provider zu kombinieren. Das hat mehrere Vorteile: eine bessere Absicherung der Daten und die Gewähr, dass der Speicherplatz in der Cloud bei Bedarf erweitert werden kann. Da Object Storage keine kostspielige Storage-Infrastruktur voraussetzt, halten sich bei diesem Modell zudem die Kosten in Grenzen.

Konsolidierung der Backup- und Storage-Infrastruktur

Objektbasierte Speicherdienste, die ein Unternehmen aus der Cloud bezieht, eröffnen jedoch weitere Optionen. ESG sieht beispielsweise im Bereich Konsolidierung von Backup-Zielsystemen („Targets“) und File-Servern ein lohnendes Einsatzfeld. So lassen sich Daten von NAS-Systemen und Dateiservern auf Object-Storage-Systeme auslagern. Backup-Software führender Anbieter unterstützt mittlerweile entsprechende Cloud-Protokolle wie Amazon S3. Bei der Auswahl eines entsprechenden Cloud Service Providers sollten Unternehmen daher darauf achten, dass dieser De-facto-Standards wie S3 unterstützt. Ein weiterer Punkt, den es zu beachten gilt, ist der Datenschutz. Juristisch auf der sicheren Seite sind Anwender, die Object-Storage-Services bei einem Service-Provider mit Sitz in Deutschland buchen. Denn spätestens seitdem der Europäische Gerichtshof das Safe-Harbor-Abkommen für obsolet erklärte, dürfen personenbezogene Daten nur in Rechenzentren in Deutschland oder der EU bearbeitet werden.

Fazit

Mit Object Storage hat eine Speichertechnologie die Bühne betreten, die Unternehmen vor allem im Zusammenspiel mit Public-Cloud-Services erhebliche Vorteile bietet. Das heißt jedoch nicht, dass block- und File-orientierte Verfahren „out“ sind. Sie kommen dort zum Zuge, wo Daten schnellstmöglich und mit geringen Latenzzeiten bereitbestellt werden müssen, etwa im Bereich Online-Transaktionsverarbeitung. In vielen anderen Anwendungsfeldern dagegen ist Object Storage aus der Cloud eine exzellente Alternative.