Systemtechnik Kapitel 1 – Grundlagen der Elektrotechnik Datenverfügbarkeit - RAID Datenverfügbarkeit Verwaltung von Daten Datenschutz vs Datensicherheit vs Informationssicherheit Datenschutz Datensicherheit Informationssicherheit Datenschutz vs Datensicherheit (485) Datenschutz -Schutz von Personen Schutz von personenbezogenen Daten Schutz des allgemeinen Persönlichkeitsrechtes Stichworte: Datenschutz-Grundverordnung DSGVO und Bundesdatenschutz-Gesetz BDSG Datensicherheit -Schutz von Daten Informationssicherheit -Schutz von Informationen Datenschutz vs Datensicherheit (485) Datenschutz -Schutz von Personen Schutz von personenbezogenen Daten Schutz des allgemeinen Persönlichkeitsrechtes Stichworte: Datenschutz-Grundverordnung DSVGO und Bundesdatenschutz-Gesetz BDSG Datensicherheit -Schutz von Daten Schutz vor : Unbefugter Zugriff Dritter Manipulation Verlust der Daten Informationssicherheit -Schutz von Informationen Datenschutz vs Datensicherheit (485) Datenschutz -Schutz von Personen Schutz von personenbezogenen Daten Schutz des allgemeinen Persönlichkeitsrechtes Stichworte: Datenschutz-Grundverordnung DSVGO und Bundesdatenschutz-Gesetz BDSG Informationssicherheit -Schutz von Informationen Gewährleistung von: Vertraulichkeit Integrität Verfügbarkeit von Daten Datensicherheit -Schutz von Daten Schutz vor : Unbefugter Zugriff Dritter Manipulation Verlust der Daten Datenverfügbarkeit / Data Availibility Produkte und Dienste, die sicherstellen, dass Daten bis zu einem vorgegebenen Leistungsniveau unter allen Umständen (von normal bis katastrophal) verfügbar bleiben Datensicherheit vs. Datenverfügbarkeit Datensicherheit vs. Datenverfügbarkeit RAID RAID Buch S. 362-365 RAID -Redundant Array of Independent Disks Mehrere Festplatten werden zu einer logischen Einheit zusammengefasst Ist für den User wie eine Festplatte ansprechbar Werden häufig auf Servern oder NAS eingesetzt RAID -Redundant Array of Independent Disks Wofür wird RAID eingesetzt RAID 0 Steigerung der Schreib- und LesezugriffeRAID 1 RAID 1 Verbesserung der Datensicherheit Daten sollen ständig abrufbar sein RAID -Redundant Array of Independent Disks Wofür wird RAID eingesetzt RAID 0 Steigerung der Schreib- und LesezugriffeRAID 1 RAID 1 Verbesserung der Datensicherheit Daten sollen ständig abrufbar sein RAID -Redundant Array of Independent Disks RAID -Redundant Array of Independent Disks !!!RAID ersetzt kein Backup!!! RAID -Redundant Array of Independent Disks !!!RAID ersetzt kein Backup!!! RAID -Redundant Array of Independent Disks 'RAID' erstmals 1988 Universtity of Berkley Frage damals: Wie kann man kostengünstige PC-Festplatten zu einem Verbund zusammenschließen und als ein großes logisches Laufwerk betreiben Problem: Höheres Ausfallrisiko Lösung: Konzept der redundanten Speicherung RAID -Redundant Array of Independent Disks Folgezeit Standardisierung von RAID Einsatz in Serverumgebung rückte in Vordergrund Verschiebung des Einsatzgrundes Kostenersparnis: rückte zunehmend in Hintergrund Neuer Hauptaspekt problemloser Austausch von Festplatten im laufenden Betrieb 'Redundant Array of Independet Disks' 'redundante Anordnung unabhängiger Festplatten' RAID -Verhältnis zwischen Schutzniveau und Leistung Unterschiede bei RAID: Umsetzung und Level Software/ Hardware Level Unterschiede bei RAID: Umsetzung und Level Software/ Hardware Unterschiede bei RAID: Umsetzung und Level Software Host-based-RAID Verwaltung der Speichermedien direkt auf der CPU des Hosts Möglichkeiten auf gängigen OS implementiert Vorteil deutlich schneller und kostengünstiger eingerichtet Nachteil hoche CPU-Auslastung schlechtere Performance Hardware RAID-Controller übernimmt Organisation der einzelnen Speichermedien im Computer selbst als Erweiterungskarte Auf dem Mainboard selbst In einem DiskArray ('Plattensubsystem') bsp. NAS Hohe Performance hohe Datentransferraten Software für Windows und Mac Windows → 'Speicherplatz verwalten' → 'Neuen Pool und Speicherplatz erstellen' MacOS → Festplattendienstprogramm → Ablage → RAID-Assistent Software vs Hardware Software-RAID Hardware-RAID Kosten niedrig hoch CPU-Auslastung (Host) hoch niedrig Performance niedrig hoch Plattformunabhängigkeit nein ja Betriebssystemabhängigkeit ja ja Unterschiede bei RAID: Umsetzung und Level Level RAID-Level Level Art, wie Festplatten in einem RAID kombiniert werden Vorsicht Level-Nummern stehen in keiner Verbindung kennzeichnen lediglich verschiedene Ansätze für Aufbau und Funktion des RAID RAID-Level Mehrere Stufen Standard RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID 6 Verschachtelt RAID 10 (RAID 1 + RAID 0) RAID 01 Leistungs -und Redundanzanforderungen RAID 0 am schnellsten RAID 1 am zuverlässigsten RAID 5 gute Kombination RAID-Level 0 Striping Daten werden im 'Reißverschluss -Verfahren' gespeichert Vorteil Erhöhung der Zugriffsgeschwindigkeit Erhöhung Lesegeschwindigkeit Nachteil Bei Ausfall einer Festplatte sind Daten nicht rekonstruierbar RAID-Level 0 Striping Daten werden im 'Reißverschluss -Verfahren' gespeichert Vorteil Erhöhung der Zugriffsgeschwindigkeit Erhöhung Lesegeschwindigkeit Nachteil Bei Ausfall einer Festplatte sind Daten nicht rekonstruierbar RAID-Level 1 RAID 1 -min. 2 Festplatten Daten Mirroring (Spiegelung) Jeder Datenblock wird auf 2 Festplatten gespeichert Vorteil Redundanz Evt bessere Lesegeschwindigkeit Nachteil Schreibgeschwindigkeit genauso schnell oder langsamer wie bei Einzellaufwerk Festplattenredundanz RAID-Level 5 RAID 5 -min. 3 Festplatten Kompromiss aus Performanz (Level 0) und Datensicherheit (Level 1) Durch Hinzufügen von Paritätsinformationen Möglichkeit der Wiederherstellung von Daten bei Ausfall einer Festplatte Vorteil Hohe Fehlertoleranz höhere Lesegeschwindigkeit entsprechend Anzahl der Platten Nachteil Schreibintensive Arbeiten werden durch Berechung der Parität weniger effizient Paritätsinformationen A B A XOR B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Paritätsinformationen A B A XOR B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Ungerade Zahl 1 → 1 Paritätsinformationen A B A XOR B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Paritätsinformationen Platte 1 Platte 2 Platte 3 Parität 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 Paritätsinformationen Platte 1 Platte 2 Platte 3 Parität 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 Paritätsinformationen Platte 1 Platte 2 Platte 3 Parität 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 Paritätsinformationen Platte 1 Platte 2 Platte 3 Parität 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 Paritätsinformationen: Entferne Platte 2 (CRASH) Platte 1 Platte 3 Parität 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 Paritätsinformationen: Entferne Platte 2 (CRASH) Platte 1 Platte 3 Parität 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 Paritätsinformationen: Entferne Platte 2 (CRASH) Platte 1 Platte 3 Parität 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 Platte 2 1 0 1 1 RAID-Level RAID 6 -min. 4 Festplatten ähnlich RAID 5 2 Paritätsinformationen Verlust von 2 Laufwerken verkraftbar Nachteil noch rechenintensiver als RAID 5 Vorteil Hohe Fehlertoleranz höhere Lesegeschwindigkeit Risiko von Datenverlust minimiert RAID-Level RAID 10 -Strip of Mirrors Verbund von RAID 0 … … über mehrere RAID 1 Benötigt mindestens 4 Festplatten Auf jeden Fall gerade Anzahl Vorteil Schnelle Datenrekonstruktion nach einem Plattenausfall … … da nur ein Teil der Daten rekonstruiert werden muss Nachteil Nur 50% der Festplattenkapazität Raid 10, weil zuerst Spiegelung von Datum 1 dann Striping von Datum 2 mit anschließender Spiegelung RAID 1+0 RAID-Level RAID 01 -Mirror of Stripes RAID 1 … … über mehrere RAID 0 Benötigt mindestens 4 Festplatten Vorteil Schnelle Datenrekonstruktion nach einem Plattenausfall … … da nur ein Teil der Daten rekonstruiert werden muss Nutzbares Volumen 50% der Festplattenkapazität RAID 01, weil zuerst werden Daten 1 und 2 gestriped anschließend gespiegelt RAID O+1 Übungen RAID Übung 1 Ein RAID-5 ist bitweise XOR-Verknüpft. Welche Bit müssen in die fehlenden Stellen eingetragen werden? Übung 1 Ein RAID-5 ist bitweise XOR-Verknüpft. Welche Bit müssen in die fehlenden Stellen eingetragen werden? Übung 2 Eine zusammenhängende Datei wird aufgeteilt in die Datenpakete A-E auf einem RAID aus 5 Laufwerke gespeichert. Wie werden die Datenpakete auf die Laufwerke verteilt? Verbinde gespiegelte Platten mit einer Linie mit der Beschriftung mirror , verbinde gekoppelte Platten mit einer Linie mit der Beschriftung stripe , Benenne Paritäten mit P P und streiche nicht genutzte Platten durch. RAID 1 RAID 0+1 RAID 10 RAID 5 RAID 6 RAID(n,m) oder RAID n+m RAID(n,m) Neuere Bezeichnung von RAID-Systemen Es werden nicht mehr RAID Level verwendet. Stattdessen: n = Anzahl der benutzten Platten m = Anzahl der Parity-Platten RAID(n,m) Beispiel RAID (5,2) Fünf Platten im Verbund Zwei Platten dürfen maximal ausfallen → entspricht RAID 6 mit fünf Platten Leserate, Schreibrate, Gesamt-Speicherkapazität Leserate (Datendurchsatzrate) Schreibrate gesamt GesamtSpeicherkapazität n x Leserate Einzelplatte (n -m) x Schreibrate Einzelplatte (n -m) x Einzelkapazität Beispiel: Leserate, Schreibrate, Gesamt-Speicherkapazität RAID 5 Gesamtkapazität Datendurchsatz 4 Platten je 1 TB Kapazität n - m → 3 TB Platte 4 für Parität Lesen: 4 mal so groß wie bei Einzelplatte Schreiben: 3 mal so groß wie bei Einzelplatte Hot Spare und Hot Swapping Hot-Spare-Platten + Hot-Swapping Mehr Festplatten als vom RAID benötigt werden angeschlossen Festplatten werden in Reserve (spare) gehalten Diese wird normalerweise nicht verwendet RAID-Controller erkennt Defekt einer Platte: Reserve-Platte wird in im laufenden Betrieb (hot) RAID-Verbund integriert Fehlende Daten werden aus vorhandenen Daten berechnet Diese Daten werden auf Reserve-Festplatte geschrieben JBOD und NRAID vs RAID JBOD Just a Bunch of Disks ('nur ein Haufen Platten') NRAID NotRAID JBOD und NRAID Zusammenschaltungen (Concatenations) von mehreren Festplatten Kein Sicherheitsgewinn, da keine Redundanz Kein Geschwindigkeitsgewinn -Daten werden einfach in Reihe geschrieben RAID -Verhältnis zwischen Schutzniveau und Leistung RAID-Level Mindestanzahl Platten Max. Ausfall ohne Datenverlust Bedingung Ausfallwahrscheinlichkeit (vereinfacht) RAID 0 2 0 keine Redundanz Sehr hoch (jede Platte kritisch) RAID 1 2 n-1 solange 1 Platte lebt Sehr gering RAID 5 3 1 egal welche Platte Mittel RAID 6 4 2 egal welche Platten Gering RAID 10 4 1 bis n/2 je 1 pro Spiegelpaar Sehr gering RAID 01 4 1 (meist) abhängig von Gruppe Höher als RAID 10 Links RAID-Level Mindestanzahl Platten Nettokapazität (bei N Platten gleicher Größe) Erklärung 2 N × Größe Volle Kapazität, keine Redundanz RAID 0 2 1 × Größe Spiegelung, nur eine Platte nutzbar RAID 1 3 (N - 1) × Größe Eine Platte für Parität RAID 5 4 (N - 2) × Größe Zwei Platten für Parität RAID 6 4 (N / 2) × Größe Spiegelung + Striping RAID 10 4 (N / 2) × Größe Striping + Spiegelung RAID 01 Links https://www.gservon.de/erklaerung-und-berechnung-raid-0-1-5-6-und-10/ Quellen Dokument: Datenverfügbarkeit_RAID ID: 137 Elektrische Grundgrößen Definition Elektrische Grundgrößen beschreiben die wichtigsten physikalischen Größen der Elektrotechnik. Sie bilden die Grundlage für elektrische Berechnungen. Grundgrößen Größe Formelzeichen Einheit Spannung U Volt (V) Stromstärke I Ampere (A) Widerstand R Ohm (Ω) Leistung P Watt (W) Merksatz U = Volt (V) I = Ampere (A) R = Ohm (Ω) P = Watt (W) Prüfungshinweis Formelzeichen und Einheiten dürfen nicht verwechselt werden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN IEC 60050 – Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch Gleichstrom und Wechselstrom Definition Elektrischer Strom wird in Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) unterschieden. Gleichstrom (DC) fließt dauerhaft in eine Richtung Spannung und Stromrichtung bleiben konstant Beispiele Batterie Akku USB Wechselstrom (AC) ändert periodisch seine Richtung Spannung und Strom wechseln regelmäßig ihre Polarität Beispiele Steckdose Stromnetz Merksatz DC = Strom fließt in eine Richtung. AC = Strom ändert regelmäßig seine Richtung. Prüfungshinweis In Deutschland beträgt die Netzfrequenz 50 Hz . Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN 60038 Reihen- und Parallelschaltung Reihenschaltung Stromstärke ist überall gleich. Die Spannung teilt sich auf. Der Gesamtwiderstand ist die Summe aller Widerstände. Parallelschaltung Spannung ist überall gleich. Die Stromstärke teilt sich auf. Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Merksatz Reihe → Strom gleich. Parallel → Spannung gleich. Prüfungshinweis Reihen- und Parallelschaltungen gehören zu den häufigsten Rechenaufgaben der IHK. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Elektrische Sicherheit Definition Elektrische Sicherheit umfasst Maßnahmen zum Schutz von Personen und Betriebsmitteln vor den Gefahren des elektrischen Stroms. Wichtige Schutzeinrichtungen Schutzleiter (PE) Sicherung Fehlerstromschutzschalter (FI/RCD) Schutzisolierung Merksatz Der Personenschutz hat immer Vorrang vor dem Geräteschutz. Prüfungshinweis Der FI/RCD schützt Personen vor gefährlichen Fehlerströmen. Eine Sicherung schützt Leitungen vor Überlast und Kurzschluss. Quellen DIN VDE 0100 IT-Handbuch für Fachinformatiker Schutzarten und Schutzklassen Schutzklassen Schutzklasse Beschreibung I Schutz durch Schutzleiter (PE) II Schutz durch doppelte oder verstärkte Isolierung III Schutz durch Schutzkleinspannung (SELV/PELV) Schutzarten (IP) Die IP-Schutzart beschreibt den Schutz eines Gehäuses gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser. Beispiel IP65 6 = staubdicht 5 = geschützt gegen Strahlwasser Merksatz Erste Kennziffer = Schutz gegen Fremdkörper und Berührung. Zweite Kennziffer = Schutz gegen Wasser. Prüfungshinweis Schutzklasse und Schutzart beschreiben unterschiedliche Eigenschaften und dürfen nicht verwechselt werden. Quellen DIN EN 60529 (IP-Schutzarten) DIN EN 61140 (Schutzklassen) IT-Handbuch für Fachinformatiker Ohmsches Gesetz Definition Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung (U) , Stromstärke (I) und Widerstand (R) . Formeln U = R × I I = U / R R = U / I Einheiten Größe Formelzeichen Einheit Spannung U Volt (V) Stromstärke I Ampere (A) Widerstand R Ohm (Ω) Voraussetzung Das Ohmsche Gesetz gilt nur für ohmsche Widerstände bei konstanter Temperatur. Merksatz Kennt man zwei der drei Größen, kann die dritte berechnet werden. Prüfungshinweis In der IHK werden häufig Aufgaben gestellt, bei denen Spannung, Stromstärke oder Widerstand berechnet werden müssen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN IEC 60050 Gleichstrom und Wechselstrom Definition Elektrischer Strom wird in Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) unterschieden. Gleichstrom (DC – Direct Current) Strom fließt dauerhaft in eine Richtung. Die Polarität bleibt konstant. Spannung und Strom ändern ihre Richtung nicht. Beispiele Batterie Akku USB-Stromversorgung Solaranlage Wechselstrom (AC – Alternating Current) Strom ändert regelmäßig seine Richtung. Die Polarität wechselt periodisch. In Deutschland beträgt die Netzfrequenz 50 Hz . Beispiele Haushaltssteckdose Stromnetz Vergleich Gleichstrom (DC) Wechselstrom (AC) konstante Stromrichtung wechselnde Stromrichtung konstante Polarität wechselnde Polarität Batterie, Akku Stromnetz, Steckdose Merksatz DC = Strom fließt in eine Richtung . AC = Strom wechselt regelmäßig seine Richtung. Prüfungshinweis Elektronische Geräte arbeiten intern meist mit Gleichstrom (DC) . Netzteile wandeln den Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz in Gleichstrom (DC) um. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN 60038 Reihen- und Parallelschaltung Definition Elektrische Bauteile können in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden werden. Beide Schaltungsarten unterscheiden sich im Verhalten von Spannung, Stromstärke und Widerstand. Reihenschaltung Eigenschaften: Stromstärke ist überall gleich. Die Gesamtspannung ist die Summe der Teilspannungen. Der Gesamtwiderstand ist die Summe aller Einzelwiderstände. Formel R ges = R₁ + R₂ + R₃ + … Parallelschaltung Eigenschaften: Spannung ist überall gleich. Die Gesamtstromstärke ist die Summe der Teilströme. Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Formel 1 / R ges = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / R₃ + … Vergleich Reihenschaltung Parallelschaltung Stromstärke überall gleich Spannung überall gleich Spannung teilt sich auf Stromstärke teilt sich auf Widerstände addieren sich Gesamtwiderstand wird kleiner Merksatz Reihe → Strom gleich Parallel → Spannung gleich Prüfungshinweis Reihen- und Parallelschaltungen gehören zu den häufigsten Rechenaufgaben in der IHK-Abschlussprüfung. Die Formeln für den Gesamtwiderstand sollten sicher beherrscht werden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN IEC 60050 Elektrische Sicherheit Definition Elektrische Sicherheit umfasst alle Maßnahmen zum Schutz von Personen, Tieren und Sachwerten vor den Gefahren des elektrischen Stroms. Gefahren des elektrischen Stroms Stromschlag Kurzschluss Überlastung Brand Lichtbogen Schutzeinrichtungen Schutzeinrichtung Aufgabe Sicherung Schützt Leitungen vor Überlast und Kurzschluss. FI-/RCD-Schutzschalter Schützt Personen vor gefährlichen Fehlerströmen. Schutzleiter (PE) Leitet Fehlerströme sicher zur Erde ab. Schutzisolierung Verhindert das Berühren spannungsführender Teile. Schutzmaßnahmen Schutzerdung Schutzisolierung Schutztrennung Schutzkleinspannung (SELV/PELV) Merksatz Sicherung schützt Leitungen. FI-/RCD schützt Menschen. Schutzleiter leitet Fehlerströme ab. Prüfungshinweis Sicherung und FI-/RCD haben unterschiedliche Aufgaben und dürfen nicht verwechselt werden. Quellen DIN VDE 0100 DIN EN 61140 IT-Handbuch für Fachinformatiker Schutzarten und Schutzklassen Definition Schutzarten und Schutzklassen dienen dem Schutz von Personen und elektrischen Betriebsmitteln. Sie beschreiben jedoch unterschiedliche Eigenschaften und dürfen nicht verwechselt werden. Schutzklassen Die Schutzklasse beschreibt die Schutzmaßnahme eines elektrischen Betriebsmittels gegen einen elektrischen Schlag. Schutzklasse Beschreibung I Schutz durch Schutzleiter (PE) II Schutz durch doppelte oder verstärkte Isolierung III Schutz durch Schutzkleinspannung (SELV/PELV) Schutzarten (IP-Code) Die IP-Schutzart beschreibt den Schutz eines Gehäuses gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser. Aufbau IP XY X = Schutz gegen Berührung und Fremdkörper Y = Schutz gegen Wasser Beispiele Schutzart Bedeutung IP20 Schutz gegen feste Fremdkörper ≥ 12,5 mm, kein Wasserschutz IP44 Schutz gegen feste Fremdkörper ≥ 1 mm und Spritzwasser IP54 Staubgeschützt und Spritzwasser geschützt IP65 Staubdicht und geschützt gegen Strahlwasser IP67 Staubdicht und geschützt gegen zeitweiliges Untertauchen Merksatz Schutzklasse = Schutzmaßnahme des Geräts Schutzart = Schutz des Gehäuses (IP-Code) Prüfungshinweis Schutzklasse und Schutzart werden in IHK-Prüfungen häufig miteinander verwechselt. Quellen DIN EN 60529 (IP-Schutzarten) DIN EN 61140 (Schutzklassen) IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 2 – Digitale Grundlagen 2.1 Zahlensysteme Definition Ein Zahlensystem beschreibt, wie Zahlen mit bestimmten Zeichen dargestellt werden. In der Informationstechnik sind vor allem Stellenwertsysteme wichtig. Wichtige Zahlensysteme Zahlensystem Basis Ziffern Dezimalsystem 10 0–9 Binärsystem 2 0–1 Oktalsystem 8 0–7 Hexadezimalsystem 16 0–9 und A–F Dezimalsystem Das Dezimalsystem ist das im Alltag verwendete Zahlensystem. Basis: 10 Ziffern: 0 bis 9 Binärsystem Das Binärsystem wird in der Digitaltechnik verwendet. Basis: 2 Ziffern: 0 und 1 Hexadezimalsystem Das Hexadezimalsystem wird häufig zur kompakten Darstellung von Binärzahlen verwendet. Basis: 16 Ziffern: 0 bis 9 und A bis F Merksatz Computer arbeiten intern mit Binärzahlen . Menschen verwenden meist Dezimalzahlen . Hexadezimalzahlen sind eine kompakte Schreibweise für Binärzahlen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben müssen häufig Zahlen zwischen Dezimal , Binär und Hexadezimal umgerechnet werden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.2 Binärsystem Definition Das Binärsystem ist ein Zahlensystem mit der Basis 2 . Es verwendet nur zwei Ziffern: 0 1 Bedeutung Das Binärsystem ist die Grundlage der digitalen Datenverarbeitung. Computer arbeiten intern mit zwei Zuständen: Zustand Bedeutung 0 aus / falsch / kein Signal 1 ein / wahr / Signal Stellenwerte Im Binärsystem haben die Stellen die Werte von Zweierpotenzen. Stelle Wert 2⁷ 128 2⁶ 64 2⁵ 32 2⁴ 16 2³ 8 2² 4 2¹ 2 2⁰ 1 Beispiel Binärzahl: 1010₂ Berechnung: 8 + 0 + 2 + 0 = 10₁₀ Merksatz Binärzahlen bestehen nur aus 0 und 1 . Prüfungshinweis Bei Umrechnungen immer von rechts nach links mit 2⁰ beginnen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.3 Oktalsystem Definition Das Oktalsystem ist ein Zahlensystem mit der Basis 8 . Es verwendet acht Ziffern: 0 1 2 3 4 5 6 7 Bedeutung Das Oktalsystem wird in der Informatik seltener verwendet als das Binär- oder Hexadezimalsystem. Es kann zur kompakten Darstellung von Binärzahlen genutzt werden. Stellenwerte Im Oktalsystem haben die Stellen die Werte von Achterpotenzen. Stelle Wert 8³ 512 8² 64 8¹ 8 8⁰ 1 Beispiel Oktalzahl: 17₈ Berechnung: 1 × 8 + 7 × 1 = 15₁₀ Binärbezug Eine Oktalstelle entspricht genau 3 Bit . Oktal Binär 0 000 1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111 Merksatz Das Oktalsystem hat die Basis 8 und verwendet nur die Ziffern 0 bis 7 . Prüfungshinweis Die Ziffer 8 gibt es im Oktalsystem nicht. Wenn eine Zahl eine 8 oder 9 enthält, kann sie keine gültige Oktalzahl sein. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.4 Hexadezimalsystem Definition Das Hexadezimalsystem ist ein Zahlensystem mit der Basis 16 . Es verwendet sechzehn Zeichen: 0 bis 9 A bis F Hexadezimale Ziffern Dezimal Hexadezimal 10 A 11 B 12 C 13 D 14 E 15 F Bedeutung Das Hexadezimalsystem wird häufig verwendet, um Binärzahlen kürzer und übersichtlicher darzustellen. Typische Anwendungen: Speicheradressen MAC-Adressen IPv6-Adressen Farbwerte Maschinencode Stellenwerte Im Hexadezimalsystem haben die Stellen die Werte von Sechzehnerpotenzen. Stelle Wert 16³ 4096 16² 256 16¹ 16 16⁰ 1 Beispiel Hexadezimalzahl: 1A₁₆ Berechnung: 1 × 16 + 10 × 1 = 26₁₀ Binärbezug Eine Hexadezimalstelle entspricht genau 4 Bit . Hex Binär 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 A 1010 B 1011 C 1100 D 1101 E 1110 F 1111 Merksatz Das Hexadezimalsystem hat die Basis 16 . Eine Hexadezimalstelle entspricht 4 Bit . Prüfungshinweis A bis F stehen für die Dezimalwerte 10 bis 15 . Die Ziffernfolge 10₁₆ entspricht nicht zehn, sondern 16₁₀ . Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.5 Umrechnung von Zahlensystemen Definition Bei der Umrechnung von Zahlensystemen wird eine Zahl von einem Zahlensystem in ein anderes übertragen. Wichtige Zahlensysteme: Dezimalsystem Binärsystem Oktalsystem Hexadezimalsystem Dezimal in Binär Die Dezimalzahl wird wiederholt durch 2 geteilt. Die Reste werden von unten nach oben gelesen. Beispiel 13₁₀ = 1101₂ Binär in Dezimal Die Stellenwerte der gesetzten Bits werden addiert. Beispiel 1101₂ 8 + 4 + 0 + 1 = 13₁₀ Binär in Hexadezimal Die Binärzahl wird von rechts nach links in 4er-Gruppen eingeteilt. Beispiel 1101₂ = D₁₆ 1111 0000₂ = F0₁₆ Hexadezimal in Binär Jede Hexadezimalstelle wird in 4 Bit umgewandelt. Beispiel A₁₆ = 1010₂ F₁₆ = 1111₂ Oktal und Binär Eine Oktalstelle entspricht genau 3 Bit . Beispiel 7₈ = 111₂ Merksatz Binär ↔ Hexadezimal: immer in 4 Bit gruppieren. Binär ↔ Oktal: immer in 3 Bit gruppieren. Dezimal ↔ anderes System: mit der Basis rechnen. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben werden besonders häufig Binär , Dezimal und Hexadezimal umgerechnet. Typische Fehler: Reste in falscher Reihenfolge lesen. 4er-Gruppen beim Hexadezimalsystem falsch setzen. A bis F falsch zuordnen. Fehlende Nullen beim Gruppieren vergessen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.6 Bit und Byte Definition Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit in der Informatik. Ein Bit kann zwei Zustände annehmen: 0 1 Ein Byte besteht aus 8 Bit . Einheiten Einheit Bedeutung Bit kleinste Informationseinheit Byte 8 Bit Kilobyte 1.000 Byte Megabyte 1.000 Kilobyte Gigabyte 1.000 Megabyte Terabyte 1.000 Gigabyte Bit und Byte Schreibweise Bedeutung b Bit B Byte Beispiel 1 Byte = 8 Bit 10 Byte = 80 Bit 100 MBit/s = 12,5 MB/s Merksatz b = Bit B = Byte 1 Byte = 8 Bit Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Bit und Byte unterschieden. Typische Fehler: MBit/s mit MB/s verwechseln. Kleines b und großes B verwechseln. Bei Datenraten die Umrechnung durch 8 vergessen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.7 SI- und Binärpräfixe Definition Präfixe werden verwendet, um große Datenmengen kompakt darzustellen. In der Informationstechnik wird zwischen SI-Präfixen und Binärpräfixen unterschieden. SI-Präfixe SI-Präfixe basieren auf dem Dezimalsystem. Einheit Abkürzung Wert Kilobyte kB 1.000 Byte Megabyte MB 1.000.000 Byte Gigabyte GB 1.000.000.000 Byte Terabyte TB 1.000.000.000.000 Byte Binärpräfixe Binärpräfixe basieren auf Zweierpotenzen. Einheit Abkürzung Wert Kibibyte KiB 1.024 Byte Mebibyte MiB 1.048.576 Byte Gibibyte GiB 1.073.741.824 Byte Tebibyte TiB 1.099.511.627.776 Byte Vergleich Dezimal Binär kB = 1.000 Byte KiB = 1.024 Byte MB = 1.000² Byte MiB = 1.024² Byte GB = 1.000³ Byte GiB = 1.024³ Byte TB = 1.000⁴ Byte TiB = 1.024⁴ Byte Merksatz kB, MB, GB, TB = dezimal KiB, MiB, GiB, TiB = binär 1 Byte = 8 Bit Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben genau auf die Einheit achten. Typische Fehler: GB mit GiB verwechseln. MB mit MiB verwechseln. Bit und Byte verwechseln. Umrechnung durch 8 vergessen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker IEC 60027-2 2.8 ASCII Definition ASCII steht für American Standard Code for Information Interchange . ASCII ist eine Zeichencodierung zur Darstellung von Zeichen in Computersystemen. Grundprinzip Jedes Zeichen wird durch eine Zahl dargestellt. Beispiele: Zeichen Dezimalwert A 65 B 66 a 97 0 48 Leerzeichen 32 Umfang Der ursprüngliche ASCII-Code verwendet 7 Bit . Damit können dargestellt werden: 2⁷ = 128 Zeichen Zeichenarten ASCII enthält unter anderem: Buchstaben Ziffern Satzzeichen Steuerzeichen Beispiele für Steuerzeichen Steuerzeichen Bedeutung LF Line Feed / Zeilenvorschub CR Carriage Return / Wagenrücklauf ESC Escape Merksatz ASCII ist eine Zeichencodierung mit 7 Bit und umfasst 128 Zeichen . Prüfungshinweis ASCII ist nicht dasselbe wie Unicode. ASCII ist kleiner und kann viele internationale Zeichen nicht darstellen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker ISO/IEC 646 2.9 Unicode Definition Unicode ist ein internationaler Standard zur Darstellung von Zeichen. Unicode kann Zeichen aus vielen verschiedenen Sprachen und Schriftsystemen darstellen. Bedeutung Unicode wurde entwickelt, um die Einschränkungen älterer Zeichencodierungen wie ASCII zu überwinden. ASCII kann nur 128 Zeichen darstellen. Unicode kann deutlich mehr Zeichen darstellen. Beispiele für Unicode-Zeichen Zeichen Bedeutung A lateinischer Großbuchstabe ä deutscher Umlaut € Euro-Zeichen Ω griechischer Buchstabe Omega UTF-8 UTF-8 ist eine häufig verwendete Codierung für Unicode-Zeichen. Eigenschaften: kompatibel zu ASCII variable Zeichenlänge weit verbreitet im Web Vergleich ASCII und Unicode ASCII Unicode 7 Bit deutlich größerer Zeichenvorrat 128 Zeichen viele Schriftsysteme vor allem englische Zeichen internationale Zeichen keine Umlaute im ursprünglichen ASCII Umlaute und Sonderzeichen möglich Merksatz Unicode ist ein Standard für internationale Zeichen. UTF-8 ist eine Codierung für Unicode. Prüfungshinweis Unicode und UTF-8 dürfen nicht gleichgesetzt werden. Unicode = Zeichensatz / Standard UTF-8 = Codierung Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker The Unicode Standard 2.10 Datendarstellung Definition Datendarstellung beschreibt, wie Informationen in einem Computersystem gespeichert und verarbeitet werden. Computer speichern Daten intern als Binärwerte . Grundprinzip Alle Daten werden im Computer als Folge von 0 und 1 dargestellt. Dazu gehören: Zahlen Buchstaben Bilder Audio Programme Beispiele Datentyp Darstellung im Computer Zahl Binärzahl Text Zeichencodierung Bild Pixelwerte Audio digitale Abtastwerte Programm Maschinenbefehle Codierung Damit Daten verarbeitet werden können, müssen sie codiert werden. Beispiele: ASCII Unicode UTF-8 Binärzahlen Hexadezimalzahlen Merksatz Computer verarbeiten intern keine Buchstaben oder Bilder direkt, sondern Binärdaten . Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, wie Zeichen, Zahlen oder Datenmengen digital dargestellt werden. Typische Fehler: Zeichen mit Zeichencodierung verwechseln. Bit und Byte verwechseln. Binärdarstellung und Hexadezimaldarstellung verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.11 Einerkomplement Definition Das Einerkomplement ist eine Darstellungsform für negative Binärzahlen. Dabei werden alle Bits einer positiven Binärzahl umgekehrt. Grundprinzip Bit Einerkomplement 0 1 1 0 Beispiel Positive Binärzahl: 0101 Einerkomplement: 1010 Vorzeichen Beim Einerkomplement zeigt das höchstwertige Bit das Vorzeichen an. Höchstwertiges Bit Bedeutung 0 positive Zahl 1 negative Zahl Besonderheit Beim Einerkomplement gibt es zwei Darstellungen für die Null: +0 -0 Merksatz Beim Einerkomplement werden alle Bits invertiert. Prüfungshinweis Das Einerkomplement ist wichtig als Grundlage zum Verständnis des Zweierkomplements . Typische Fehler: Einerkomplement und Zweierkomplement verwechseln. Beim Einerkomplement wird nur invertiert. Beim Zweierkomplement wird zusätzlich 1 addiert . Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.12 Zweierkomplement Definition Das Zweierkomplement ist eine Darstellungsform für negative Binärzahlen. Es wird häufig verwendet, um positive und negative ganze Zahlen im Computer darzustellen. Bildung des Zweierkomplements Positive Binärzahl bilden Alle Bits invertieren 1 addieren Beispiel Positive Zahl: 0101 Bits invertieren: 1010 1 addieren: 1011 Vorzeichen Höchstwertiges Bit Bedeutung 0 positive Zahl 1 negative Zahl Besonderheit Im Gegensatz zum Einerkomplement gibt es beim Zweierkomplement nur eine Darstellung für die Null . Merksatz Zweierkomplement = Einerkomplement + 1 Prüfungshinweis Das Zweierkomplement wird in IHK-Aufgaben häufig zur Darstellung negativer Binärzahlen verwendet. Typische Fehler: Nur invertieren und die +1 vergessen. Einerkomplement und Zweierkomplement verwechseln. Das höchstwertige Bit als Vorzeichenbit übersehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 2.13 Gleitkommazahlen Definition Gleitkommazahlen sind Zahlen mit Nachkommastellen. Sie werden verwendet, wenn sehr kleine oder sehr große Zahlen dargestellt werden müssen. Beispiele 3,14 0,0005 1.000.000 -12,75 Grundprinzip Eine Gleitkommazahl besteht vereinfacht aus: Bestandteil Bedeutung Vorzeichen positiv oder negativ Mantisse eigentliche Ziffernfolge Exponent Verschiebung des Kommas Bedeutung Gleitkommazahlen werden häufig verwendet für: Messwerte wissenschaftliche Berechnungen Grafikberechnungen Audio- und Bildverarbeitung Besonderheit Gleitkommazahlen können Rundungsfehler verursachen, weil nicht jede Dezimalzahl exakt binär dargestellt werden kann. Merksatz Gleitkommazahlen dienen zur Darstellung von Zahlen mit Nachkommastellen. Prüfungshinweis Gleitkommazahlen sind nicht immer exakt. Bei Berechnungen können Rundungsfehler entstehen. Typische Fehler: Gleitkommazahlen mit Ganzzahlen verwechseln. Rundungsfehler nicht beachten. Mantisse und Exponent verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker IEEE 754 Kapitel 3 – PC-Hardware 3.1 Halbleiter Definition Ein Halbleiter ist ein Werkstoff, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Leiter und einem Nichtleiter liegt. Eigenschaften leitet schlechter als ein Leiter leitet besser als ein Nichtleiter Leitfähigkeit kann beeinflusst werden Grundlage vieler elektronischer Bauteile Beispiele Typische Halbleitermaterialien sind: Silizium Germanium Bedeutung Halbleiter sind die Grundlage für viele elektronische Bauteile. Beispiele: Diode Transistor Mikrochip CPU Speicherbaustein Merksatz Halbleiter sind die Grundlage moderner Elektronik. Prüfungshinweis Halbleiter sind wichtig zum Verständnis von Dioden , Transistoren , Chips , CPU und Speicherbausteinen . Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN IEC 60050 – Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch 3.2 P-n-Übergang Definition Ein P-n-Übergang entsteht, wenn ein p-dotierter und ein n-dotierter Halbleiter miteinander verbunden werden. P-dotierter Halbleiter besitzt viele positive Ladungsträger diese positiven Ladungsträger nennt man Löcher N-dotierter Halbleiter besitzt viele freie Elektronen Elektronen sind negative Ladungsträger Sperrschicht Am Übergang zwischen p- und n-Schicht entsteht eine Sperrschicht . Diese Sperrschicht lässt Strom nur unter bestimmten Bedingungen fließen. Bedeutung Der P-n-Übergang ist die Grundlage wichtiger elektronischer Bauteile. Beispiele: Diode Transistor Solarzelle LED Merksatz Der P-n-Übergang ist die Grundlage der Diode . Prüfungshinweis Beim P-n-Übergang ist wichtig zu verstehen, dass Strom nicht beliebig in beide Richtungen fließt. Dieses Verhalten wird bei der Diode genutzt. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN IEC 60050 – Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch 3.3 Elektronische Bauteile Definition Elektronische Bauteile sind Bestandteile elektrischer und elektronischer Schaltungen. Sie beeinflussen oder steuern den Stromfluss in einer Schaltung. Wichtige Bauteile Bauteil Aufgabe Widerstand begrenzt den Stromfluss Kondensator speichert elektrische Ladung Diode lässt Strom hauptsächlich in eine Richtung fließen Transistor schaltet oder verstärkt elektrische Signale Spule speichert Energie in einem Magnetfeld Widerstand Ein Widerstand begrenzt den elektrischen Strom. Einheit: Ohm (Ω) Kondensator Ein Kondensator speichert elektrische Ladung. Einheit: Farad (F) Diode Eine Diode lässt Strom hauptsächlich in eine Richtung fließen. Sie besitzt eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung . Transistor Ein Transistor kann als elektronischer Schalter oder Verstärker verwendet werden. Merksatz Elektronische Bauteile steuern, begrenzen, speichern oder schalten elektrische Signale. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben werden häufig Grundfunktionen elektronischer Bauteile abgefragt. Typische Fehler: Diode und Transistor verwechseln. Widerstand und Kondensator verwechseln. Durchlassrichtung und Sperrrichtung der Diode nicht beachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker DIN EN IEC 60050 – Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch 3.4 Mainboard Definition Das Mainboard ist die zentrale Platine eines Computers. Auf dem Mainboard werden die wichtigsten Komponenten eines Computers miteinander verbunden. Wichtige Bestandteile Bestandteil Aufgabe CPU-Sockel Aufnahme des Prozessors RAM-Steckplätze Aufnahme des Arbeitsspeichers Chipsatz Steuerung der Datenübertragung PCIe-Steckplätze Anschluss von Erweiterungskarten BIOS/UEFI-Chip Firmware zum Starten des Systems Anschlüsse Verbindung zu internen und externen Geräten Aufgabe Das Mainboard verbindet unter anderem: CPU RAM Massenspeicher Grafikkarte Netzteil Peripheriegeräte Formfaktoren Typische Mainboard-Formfaktoren sind: ATX Micro-ATX Mini-ITX Merksatz Das Mainboard ist die zentrale Verbindungsplatine eines Computers. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben geht es häufig um Kompatibilität . Wichtig sind besonders: CPU-Sockel RAM-Typ Formfaktor Anschlüsse Erweiterungssteckplätze Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.5 Netzteil Definition Das Netzteil versorgt die Komponenten eines Computers mit elektrischer Energie. Es wandelt die Netzspannung aus der Steckdose in die benötigten Gleichspannungen des Computers um. Aufgabe Ein Netzteil wandelt: 230 V Wechselspannung (AC) in verschiedene Gleichspannungen (DC) um. Typische Spannungen im PC: Spannung Verwendung 12 V CPU, Grafikkarte, Laufwerke 5 V USB, Laufwerke, Elektronik 3,3 V Mainboard, Chipsätze, Speicher Wichtige Eigenschaften Leistung in Watt (W) Wirkungsgrad Anschlüsse Schutzschaltungen Formfaktor Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad beschreibt, wie effizient ein Netzteil elektrische Energie umwandelt. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Energie geht als Wärme verloren. 80 PLUS 80 PLUS ist eine Zertifizierung für den Wirkungsgrad von Netzteilen. Beispiele: 80 PLUS Bronze 80 PLUS Silver 80 PLUS Gold 80 PLUS Platinum 80 PLUS Titanium Merksatz Das Netzteil wandelt AC aus der Steckdose in DC für die PC-Komponenten um. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach Leistung, Wirkungsgrad oder der passenden Dimensionierung eines Netzteils gefragt. Typische Fehler: Watt mit Volt verwechseln. Netzteil zu knapp dimensionieren. Wirkungsgrad nicht berücksichtigen. Wechselspannung und Gleichspannung verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.6 Gehäuse Definition Das Gehäuse nimmt die Hardwarekomponenten eines Computers auf und schützt sie vor äußeren Einflüssen. Aufgabe Das Gehäuse dient zur: Aufnahme der Komponenten Befestigung von Mainboard, Netzteil und Laufwerken Führung des Luftstroms Abschirmung elektromagnetischer Störungen Schutz vor Staub und mechanischer Beschädigung Wichtige Eigenschaften Eigenschaft Bedeutung Formfaktor bestimmt passende Mainboard-Größe Belüftung wichtig für Kühlung Laufwerksschächte Aufnahme von HDD, SSD oder optischen Laufwerken Erweiterungsslots Platz für Erweiterungskarten Frontanschlüsse z. B. USB, Audio, Power-Taster Typische Bauformen Tower Midi-Tower Mini-Tower Desktop-Gehäuse Rack-Gehäuse Formfaktor Der Formfaktor des Gehäuses muss zum Mainboard passen. Beispiele: ATX Micro-ATX Mini-ITX Merksatz Das Gehäuse schützt die Komponenten und bestimmt, welche Hardware eingebaut werden kann. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben geht es häufig um Kompatibilität , Kühlung und Erweiterbarkeit . Typische Fehler: Mainboard-Formfaktor nicht beachten. Grafikkartenlänge nicht beachten. Netzteilformfaktor nicht beachten. Luftstrom im Gehäuse vernachlässigen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.7 CPU Definition Die CPU ist der Hauptprozessor eines Computers. Sie verarbeitet Befehle und steuert zentrale Abläufe im System. Aufgaben Die CPU übernimmt unter anderem: Ausführen von Programmbefehlen Rechnen mit Daten Steuern von Abläufen Koordinieren von Komponenten Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Taktfrequenz Geschwindigkeit des Prozessortakts Kern eigenständige Recheneinheit innerhalb der CPU Thread ausführbarer Programmablauf Cache schneller Zwischenspeicher der CPU Befehlssatz unterstützte Maschinenbefehle der CPU Taktfrequenz Die Taktfrequenz gibt an, wie viele Takte pro Sekunde ausgeführt werden. Einheit: Hertz (Hz) Typisch: MHz GHz Cache Der Cache ist ein schneller Zwischenspeicher direkt in oder nahe der CPU. Typische Cache-Stufen: L1-Cache L2-Cache L3-Cache Merksatz Die CPU ist die zentrale Recheneinheit eines Computers. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben sind besonders wichtig: Taktfrequenz Kerne Threads Cache Kompatibilität zum Mainboard-Sockel Typische Fehler: GHz allein sagt nicht vollständig aus, wie schnell eine CPU ist. CPU-Sockel und Mainboard müssen kompatibel sein. Cache ist nicht dasselbe wie RAM. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.8 Externe Bussysteme Definition Externe Bussysteme verbinden den Computer mit externen Geräten. Sie dienen zur Übertragung von Daten, Signalen oder Strom. Aufgabe Externe Bussysteme ermöglichen den Anschluss von: Tastatur Maus Drucker Scanner externen Festplatten Monitoren Netzwerkgeräten Wichtige externe Schnittstellen Schnittstelle Verwendung USB universelle Schnittstelle für Peripheriegeräte HDMI Bild- und Tonübertragung DisplayPort Bild- und Tonübertragung Thunderbolt schnelle Daten-, Bild- und Stromübertragung Ethernet Netzwerkverbindung Audio Ein- und Ausgabe von Tonsignalen USB USB ist eine universelle Schnittstelle für viele externe Geräte. Typische Geräte: Tastatur Maus USB-Stick externe Festplatte Drucker HDMI und DisplayPort HDMI und DisplayPort übertragen Bild- und Tonsignale. Typische Geräte: Monitor Fernseher Beamer Ethernet Ethernet dient zur kabelgebundenen Netzwerkverbindung. Typische Anschlüsse: RJ45 LAN-Port Merksatz Externe Bussysteme verbinden den Computer mit Geräten außerhalb des Gehäuses. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben wird häufig nach dem passenden Anschluss für ein Gerät gefragt. Typische Fehler: HDMI und DisplayPort mit USB verwechseln. Ethernet nicht als Netzwerkschnittstelle erkennen. Datenrate, Steckertyp und Verwendungszweck nicht unterscheiden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker USB-IF Spezifikation IEEE 802.3 3.9 Speicher Definition Speicher dienen dazu, Daten und Programme in einem Computersystem abzulegen. Man unterscheidet zwischen flüchtigem Speicher und nichtflüchtigem Speicher . Flüchtiger Speicher Flüchtiger Speicher verliert seine Daten, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Beispiel: RAM Nichtflüchtiger Speicher Nichtflüchtiger Speicher behält seine Daten auch ohne Stromversorgung. Beispiele: SSD HDD USB-Stick Speicherkarte ROM Wichtige Speicherarten Speicherart Bedeutung RAM Arbeitsspeicher ROM Nur-Lese-Speicher Cache schneller Zwischenspeicher SSD nichtflüchtiger Massenspeicher HDD magnetischer Massenspeicher RAM RAM ist der Arbeitsspeicher eines Computers. Er speichert Daten und Programme, die gerade verwendet werden. ROM ROM ist ein Speicher, der normalerweise nur gelesen wird. Er enthält häufig feste Programme oder Firmware. Cache Der Cache ist ein besonders schneller Zwischenspeicher. Er beschleunigt den Zugriff auf häufig benötigte Daten. Merksatz RAM ist schnell, aber flüchtig. SSD und HDD speichern Daten dauerhaft. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben werden häufig RAM , ROM , Cache und Massenspeicher unterschieden. Typische Fehler: RAM mit Massenspeicher verwechseln. Cache mit RAM verwechseln. flüchtigen und nichtflüchtigen Speicher verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.10 Grafikkarte Definition Die Grafikkarte berechnet die Bildausgabe eines Computers und gibt das Bildsignal an einen Monitor aus. Aufgabe Die Grafikkarte übernimmt unter anderem: Berechnung von Bilddaten Ausgabe des Bildsignals Entlastung der CPU bei Grafikberechnungen Darstellung von 2D- und 3D-Grafik Wichtige Bestandteile Bestandteil Aufgabe GPU Grafikprozessor VRAM Videospeicher Kühlsystem Wärmeabfuhr Videoausgänge Anschluss von Monitoren GPU Die GPU ist der Grafikprozessor der Grafikkarte. Sie berechnet die Bilddaten. VRAM Der VRAM ist der Videospeicher der Grafikkarte. Er speichert unter anderem: Bilddaten Texturen Grafikdaten Videoausgänge Typische Anschlüsse sind: HDMI DisplayPort DVI VGA Merksatz Die Grafikkarte berechnet und liefert das Bildsignal für den Monitor. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben sind besonders wichtig: Anschlussart Auflösung Bildwiederholrate Videospeicher Kompatibilität zum Mainboard und Netzteil Typische Fehler: GPU und CPU verwechseln. VRAM mit RAM verwechseln. Monitoranschluss und Grafikkartenanschluss nicht vergleichen. Strombedarf der Grafikkarte nicht beachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.11 Sensoren und Aktoren Definition Sensoren erfassen physikalische Größen und wandeln sie in elektrische Signale um. Aktoren wandeln elektrische Signale in eine Aktion oder Bewegung um. Sensoren Sensoren nehmen Werte aus der Umgebung auf. Beispiele: Sensor Erfasste Größe Temperatursensor Temperatur Lichtsensor Helligkeit Bewegungssensor Bewegung Drucksensor Druck Feuchtigkeitssensor Feuchtigkeit Aktoren Aktoren führen eine Aktion aus. Beispiele: Aktor Aktion Motor Bewegung Relais Schalten LED Licht ausgeben Lautsprecher Schall ausgeben Ventil Durchfluss steuern Unterschied Sensor Aktor nimmt Informationen auf führt eine Aktion aus Eingabe Ausgabe misst Werte wirkt auf die Umgebung ein Merksatz Sensoren erfassen. Aktoren handeln. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Eingabe und Ausgabe unterschieden. Typische Fehler: Sensoren und Aktoren verwechseln. Einen Motor als Sensor einordnen. Einen Temperatursensor als Aktor einordnen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.12 Erweiterungskarten Definition Erweiterungskarten sind zusätzliche Steckkarten, mit denen ein Computer um weitere Funktionen erweitert werden kann. Sie werden meist in einen PCIe-Steckplatz auf dem Mainboard eingesetzt. Aufgabe Erweiterungskarten ergänzen Funktionen, die nicht oder nicht ausreichend auf dem Mainboard vorhanden sind. Beispiele: zusätzliche Anschlüsse bessere Grafikleistung bessere Soundausgabe zusätzliche Netzwerkschnittstellen spezielle Schnittstellen Typische Erweiterungskarten Erweiterungskarte Aufgabe Grafikkarte Bildausgabe und Grafikberechnung Soundkarte Audioein- und -ausgabe Netzwerkkarte Netzwerkverbindung WLAN-Karte drahtlose Netzwerkverbindung RAID-Controller Verwaltung mehrerer Laufwerke USB-Erweiterungskarte zusätzliche USB-Anschlüsse PCIe PCIe steht für Peripheral Component Interconnect Express . PCIe ist ein internes Bussystem für Erweiterungskarten. Wichtige Kriterien passender Steckplatz verfügbare PCIe-Lanes Treiberunterstützung Stromversorgung Platz im Gehäuse Kompatibilität zum Betriebssystem Merksatz Erweiterungskarten erweitern den Computer um zusätzliche Funktionen. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben geht es häufig um die passende Erweiterungskarte für einen bestimmten Einsatzzweck. Typische Fehler: Erweiterungskarte und externes Gerät verwechseln. PCIe-Steckplatz nicht beachten. Treiber oder Betriebssystem-Kompatibilität vergessen. Strombedarf leistungsstarker Karten nicht berücksichtigen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 3.13 USV Definition Eine USV ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung . Sie versorgt angeschlossene Geräte bei Stromausfall für eine begrenzte Zeit weiter mit elektrischer Energie. Aufgabe Eine USV schützt vor: Stromausfall Spannungsschwankungen Überspannung kurzzeitigen Netzstörungen Einsatzbereiche USV-Anlagen werden häufig eingesetzt bei: Servern NAS-Systemen Netzwerkkomponenten wichtigen Arbeitsplätzen Kassensystemen Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Überbrückungszeit Zeit, die Geräte bei Stromausfall weiterlaufen Akkukapazität gespeicherte Energie der USV Last angeschlossene Verbraucher Scheinleistung Angabe meist in VA Arten von USV USV-Art Beschreibung Offline-USV einfache Absicherung bei Stromausfall Line-Interactive-USV zusätzlicher Schutz bei Spannungsschwankungen Online-USV dauerhaft geregelte Stromversorgung Merksatz Eine USV verhindert nicht den Stromausfall, sondern überbrückt ihn für eine begrenzte Zeit. Prüfungshinweis Bei IHK-Aufgaben ist wichtig: USV ≠ Backup USV schützt vor Stromausfall, nicht vor Datenverlust durch falsche Bedienung USV muss zur angeschlossenen Last passen Überbrückungszeit ist begrenzt Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 4 – Peripherie & Schnittstellen 4.1 I-O-Ports 4.1 I-O-Ports Definition I-O-Ports sind Schnittstellen zur Ein- und Ausgabe von Daten. I-O steht für Input/Output . Input Input bedeutet Eingabe . Beispiele: Tastatur Maus Scanner Mikrofon Sensor Output Output bedeutet Ausgabe . Beispiele: Monitor Drucker Lautsprecher LED Aktor Aufgabe I-O-Ports ermöglichen die Kommunikation zwischen Computer und Peripheriegeräten. Beispiele für I-O-Ports Port Verwendung USB Tastatur, Maus, Drucker, USB-Stick HDMI Monitor, Fernseher, Beamer DisplayPort Monitor Audio Mikrofon, Lautsprecher, Kopfhörer Ethernet Netzwerkverbindung Merksatz I-O bedeutet Eingabe und Ausgabe . Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Eingabegeräten , Ausgabegeräten und Schnittstellen unterschieden. Typische Fehler: Eingabe und Ausgabe verwechseln. Gerät und Schnittstelle verwechseln. USB als Gerät statt als Schnittstelle einordnen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 4.2 DMA und IRQ Definition DMA und IRQ sind Verfahren zur Steuerung der Datenübertragung und Gerätekommunikation im Computersystem. DMA DMA steht für Direct Memory Access . DMA ermöglicht einem Gerät den direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher, ohne dass die CPU jeden einzelnen Datentransfer selbst ausführen muss. Aufgabe von DMA DMA entlastet die CPU bei Datenübertragungen. Beispiele: Festplattencontroller Netzwerkkarte Soundkarte Grafikkarte IRQ IRQ steht für Interrupt Request . Ein IRQ ist eine Unterbrechungsanforderung eines Geräts an die CPU. Aufgabe von IRQ Ein Gerät meldet der CPU über einen IRQ, dass es Aufmerksamkeit benötigt. Beispiele: Tastatureingabe Mausklick Netzwerkanfrage Datenübertragung abgeschlossen Vergleich Begriff Bedeutung Aufgabe DMA Direct Memory Access direkter Speicherzugriff IRQ Interrupt Request Unterbrechungsanforderung an die CPU Merksatz DMA entlastet die CPU beim Datentransfer. IRQ meldet der CPU, dass ein Gerät Aufmerksamkeit benötigt. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, ob ein Gerät Daten direkt übertragen kann oder ob es die CPU per Interrupt informiert. Typische Fehler: DMA und IRQ verwechseln. DMA als Unterbrechung verstehen. IRQ als Speicherzugriff verstehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 4.3 Externe Schnittstellen Definition Externe Schnittstellen verbinden einen Computer mit externen Geräten. Sie dienen zur Übertragung von Daten, Bild, Ton, Netzwerkverbindungen oder Strom. Wichtige externe Schnittstellen Schnittstelle Verwendung USB Peripheriegeräte, Speichergeräte, Stromversorgung HDMI Bild- und Tonübertragung DisplayPort Bild- und Tonübertragung Ethernet Netzwerkverbindung Audio Mikrofon, Kopfhörer, Lautsprecher Thunderbolt Daten, Bild und Strom über eine Schnittstelle USB USB steht für Universal Serial Bus . Typische Geräte: Tastatur Maus Drucker Scanner USB-Stick externe Festplatte HDMI und DisplayPort HDMI und DisplayPort dienen hauptsächlich zur Bild- und Tonübertragung. Typische Geräte: Monitor Fernseher Beamer Ethernet Ethernet dient zur kabelgebundenen Netzwerkverbindung. Typischer Anschluss: RJ45 Audio Audioanschlüsse dienen zur Ein- und Ausgabe von Tonsignalen. Beispiele: Mikrofon Kopfhörer Lautsprecher Merksatz Externe Schnittstellen verbinden den Computer mit Geräten außerhalb des Gehäuses. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach der passenden Schnittstelle für ein bestimmtes Gerät gefragt. Typische Fehler: Schnittstelle und Gerät verwechseln. HDMI und DisplayPort mit USB verwechseln. Ethernet nicht als Netzwerkschnittstelle erkennen. Anschlussform und Übertragungsstandard verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker USB-IF Spezifikation IEEE 802.3 4.4 Eingabegeräte Definition Eingabegeräte dienen dazu, Daten oder Befehle in ein Computersystem einzugeben. Sie gehören zur Peripherie . Aufgabe Eingabegeräte übertragen Informationen vom Benutzer oder aus der Umgebung an den Computer. Beispiele Eingabegerät Aufgabe Tastatur Eingabe von Text und Befehlen Maus Steuerung des Mauszeigers Scanner Digitalisierung von Dokumenten Mikrofon Aufnahme von Sprache und Ton Webcam Aufnahme von Bildern und Videos Touchscreen Eingabe durch Berührung Barcode-Scanner Erfassen von Barcodes Eingabearten Eingabeart Beispiel Text Tastatur Bewegung Maus Bild Scanner, Webcam Ton Mikrofon Berührung Touchscreen Merksatz Eingabegeräte bringen Daten in den Computer. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Eingabegeräten , Ausgabegeräten und Schnittstellen unterschieden. Typische Fehler: Scanner als Ausgabegerät einordnen. Touchscreen nur als Ausgabegerät betrachten. USB als Eingabegerät statt als Schnittstelle einordnen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 4.5 Ausgabegeräte Definition Ausgabegeräte dienen dazu, Daten aus einem Computersystem auszugeben. Sie gehören zur Peripherie . Aufgabe Ausgabegeräte stellen Informationen für den Benutzer oder andere Systeme dar. Beispiele Ausgabegerät Aufgabe Monitor Anzeige von Bildinformationen Drucker Ausgabe auf Papier Lautsprecher Ausgabe von Ton Beamer Projektion von Bildinformationen LED optische Signalausgabe Plotter Ausgabe technischer Zeichnungen Ausgabearten Ausgabeart Beispiel Bild Monitor, Beamer Text Monitor, Drucker Ton Lautsprecher, Kopfhörer Papier Drucker, Plotter Signal LED Merksatz Ausgabegeräte bringen Daten aus dem Computer heraus. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Eingabegeräten , Ausgabegeräten und Schnittstellen unterschieden. Typische Fehler: Drucker als Eingabegerät einordnen. Monitor und Touchscreen verwechseln. USB als Ausgabegerät statt als Schnittstelle einordnen. Lautsprecher und Mikrofon verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 5 – Massenspeicher 5.1 Massenspeicher allgemein Definition Massenspeicher dienen zur dauerhaften Speicherung großer Datenmengen. Im Gegensatz zum Arbeitsspeicher behalten Massenspeicher ihre Daten auch ohne Stromversorgung. Eigenschaften nichtflüchtiger Speicher dauerhaftes Speichern von Daten größere Speicherkapazität als RAM langsamer als Arbeitsspeicher Beispiele Massenspeicher Beschreibung HDD magnetischer Massenspeicher SSD elektronischer Flash-Speicher USB-Stick mobiler Flash-Speicher Speicherkarte mobiler Flash-Speicher Optische Medien CD, DVD, Blu-ray NAS Netzwerkspeicher Abgrenzung zu RAM RAM Massenspeicher flüchtig nichtflüchtig sehr schnell langsamer für laufende Programme für dauerhafte Daten Datenverlust ohne Strom Daten bleiben erhalten Merksatz Massenspeicher speichern Daten dauerhaft. RAM speichert Daten nur vorübergehend. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Arbeitsspeicher , Cache und Massenspeicher unterschieden. Typische Fehler: RAM mit Massenspeicher verwechseln. SSD und RAM gleichsetzen. Speichergröße und Geschwindigkeit nicht unterscheiden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.2 HDD Definition Eine HDD ist ein magnetischer Massenspeicher. HDD steht für Hard Disk Drive . Aufbau Eine HDD besteht unter anderem aus: Magnetscheiben Schreib-/Lesekopf Motor Controller Gehäuse Funktionsweise Daten werden magnetisch auf rotierenden Scheiben gespeichert. Der Schreib-/Lesekopf liest und schreibt die Daten auf den Magnetscheiben. Eigenschaften Eigenschaft Beschreibung Speicherart magnetisch Geschwindigkeit langsamer als SSD Kapazität oft sehr groß Preis pro GB meist günstig Geräusch hörbar durch bewegliche Teile Empfindlichkeit empfindlich gegen Stöße Vorteile große Speicherkapazität günstiger Preis pro GB gut für große Datenmengen Nachteile mechanische Bauteile langsamer als SSD empfindlich gegen Erschütterungen hörbare Betriebsgeräusche Merksatz Eine HDD speichert Daten magnetisch auf rotierenden Scheiben. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen HDD und SSD unterschieden. Typische Fehler: HDD und SSD gleichsetzen. HDD als Flash-Speicher bezeichnen. bewegliche Teile der HDD vergessen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.3 SSD Definition Eine SSD ist ein nichtflüchtiger Massenspeicher auf Basis von Flash-Speicher. SSD steht für Solid State Drive . Funktionsweise Daten werden elektronisch in Speicherzellen gespeichert. Eine SSD besitzt keine beweglichen Teile. Eigenschaften Eigenschaft Beschreibung Speicherart Flash-Speicher Geschwindigkeit schneller als HDD Geräusch geräuschlos Stoßempfindlichkeit unempfindlicher als HDD Preis pro GB meist höher als HDD Vorteile hohe Geschwindigkeit kurze Zugriffszeiten geräuschlos stoßunempfindlich geringer Stromverbrauch Nachteile höherer Preis pro GB begrenzte Schreibzyklen Datenrettung oft schwieriger als bei HDD Schnittstellen Typische SSD-Schnittstellen: SATA M.2 NVMe PCIe Merksatz Eine SSD speichert Daten elektronisch und besitzt keine beweglichen Teile. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen HDD und SSD unterschieden. Typische Fehler: SSD als magnetischen Speicher bezeichnen. SSD und RAM verwechseln. M.2 und NVMe gleichsetzen. SATA-SSD und NVMe-SSD nicht unterscheiden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.4 RAID Definition RAID steht für Redundant Array of Independent Disks . RAID verbindet mehrere physische Laufwerke zu einem logischen Laufwerk. Ziele RAID kann verwendet werden für: höhere Ausfallsicherheit höhere Geschwindigkeit größere zusammenhängende Speicherkapazität Wichtige RAID-Level RAID-Level Beschreibung RAID 0 Striping ohne Redundanz RAID 1 Spiegelung der Daten RAID 5 Striping mit verteilter Parität RAID 6 Striping mit doppelter verteilter Parität RAID 10 Kombination aus RAID 1 und RAID 0 RAID 0 Daten werden auf mehrere Laufwerke verteilt. hohe Geschwindigkeit keine Ausfallsicherheit RAID 1 Daten werden gespiegelt. hohe Ausfallsicherheit nutzbare Kapazität halbiert sich RAID 5 Daten und Paritätsinformationen werden verteilt gespeichert. ein Laufwerk darf ausfallen. mindestens 3 Laufwerke erforderlich RAID 6 wie RAID 5, aber mit doppelter Parität zwei Laufwerke dürfen ausfallen. mindestens 4 Laufwerke erforderlich RAID 10 Kombination aus Spiegelung und Striping hohe Geschwindigkeit hohe Ausfallsicherheit mindestens 4 Laufwerke erforderlich Merksatz RAID erhöht die Verfügbarkeit, ersetzt aber kein Backup. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach Ausfallsicherheit , nutzbarer Kapazität und Mindestanzahl der Laufwerke gefragt. Typische Fehler: RAID als Backup bezeichnen. RAID 0 als ausfallsicher ansehen. Brutto- und Netto-Kapazität verwechseln. Parität bei RAID 5 und RAID 6 nicht beachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.5 Hot Spare Definition Ein Hot Spare ist ein Ersatzlaufwerk, das in einem RAID-System bereits eingebaut ist und automatisch genutzt werden kann, wenn ein Laufwerk ausfällt. Aufgabe Ein Hot Spare dient dazu, ein ausgefallenes Laufwerk automatisch zu ersetzen. Dadurch kann der Wiederaufbau des RAID-Verbunds schneller beginnen. Eigenschaften bereits im System eingebaut normalerweise nicht aktiv genutzt wird bei Laufwerksausfall automatisch aktiviert unterstützt den schnellen Wiederaufbau des RAID Beispiel In einem RAID 5 fällt eine Festplatte aus. Das Hot-Spare-Laufwerk übernimmt automatisch die Rolle der ausgefallenen Festplatte. Der RAID-Verbund wird anschließend wiederhergestellt. Vorteile schnellere Reaktion bei Laufwerksausfall weniger manuelles Eingreifen höhere Verfügbarkeit sinnvoll bei Servern und NAS-Systemen Nachteile zusätzliche Festplatte erforderlich verursacht zusätzliche Kosten Speicherplatz des Hot Spare wird im Normalbetrieb nicht genutzt Merksatz Ein Hot Spare ist ein eingebautes Ersatzlaufwerk für den automatischen Austausch bei einem Laufwerksausfall. Prüfungshinweis Ein Hot Spare erhöht die Verfügbarkeit, ersetzt aber kein Backup. Typische Fehler: Hot Spare als zusätzlichen Speicherplatz zählen. Hot Spare mit Backup verwechseln. Hot Spare mit RAID 1 gleichsetzen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.6 JBOD Definition JBOD steht für Just a Bunch of Disks . Bei JBOD werden mehrere physische Laufwerke ohne RAID-Funktion zusammengefasst oder einzeln genutzt. Eigenschaften keine Spiegelung keine Parität keine automatische Ausfallsicherheit Laufwerke können unterschiedliche Größen haben einfache Nutzung mehrerer Datenträger Unterschied zu RAID JBOD RAID keine Redundanz je nach RAID-Level mit Redundanz keine Parität RAID 5/6 nutzen Parität keine Leistungssteigerung durch Striping RAID 0 nutzt Striping einfache Laufwerksverwaltung strukturierter Laufwerksverbund Vorteile einfache Einrichtung unterschiedliche Festplattengrößen möglich gesamte Kapazität kann genutzt werden kein spezieller RAID-Aufbau notwendig Nachteile keine Ausfallsicherheit kein Schutz bei Festplattenausfall keine Leistungssteigerung wie bei RAID 0 kein Ersatz für Backup Merksatz JBOD ist kein RAID und bietet keine automatische Ausfallsicherheit. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird JBOD häufig von RAID abgegrenzt. Typische Fehler: JBOD als RAID-Level bezeichnen. JBOD als ausfallsicher ansehen. JBOD mit RAID 0 verwechseln. JBOD als Backup betrachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.7 NAS 5.7 NAS Definition NAS steht für Network Attached Storage . Ein NAS ist ein Speichergerät, das über das Netzwerk erreichbar ist. Aufgabe Ein NAS stellt Speicherplatz zentral im Netzwerk bereit. Mehrere Benutzer oder Geräte können auf die gespeicherten Daten zugreifen. Eigenschaften zentraler Netzwerkspeicher Zugriff über LAN oder WLAN häufig mit mehreren Festplatten oft mit RAID-Unterstützung Benutzer- und Rechteverwaltung möglich Typische Einsatzbereiche Dateifreigaben Backups Medienserver gemeinsame Projektordner zentrale Datenspeicherung Vorteile zentrale Speicherung Zugriff von mehreren Geräten einfache Erweiterbarkeit Benutzerrechte können verwaltet werden geeignet für Backup-Ziele Nachteile abhängig vom Netzwerk bei falscher Konfiguration Sicherheitsrisiko kein Ersatz für ein zusätzliches Backup bei Ausfall des NAS kein Zugriff auf die Daten Merksatz Ein NAS ist ein zentraler Speicher im Netzwerk. Prüfungshinweis Ein NAS ist kein Backup an sich. Ein NAS kann aber als Ziel für Backups verwendet werden. Typische Fehler: NAS mit RAID gleichsetzen. NAS als vollständiges Backup ansehen. Netzwerkverbindung und Zugriffsrechte nicht beachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.8 Optische Medien Definition Optische Medien sind Massenspeicher, bei denen Daten mithilfe von Laserlicht gelesen oder geschrieben werden. Wichtige optische Medien Medium Bedeutung CD Compact Disc DVD Digital Versatile Disc Blu-ray optisches Medium mit hoher Speicherkapazität Funktionsweise Daten werden auf einer reflektierenden Schicht gespeichert. Ein Laser liest die gespeicherten Informationen aus. Typische Varianten Variante Bedeutung ROM nur lesbar R einmal beschreibbar RW wiederbeschreibbar Beispiele CD-ROM CD-R CD-RW DVD-ROM DVD-R DVD-RW Blu-ray Disc Vorteile günstig einfach zu transportieren geeignet zur Archivierung kleiner Datenmengen Nachteile geringe Geschwindigkeit begrenzte Speicherkapazität empfindlich gegen Kratzer heute seltener verwendet Merksatz Optische Medien werden mit Laserlicht gelesen und beschrieben. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen ROM , R und RW unterschieden. Typische Fehler: ROM als beschreibbar einordnen. R und RW verwechseln. optische Medien mit magnetischen Medien verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 5.9 Dateisysteme Definition Ein Dateisystem legt fest, wie Daten auf einem Datenträger gespeichert, organisiert und wiedergefunden werden. Aufgabe Ein Dateisystem verwaltet unter anderem: Dateien Ordner Dateinamen Speicherorte Zugriffsrechte freie und belegte Speicherbereiche Wichtige Dateisysteme Dateisystem Typische Verwendung FAT32 USB-Sticks, ältere Systeme exFAT USB-Sticks, Speicherkarten NTFS Windows-Systeme ext4 Linux-Systeme APFS macOS HFS+ ältere macOS-Systeme FAT32 sehr kompatibel unterstützt viele Geräte maximale Dateigröße: 4 GB exFAT geeignet für große Dateien häufig bei USB-Sticks und Speicherkarten gute Kompatibilität zwischen Windows und macOS NTFS Standard-Dateisystem von Windows unterstützt Rechteverwaltung geeignet für interne Laufwerke ext4 häufiges Dateisystem unter Linux stabil und leistungsfähig APFS modernes Dateisystem von macOS optimiert für SSDs Merksatz Das Dateisystem bestimmt, wie Dateien auf einem Datenträger gespeichert und verwaltet werden. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach dem passenden Dateisystem für einen bestimmten Einsatzzweck gefragt. Typische Fehler: FAT32 für Dateien größer als 4 GB wählen. Dateisystem und Datenträger verwechseln. NTFS als Standard-Dateisystem für Linux einordnen. exFAT und FAT32 verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Datenschutz, Datensicherheit und Informationssicherheit: Prinzipien und Methoden Datenschutz Informationssicherheit Datensicherheit Datenschutz vs Datensicherheit Datenschutz Datensicherheit Datenschutz vs Datensicherheit Datenschutz Schutz von Personen Datensicherheit Schutz von Daten Datenschutz Datenschutz -Schutz von Personen Rechtlich/organisatorisches Thema Schutz von personenbezogenen Daten Schutz des allgemeinen Persönlichkeitsrechtes Stichworte: Datenschutz-Grundverordnung DSGVO und Bundesdatenschutz-Gesetz BDSG Schutzziele der Informationssicherheit CIA Schutzziele der Informationssicherheit Schutz von Informationen vor unbefugtem Zugriff Manipulation Verlust. Umfasst verschiedene Maßnahmen und Konzepte, um Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit von Daten zu gewährleisten. Grundprinzipien (CIA) Vertraulichkeit (Confidentiality) Integrität (Integrity) Verfügbarkeit (Availability) Grundprinzipien (CIA) Vertraulichkeit (Confidentiality) Nur autorisierte Personen dürfen auf Informationen zugreifen. Maßnahmen: Verschlüsselung, Zugriffskontrollen, VPNs 2. Integrität (Integrity) Informationen dürfen nicht unbemerkt verändert oder manipuliert werden. Maßnahmen: Hashing, digitale Signaturen, Prüfmechanismen Verfügbarkeit (Availability) Informationen müssen für berechtigte Nutzer jederzeit zugänglich sein. Maßnahmen: Backups, Redundanz, DDoSSchutz Gefahren für Informationssicherheit Hackerangriffe z. B. Phishing, Malware, Ransomware, Viren Menschliche Fehler z. B. schwache Passwörter, versehentliches Löschen Technische Fehler z. B. Hardware-Ausfälle, Software-Bugs Naturkatastrophen z. B. Feuer, Überschwemmung Datensicherheit Schutz vor Gewährleistung von Unbefugter Zugriff Dritter, Manipulation, Verlust der Daten Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit von Daten Datenschutz vs Datensicherheit vs Informationssicherheit Datenschutz Schutz von Personen Regelwerk • Rechtlich/organisatorisches Thema Schutz von personenbezogenen Daten Schutz des allgemeinen Persönlichkeitsrechtes Stichworte: Datenschutz-Grundverordnung DSVGO und Bundesdatenschutz-Gesetz BDSG Datensicherheit Schutz von Daten Maßnahmen • Technisches Thema Sichere Verarbeitung von Daten Schutz vor : Unbefugter Zugriff Dritter, Manipulation, Verlust der Daten Gewährleistung von: Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit von Daten Informationssicherheit Grundprinzipien Vertraulichkeit Integrität Verfügbarkeit Datenschutz 'Du darfst diese Daten nur unter bestimmten Bedingungen nutzen' Datensicherheit 'Wenn du sie nutzt, musst du sie schützen' Schutzziele 'Was bedeutet schützen' Datensicherheit Aspekt: Schutz vor Verlust von Daten Datensicherung Prozess des Sicherns von Daten Ziel Daten im Falle des Verlusts wiederherstellen können Redundanz Daten werden mehrfach erstellt Begriffe: Sicherungskopie/ Backup Speicherung der Kopien Online vs offline Unterschiedliche Medien Räumliche Trennung von Backup und Daten Ziel: Datensicherheit/ Ausfallsicherheit erhöhen Georedundanz Offsite-Backup Backup an einem anderen Standort Onsite-Backup Backup am gleichen Standort Räumliche Entfernung von der EDV-Anlage Räumliche Entfernung von der EDV-Anlage Räumliche Entfernung von der EDV-Anlage Lokal (gleicher Standort) Vorteile: Sehr schnell verfügbar Einfach umzusetzen Nachteile: Kein Schutz bei Brand, Wasser, Diebstahl Beide Daten können gleichzeitig verloren gehen Standortnah (gleiches Gebäude / Gelände) Vorteile: Etwas mehr Sicherheit als lokal · Schneller Zugriff bleibt erhalten Nachteile: Risiken wie Feuer oder Stromausfall betreffen oft trotzdem alles Remote / Cloud Vorteile: Automatisierbar Geografisch weit entfernt Oft redundant gespeichert Nachteile: Abhängigkeit vom Internet Laufende Kosten Datenschutz beachten Offsite bzw AirGapped Backup (physisch getrennt) Vorteile: Sehr hoher Schutz vor Hackerangriffen und Ransomware Kann nicht übers Netzwerk kompromittiert werden Schutz vor lokalen Katastrophen Nachteile: Manuelles Handling nötig Organisation aufwendig Wiederherstellung langsamer Räumliche Entfernung von der EDV-Anlage: Sicherheitsniveau Sicherheits- niveau Typisch Schützt vor Schützt nicht vor / Risiken Besonderheiten / Beispiel Lokal gespeicherte Backups (z. B. USB- Platte am selben PC) • versehentlichem Löschen • einfachen Softwarefehlern • Hardwaredefekt (wenn beide betroffen sind) • Diebstahl / Brand / Wasser • Ransomware Nur Minimallösung, kein echtes Sicherheitskonzept Niedrig Standortnahes Backup (z. B. NAS im selben Gebäude) • einzelnen Geräteausfällen • größere Schäden (Feuer, Stromausfall) • Angriffe im Netzwerk NAS von Synology im Serverraum Mittel Remote/ Cloud- Backups • lokale Katastrophen • Hardwareausfälle • Ransomware (bei erreichbaren Backups) • Fehlkonfiguration • Internetabhängigkeit Microsoft Azure oder Amazon Web Services Hoch Offsite + Air-Gap • Ransomware • gezielten Angriffen • Manipulation von Backups - physisch getrenntes Backup Beispiel: Cloud + externe Platte im Safe Sehr hoch 3-2-1-Regel (3 Kopien, 2 Medien, 1 offsite) • nahezu allen realistischen Ausfallszenarien - Ergänzt durch: Air-Gap, Verschlüsselung, Wiederherstellungstests Maximal (Best Practice) Backup Varianten, Methoden und Strategien Prozess der Sicherung Wie werden die Daten gesichert Wie werden die Ressourcen eingesetzt Speicherkapazität Dauer der Datensicherung Dauer der Wiederherstellung Prozess: Backup-Varianten Speicherabbild- Sicherung Ein Abbild des gesamten Systems wird erstellt Vorteil: Nur 1 Datei Nachteil: Zeitaufwand + hoher Speicheraufwand Komplett-/ Vollsicherung Alle Daten werden gesichert Komplett-/ Vollsicherung Nachteil: Zeitaufwand + hoher Speicheraufwand Differenzielles Backup Jeden Tag: Änderungen seit Vollsicherung Inkrementelles Backup Tag 1 nach Vollsicherung: Änderungen seit Vollsicherung Später: Änderungen seit letztem Backup Allgemein: Änderungen seit letztem Backup Backup Methoden Differenziell Step 1: Vollsicherung Differenziell Backups werden Tag für Tag größer Mit jeder Teilsicherung werden die vorherigen Daten erneut mit gespeichert Vorteil Deutlich schneller als Vollsicherung Nachteil Dateien, die nach Vollsicherung nur einmal geändert werden, werden jedesmal wieder gesichert Alle Änderungen seit dem letzten vollständigen Backup werden gesichert Benötigt mehr Speicherplatz Wiederherstellung Aus Vollbackup und 1 Datei des entsprechenden Tages Inkrementell Unterschied mit jeder Teilsicherung werden nur die Daten gesichert, die seit der letzten Sicherung (egal, ob Voll- oder Teilsicherung) erstellt oder verändert wurden Verknüpfung einzelne Datensätze sind miteinander verknüpft Vorteil geringer Speicherbedarf gehen schnell Nachteil Wiederherstellung aus Vollsicherung und allen nachfolgenden inkrementellen Sicherungen wird komplexer Änderungsverfolgung Change Detection Verfahren Verfahren Fachbegriff Archivbit nutzen Archive Bit Tracking Zeitstempel vergleichen Timestamp-based Change Detection Prüfsummen vergleichen Checksum-based Detection Dateisystem protokolliert Änderungen Journal-based Change Detection Archiv-Bit Dateimerkmal von Windows um zu markieren, ob eine Datei seit der letzten Sicherung verändert wurde. Es hilft Backup-Programmen zu entscheiden, welche Dateien gesichert werden müssen. Archiv-Bit Archiv-Bit Vollbackup sichert alle Daten Danach Archivbit wieder auf 0 Inkrementelles Backup Sichert nur Daten mit Archivbit = 1 Danach: Archivbit wieder auf 0 Folge: Jedes inkrementelle Backup hat nur Änderungen seit letztem Backup Differenzielles Backup Sichert nur Daten mir Archivbit = 1 Danach: Archivbit wird NICHT auf 0 gesetzt Folge: Alle Änderungen seit letztem Vollbackup bleiben markiert Archiv-Bit PowerShell - Get-Item "C:\Test\datei.txt" | Select-Object Name, Attributes · (Get-Item "C:\Test\datei.txt").Attributes += "Archive" (Get-Item "C:\Test\datei.txt").Attributes -= "Archive" CMD attrib C:\Test\datei.txt · attrib -A C:\Test\datei.txt · attrib +A C:\Test\datei.txt Zeitstempel Linux mtime → Inhalt geändert ctime → Metadaten/Rechte geändert atime → Zugriff auf Datei Beispiel ls -l stat datei Windows (Get-Item "C:\Test\datei.txt").LastWriteTime Prüfsummen/ Hashes/ Hashwerte Windows - Get-FileHash C:\Test\datei.txt · Get-FileHash C:\Test\datei.txt -Algorithm MD5 Dateien vergleichen $hash1 = (Get-FileHash C:\Test\a.txt).Hash · $hash2 = (Get-FileHash C:\Test\b.txt).Hash · · $hash1 -eq $hash2 Prüfsummen/ Hashes/ Hashwerte Linux sha256sum datei.txt md5sum datei.txt sha256sum a.txt b.txt Beispiel - hash1=$(sha256sum a.txt) · hash2=$(sha256sum a.txt) · [ "$hash1" = "$hash2" ] && echo "gleich" || echo "ungleich" Funktion schreiben in Datei ~/.bashrc sha256cmp() { hash1=$(sha256sum "$1" | cut -d' ' -f1) hash2=$(sha256sum "$2" | cut -d' ' -f1) [ "$hash1" = "$hash2" ] && echo "gleich" || echo "ungleich" } Backup-Strategien Backup-Strategien 3-2-1 Backup Regel Großvater-Vater-Sohn First in, First out (Fifo) Backup-Strategien: 3-2-1 Backup Regel Exemplare Bewahre mindestens 3 Kopien Deiner Unternehmensdaten auf Die goldene3-2-1-1-0Backup-Regel Datensicherung auf 2 verschiedenen Medien Mindestens eine Kopie an einem externen Ort speichern Backup-Strategien: Großvater-Vater-Sohn TAG: Sohn Tägliche Sicherung (inkrementell/ differenziell) 4 bis 5 Bänder WOCHE: Vater Am Ende jeder Woche Vollständiges Backup Löschung aller vorangegangenen Backups MONAT: Großvater Nach 4 Wochen: Neues Vollständiges Backup Löschung der vier wöchentlichen Sicherungen Backup-Strategien: Großvater-Vater-Sohn Backup-Strategien: Großvater-Vater-Sohn Backup-Strategien: Großvater-Vater-Sohn Backup-Strategien: Fifo neue oder geänderte Dateien überschreiben die ältesten Bsp: 14 Tage Backup an Tag 15 wird Backup von Tag 1 überschrieben Recovery Point Objective Wie lange dürfen die neuesten Backups maximal zurückliegen? Beispiel: RPO = 1 Tag : Wenn heute die Platte ausfällt, sind maximal Daten von gestern weg RPO = 1 Stunde : Wenn heute ein Fehler passiert, sind maximal die letzten 60 Minuten Arbeit weg RPO = 1 Woche : Datenverlust von bis zu 7 Tagen RPO bestimmt, wie oft Backup gemacht wird RPO 1 Tag → täglich backupen RPO 1 Stunde → stündlich backupen RPO 1 Woche → wöchentlich backupen Quellen Dokument: Datenschutz, Datensicherheit und Informationssicherheit: Prinzipien und Methoden ID: 136 Kapitel 6 – Datensicherheit 6.1 Datensicherheit Definition Datensicherheit beschreibt den Schutz von Daten vor Verlust, Beschädigung, Manipulation und unberechtigtem Zugriff. Ziele der Datensicherheit Ziel Bedeutung Verfügbarkeit Daten müssen bei Bedarf nutzbar sein Integrität Daten dürfen nicht unbemerkt verändert werden Vertraulichkeit Daten dürfen nur berechtigten Personen zugänglich sein Maßnahmen Typische Maßnahmen zur Datensicherheit sind: Backups Zugriffskontrollen Verschlüsselung RAID USV Virenschutz Updates Rechteverwaltung Abgrenzung Begriff Bedeutung Datensicherheit Schutz der Daten vor Verlust und Schäden Datenschutz Schutz personenbezogener Daten Merksatz Datensicherheit schützt Daten vor Verlust, Beschädigung und unberechtigtem Zugriff. Prüfungshinweis Datensicherheit und Datenschutz dürfen nicht verwechselt werden. Typische Fehler: RAID als Backup ansehen. Datenschutz und Datensicherheit gleichsetzen. Nur technische Maßnahmen nennen und organisatorische Maßnahmen vergessen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker BSI IT-Grundschutz 6.2 Backup allgemein Definition Ein Backup ist eine Sicherungskopie von Daten. Es dient dazu, Daten bei Verlust, Beschädigung oder versehentlichem Löschen wiederherstellen zu können. Ziel Das Ziel eines Backups ist die Wiederherstellung von Daten. Gründe für Backups Daten können verloren gehen durch: Hardwaredefekt versehentliches Löschen Schadsoftware Diebstahl Brand oder Wasserschaden Bedienfehler Softwarefehler Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Backup Sicherungskopie Restore Wiederherstellung Backup-Medium Speicherort der Sicherung Backup-Plan festgelegte Sicherungsstrategie Aufbewahrungsfrist Zeitraum, wie lange Backups behalten werden 3-2-1-Regel Die 3-2-1-Regel beschreibt eine einfache Backup-Strategie: 3 Kopien der Daten 2 unterschiedliche Speichermedien 1 Kopie außer Haus Merksatz Ein Backup ist nur dann sinnvoll, wenn die Wiederherstellung funktioniert. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben ist wichtig: RAID ist kein Backup. Ein Backup muss regelmäßig erstellt werden. Die Wiederherstellung muss getestet werden. Eine Kopie sollte getrennt vom Original aufbewahrt werden. Typische Fehler: Backup und Archivierung verwechseln. RAID als Backup bezeichnen. Restore-Test vergessen. Backup auf demselben Datenträger speichern. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker BSI IT-Grundschutz 6.3 Vollbackup Definition Ein Vollbackup ist eine vollständige Sicherung aller ausgewählten Daten. Dabei werden alle Daten unabhängig davon gesichert, ob sie seit der letzten Sicherung verändert wurden oder nicht. Eigenschaften sichert alle ausgewählten Daten einfache Wiederherstellung benötigt viel Speicherplatz dauert länger als andere Backup-Arten Vorteile einfache Verwaltung schnelle Wiederherstellung nur ein Backup-Satz wird benötigt geringeres Risiko bei der Wiederherstellung Nachteile hoher Speicherbedarf lange Sicherungsdauer hohe Belastung für System und Netzwerk Beispiel Jeden Freitag wird eine vollständige Sicherung aller Projektdaten erstellt. Merksatz Beim Vollbackup werden immer alle ausgewählten Daten gesichert. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird das Vollbackup häufig mit inkrementellem und differenziellem Backup verglichen. Typische Fehler: Vollbackup mit inkrementellem Backup verwechseln. Speicherbedarf unterschätzen. Sicherungsdauer unterschätzen. Wiederherstellung als kompliziert ansehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker BSI IT-Grundschutz 6.4 Inkrementelles Backup Definition Ein inkrementelles Backup sichert nur die Daten, die seit der letzten Sicherung verändert wurden. Die letzte Sicherung kann ein Vollbackup oder ein vorheriges inkrementelles Backup sein. Eigenschaften sichert nur geänderte Daten benötigt wenig Speicherplatz kurze Sicherungsdauer Wiederherstellung ist aufwendiger Vorteile geringer Speicherbedarf schnelle Sicherung geringe Belastung für System und Netzwerk Nachteile Wiederherstellung dauert länger mehrere Backup-Sätze werden benötigt bei beschädigter Sicherung kann die Wiederherstellung fehlschlagen Beispiel Montag: Vollbackup Dienstag: Änderungen seit Montag Mittwoch: Änderungen seit Dienstag Donnerstag: Änderungen seit Mittwoch Merksatz Beim inkrementellen Backup wird immer nur seit der letzten Sicherung gesichert. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben ist die Formulierung „seit der letzten Sicherung“ entscheidend. Typische Fehler: inkrementelles Backup mit differenziellem Backup verwechseln für die Wiederherstellung nur das letzte Backup verwenden vergessen, dass mehrere Sicherungen benötigt werden Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker BSI IT-Grundschutz 6.5 Differenzielles Backup Definition Ein differenzielles Backup sichert alle Daten, die seit dem letzten Vollbackup verändert wurden. Eigenschaften sichert geänderte Daten seit dem letzten Vollbackup benötigt mehr Speicherplatz als inkrementelles Backup benötigt weniger Speicherplatz als Vollbackup Wiederherstellung ist einfacher als beim inkrementellen Backup Vorteile schnellere Wiederherstellung als beim inkrementellen Backup nur Vollbackup und letztes differenzielles Backup werden benötigt weniger Speicherbedarf als beim Vollbackup Nachteile Sicherungsmenge wächst mit jedem Tag seit dem letzten Vollbackup mehr Speicherbedarf als beim inkrementellen Backup Sicherung dauert mit der Zeit länger Beispiel Montag: Vollbackup Dienstag: Änderungen seit Montag Mittwoch: Änderungen seit Montag Donnerstag: Änderungen seit Montag Merksatz Beim differenziellen Backup wird immer seit dem letzten Vollbackup gesichert. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben ist die Formulierung „seit dem letzten Vollbackup“ entscheidend. Typische Fehler: differenzielles Backup mit inkrementellem Backup verwechseln nur die letzte tägliche Änderung sichern Speicherbedarf unterschätzen Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker BSI IT-Grundschutz Kapitel 7 – Treiber und Firmware 7.1 BIOS Definition BIOS steht für Basic Input/Output System . Das BIOS ist eine Firmware, die beim Starten eines Computers grundlegende Hardwarefunktionen bereitstellt. Aufgabe Das BIOS übernimmt beim Systemstart unter anderem: Initialisierung der Hardware Power-On Self Test (POST) Starten des Bootvorgangs Übergabe an den Bootloader POST POST steht für Power-On Self Test . Dabei prüft das System grundlegende Hardwarekomponenten. Beispiele: CPU RAM Grafikkarte Tastatur Laufwerke Eigenschaften ältere Firmware-Technik textbasierte Bedienung arbeitet mit MBR-Partitionierung wurde weitgehend durch UEFI ersetzt Merksatz Das BIOS startet die Hardwareprüfung und leitet den Bootvorgang ein. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird BIOS häufig mit UEFI , POST , Bootloader und Bootreihenfolge abgefragt. Typische Fehler: BIOS und Betriebssystem verwechseln. BIOS und UEFI gleichsetzen. POST als vollständigen Betriebssystemstart ansehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 7.2 UEFI Definition UEFI steht für Unified Extensible Firmware Interface . UEFI ist der moderne Nachfolger des BIOS und dient als Schnittstelle zwischen Hardware und Betriebssystem. Aufgabe UEFI übernimmt beim Systemstart unter anderem: Initialisierung der Hardware Hardwareprüfung Verwaltung der Bootreihenfolge Starten des Bootloaders Bereitstellung von Firmware-Einstellungen Eigenschaften moderner BIOS-Nachfolger grafische Bedienoberfläche möglich unterstützt größere Festplatten unterstützt GPT-Partitionierung unterstützt Secure Boot schnellere Bootvorgänge möglich GPT GPT steht für GUID Partition Table . GPT ist ein modernes Partitionsschema und wird häufig zusammen mit UEFI verwendet. Secure Boot Secure Boot ist eine Sicherheitsfunktion von UEFI. Dabei wird geprüft, ob der Bootloader vertrauenswürdig ist. Vergleich BIOS und UEFI BIOS UEFI ältere Firmware moderner BIOS-Nachfolger meist textbasiert grafische Oberfläche möglich MBR GPT begrenzte Partitionsgrößen größere Datenträger möglich kein Secure Boot Secure Boot möglich Merksatz UEFI ist der moderne Nachfolger des BIOS. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen BIOS , UEFI , MBR , GPT und Secure Boot unterschieden. Typische Fehler: UEFI und Betriebssystem verwechseln. GPT und MBR verwechseln. Secure Boot als Virenschutz ansehen. UEFI nur als grafisches BIOS verstehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 7.3 Gerätetreiber Definition Ein Gerätetreiber ist eine Software, die die Kommunikation zwischen Betriebssystem und Hardware ermöglicht. Aufgabe Gerätetreiber sorgen dafür, dass das Betriebssystem Hardwaregeräte korrekt ansprechen und nutzen kann. Beispiele: Drucker Grafikkarte Netzwerkkarte Soundkarte Scanner USB-Geräte Funktionsweise Das Betriebssystem sendet Befehle an den Treiber. Der Treiber übersetzt diese Befehle so, dass die Hardware sie ausführen kann. Beispiele für Treiber Gerät Treiber Grafikkarte Grafiktreiber Drucker Druckertreiber Netzwerkkarte Netzwerktreiber Soundkarte Audiotreiber Scanner Scannertreiber Plug and Play Plug and Play bedeutet, dass ein Gerät automatisch erkannt und eingerichtet werden kann. Das Betriebssystem installiert dabei häufig passende Standardtreiber. Merksatz Ein Treiber ist die Verbindung zwischen Betriebssystem und Hardware. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, warum ein Gerät nicht funktioniert, obwohl es angeschlossen ist. Typische Fehler: Treiber mit Firmware verwechseln. Treiber mit Betriebssystem verwechseln. fehlenden oder falschen Treiber nicht als Fehlerursache erkennen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 8 – Geräteklassen 8.1 Stationäre Computer Definition Stationäre Computer sind Computersysteme, die für den festen Einsatz an einem Arbeitsplatz vorgesehen sind. Sie sind normalerweise nicht für den mobilen Betrieb ausgelegt. Beispiele Gerät Beschreibung Desktop-PC klassischer Arbeitsplatzrechner Tower-PC PC-Gehäuse in Tower-Bauform All-in-One-PC Computer und Monitor in einem Gerät Mini-PC kompakter stationärer Computer Thin Client Arbeitsplatzgerät mit geringer lokaler Rechenleistung Eigenschaften fester Arbeitsplatz externe Peripheriegeräte möglich gute Erweiterbarkeit meist leistungsfähiger als mobile Geräte einfache Wartung und Aufrüstung Vorteile gut erweiterbar gute Kühlung einfache Reparatur oft günstiger bei gleicher Leistung Nachteile nicht mobil benötigt mehr Platz separate Peripherie notwendig höherer Stromverbrauch als mobile Geräte möglich Merksatz Stationäre Computer sind für den festen Einsatz am Arbeitsplatz gedacht. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen stationären Computern , mobilen Computern und Thin Clients unterschieden. Typische Fehler: All-in-One-PC als mobilen Computer einordnen. Thin Client mit vollwertigem Desktop-PC gleichsetzen. Erweiterbarkeit und Mobilität nicht unterscheiden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 8.2 Mobile Computer Definition Mobile Computer sind Computersysteme, die für den mobilen Einsatz ausgelegt sind. Sie besitzen meist einen Akku, ein integriertes Display und integrierte Eingabegeräte. Beispiele Gerät Beschreibung Notebook mobiler Computer mit Tastatur und Display Tablet mobiler Computer mit Touchscreen Smartphone mobiles Kommunikations- und Computersystem Convertible Kombination aus Notebook und Tablet Handheld kompakter mobiler Computer für spezielle Einsätze Eigenschaften mobil einsetzbar Akku-Betrieb integriertes Display integrierte Eingabegeräte drahtlose Schnittstellen Typische Schnittstellen WLAN Bluetooth USB-C Mobilfunk NFC Vorteile mobil nutzbar geringer Platzbedarf integrierte Komponenten flexibel einsetzbar Nachteile begrenzte Akkulaufzeit schlechter erweiterbar als Desktop-PCs Reparatur oft schwieriger Leistung und Kühlung begrenzt Merksatz Mobile Computer sind für den ortsunabhängigen Einsatz ausgelegt. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen stationären Computern , mobilen Computern und professionellen Systemen unterschieden. Typische Fehler: Notebook als stationären Computer einordnen. Tablet nur als Ausgabegerät betrachten. Mobilität und Erweiterbarkeit nicht unterscheiden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 8.3 Professionelle Systeme Definition Professionelle Systeme sind Computersysteme, die für leistungsintensive oder geschäftskritische Aufgaben eingesetzt werden. Sie sind meist leistungsfähiger, zuverlässiger und besser erweiterbar als normale Arbeitsplatzrechner. Beispiele System Beschreibung Server stellt Dienste im Netzwerk bereit Workstation leistungsfähiger Arbeitsplatzrechner Rackserver Server für den Einbau in Serverschränke Blade-Server modularer Server in einem Blade-System Terminalserver stellt Anwendungen oder Desktops zentral bereit Typische Einsatzbereiche Netzwerkdienste Datenbanken Virtualisierung CAD Video- und Grafikbearbeitung zentrale Anwendungen Benutzerverwaltung Eigenschaften hohe Rechenleistung viel Arbeitsspeicher hohe Verfügbarkeit redundante Komponenten möglich erweiterbare Hardware oft für Dauerbetrieb ausgelegt Merksatz Professionelle Systeme sind für hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Dauerbetrieb ausgelegt. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Desktop-PC , Workstation und Server unterschieden. Typische Fehler: Workstation und normaler Desktop-PC gleichsetzen. Server nur als besonders schnellen PC ansehen. Redundanz und Verfügbarkeit nicht beachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 8.4 Spezial- und Infrastrukturgeräte Definition Spezial- und Infrastrukturgeräte sind Geräte, die für bestimmte technische Aufgaben oder den Betrieb einer IT-Infrastruktur eingesetzt werden. Beispiele Gerät Aufgabe Router verbindet Netzwerke miteinander Switch verbindet Geräte innerhalb eines Netzwerks Access Point stellt WLAN bereit Firewall schützt Netzwerke vor unerwünschtem Datenverkehr NAS stellt Speicherplatz im Netzwerk bereit Druckserver stellt Drucker im Netzwerk bereit Embedded System Computer für spezielle Aufgaben Typische Einsatzbereiche Netzwerkbetrieb IT-Sicherheit zentrale Datenspeicherung industrielle Steuerung Gebäudeautomation Kassensysteme Überwachungssysteme Eigenschaften meist für spezielle Aufgaben entwickelt oft dauerhaft im Betrieb häufig zentral für mehrere Benutzer oder Systeme teilweise ohne klassische Benutzeroberfläche Verwaltung oft über Webinterface, Konsole oder Management-Software Merksatz Spezial- und Infrastrukturgeräte erfüllen bestimmte Aufgaben innerhalb einer IT-Umgebung. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach der passenden Geräteklasse für einen bestimmten Einsatzzweck gefragt. Typische Fehler: Router und Switch verwechseln. NAS als normalen Desktop-PC einordnen. Firewall nur als Software verstehen. Embedded Systeme mit normalen PCs gleichsetzen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 9 – Betriebssysteme 9.1 Betriebssystem allgemein Definition Ein Betriebssystem ist die grundlegende Software eines Computersystems. Es verwaltet die Hardware und stellt Dienste für Anwendungsprogramme und Benutzer bereit. Aufgaben Ein Betriebssystem übernimmt unter anderem: Speicherverwaltung Prozessverwaltung Dateiverwaltung Geräteverwaltung Benutzerverwaltung Rechteverwaltung Bereitstellung der Benutzeroberfläche Beispiele Betriebssystem Typischer Einsatz Windows Arbeitsplatzrechner, Server Linux Server, Embedded Systeme, Clients macOS Apple-Computer Android Smartphones, Tablets iOS iPhone Unix Server, Workstations Abgrenzung Begriff Bedeutung Hardware physische Komponenten Betriebssystem verwaltet Hardware und Programme Anwendungssoftware Programme für Benutzeraufgaben Merksatz Das Betriebssystem ist die Schnittstelle zwischen Hardware, Anwendungsprogrammen und Benutzer. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach den Aufgaben eines Betriebssystems gefragt. Typische Fehler: Betriebssystem mit Anwendungssoftware verwechseln. Treiber und Betriebssystem gleichsetzen. Hardwareverwaltung als Aufgabe des Betriebssystems vergessen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 9.2 Aktuelle Betriebssysteme Definition Aktuelle Betriebssysteme sind Betriebssysteme, die heute auf Clients, Servern, mobilen Geräten und eingebetteten Systemen eingesetzt werden. Client-Betriebssysteme Betriebssystem Typischer Einsatz Windows Arbeitsplatzrechner, Notebooks macOS Apple-Computer Linux Arbeitsplatzrechner, Entwicklung, Administration Server-Betriebssysteme Betriebssystem Typischer Einsatz Windows Server Domänen, Datei- und Druckdienste, Unternehmensnetzwerke Linux Server Webserver, Datenbanken, Container, Netzwerkdienste Unix Server, Workstations, Spezialumgebungen Mobile Betriebssysteme Betriebssystem Typischer Einsatz Android Smartphones, Tablets iOS iPhone iPadOS iPad Embedded-Betriebssysteme Embedded-Betriebssysteme werden in Geräten eingesetzt, die für spezielle Aufgaben entwickelt wurden. Beispiele: Router Switches Smart-TVs Industrieanlagen Kassensysteme IoT-Geräte Open Source und proprietär Begriff Bedeutung Open Source Quellcode ist öffentlich einsehbar Proprietär Quellcode ist nicht frei verfügbar Merksatz Betriebssysteme unterscheiden sich nach Einsatzzweck: Client , Server , mobil oder embedded . Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach dem passenden Betriebssystem für einen bestimmten Einsatzzweck gefragt. Typische Fehler: Client- und Server-Betriebssysteme verwechseln. Android und iOS als Desktop-Betriebssysteme einordnen. Linux nur als Client-System betrachten. Embedded-Systeme mit normalen Desktop-PCs gleichsetzen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 9.3 Startvorgang Definition Der Startvorgang beschreibt die Schritte, die ein Computersystem vom Einschalten bis zum Laden des Betriebssystems durchläuft. Ablauf Schritt Bedeutung Einschalten Stromversorgung wird aktiviert POST grundlegende Hardwareprüfung BIOS/UEFI Firmware initialisiert die Hardware Bootreihenfolge Startlaufwerk wird ausgewählt Bootloader lädt das Betriebssystem Kernelstart Betriebssystemkern wird gestartet Anmeldung Benutzer kann sich anmelden POST POST steht für Power-On Self Test . Dabei prüft das System grundlegende Hardwarekomponenten. Beispiele: CPU RAM Grafikkarte Tastatur Laufwerke Bootloader Der Bootloader lädt das Betriebssystem oder den Betriebssystemkern. Beispiele: Windows Boot Manager GRUB Bootreihenfolge Die Bootreihenfolge legt fest, von welchem Medium gestartet wird. Beispiele: SSD HDD USB-Stick Netzwerkboot Merksatz Beim Startvorgang prüft die Firmware die Hardware und startet anschließend den Bootloader. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen BIOS/UEFI , POST , Bootloader und Betriebssystem unterschieden. Typische Fehler: BIOS/UEFI mit Betriebssystem verwechseln. POST als vollständigen Betriebssystemstart ansehen. Bootloader und Kernel verwechseln. falsche Bootreihenfolge nicht als Fehlerursache erkennen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 9.4 Installation Definition Die Installation bezeichnet das Einrichten eines Betriebssystems oder einer Software auf einem Computersystem. Betriebssysteminstallation Bei einer Betriebssysteminstallation wird das Betriebssystem auf einem Datenträger eingerichtet und startfähig gemacht. Typische Schritte Schritt Bedeutung Installationsmedium starten z. B. USB-Stick, DVD, Netzwerkboot Sprache und Region auswählen Grundeinstellungen festlegen Datenträger auswählen Zielmedium bestimmen Partitionierung Speicherbereiche einteilen Dateisystem festlegen z. B. NTFS, ext4, APFS Dateien kopieren Betriebssystemdateien werden übertragen Neustart System wird neu gestartet Einrichtung Benutzer, Netzwerk und Updates konfigurieren Installationsarten Installationsart Bedeutung Neuinstallation System wird vollständig neu eingerichtet Upgrade vorhandenes System wird auf eine neue Version aktualisiert Reparaturinstallation beschädigtes System wird repariert Netzwerkinstallation Installation über das Netzwerk unbeaufsichtigte Installation automatisierte Installation ohne Benutzereingriff Wichtige Vorbereitungen Systemanforderungen prüfen Datensicherung erstellen Treiber bereithalten Lizenz prüfen Bootmedium vorbereiten Netzwerkzugang planen Merksatz Vor jeder Installation sollten Systemanforderungen, Datensicherung, Lizenz und Treiber geprüft werden. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach Installationsarten, Partitionierung, Dateisystemen und Vorbereitungsschritten gefragt. Typische Fehler: Installation ohne Backup durchführen. Upgrade und Neuinstallation verwechseln. Dateisystem und Partition verwechseln. fehlende Treiber nicht als Fehlerursache erkennen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 10 – Hardwareberechnungen 10.1 Bit- und Byteberechnung Definition Bei der Bit- und Byteberechnung werden Datenmengen zwischen Bit und Byte umgerechnet. Grundlagen Einheit Bedeutung Bit kleinste Informationseinheit Byte besteht aus 8 Bit Umrechnung Umrechnung Formel Byte in Bit Byte × 8 Bit in Byte Bit / 8 Schreibweise Schreibweise Bedeutung b Bit B Byte Beispiele Angabe Rechnung Ergebnis 10 Byte 10 × 8 80 Bit 80 Bit 80 / 8 10 Byte 100 MBit/s 100 / 8 12,5 MB/s Merksatz kleines b = Bit großes B = Byte 1 Byte = 8 Bit Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen MBit/s und MB/s unterschieden. Typische Fehler: Bit und Byte verwechseln. kleines b und großes B übersehen. Umrechnung durch 8 vergessen. Datenrate und Datenmenge verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 10.2 Speicherberechnung Definition Bei der Speicherberechnung wird berechnet, wie viel Speicherplatz für Daten benötigt wird. Grundlagen Einheit Bedeutung Bit kleinste Informationseinheit Byte 8 Bit KiB 1.024 Byte MiB 1.024 KiB GiB 1.024 MiB Wichtige Umrechnungen Umrechnung Formel Bit in Byte Bit / 8 Byte in Bit Byte × 8 Byte in KiB Byte / 1.024 KiB in MiB KiB / 1.024 MiB in GiB MiB / 1.024 Typische Berechnung Speicherbedarf = Anzahl × Größe pro Einheit Beispiele: Aufgabe Rechnung Speicher für Zeichen Anzahl Zeichen × Byte pro Zeichen Speicher für Pixel Anzahl Pixel × Farbtiefe Speicher für Dateien Anzahl Dateien × Dateigröße Beispiel Eine Datei ist 4 MiB groß. Umrechnung in KiB: 4 × 1.024 = 4.096 KiB Merksatz Bei Speicherberechnungen immer zuerst prüfen, ob mit 1000 oder 1024 gerechnet werden soll. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen MB und MiB unterschieden. Typische Fehler: Bit und Byte verwechseln. Durch 8 vergessen. MB und MiB gleichsetzen. Rechenweg mit 1000 statt 1024 verwenden, obwohl Binärpräfixe angegeben sind. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker IEC 80000-13 10.3 Datenübertragungsrate Definition Die Datenübertragungsrate gibt an, wie viele Daten pro Zeiteinheit übertragen werden. Einheiten Einheit Bedeutung Bit/s Bit pro Sekunde kBit/s Kilobit pro Sekunde MBit/s Megabit pro Sekunde GBit/s Gigabit pro Sekunde Byte/s Byte pro Sekunde MB/s Megabyte pro Sekunde Grundformel Datenübertragungsrate = Datenmenge / Zeit Umstellungen Gesucht Formel Datenrate Datenmenge / Zeit Datenmenge Datenrate × Zeit Zeit Datenmenge / Datenrate Wichtige Umrechnung Umrechnung Formel Bit in Byte Bit / 8 Byte in Bit Byte × 8 Beispiel Eine Datei ist 800 MB groß. Die Datenrate beträgt 100 MBit/s . 100 MBit/s / 8 = 12,5 MB/s 800 MB / 12,5 MB/s = 64 s Merksatz Bei Datenraten wird häufig in Bit/s gerechnet, bei Dateigrößen häufig in Byte . Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben ist besonders wichtig, die Einheiten vor dem Rechnen anzugleichen. Typische Fehler: MBit/s mit MB/s verwechseln. Umrechnung durch 8 vergessen. Datenmenge und Datenrate verwechseln. Sekunden, Minuten und Stunden nicht korrekt umrechnen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 10.4 Bilddatenberechnung Definition Bei der Bilddatenberechnung wird berechnet, wie viel Speicherplatz ein digitales Bild benötigt. Grundlagen Ein digitales Bild besteht aus Pixeln . Die Anzahl der Pixel ergibt sich aus: Breite × Höhe Grundformel Speicherbedarf = Breite × Höhe × Farbtiefe Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Pixel einzelner Bildpunkt Auflösung Anzahl der Pixel in Breite und Höhe Farbtiefe Anzahl der Bits pro Pixel Speicherbedarf benötigte Datenmenge Typische Farbtiefen Farbtiefe Bedeutung 1 Bit Schwarz-Weiß 8 Bit 256 Farben 24 Bit True Color 32 Bit True Color mit Alpha-Kanal Beispiel Bildauflösung: 1920 × 1080 Pixel Farbtiefe: 24 Bit Speicherbedarf: 1920 × 1080 × 24 Bit = 49.766.400 Bit 49.766.400 Bit / 8 = 6.220.800 Byte Merksatz Bildspeicher = Breite × Höhe × Farbtiefe Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben muss häufig zwischen Bit und Byte umgerechnet werden. Typische Fehler: Farbtiefe in Bit nicht durch 8 teilen. Breite und Höhe nicht multiplizieren. Kompression berücksichtigen, obwohl sie nicht angegeben ist. Auflösung und Dateigröße verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 10.5 Farbtiefe Definition Die Farbtiefe gibt an, wie viele Bits zur Darstellung eines Pixels verwendet werden. Je höher die Farbtiefe, desto mehr Farben können dargestellt werden. Grundprinzip Mit n Bit können 2ⁿ verschiedene Werte dargestellt werden. Typische Farbtiefen Farbtiefe Anzahl Farben Bedeutung 1 Bit 2 Schwarz-Weiß 8 Bit 256 Graustufen oder Farbtabelle 16 Bit 65.536 High Color 24 Bit 16.777.216 True Color 32 Bit 16.777.216 + Alpha True Color mit Transparenz RGB Bei RGB werden Farben aus drei Farbkanälen gebildet: Rot Grün Blau Bei 24 Bit Farbtiefe erhält jeder Farbkanal 8 Bit . Beispiel 24 Bit Farbtiefe: Rot = 8 Bit Grün = 8 Bit Blau = 8 Bit 8 Bit pro Kanal: 2⁸ = 256 Abstufungen Gesamt: 256 × 256 × 256 = 16.777.216 Farben Merksatz Farbtiefe bestimmt, wie viele Farben pro Pixel dargestellt werden können. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird Farbtiefe meist für Speicherberechnungen bei Bildern verwendet. Typische Fehler: Farbtiefe mit Auflösung verwechseln. Bit pro Pixel nicht durch 8 teilen. 24 Bit RGB und 32 Bit RGBA verwechseln. Alpha-Kanal als zusätzliche Farbe verstehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 10.6 RAID-Kapazität Definition Bei der RAID-Kapazität wird berechnet, wie viel Speicherplatz in einem RAID-Verbund tatsächlich nutzbar ist. Grundlage Die nutzbare Kapazität hängt ab von: RAID-Level Anzahl der Laufwerke Größe der Laufwerke Redundanz Parität Wichtige Formeln RAID-Level Nutzbare Kapazität RAID 0 Anzahl Laufwerke × kleinste Laufwerksgröße RAID 1 kleinste Laufwerksgröße RAID 5 (Anzahl Laufwerke − 1) × kleinste Laufwerksgröße RAID 6 (Anzahl Laufwerke − 2) × kleinste Laufwerksgröße RAID 10 50 % der Gesamtkapazität Beispiel 4 Festplatten mit je 2 TB: RAID-Level Nutzbare Kapazität RAID 0 8 TB RAID 1 2 TB RAID 5 6 TB RAID 6 4 TB RAID 10 4 TB Merksatz Je mehr Redundanz ein RAID bietet, desto weniger Speicherplatz ist nutzbar. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach der Netto-Kapazität gefragt. Typische Fehler: Brutto- und Netto-Kapazität verwechseln. Bei RAID 5 nicht ein Laufwerk für Parität abziehen. Bei RAID 6 nicht zwei Laufwerke für Parität abziehen. RAID 1 mit RAID 0 verwechseln. unterschiedlich große Laufwerke nicht beachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 10.7 Netzteilleistung Definition Die Netzteilleistung gibt an, wie viel elektrische Leistung ein Netzteil maximal bereitstellen kann. Die Leistung wird in Watt (W) angegeben. Grundformel Leistung = Spannung × Stromstärke P = U × I Einheiten Größe Formelzeichen Einheit Leistung P Watt (W) Spannung U Volt (V) Stromstärke I Ampere (A) Beispiel Ein Gerät benötigt 12 V und 5 A . P = 12 V × 5 A P = 60 W Wichtige Punkte Bei der Auswahl eines Netzteils müssen berücksichtigt werden: Leistungsbedarf der Komponenten CPU Grafikkarte Laufwerke Erweiterungskarten Wirkungsgrad Leistungsreserve Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad gibt an, wie effizient ein Netzteil elektrische Energie umwandelt. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Energie geht als Wärme verloren. Merksatz Netzteilleistung wird in Watt angegeben. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig mit P = U × I gerechnet. Typische Fehler: Watt und Volt verwechseln. Stromstärke in Ampere vergessen. Wirkungsgrad nicht beachten. Netzteil ohne Leistungsreserve auswählen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 10.8 Stromkosten Definition Bei der Stromkostenberechnung wird berechnet, welche Kosten durch den Stromverbrauch eines Geräts entstehen. Grundformel Energie = Leistung × Zeit E = P × t Stromkosten Stromkosten = Energieverbrauch × Preis pro kWh Einheiten Größe Einheit Leistung Watt (W) oder Kilowatt (kW) Zeit Stunden (h) Energie Kilowattstunden (kWh) Preis Euro pro kWh Wichtige Umrechnung Umrechnung Ergebnis 1 kW 1.000 W 1 W 0,001 kW Beispiel Ein Gerät hat eine Leistung von 500 W und läuft 4 Stunden . 500 W = 0,5 kW 0,5 kW × 4 h = 2 kWh Bei 0,30 € pro kWh : 2 kWh × 0,30 € = 0,60 € Merksatz Stromkosten werden über kWh berechnet, nicht nur über Watt. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen Leistung (W/kW) und Energieverbrauch (Wh/kWh) unterschieden. Typische Fehler: Watt nicht in Kilowatt umrechnen. Leistung und Energie verwechseln. Laufzeit nicht berücksichtigen. Preis pro kWh falsch anwenden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 11 – Typische IHK-Aufgaben 11.1 Hardwarefehler erkennen Definition Bei der Hardwarefehleranalyse wird geprüft, welche Komponente einen Fehler im Computersystem verursacht. Typische Fehlerquellen Fehlerbild Mögliche Ursache PC startet nicht Netzteil, Mainboard, CPU, RAM Kein Bild Grafikkarte, Monitor, Kabel, RAM Pieptöne beim Start POST-Fehler System stürzt ab RAM, Temperatur, Netzteil Laufwerk wird nicht erkannt Kabel, Anschluss, BIOS/UEFI, Laufwerk USB-Gerät funktioniert nicht Treiber, Port, Kabel, Gerät Wichtige Prüfschritte Sichtprüfung durchführen Kabel und Steckverbindungen prüfen Fehlermeldungen beachten BIOS/UEFI prüfen POST-Signale auswerten Komponenten einzeln testen Treiber prüfen Merksatz Bei Hardwarefehlern immer systematisch prüfen: Strom, Kabel, Gerät, Treiber, Einstellungen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig ein Fehlerbild beschrieben und nach der wahrscheinlichsten Ursache gefragt. Typische Fehler: sofort Softwarefehler vermuten Stromversorgung nicht prüfen Kabel und Steckverbindungen vergessen POST-Signale nicht beachten Treiber und Hardwarefehler verwechseln Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 11.2 Komponenten auswählen Definition Bei der Komponentenauswahl wird passende Hardware für einen bestimmten Einsatzzweck ausgewählt. Wichtige Kriterien Kriterium Bedeutung Einsatzzweck Büro, Gaming, Server, CAD, Virtualisierung Leistung CPU, RAM, GPU, Speicher Kompatibilität Mainboard, Sockel, RAM-Typ, Anschlüsse Erweiterbarkeit freie Steckplätze und Anschlüsse Energiebedarf Netzteilleistung und Wirkungsgrad Budget Kostenrahmen einhalten Typische Komponenten Komponente Wichtige Auswahlkriterien CPU Sockel, Kerne, Takt, Leistung RAM Typ, Kapazität, Geschwindigkeit Mainboard Formfaktor, Sockel, Chipsatz, Anschlüsse SSD/HDD Kapazität, Geschwindigkeit, Schnittstelle Grafikkarte Leistung, VRAM, Anschlüsse, Strombedarf Netzteil Leistung, Anschlüsse, Wirkungsgrad Beispiele Einsatzzweck Wichtige Komponenten Büro-PC CPU, RAM, SSD Gaming-PC CPU, GPU, RAM, Netzteil Server CPU, RAM, RAID, Netzwerk, USV CAD-Workstation CPU, GPU, RAM, SSD Merksatz Die Komponente muss zum Einsatzzweck und zum restlichen System passen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, welche Hardware für einen bestimmten Anwendungsfall geeignet ist. Typische Fehler: nur auf die Leistung achten Kompatibilität nicht prüfen Netzteil zu knapp auswählen Anschlüsse und Formfaktor vergessen Einsatzzweck nicht beachten Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 11.3 Kompatibilität prüfen Definition Bei der Kompatibilitätsprüfung wird geprüft, ob Hardwarekomponenten technisch zusammenpassen und gemeinsam betrieben werden können. Wichtige Kriterien Kriterium Bedeutung CPU-Sockel CPU muss zum Mainboard passen RAM-Typ Mainboard muss den RAM-Typ unterstützen Formfaktor Mainboard muss ins Gehäuse passen Schnittstellen Anschlüsse müssen vorhanden sein Netzteil Leistung und Stecker müssen passen Betriebssystem Treiber und Hardware müssen unterstützt werden Typische Beispiele Komponente Muss passen zu CPU Mainboard-Sockel, Chipsatz, BIOS/UEFI RAM Mainboard, RAM-Typ, Takt, Kapazität Grafikkarte PCIe-Steckplatz, Gehäuse, Netzteil SSD Schnittstelle, Formfaktor, Mainboard Netzteil Leistung, Anschlüsse, Gehäuse Gehäuse Mainboard-Formfaktor, Grafikkartenlänge Häufige Kompatibilitätsfehler CPU passt nicht zum Sockel. RAM-Typ wird nicht unterstützt. Netzteil hat zu wenig Leistung. Grafikkarte passt nicht ins Gehäuse. Mainboard passt nicht zum Gehäuse. Treiber fehlen für das Betriebssystem. Merksatz Hardware muss nicht nur leistungsfähig sein, sondern auch zueinander passen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig geprüft, ob eine vorgeschlagene Hardwarekombination technisch sinnvoll ist. Typische Fehler: CPU-Sockel nicht beachten DDR-Versionen verwechseln M.2 und NVMe gleichsetzen Netzteilanschlüsse vergessen Gehäusegröße nicht prüfen BIOS/UEFI-Kompatibilität übersehen Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 11.4 RAID auswählen Definition Bei der RAID-Auswahl wird ein passender RAID-Level für einen bestimmten Einsatzzweck gewählt. Entscheidend sind Ausfallsicherheit , Geschwindigkeit und nutzbare Kapazität . Wichtige RAID-Level RAID-Level Schwerpunkt RAID 0 Geschwindigkeit RAID 1 Ausfallsicherheit durch Spiegelung RAID 5 Ausfallsicherheit und gute Speicherausnutzung RAID 6 höhere Ausfallsicherheit durch doppelte Parität RAID 10 Geschwindigkeit und Ausfallsicherheit Typische Auswahl Anforderung Geeigneter RAID-Level maximale Geschwindigkeit, keine Redundanz RAID 0 einfache Spiegelung RAID 1 guter Kompromiss aus Kapazität und Sicherheit RAID 5 höhere Sicherheit bei größeren Systemen RAID 6 hohe Leistung und hohe Ausfallsicherheit RAID 10 Mindestanzahl Laufwerke RAID-Level Mindestanzahl RAID 0 2 RAID 1 2 RAID 5 3 RAID 6 4 RAID 10 4 Merksatz RAID erhöht die Verfügbarkeit, ersetzt aber kein Backup. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, welcher RAID-Level zu einer bestimmten Anforderung passt. Typische Fehler: RAID 0 als ausfallsicher ansehen. RAID als Backup bezeichnen. Mindestanzahl der Laufwerke vergessen. Nutzbare Kapazität falsch berechnen. RAID 5 und RAID 6 verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 11.5 Backupstrategie auswählen Definition Bei der Backupstrategie wird festgelegt, welche Daten wann, wie oft und wohin gesichert werden. Ziel ist die zuverlässige Wiederherstellung nach Datenverlust. Wichtige Kriterien Kriterium Bedeutung Datenmenge wie viele Daten gesichert werden Änderungsrate wie häufig sich Daten ändern Wiederherstellungszeit wie schnell Daten wieder verfügbar sein müssen Speicherplatz benötigter Platz für Sicherungen Aufbewahrungsfrist wie lange Backups behalten werden Sicherheitsbedarf Schutz vor Verlust, Diebstahl und Manipulation Backup-Arten Backup-Art Beschreibung Vollbackup sichert alle ausgewählten Daten inkrementelles Backup sichert Änderungen seit der letzten Sicherung differenzielles Backup sichert Änderungen seit dem letzten Vollbackup Typische Auswahl Anforderung Geeignete Strategie einfache Wiederherstellung Vollbackup wenig Speicherbedarf inkrementelles Backup schneller Restore mit weniger Speicherbedarf als Vollbackup differenzielles Backup Schutz vor Standortausfall externe oder ausgelagerte Sicherung Schutz vor Ransomware getrennte oder unveränderbare Backups 3-2-1-Regel 3 Kopien der Daten 2 unterschiedliche Speichermedien 1 Kopie außer Haus Merksatz Eine Backupstrategie ist nur gut, wenn die Wiederherstellung zuverlässig funktioniert. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, welche Backup-Art zu einer bestimmten Situation passt. Typische Fehler: RAID als Backup ansehen. Restore-Test vergessen. Backup auf demselben Datenträger speichern. inkrementelles und differenzielles Backup verwechseln. Aufbewahrung und Datenschutz nicht beachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker BSI IT-Grundschutz 11.6 Schnittstellen bestimmen Definition Bei der Schnittstellenauswahl wird bestimmt, welcher Anschluss oder Übertragungsstandard für ein Gerät oder einen Einsatzzweck geeignet ist. Wichtige Schnittstellen Schnittstelle Typischer Einsatz USB Tastatur, Maus, Drucker, USB-Stick HDMI Monitor, Fernseher, Beamer DisplayPort Monitor, hohe Auflösungen Ethernet kabelgebundenes Netzwerk Audio Mikrofon, Kopfhörer, Lautsprecher Thunderbolt Daten, Bild und Strom SATA interne Laufwerke PCIe Erweiterungskarten, NVMe-SSDs Typische Zuordnung Anforderung Geeignete Schnittstelle Netzwerkverbindung per Kabel Ethernet Bildausgabe an Monitor HDMI oder DisplayPort externe Festplatte USB oder Thunderbolt interne SSD SATA, M.2 oder PCIe/NVMe Erweiterungskarte PCIe Kopfhörer oder Mikrofon Audioanschluss oder USB Wichtige Kriterien Gerätetyp Datenrate Steckertyp Übertragungsstandard Stromversorgung Kompatibilität Kabellänge Merksatz Die Schnittstelle muss zum Gerät, zur benötigten Datenrate und zum Anschluss passen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, welche Schnittstelle für einen bestimmten Einsatzzweck geeignet ist. Typische Fehler: Anschlussform und Übertragungsstandard verwechseln. HDMI und DisplayPort mit USB verwechseln. M.2 und NVMe gleichsetzen. Ethernet nicht als Netzwerkschnittstelle erkennen. interne und externe Schnittstellen verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker USB-IF Spezifikation IEEE 802.3 11.7 Bootprobleme lösen Definition Bei Bootproblemen startet ein Computersystem nicht korrekt oder das Betriebssystem wird nicht geladen. Typische Fehlerquellen Fehlerbild Mögliche Ursache Kein Startbildschirm Netzteil, Mainboard, RAM, CPU Kein Bootmedium gefunden falsche Bootreihenfolge, defekte SSD/HDD Betriebssystem startet nicht beschädigter Bootloader, Dateisystemfehler Bluescreen oder Absturz Treiber, Hardware, Systemdateien Endlosschleife beim Start fehlerhaftes Update, Treiberproblem Pieptöne beim Einschalten POST-Fehler Wichtige Prüfschritte Stromversorgung prüfen Kabel und Steckverbindungen prüfen BIOS/UEFI aufrufen Bootreihenfolge prüfen Datenträger prüfen Fehlermeldung beachten Startreparatur verwenden Treiber oder Updates prüfen BIOS/UEFI Im BIOS/UEFI kann geprüft werden: ob Laufwerke erkannt werden welche Bootreihenfolge eingestellt ist ob Secure Boot aktiviert ist ob Datum und Uhrzeit korrekt sind Bootloader Der Bootloader startet das Betriebssystem. Ist der Bootloader beschädigt, kann das Betriebssystem nicht geladen werden. Merksatz Bei Bootproblemen zuerst prüfen, ob Hardware und Bootmedium erkannt werden. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach der wahrscheinlichsten Ursache eines Startfehlers gefragt. Typische Fehler: Betriebssystemfehler vermuten, obwohl das Laufwerk nicht erkannt wird. Bootreihenfolge nicht prüfen. BIOS/UEFI und Betriebssystem verwechseln. POST-Fehler ignorieren. Bootloader und Kernel verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 12 – Tabellen und Übersichten 12.1 USB-Versionen Definition USB steht für Universal Serial Bus . USB ist eine universelle Schnittstelle zur Verbindung von Computern mit Peripheriegeräten. Typische Geräte Tastatur Maus Drucker Scanner USB-Stick externe Festplatte Smartphone Audiointerface Wichtige USB-Versionen USB-Version Bezeichnung Maximale Datenrate USB 2.0 High Speed 480 MBit/s USB 3.0 SuperSpeed 5 GBit/s USB 3.1 SuperSpeed+ 10 GBit/s USB 3.2 SuperSpeed USB bis 20 GBit/s USB4 USB4 bis 40 GBit/s USB-Steckertypen Steckertyp Verwendung USB-A klassischer USB-Anschluss USB-B Drucker, ältere Geräte Micro-USB ältere Smartphones und Geräte USB-C moderne Geräte, beidseitig steckbar Merksatz USB-Version und USB-Stecker sind nicht dasselbe. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen USB-Version , Datenrate und Steckertyp unterschieden. Typische Fehler: USB-C automatisch mit hoher Datenrate gleichsetzen. USB-Stecker und USB-Version verwechseln. MBit/s und MB/s verwechseln. Stromversorgung und Datenübertragung nicht unterscheiden. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker USB-IF Spezifikation 12.2 PCIe-Versionen Definition PCIe steht für Peripheral Component Interconnect Express . PCIe ist ein internes Bussystem zur Verbindung von Erweiterungskarten und schnellen Speichergeräten mit dem Mainboard. Typische Verwendung Grafikkarten Netzwerkkarten Soundkarten RAID-Controller NVMe-SSDs Wichtige PCIe-Versionen PCIe-Version Datenrate pro Lane PCIe 1.0 2,5 GT/s PCIe 2.0 5 GT/s PCIe 3.0 8 GT/s PCIe 4.0 16 GT/s PCIe 5.0 32 GT/s PCIe 6.0 64 GT/s PCIe-Lanes PCIe arbeitet mit sogenannten Lanes . Typische Lane-Anzahlen: Schreibweise Bedeutung x1 1 Lane x4 4 Lanes x8 8 Lanes x16 16 Lanes Beispiele Gerät Typische Anbindung Grafikkarte PCIe x16 NVMe-SSD PCIe x4 Netzwerkkarte PCIe x1 oder x4 RAID-Controller PCIe x4 oder x8 Merksatz Je neuer die PCIe-Version und je mehr Lanes genutzt werden, desto höher ist die mögliche Datenrate. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen PCIe-Version , Lane-Anzahl und Steckplatzgröße unterschieden. Typische Fehler: PCIe x16 automatisch mit PCIe 5.0 gleichsetzen. Steckplatzgröße und tatsächliche Lane-Anbindung verwechseln. PCIe mit SATA verwechseln. M.2 und NVMe gleichsetzen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker PCI-SIG Spezifikation 12.3 SATA-Versionen Definition SATA steht für Serial ATA . SATA ist eine Schnittstelle zum Anschluss von Massenspeichern wie HDDs, SSDs und optischen Laufwerken. Typische Verwendung HDD SATA-SSD DVD-/Blu-ray-Laufwerk interne Laufwerke Wichtige SATA-Versionen SATA-Version Bezeichnung Maximale Datenrate SATA I SATA 1,5 GBit/s 1,5 GBit/s SATA II SATA 3 GBit/s 3 GBit/s SATA III SATA 6 GBit/s 6 GBit/s SATA-Anschlüsse Anschluss Aufgabe SATA-Datenkabel Datenübertragung SATA-Stromanschluss Stromversorgung SATA und SSD Eine SATA-SSD nutzt die SATA-Schnittstelle. Sie ist schneller als eine HDD, aber langsamer als eine NVMe-SSD über PCIe. Merksatz SATA wird vor allem für interne Laufwerke verwendet. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen SATA , M.2 , NVMe und PCIe unterschieden. Typische Fehler: SATA und NVMe gleichsetzen. M.2 automatisch als NVMe ansehen. SATA-SSD und NVMe-SSD nicht unterscheiden. Datenkabel und Stromkabel verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.4 HDMI-Versionen Definition HDMI steht für High Definition Multimedia Interface . HDMI ist eine digitale Schnittstelle zur Übertragung von Bild- und Tonsignalen. Typische Verwendung Monitor Fernseher Beamer Spielekonsole Blu-ray-Player AV-Receiver Wichtige HDMI-Versionen HDMI-Version Maximale Datenrate Typische Bedeutung HDMI 1.4 10,2 GBit/s Full HD, 4K mit Einschränkungen HDMI 2.0 18 GBit/s 4K bei 60 Hz HDMI 2.1 48 GBit/s 4K bei 120 Hz, 8K bei 60 Hz HDMI 2.2 96 GBit/s höhere Auflösungen und Bildwiederholraten Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Auflösung Anzahl der Bildpunkte Bildwiederholrate Bilder pro Sekunde in Hz HDR höherer Kontrast- und Farbumfang eARC erweiterter Audiorückkanal VRR variable Bildwiederholrate HDMI-Kabel Kabeltyp Bedeutung High Speed HDMI Cable ältere HDMI-Anwendungen Premium High Speed HDMI Cable HDMI 2.0 / 4K bei 60 Hz Ultra High Speed HDMI Cable HDMI 2.1 / bis 48 GBit/s Ultra96 HDMI Cable HDMI 2.2 / bis 96 GBit/s Merksatz HDMI überträgt Bild und Ton digital über ein Kabel. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen HDMI-Version , Kabeltyp , Auflösung und Bildwiederholrate unterschieden. Typische Fehler: HDMI-Stecker und HDMI-Version gleichsetzen. HDMI-Kabel ohne passende Bandbreite auswählen. HDMI und DisplayPort verwechseln. 4K, 8K und Hz-Angaben nicht zusammen betrachten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker HDMI Forum / HDMI Licensing Administrator 12.5 DisplayPort-Versionen Definition DisplayPort ist eine digitale Schnittstelle zur Übertragung von Bild- und Tonsignalen. DisplayPort wird häufig bei PC-Monitoren, Grafikkarten und Dockingstations verwendet. Typische Verwendung Monitor Grafikkarte Dockingstation Notebook USB-C Alt Mode Wichtige DisplayPort-Versionen DisplayPort-Version Maximale Datenrate Typische Bedeutung DisplayPort 1.2 21,6 GBit/s 4K mit Einschränkungen DisplayPort 1.4 32,4 GBit/s 4K mit hohen Bildwiederholraten, DSC DisplayPort 2.0 80 GBit/s sehr hohe Auflösungen und Bildwiederholraten DisplayPort 2.1 80 GBit/s verbesserte Anforderungen an Kabel und USB-C-Kompatibilität Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Auflösung Anzahl der Bildpunkte Bildwiederholrate Bilder pro Sekunde in Hz MST Multi-Stream Transport für mehrere Monitore DSC Display Stream Compression Alt Mode DisplayPort-Signal über USB-C Kabel-Zertifizierung Bezeichnung Bedeutung DP40 zertifiziert bis 40 GBit/s DP80 zertifiziert bis 80 GBit/s Merksatz DisplayPort wird besonders häufig bei PC-Monitoren verwendet. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen DisplayPort-Version , Kabel , Auflösung , Bildwiederholrate und USB-C Alt Mode unterschieden. Typische Fehler: DisplayPort-Stecker und DisplayPort-Version gleichsetzen. USB-C automatisch mit DisplayPort gleichsetzen. HDMI und DisplayPort verwechseln. Kabelbandbreite nicht beachten. MST und DSC verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker VESA DisplayPort Standard 2.6 DDR-Versionen Definition DDR steht für Double Data Rate . DDR-Speicher ist eine Speichertechnik für Arbeitsspeicher. Typische Verwendung Desktop-PCs Notebooks Server Workstations Wichtige DDR-Versionen DDR-Version Typische Spannung Bemerkung DDR 2,5 V ältere RAM-Generation DDR2 1,8 V Nachfolger von DDR DDR3 1,5 V ältere PC-Systeme DDR4 1,2 V weit verbreitet DDR5 1,1 V aktuelle RAM-Generation Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung RAM Arbeitsspeicher DDR Double Data Rate DIMM RAM-Modul für Desktop-PCs SO-DIMM kompaktes RAM-Modul für Notebooks ECC Fehlerkorrektur bei Arbeitsspeicher Kompatibilität DDR-Versionen sind untereinander nicht kompatibel. Ein Mainboard unterstützt immer nur bestimmte RAM-Typen. Merksatz DDR-Version, Mainboard und CPU müssen zusammenpassen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach RAM-Kompatibilität gefragt. Typische Fehler: DDR3, DDR4 und DDR5 verwechseln. RAM-Modul trotz anderem Steckplatztyp als passend ansehen. DIMM und SO-DIMM verwechseln. ECC-RAM ohne passende Plattform auswählen. RAM-Takt und RAM-Kapazität verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker JEDEC DDR-Spezifikationen 12.7 RAID-Übersicht Definition RAID verbindet mehrere physische Laufwerke zu einem logischen Laufwerk. Je nach RAID-Level stehen Geschwindigkeit , Ausfallsicherheit oder Kapazität im Vordergrund. RAID-Level RAID-Level Mindestanzahl Laufwerke Ausfallsicherheit Nutzbare Kapazität RAID 0 2 keine alle Laufwerke RAID 1 2 1 Laufwerk darf ausfallen 1 Laufwerk RAID 5 3 1 Laufwerk darf ausfallen n − 1 Laufwerke RAID 6 4 2 Laufwerke dürfen ausfallen n − 2 Laufwerke RAID 10 4 je nach Ausfallkombination ca. 50 % Kurzbeschreibung RAID-Level Beschreibung RAID 0 Striping ohne Redundanz RAID 1 Spiegelung RAID 5 Striping mit verteilter Parität RAID 6 Striping mit doppelter verteilter Parität RAID 10 Kombination aus RAID 1 und RAID 0 Vorteile RAID-Level Vorteil RAID 0 hohe Geschwindigkeit RAID 1 einfache Ausfallsicherheit RAID 5 guter Kompromiss aus Kapazität und Sicherheit RAID 6 höhere Ausfallsicherheit als RAID 5 RAID 10 hohe Geschwindigkeit und Ausfallsicherheit Merksatz RAID erhöht die Verfügbarkeit, ersetzt aber kein Backup. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig nach Mindestanzahl , Ausfallsicherheit und nutzbarer Kapazität gefragt. Typische Fehler: RAID 0 als ausfallsicher ansehen. RAID als Backup bezeichnen. RAID 5 und RAID 6 verwechseln. Brutto- und Netto-Kapazität verwechseln. Hot Spare als nutzbare Kapazität mitzählen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.8 Dateisystemvergleich Definition Ein Dateisystem legt fest, wie Daten auf einem Datenträger gespeichert, verwaltet und wiedergefunden werden. Wichtige Dateisysteme Dateisystem Typischer Einsatz FAT32 USB-Sticks, ältere Systeme exFAT USB-Sticks, Speicherkarten NTFS Windows-Systeme ext4 Linux-Systeme APFS macOS HFS+ ältere macOS-Systeme Vergleich Dateisystem Vorteil Nachteil FAT32 sehr kompatibel maximale Dateigröße 4 GB exFAT geeignet für große Dateien weniger Funktionen als NTFS NTFS Rechteverwaltung, Journaling nicht überall vollständig beschreibbar ext4 stabil und verbreitet unter Linux Windows unterstützt es nicht nativ APFS optimiert für SSDs hauptsächlich Apple-Systeme HFS+ ältere macOS-Kompatibilität veraltet gegenüber APFS Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Journaling protokolliert Änderungen zur Fehlervermeidung Rechteverwaltung steuert Zugriffsrechte auf Dateien Partition abgegrenzter Bereich auf einem Datenträger Formatierung Einrichten eines Dateisystems Merksatz Das Dateisystem muss zum Betriebssystem und zum Einsatzzweck passen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig gefragt, welches Dateisystem für einen bestimmten Datenträger geeignet ist. Typische Fehler: FAT32 für Dateien größer als 4 GB wählen. Dateisystem und Partition verwechseln. NTFS als Linux-Standard ansehen. exFAT und FAT32 verwechseln. APFS für Windows-Systeme auswählen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.9 BIOS vs. UEFI Definition BIOS und UEFI sind Firmware-Schnittstellen zwischen Hardware und Betriebssystem. Sie starten grundlegende Hardwarefunktionen und leiten den Bootvorgang ein. Vergleich BIOS UEFI ältere Firmware-Technik moderner BIOS-Nachfolger meist textbasierte Oberfläche grafische Oberfläche möglich verwendet meist MBR verwendet meist GPT begrenzte Unterstützung großer Datenträger unterstützt große Datenträger kein Secure Boot Secure Boot möglich einfache Bootverwaltung erweiterte Bootverwaltung BIOS BIOS steht für Basic Input/Output System . Es initialisiert die Hardware und startet den Bootvorgang. UEFI UEFI steht für Unified Extensible Firmware Interface . UEFI ist der moderne Nachfolger des BIOS. Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung POST Hardwareprüfung beim Start Bootloader startet das Betriebssystem MBR älteres Partitionsschema GPT modernes Partitionsschema Secure Boot prüft den Bootloader auf Vertrauenswürdigkeit Merksatz UEFI ist der moderne Nachfolger des BIOS. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen BIOS , UEFI , MBR , GPT und Secure Boot unterschieden. Typische Fehler: BIOS/UEFI mit dem Betriebssystem verwechseln. MBR und GPT verwechseln. Secure Boot als Virenscanner ansehen. UEFI nur als grafisches BIOS verstehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.10 ASCII-Tabelle Definition ASCII ist eine Zeichencodierung zur Darstellung von Zeichen in Computersystemen. ASCII steht für American Standard Code for Information Interchange . Grundlage Der ursprüngliche ASCII-Code verwendet 7 Bit . Damit können 128 Zeichen dargestellt werden. Wichtige ASCII-Zeichen Zeichen Dezimal Hexadezimal Leerzeichen 32 20 0 48 30 1 49 31 A 65 41 B 66 42 a 97 61 b 98 62 Zeichenarten ASCII enthält unter anderem: Steuerzeichen Ziffern Großbuchstaben Kleinbuchstaben Satzzeichen Sonderzeichen Beispiele für Steuerzeichen Steuerzeichen Bedeutung LF Line Feed CR Carriage Return ESC Escape TAB Tabulator Merksatz ASCII verwendet 7 Bit und umfasst 128 Zeichen . Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen ASCII , Unicode und UTF-8 unterschieden. Typische Fehler: ASCII und Unicode gleichsetzen. ASCII als 8-Bit-Code bezeichnen. Steuerzeichen vergessen. Dezimalwert und Hexadezimalwert verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker ISO/IEC 646 12.11 Unicode Definition Unicode ist ein internationaler Standard zur Darstellung von Zeichen aus vielen Sprachen und Schriftsystemen. Unicode erweitert die Möglichkeiten älterer Zeichencodierungen wie ASCII . Ziel Unicode soll möglichst alle weltweit verwendeten Zeichen eindeutig darstellen. Dazu gehören: Buchstaben Ziffern Sonderzeichen Symbole Schriftzeichen verschiedener Sprachen Emojis Wichtige Begriffe Begriff Bedeutung Unicode Standard für Zeichen Codepoint eindeutige Nummer eines Zeichens UTF-8 Codierung für Unicode-Zeichen UTF-16 Codierung für Unicode-Zeichen UTF-32 Codierung mit fester Länge UTF-8 UTF-8 ist eine weit verbreitete Codierung für Unicode. Eigenschaften: kompatibel zu ASCII variable Zeichenlänge häufig im Web verwendet speichereffizient bei lateinischen Zeichen Vergleich ASCII und Unicode ASCII Unicode 7 Bit deutlich größerer Zeichenvorrat 128 Zeichen sehr viele Zeichen hauptsächlich englische Zeichen internationale Zeichen keine Umlaute im ursprünglichen ASCII Umlaute und Sonderzeichen möglich Merksatz Unicode ist der Standard für internationale Zeichen. UTF-8 ist eine Codierung für Unicode. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen ASCII , Unicode und UTF-8 unterschieden. Typische Fehler: Unicode und UTF-8 gleichsetzen. ASCII und Unicode verwechseln. Codepoint und Codierung verwechseln. Umlaute im ursprünglichen ASCII erwarten. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker The Unicode Standard 12.12 Präfixe Definition Präfixe werden verwendet, um große Datenmengen oder Datenraten kompakt darzustellen. In der Informationstechnik wird zwischen SI-Präfixen und Binärpräfixen unterschieden. SI-Präfixe SI-Präfixe basieren auf dem Dezimalsystem. Präfix Zeichen Wert Kilo k 1.000 Mega M 1.000.000 Giga G 1.000.000.000 Tera T 1.000.000.000.000 Binärpräfixe Binärpräfixe basieren auf Zweierpotenzen. Präfix Zeichen Wert Kibi Ki 1.024 Mebi Mi 1.024² Gibi Gi 1.024³ Tebi Ti 1.024⁴ Vergleich SI Binär kB = 1.000 Byte KiB = 1.024 Byte MB = 1.000² Byte MiB = 1.024² Byte GB = 1.000³ Byte GiB = 1.024³ Byte TB = 1.000⁴ Byte TiB = 1.024⁴ Byte Merksatz kB, MB, GB, TB = dezimal KiB, MiB, GiB, TiB = binär Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben genau auf die Schreibweise achten. Typische Fehler: MB und MiB gleichsetzen. GB und GiB verwechseln. Bit und Byte verwechseln. kleines b und großes B übersehen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker IEC 80000-13 12.13 Spannungen im PC Definition Ein PC-Netzteil wandelt die Netzspannung aus der Steckdose in verschiedene Gleichspannungen für die PC-Komponenten um. Typische Spannungen Spannung Typische Verwendung +12 V CPU, Grafikkarte, Laufwerke, Lüfter +5 V USB, Laufwerke, Elektronik +3,3 V Mainboard, Chipsatz, Erweiterungskarten +5 VSB Standby-Spannung Wechselspannung und Gleichspannung Bereich Spannungsart Steckdose Wechselspannung (AC) PC-Komponenten Gleichspannung (DC) Netzteil Das Netzteil wandelt: 230 V AC → 12 V / 5 V / 3,3 V DC Merksatz PC-Komponenten arbeiten mit Gleichspannung , die Steckdose liefert Wechselspannung . Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig zwischen AC , DC , Volt , Watt und Ampere unterschieden. Typische Fehler: Netzspannung direkt mit PC-Komponentenspannung gleichsetzen. Wechselspannung und Gleichspannung verwechseln. Volt und Watt verwechseln. Netzteil nur nach Watt auswählen und Anschlüsse vergessen. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.14 CPU-Sockel Definition Der CPU-Sockel ist die mechanische und elektrische Schnittstelle zwischen Prozessor und Mainboard. Der Prozessor muss zum Sockel des Mainboards passen. Aufgabe Der CPU-Sockel verbindet die CPU mit dem Mainboard. Er ermöglicht die Übertragung von: Daten Steuersignalen Stromversorgung Wichtige Kriterien Kriterium Bedeutung Sockeltyp mechanische Passform der CPU Chipsatz unterstützt bestimmte CPU-Funktionen BIOS/UEFI muss die CPU erkennen TDP Wärmeleistung der CPU RAM-Unterstützung abhängig von CPU und Mainboard Beispiele Hersteller Beispiele für Sockel Intel LGA 1200, LGA 1700 AMD AM4, AM5 Kompatibilität Eine CPU passt nur in den passenden Sockel. Zusätzlich müssen auch Chipsatz und BIOS/UEFI-Version kompatibel sein. Merksatz CPU, Sockel, Chipsatz und BIOS/UEFI müssen zusammenpassen. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig geprüft, ob CPU und Mainboard kompatibel sind. Typische Fehler: nur auf den Sockel achten Chipsatz nicht prüfen BIOS/UEFI-Kompatibilität vergessen TDP und Kühlung nicht beachten Intel- und AMD-Sockel verwechseln Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.15 Steckverbinder Definition Steckverbinder dienen zur mechanischen und elektrischen Verbindung von Geräten, Komponenten oder Kabeln. Interne Steckverbinder Steckverbinder Typische Verwendung SATA-Datenanschluss HDD, SSD, optische Laufwerke SATA-Stromanschluss Stromversorgung von Laufwerken PCIe-Steckplatz Erweiterungskarten RAM-Slot Arbeitsspeicher CPU-Sockel Prozessor ATX-Stecker Stromversorgung des Mainboards Externe Steckverbinder Steckverbinder Typische Verwendung USB-A Peripheriegeräte USB-C Daten, Strom, Bildsignal HDMI Bild und Ton DisplayPort Bild und Ton RJ45 Ethernet / Netzwerk 3,5-mm-Klinke Audio IEC-C13 Stromkabel für PC-Netzteil Wichtige Unterscheidung Begriff Bedeutung Steckverbinder physische Anschlussform Schnittstelle technischer Übertragungsstandard Protokoll Regeln der Datenübertragung Beispiele USB-C ist ein Steckverbinder. USB 3.2 ist ein Übertragungsstandard. RJ45 ist ein Steckverbinder. Ethernet ist der Netzwerkstandard. M.2 ist ein Formfaktor. NVMe ist ein Protokoll. Merksatz Steckerform, Schnittstelle und Protokoll sind nicht immer dasselbe. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird häufig geprüft, ob Anschlussform, Schnittstelle und Übertragungsstandard korrekt unterschieden werden. Typische Fehler: USB-C automatisch mit hoher Datenrate gleichsetzen. M.2 automatisch mit NVMe gleichsetzen. RJ45 und Ethernet gleichsetzen. HDMI-Stecker und HDMI-Version verwechseln. PCIe-Steckplatz und PCIe-Version verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.16 IHK-Merklisten Hardware Definition IHK-Merklisten fassen typische Prüfungsbegriffe kurz und übersichtlich zusammen. Sie dienen zum schnellen Wiederholen vor der Prüfung. Speicher Begriff Merken RAM flüchtiger Arbeitsspeicher ROM nichtflüchtiger Nur-Lese-Speicher Cache schneller Zwischenspeicher SSD Flash-Speicher ohne bewegliche Teile HDD magnetischer Speicher mit beweglichen Teilen Schnittstellen Begriff Merken USB Peripherie und externe Geräte HDMI Bild und Ton DisplayPort Bild und Ton, häufig bei Monitoren Ethernet kabelgebundenes Netzwerk SATA interne Laufwerke PCIe Erweiterungskarten und NVMe-SSDs RAID RAID-Level Merken RAID 0 schnell, aber keine Ausfallsicherheit RAID 1 Spiegelung RAID 5 ein Laufwerk darf ausfallen RAID 6 zwei Laufwerke dürfen ausfallen RAID 10 Spiegelung + Striping Backup Backup-Art Merken Vollbackup sichert alles inkrementell seit der letzten Sicherung differenziell seit dem letzten Vollbackup BIOS / UEFI Begriff Merken BIOS ältere Firmware UEFI moderner BIOS-Nachfolger POST Hardwareprüfung beim Start Bootloader startet das Betriebssystem Secure Boot prüft vertrauenswürdigen Bootloader Merksatz Für die IHK sind vor allem Unterschiede, Zuordnungen und typische Verwechslungen wichtig. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben wird oft nicht tiefes Detailwissen abgefragt, sondern ob Begriffe korrekt unterschieden werden können. Typische Fehler: RAM und SSD verwechseln. RAID als Backup ansehen. USB-C automatisch mit hoher Datenrate gleichsetzen. BIOS/UEFI mit Betriebssystem verwechseln. inkrementelles und differenzielles Backup verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker 12.17 Häufige Verwechslungen Definition Häufige Verwechslungen sind Begriffe, die in IHK-Aufgaben ähnlich wirken, aber fachlich unterschiedliche Bedeutungen haben. Speicher Begriff 1 Begriff 2 Unterschied RAM SSD RAM ist flüchtiger Arbeitsspeicher, SSD ist dauerhafter Massenspeicher Cache RAM Cache ist schneller Zwischenspeicher, RAM ist Arbeitsspeicher ROM RAM ROM ist nichtflüchtig, RAM ist flüchtig Schnittstellen Begriff 1 Begriff 2 Unterschied USB-C USB-Version USB-C ist die Steckerform, USB 3.2/USB4 ist der Standard M.2 NVMe M.2 ist ein Formfaktor, NVMe ist ein Protokoll RJ45 Ethernet RJ45 ist der Steckverbinder, Ethernet ist der Netzwerkstandard HDMI DisplayPort beide übertragen Bild und Ton, sind aber unterschiedliche Schnittstellen Speicher und Datensicherung Begriff 1 Begriff 2 Unterschied RAID Backup RAID erhöht Verfügbarkeit, Backup ermöglicht Wiederherstellung Hot Spare Backup Hot Spare ist ein Ersatzlaufwerk, kein Sicherungsmedium Archivierung Backup Archivierung dient langfristiger Aufbewahrung, Backup der Wiederherstellung Betriebssystem und Firmware Begriff 1 Begriff 2 Unterschied BIOS/UEFI Betriebssystem BIOS/UEFI startet Hardware und Bootvorgang, das Betriebssystem verwaltet das System Treiber Firmware Treiber ist Software im Betriebssystem, Firmware ist Software im Gerät Bootloader Kernel Bootloader lädt das Betriebssystem, Kernel ist der Betriebssystemkern Datenmengen Begriff 1 Begriff 2 Unterschied Bit Byte 1 Byte = 8 Bit MB MiB MB basiert auf 1000, MiB auf 1024 MBit/s MB/s MBit/s ist Megabit pro Sekunde, MB/s ist Megabyte pro Sekunde Merksatz Viele IHK-Fehler entstehen nicht durch fehlendes Wissen, sondern durch verwechselte Begriffe. Prüfungshinweis In IHK-Aufgaben immer genau auf die Begriffe achten. Typische Fehler: Bit und Byte verwechseln. RAID als Backup ansehen. USB-C als USB-Version verstehen. M.2 automatisch mit NVMe gleichsetzen. BIOS/UEFI als Betriebssystem ansehen. Treiber und Firmware verwechseln. Quellen IT-Handbuch für Fachinformatiker Kapitel 13 - Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit 13.1 Server-Grundlagen Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Bevor man virtuelle Maschinen, Cluster oder Hochverfügbarkeit versteht, sollte man zuerst wissen, was ein Server grundsätzlich ist und welche Aufgaben er in einer IT-Infrastruktur übernimmt. Was ist ein Server? Ein Server ist ein System, das anderen Geräten im Netzwerk Dienste, Daten oder Anwendungen bereitstellt. Andere Geräte, die diese Dienste nutzen, nennt man Clients. Beispiel: Rolle Aufgabe Server Stellt einen Dienst bereit Client Nutzt den Dienst Ein Server kann ein physisches Gerät, eine virtuelle Maschine oder ein Container sein. Einfaches Beispiel Ein Benutzer öffnet auf seinem PC eine Datei von einem Netzlaufwerk. Dabei passiert vereinfacht Folgendes: Gerät Rolle PC des Benutzers Client Dateiserver Server Der Client fragt die Datei an. Der Server stellt die Datei bereit. Client-Server-Prinzip Beim Client-Server-Prinzip stellt ein Server Dienste bereit, die von Clients genutzt werden. Beispiele: Client-Anfrage Server-Antwort Webseite öffnen Webserver liefert Webseite aus Datei öffnen Fileserver stellt Datei bereit Benutzer anmelden Domain Controller prüft Anmeldung Name auflösen DNS-Server liefert IP-Adresse IP-Adresse beziehen DHCP-Server vergibt Netzwerkkonfiguration Merksatz Ein Server stellt Dienste bereit. Ein Client nutzt diese Dienste. Server als Hardware Ein Server kann ein physischer Computer sein, der speziell für den Dauerbetrieb ausgelegt ist. Typische Merkmale eines physischen Servers: Merkmal Erklärung Leistungsfähige CPU Verarbeitung vieler Anfragen Viel RAM Arbeitsspeicher für Dienste und Anwendungen Mehrere Festplatten Speicherung von Betriebssystem, Daten und virtuellen Maschinen RAID Schutz vor Ausfall einzelner Festplatten Mehrere Netzwerkkarten Redundanz oder Trennung von Netzwerken Redundante Netzteile Weiterbetrieb bei Ausfall eines Netzteils Servergehäuse Einbau im Serverschrank möglich Fernwartung Verwaltung über iLO, iDRAC, IPMI oder ähnliche Systeme Server als virtuelle Maschine Ein Server muss nicht immer ein eigenes physisches Gerät sein. Sehr häufig läuft ein Server heute als virtuelle Maschine. Beispiel: Ein physischer Host betreibt mehrere virtuelle Server: Virtuelle Maschine Aufgabe DC01 Domain Controller FILE01 Dateiserver WEB01 Webserver DB01 Datenbankserver Jede virtuelle Maschine verhält sich wie ein eigener Server. Physischer Server vs. virtueller Server Merkmal Physischer Server Virtueller Server Hardware Eigene echte Hardware Nutzt Hardware des Hosts Betriebssystem Direkt installiert Läuft in einer VM Flexibilität Weniger flexibel Sehr flexibel Bereitstellung Dauert länger Schnell erstellbar Migration Aufwendiger Einfacher verschiebbar Ressourcennutzung Oft schlechter Meist effizienter Backup Je nach System Oft einfacher als VM-Backup Serverrolle Eine Serverrolle beschreibt, welche Aufgabe ein Server erfüllt. Ein Server kann eine oder mehrere Rollen übernehmen. Beispiele: Serverrolle Aufgabe Domain Controller Benutzer, Gruppen und Anmeldungen verwalten DNS-Server Namen in IP-Adressen auflösen DHCP-Server IP-Adressen und Netzwerkkonfiguration vergeben Fileserver Dateien und Ordner im Netzwerk bereitstellen Webserver Webseiten oder Webanwendungen bereitstellen Datenbankserver Daten speichern und für Anwendungen bereitstellen Mailserver E-Mails senden, empfangen und speichern Backupserver Datensicherungen verwalten Druckserver Drucker im Netzwerk bereitstellen Monitoring-Server Systeme und Dienste überwachen Applikationsserver Anwendungen für Benutzer oder andere Systeme bereitstellen Serverdienst Ein Serverdienst ist die konkrete Software oder Funktion, die auf einem Server läuft. Beispiele: Dienst Aufgabe Active Directory Domain Services Zentrale Benutzer- und Rechteverwaltung DNS Namensauflösung DHCP Automatische IP-Konfiguration SMB Dateifreigaben im Windows-Netzwerk NFS Dateifreigaben im Linux/Unix-Umfeld IIS Webserver von Microsoft Apache Webserver Nginx Webserver oder Reverse Proxy MariaDB / MySQL Datenbankdienst PostgreSQL Datenbankdienst SSH Fernzugriff auf Linux-Systeme RDP Remote Desktop für Windows-Systeme Unterschied Serverrolle und Serverdienst Begriff Bedeutung Beispiel Serverrolle Allgemeine Aufgabe eines Servers Webserver Serverdienst Konkrete Software oder Funktion Nginx, Apache, IIS Beispiel: Ein Server hat die Rolle Webserver . Der konkrete Dienst darauf kann Nginx sein. Typische Serverarten Fileserver Ein Fileserver stellt Dateien und Ordner im Netzwerk bereit. Typische Aufgaben: Aufgabe Erklärung Gemeinsame Ordner bereitstellen Benutzer können auf zentrale Dateien zugreifen Rechte verwalten Zugriff nach Benutzer oder Gruppe steuern Daten zentral speichern Daten liegen nicht nur auf einzelnen PCs Backup erleichtern Zentrale Daten können besser gesichert werden Beispiel: Benutzer speichern Dokumente auf einem Netzlaufwerk. Domain Controller Ein Domain Controller verwaltet in einer Windows-Domäne Benutzer, Gruppen, Computer und Anmeldungen. Typische Aufgaben: Aufgabe Erklärung Benutzer authentifizieren Prüft Benutzername und Passwort Gruppen verwalten Rechte über Gruppen strukturieren Richtlinien verteilen Gruppenrichtlinien anwenden Computer verwalten Clients in Domäne einbinden Zentrale Anmeldung ermöglichen Benutzer können sich an Domänen-PCs anmelden Beispiel: Ein Benutzer meldet sich mit seinem Domänenkonto an einem Windows-PC an. DNS-Server Ein DNS-Server löst Namen in IP-Adressen auf. Beispiel: Ein Client möchte einen Server über den Namen erreichen: fileserver.firma.local Der DNS-Server liefert die passende IP-Adresse zurück. Beispiel: Name IP-Adresse fileserver.firma.local 192.168.10.20 intranet.firma.local 192.168.10.30 Ohne DNS müsste man sich IP-Adressen merken. DHCP-Server Ein DHCP-Server verteilt automatisch Netzwerkkonfigurationen an Clients. Typische Angaben: DHCP-Angabe Bedeutung IP-Adresse Adresse des Clients Subnetzmaske Größe des Netzwerks Standardgateway Router ins andere Netz oder Internet DNS-Server Server für Namensauflösung Lease-Zeit Gültigkeitsdauer der Zuweisung Beispiel: Ein neuer PC wird angeschlossen und erhält automatisch eine IP-Adresse. Webserver Ein Webserver stellt Webseiten oder Webanwendungen bereit. Beispiele für Webserver-Software: Software Einsatz Apache Häufiger Webserver Nginx Webserver und Reverse Proxy IIS Microsoft-Webserver Caddy Moderner Webserver mit einfacher TLS-Konfiguration Beispiel: Ein Benutzer ruft im Browser eine Webseite auf. Der Webserver liefert HTML, CSS, JavaScript, Bilder oder Anwendungsdaten aus. Datenbankserver Ein Datenbankserver speichert strukturierte Daten und stellt sie Anwendungen bereit. Beispiele: Datenbanksystem Typischer Einsatz MariaDB / MySQL Webanwendungen PostgreSQL Anwendungen, Webdienste, Fachverfahren Microsoft SQL Server Unternehmensanwendungen Oracle Database Große Unternehmenssysteme Beispiel: Eine Webanwendung speichert Benutzer, Artikel oder Bestellungen in einer Datenbank. Backupserver Ein Backupserver verwaltet Datensicherungen. Typische Aufgaben: Aufgabe Erklärung Sicherungen planen Automatische Backups ausführen Sicherungen speichern Daten auf Backupziel ablegen Wiederherstellung ermöglichen Daten im Fehlerfall zurückspielen Aufbewahrung verwalten Alte Sicherungen nach Regeln löschen Backupstatus überwachen Fehler erkennen Wichtig: Ein Backupserver sollte nicht nur sichern, sondern auch regelmäßig Wiederherstellungen testen. Monitoring-Server Ein Monitoring-Server überwacht Systeme, Dienste und Ressourcen. Typische Messwerte: Bereich Beispiele CPU Auslastung RAM Speicherverbrauch Storage Freier Speicher, I/O Netzwerk Erreichbarkeit, Paketverlust Dienste Läuft ein Dienst oder ist er gestoppt? Backups Erfolgreich oder fehlgeschlagen? Beispiel: Wenn ein Server nicht erreichbar ist, sendet das Monitoring eine Warnung. Applikationsserver Ein Applikationsserver stellt Anwendungen oder Anwendungsteile bereit. Beispiele: Anwendung Beschreibung ERP-System Unternehmenssoftware Ticketsystem Verwaltung von Supportfällen Intranet Interne Informationsplattform Dokumentenmanagement Verwaltung von Dokumenten Fachanwendung Spezielle Software für einen Geschäftsprozess Ein Applikationsserver arbeitet häufig mit einem Datenbankserver zusammen. Serverbetriebssysteme Server verwenden oft spezielle Betriebssysteme. Beispiele: Betriebssystem Typischer Einsatz Windows Server Active Directory, Fileserver, Hyper-V, Unternehmensdienste Debian Linux-Server, Webserver, Dienste Ubuntu Server Linux-Server, Cloud, Container Red Hat Enterprise Linux Unternehmensumgebungen SUSE Linux Enterprise Server Unternehmensumgebungen FreeBSD Netzwerkdienste, Storage, Spezialanwendungen Unterschied Client-Betriebssystem und Server-Betriebssystem Merkmal Client-Betriebssystem Server-Betriebssystem Ziel Arbeit am Arbeitsplatz Dienste für viele Benutzer Beispiele Windows 11, macOS, Ubuntu Desktop Windows Server, Debian Server Benutzeroberfläche Meist grafisch Oft auch ohne GUI Dienste Weniger serverorientiert Für Netzwerkdienste ausgelegt Verwaltung Einzelgerät Zentrale Administration Dauerbetrieb Nicht Hauptziel Für Dauerbetrieb gedacht Server im Dauerbetrieb Server laufen oft rund um die Uhr. Deshalb sind wichtig: Bereich Bedeutung Stabile Hardware Weniger Ausfälle Kühlung Schutz vor Überhitzung Stromversorgung USV und redundante Netzteile Updates Sicherheit und Stabilität Monitoring Probleme früh erkennen Backup Wiederherstellung ermöglichen Dokumentation Wartung und Fehleranalyse erleichtern Redundanz Redundanz bedeutet, dass wichtige Komponenten mehrfach vorhanden sind. Beispiele: Komponente Redundanz Netzteil Zwei Netzteile Netzwerk Zwei Netzwerkkarten Festplatten RAID Switch Zwei Switches Server Mehrere Hosts oder Cluster Internetleitung Zweite Leitung Backupziel Zusätzliches externes Backup Ziel: Der Ausfall einer einzelnen Komponente soll nicht sofort zum Gesamtausfall führen. Single Point of Failure Ein Single Point of Failure ist eine einzelne Komponente, deren Ausfall einen Dienst oder ein ganzes System lahmlegen kann. Beispiele: Single Point of Failure Auswirkung Einziger Server Dienst fällt komplett aus Einziges Netzteil Server geht bei Defekt aus Einziger Switch Netzwerkverbindung fällt aus Einziger Storage Daten sind nicht erreichbar Einzige Internetleitung Standort verliert Internetzugang Merksatz: Ein Single Point of Failure ist eine einzelne kritische Schwachstelle im System. RAID RAID verbindet mehrere Festplatten zu einem logischen Speicherbereich. Ziele können sein: Ziel Erklärung Ausfallsicherheit Daten bleiben trotz defekter Festplatte verfügbar Geschwindigkeit Daten werden auf mehrere Platten verteilt Kapazität Mehrere Platten bilden einen größeren Speicher Wichtige RAID-Level: RAID-Level Bedeutung Vorteil Nachteil RAID 0 Striping ohne Redundanz Schnell, volle Kapazität Kein Schutz bei Ausfall RAID 1 Spiegelung Eine Platte darf ausfallen Nur etwa halbe nutzbare Kapazität RAID 5 Parität über mehrere Platten Eine Platte darf ausfallen Rebuild belastet System RAID 6 Doppelte Parität Zwei Platten dürfen ausfallen Weniger nutzbare Kapazität RAID 10 Spiegelung und Striping Schnell und ausfallsicher Benötigt mindestens vier Platten Wichtig: RAID ist kein Backup. RAID schützt nur gegen bestimmte Hardwareausfälle. Es schützt nicht zuverlässig gegen versehentliches Löschen, Malware, Ransomware oder Datenkorruption. Backup Ein Backup ist eine Sicherung von Daten oder Systemen. Ziele: Ziel Erklärung Wiederherstellung Daten nach Fehler zurückholen Schutz vor Datenverlust Defekt, Löschung oder Malware abfangen Versionsstand sichern Ältere Zustände wiederherstellen Notfallvorsorge Wiederanlauf nach größerem Ausfall ermöglichen Beispiele für Backuparten: Backupart Erklärung Vollbackup Alle ausgewählten Daten werden gesichert Inkrementelles Backup Nur Änderungen seit dem letzten Backup Differenzielles Backup Änderungen seit dem letzten Vollbackup Image-Backup Ganzes System oder ganze VM Datei-Backup Einzelne Dateien und Ordner 3-2-1-Regel Eine bekannte Backup-Regel ist die 3-2-1-Regel. Regel Bedeutung 3 Kopien Original plus zwei Sicherungen 2 verschiedene Medien Zum Beispiel NAS und externe Festplatte 1 Kopie extern Eine Sicherung außerhalb des Hauptstandorts Merksatz: Ein Backup ist nur dann wirklich sinnvoll, wenn die Wiederherstellung getestet wurde. USV USV steht für unterbrechungsfreie Stromversorgung. Eine USV schützt Server bei Stromproblemen. Aufgaben: Aufgabe Erklärung Kurzzeitige Stromausfälle überbrücken Server laufen weiter Spannungsschwankungen abfangen Hardware wird geschützt Sauberes Herunterfahren ermöglichen Datenverlust vermeiden Ausfall melden Monitoring kann alarmieren Eine USV ersetzt keinen Generator, schützt aber vor kurzen Stromausfällen und ermöglicht kontrolliertes Herunterfahren. Serverraum und Rechenzentrum Server stehen oft in einem Serverraum oder Rechenzentrum. Wichtige Anforderungen: Bereich Bedeutung Zutrittsschutz Nur berechtigte Personen Kühlung Schutz vor Überhitzung Stromversorgung Stabile und abgesicherte Versorgung Brandschutz Schutz vor Feuer und Rauch Netzwerkverkabelung Strukturierte Verkabelung Ordnung Beschriftung und Dokumentation Monitoring Temperatur, Strom, Netzwerk und Systeme überwachen Rack-Server Ein Rack-Server ist ein Server für den Einbau in einen Serverschrank. Höhe wird oft in Höheneinheiten angegeben. Einheit Bedeutung 1 HE / 1U Eine Höheneinheit 2 HE / 2U Zwei Höheneinheiten 4 HE / 4U Vier Höheneinheiten Rack-Server werden häufig in Unternehmen und Rechenzentren eingesetzt. Tower-Server Ein Tower-Server sieht ähnlich aus wie ein großer Desktop-PC. Vorteile: Vorteil Erklärung Einfach aufzustellen Kein Rack notwendig Geeignet für kleine Umgebungen Kleine Büros oder Außenstellen Oft günstiger Einstieg Weniger Infrastruktur nötig Nachteil: Für größere Serverräume sind Rack-Server meist besser geeignet. Blade-Server Blade-Server sind sehr kompakte Servermodule, die in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut werden. Vorteile: Vorteil Erklärung Hohe Dichte Viele Server auf wenig Raum Gemeinsame Infrastruktur Strom, Kühlung und Netzwerk zentral Zentrale Verwaltung Viele Blades gemeinsam verwaltbar Nachteil: Blade-Systeme sind komplexer und meist teurer. Serverhardware – wichtige Komponenten Komponente Aufgabe CPU Führt Berechnungen und Programme aus RAM Arbeitsspeicher für laufende Prozesse Storage Speichert Betriebssystem, Daten und Anwendungen Netzwerkkarte Verbindet den Server mit dem Netzwerk Mainboard Verbindet alle Komponenten Netzteil Versorgt den Server mit Strom RAID-Controller Verwaltet Festplattenverbünde Lüfter Kühlt die Hardware Management-Controller Fernwartung und Hardwareüberwachung CPU im Server Die CPU verarbeitet Befehle und führt Programme aus. Wichtige Begriffe: Begriff Bedeutung Kern Recheneinheit innerhalb der CPU Thread Logischer Ausführungspfad Taktfrequenz Geschwindigkeit einzelner Rechenzyklen Cache Schneller Zwischenspeicher Virtualisierungserweiterung Unterstützung für VMs Bei Servern ist nicht nur die maximale Geschwindigkeit wichtig, sondern auch Stabilität, Kerne, Energieverbrauch und Virtualisierungsunterstützung. RAM im Server RAM ist der Arbeitsspeicher des Servers. Er wird für laufende Prozesse, Dienste, Caches und virtuelle Maschinen benötigt. Typische Bedeutung: Einsatz Warum RAM wichtig ist Datenbanken Daten können im Speicher schneller verarbeitet werden Virtualisierung Jede VM benötigt Arbeitsspeicher Fileserver Zwischenspeicher für Dateioperationen Webserver Viele gleichzeitige Anfragen Applikationsserver Anwendungen benötigen Speicher Zu wenig RAM führt häufig zu langsamen Systemen. ECC-RAM ECC-RAM kann bestimmte Speicherfehler erkennen und korrigieren. ECC steht für Error Correcting Code. Vorteil: Vorteil Erklärung Höhere Zuverlässigkeit Speicherfehler können erkannt und teilweise korrigiert werden Wichtig für Dauerbetrieb Besonders bei Servern sinnvoll Schutz vor Datenfehlern Reduziert Risiko stiller Speicherfehler ECC-RAM ist typisch für Serverhardware. Storage im Server Storage bezeichnet den dauerhaften Speicher. Beispiele: Speicherart Eigenschaft HDD Viel Speicherplatz, günstiger, langsamer SSD Schneller als HDD NVMe Sehr schneller Flash-Speicher SAN Externer Blockspeicher NAS Speicher über Netzwerkfreigaben Bei Servern ist Storage nicht nur nach Größe zu bewerten, sondern auch nach Geschwindigkeit, Ausfallsicherheit und Backup-Konzept. IOPS und Latenz Bei Servern ist Storage-Performance wichtig. Begriff Bedeutung IOPS Ein- und Ausgabeoperationen pro Sekunde Latenz Verzögerung beim Zugriff Durchsatz Datenmenge pro Sekunde Viele langsame Serverprobleme entstehen nicht durch die CPU, sondern durch langsamen Storage. Netzwerkkarten im Server Server haben oft mehrere Netzwerkkarten. Gründe: Grund Erklärung Redundanz Ausfall einer Verbindung abfangen Lastverteilung Mehr Bandbreite nutzen Netztrennung Management, Servernetz, Storage oder Backup trennen Virtualisierung Verschiedene VM-Netze anbinden Beispiel: Netzwerkkarte Aufgabe NIC 1 Management NIC 2 Servernetz NIC 3 Storage NIC 4 Backup Remote Management Viele Server bieten Fernwartung auf Hardwareebene. Beispiele: Hersteller / Technik Bedeutung iLO HPE Integrated Lights-Out iDRAC Dell Integrated Dell Remote Access Controller IPMI Allgemeine Schnittstelle für Hardwaremanagement BMC Baseboard Management Controller Damit kann man Server auch verwalten, wenn das Betriebssystem nicht mehr reagiert. Mögliche Funktionen: Funktion Nutzen Server ein- und ausschalten Fernsteuerung Konsole anzeigen Zugriff wie direkt am Bildschirm ISO einbinden Betriebssystem remote installieren Hardwarezustand prüfen Fehlerdiagnose Logs ansehen Analyse von Hardwareproblemen Servernetzwerk Server werden in ein Netzwerk eingebunden. Wichtige Netzwerkdaten: Angabe Bedeutung IP-Adresse Eindeutige Adresse im Netzwerk Subnetzmaske / Präfix Größe des Netzwerks Gateway Router in andere Netze DNS-Server Namensauflösung VLAN Logische Netztrennung Hostname Name des Servers FQDN Vollständiger DNS-Name Beispiel: Angabe Beispiel Hostname FILE01 FQDN FILE01.firma.local IP-Adresse 192.168.10.20 Präfix /24 Gateway 192.168.10.1 DNS 192.168.10.10 Statische IP-Adresse Server erhalten meistens eine feste IP-Adresse. Grund: Clients und andere Server müssen den Dienst zuverlässig erreichen können. Beispiel: Server IP-Adresse DC01 192.168.10.10 DNS01 192.168.10.10 FILE01 192.168.10.20 WEB01 192.168.10.30 Server können entweder manuell statisch konfiguriert werden oder per DHCP eine Reservierung erhalten. DNS-Name Server sollten nicht nur über IP-Adressen, sondern über Namen erreichbar sein. Beispiel: DNS-Name IP-Adresse fileserver.firma.local 192.168.10.20 intranet.firma.local 192.168.10.30 Vorteil: Wenn sich die IP-Adresse ändert, kann der DNS-Eintrag angepasst werden. Benutzer und Anwendungen können weiterhin den Namen verwenden. Serverhärtung Serverhärtung bedeutet, ein System sicherer zu konfigurieren. Typische Maßnahmen: Maßnahme Erklärung Unnötige Dienste deaktivieren Weniger Angriffsfläche Updates installieren Sicherheitslücken schließen Firewall aktivieren Zugriffe begrenzen Starke Passwörter verwenden Schutz vor unbefugtem Zugriff Rechte beschränken Least-Privilege-Prinzip Adminzugänge schützen MFA, VPN oder Managementnetz Logging aktivieren Ereignisse nachvollziehen Standardkonten prüfen Unnötige Konten deaktivieren Least Privilege Least Privilege bedeutet: Benutzer und Dienste bekommen nur die Rechte, die sie wirklich benötigen. Beispiel: Ein normaler Benutzer braucht keine Administratorrechte auf einem Server. Vorteil: Wenn ein Konto kompromittiert wird, ist der mögliche Schaden geringer. Patchmanagement Patchmanagement bedeutet, Updates geplant zu verwalten. Wichtige Schritte: Schritt Erklärung Updates prüfen Welche Updates sind verfügbar? Auswirkungen bewerten Kritisch oder unkritisch? Testen Erst in Testumgebung prüfen Wartungsfenster planen Zeitpunkt mit wenig Auswirkung wählen Installation durchführen Updates einspielen Neustart durchführen Wenn erforderlich Funktion prüfen Dienste nach Update testen Dokumentieren Änderung nachvollziehbar machen Monitoring im Serverbetrieb Server sollten dauerhaft überwacht werden. Wichtige Werte: Bereich Beispiele Verfügbarkeit Ist der Server erreichbar? CPU Auslastung RAM Verbrauch Storage Freier Speicher, I/O Netzwerk Paketverlust, Bandbreite Dienste Laufen wichtige Dienste? Ereignisprotokolle Fehler und Warnungen Backup Erfolgreich oder fehlgeschlagen? Monitoring dient nicht nur der Fehlererkennung, sondern auch der Kapazitätsplanung. Logging Logging bedeutet, dass Ereignisse protokolliert werden. Beispiele: Log Inhalt Systemlog Betriebssystemereignisse Sicherheitslog Anmeldungen und Zugriffsversuche Anwendungslog Fehler und Meldungen von Anwendungen Dienstlog Status und Fehler einzelner Dienste Firewalllog Erlaubte oder blockierte Verbindungen Logs helfen bei Fehlersuche, Sicherheitsanalyse und Nachvollziehbarkeit. Dokumentation Server müssen sauber dokumentiert werden. Wichtige Angaben: Bereich Beispiel Servername FILE01 Aufgabe Dateiserver IP-Adresse 192.168.10.20 Betriebssystem Windows Server oder Linux Standort Serverraum / Rack Hardware CPU, RAM, Storage Dienste SMB, DNS, DHCP, Webserver Backup Sicherungsplan Verantwortliche Admin-Team Abhängigkeiten DNS, Datenbank, Storage Wartungsfenster Geplante Zeiten für Updates Gute Dokumentation erleichtert Betrieb, Fehlersuche und Übergabe. Namenskonventionen Servernamen sollten verständlich und einheitlich sein. Beispiele: Name Bedeutung DC01 Domain Controller 1 DC02 Domain Controller 2 FILE01 Fileserver 1 WEB01 Webserver 1 DB01 Datenbankserver 1 APP01 Applikationsserver 1 BKP01 Backupserver 1 MON01 Monitoringserver 1 HV01 Hypervisor Host 1 Vorteil: Man erkennt schneller, welche Aufgabe ein Server hat. Verfügbarkeit Verfügbarkeit beschreibt, wie zuverlässig ein System erreichbar ist. Beispiel: Ein Server ist verfügbar, wenn Benutzer den Dienst nutzen können. Mögliche Ursachen für Nichtverfügbarkeit: Ursache Beispiel Hardwaredefekt Festplatte oder Netzteil defekt Softwarefehler Dienst stürzt ab Netzwerkproblem Switch oder Verbindung ausgefallen Stromausfall Server ohne Strom Fehlkonfiguration Falsche Firewallregel Updateproblem Dienst startet nach Update nicht Angriff Malware oder Überlastung Hochverfügbarkeit als Ziel Hochverfügbarkeit bedeutet, dass Dienste möglichst wenig ausfallen. Maßnahmen: Maßnahme Wirkung Redundante Hardware Weniger Ausfall durch Einzeldefekte RAID Schutz vor Festplattenausfall USV Schutz bei Stromproblemen Backup Wiederherstellung bei Datenverlust Monitoring Frühe Fehlererkennung Cluster Dienste können auf anderen Systemen weiterlaufen Load Balancing Anfragen können verteilt werden Hochverfügbarkeit wird später im Kapitel genauer behandelt. Wartung von Servern Server müssen regelmäßig gewartet werden. Typische Wartungsarbeiten: Wartung Beispiel Updates installieren Betriebssystem und Anwendungen Logs prüfen Fehler und Warnungen Speicherplatz prüfen Volle Datenträger vermeiden Backup prüfen Sicherungen kontrollieren Benutzerrechte prüfen Alte Konten entfernen Zertifikate prüfen Ablaufende Zertifikate erneuern Hardware prüfen Festplatten, Netzteile, Lüfter Dokumentation aktualisieren Änderungen eintragen Wartungsfenster Ein Wartungsfenster ist ein geplanter Zeitraum für Änderungen. Beispiel: Updates werden nachts oder am Wochenende installiert, damit möglichst wenige Benutzer betroffen sind. Vorteile: Vorteil Erklärung Planbarkeit Benutzer können informiert werden Weniger Störung Zeitpunkt mit geringer Nutzung Kontrolle Änderungen werden bewusst durchgeführt Rückfallplan möglich Fehler können besser behandelt werden Change Management Change Management bedeutet, Änderungen geplant und nachvollziehbar durchzuführen. Beispiele für Changes: Änderung Beispiel Update Sicherheitsupdates installieren Konfigurationsänderung Firewallregel ändern Hardwareänderung RAM erweitern Softwareinstallation Neue Anwendung installieren Migration Dienst auf neuen Server verschieben Wichtige Punkte: Punkt Erklärung Grund der Änderung Warum wird geändert? Risiko Was kann schiefgehen? Zeitpunkt Wann wird geändert? Rückfallplan Wie wird zurückgerollt? Test Wie wird Erfolg geprüft? Dokumentation Was wurde geändert? Kapazitätsplanung Kapazitätsplanung bedeutet, Ressourcenbedarf rechtzeitig zu erkennen. Wichtige Fragen: Frage Bedeutung Reicht die CPU-Leistung? Genug Rechenleistung vorhanden? Reicht der RAM? Genug Arbeitsspeicher vorhanden? Reicht der Speicherplatz? Datenträger wachsen mit der Zeit Reicht die Netzwerkbandbreite? Genug Leistung für Benutzer und Dienste? Reicht das Backupfenster? Können Sicherungen rechtzeitig abgeschlossen werden? Kapazitätsplanung verhindert Engpässe. Skalierung Skalierung bedeutet, ein System leistungsfähiger zu machen. Es gibt zwei Grundarten: Art Bedeutung Beispiel Vertikale Skalierung Einzelnen Server stärker machen Mehr RAM, mehr CPU Horizontale Skalierung Weitere Server hinzufügen Mehr Webserver Vertikale Skalierung nennt man auch Scale-Up. Horizontale Skalierung nennt man auch Scale-Out. Scale-Up Scale-Up bedeutet, ein einzelnes System leistungsfähiger zu machen. Beispiele: Maßnahme Wirkung Mehr RAM Mehr Arbeitsspeicher Mehr CPU-Kerne Mehr Rechenleistung Schnellere SSDs Bessere Storage-Performance Schnellere Netzwerkkarte Mehr Netzwerkdurchsatz Vorteil: Einfaches Konzept. Nachteil: Durch Hardwaregrenzen begrenzt. Scale-Out Scale-Out bedeutet, mehrere Systeme einzusetzen. Beispiel: Statt einem Webserver werden drei Webserver betrieben. Vorteil: Vorteil Erklärung Bessere Verteilung Last wird auf mehrere Systeme verteilt Erweiterbar Zusätzliche Server können ergänzt werden Ausfallsicherheit Ausfall eines Servers kann abgefangen werden Nachteil: Die Anwendung muss dafür geeignet sein. Typische kleine Serverumgebung Beispiel für ein kleines Unternehmen: Server Aufgabe DC01 Domain Controller, DNS FILE01 Dateiserver APP01 Fachanwendung DB01 Datenbankserver BKP01 Backupserver MON01 Monitoring In modernen Umgebungen können diese Server als virtuelle Maschinen auf einem Virtualisierungshost laufen. Typische größere Serverumgebung Beispiel für eine größere Umgebung: Bereich Systeme Virtualisierung HV01, HV02, HV03 Verzeichnisdienst DC01, DC02 Dateiablage FILE01, FILE02 Web WEB01, WEB02 Datenbank DB01, DB02 Backup BKP01 Monitoring MON01 Storage SAN oder NAS Netzwerk Core-Switches, Firewalls Hier werden Redundanz, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit wichtiger. Prüfungsnahes Beispiel Aufgabe: Ein Unternehmen betreibt alle Daten auf einem einzelnen Fileserver ohne Backup. Der Server besitzt nur eine Festplatte und ein Netzteil. Frage: Welche Risiken bestehen? Mögliche Antwort: Risiko Erklärung Single Point of Failure Der einzelne Server ist kritisch Kein Festplattenschutz Defekte Festplatte kann Datenverlust verursachen Kein Backup Gelöschte oder beschädigte Daten können nicht wiederhergestellt werden Kein redundantes Netzteil Netzteildefekt führt zum Ausfall Keine Hochverfügbarkeit Dienst fällt bei Serverausfall aus Mögliche Verbesserungen: Maßnahme Wirkung RAID einsetzen Schutz vor Ausfall einzelner Festplatten Backup einrichten Wiederherstellung bei Datenverlust Redundantes Netzteil Schutz vor Netzteildefekt Monitoring einführen Fehler früh erkennen Zweiten Server oder Cluster planen Höhere Verfügbarkeit USV einsetzen Schutz bei Stromproblemen Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Server? Mögliche Antwort: Ein Server ist ein System, das anderen Geräten im Netzwerk Dienste, Daten oder Anwendungen bereitstellt. Die Geräte, die diese Dienste nutzen, nennt man Clients. Server können physische Geräte, virtuelle Maschinen oder Container sein. Typische Prüfungsfrage: Was ist eine Serverrolle? Mögliche Antwort: Eine Serverrolle beschreibt die Aufgabe eines Servers. Beispiele sind Domain Controller, DNS-Server, DHCP-Server, Fileserver, Webserver, Datenbankserver oder Backupserver. Typische Prüfungsfrage: Warum bekommen Server meistens feste IP-Adressen? Mögliche Antwort: Server stellen Dienste bereit, die zuverlässig erreichbar sein müssen. Deshalb benötigen sie eine feste IP-Adresse oder eine feste DHCP-Reservierung. So können Clients, DNS-Einträge und andere Systeme den Server dauerhaft erreichen. Typische Prüfungsfrage: Warum ist RAID kein Backup? Mögliche Antwort: RAID schützt nur vor bestimmten Festplattenausfällen. Es schützt nicht vor versehentlichem Löschen, Malware, Ransomware, Datenkorruption oder Diebstahl. Ein Backup ist eine separate Sicherung, mit der Daten wiederhergestellt werden können. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Single Point of Failure? Mögliche Antwort: Ein Single Point of Failure ist eine einzelne Komponente, deren Ausfall einen Dienst oder ein ganzes System lahmlegen kann. Beispiele sind ein einzelner Server, ein einzelnes Netzteil, ein einzelner Switch oder ein einzelner Storage. Typische Prüfungsfrage: Warum ist Monitoring wichtig? Mögliche Antwort: Monitoring überwacht Server, Dienste und Ressourcen. Dadurch können Fehler, Ausfälle oder Engpässe früh erkannt werden. Beispiele sind CPU-Auslastung, RAM-Verbrauch, freier Speicherplatz, Netzwerkverfügbarkeit, Dienststatus und Backupstatus. Typische Prüfungsfrage: Unterschied zwischen Serverrolle und Serverdienst Mögliche Antwort: Eine Serverrolle beschreibt die allgemeine Aufgabe eines Servers, zum Beispiel Webserver. Ein Serverdienst ist die konkrete Software oder Funktion, die diese Aufgabe erfüllt, zum Beispiel Apache, Nginx oder IIS. Wichtige Begriffe Begriff Kurz erklärt Server System, das Dienste bereitstellt Client System, das Dienste nutzt Serverrolle Aufgabe eines Servers Serverdienst Konkrete Software oder Funktion Fileserver Stellt Dateien bereit Webserver Stellt Webseiten bereit Datenbankserver Speichert strukturierte Daten Domain Controller Verwaltet Benutzer und Anmeldungen DNS-Server Löst Namen in IP-Adressen auf DHCP-Server Vergibt IP-Konfigurationen Backupserver Verwaltet Sicherungen Monitoring-Server Überwacht Systeme und Dienste Redundanz Kritische Komponenten mehrfach vorhanden Single Point of Failure Einzelne kritische Ausfallstelle RAID Festplattenverbund Backup Datensicherung USV Unterbrechungsfreie Stromversorgung Patchmanagement Geplante Verwaltung von Updates Change Management Geplante Verwaltung von Änderungen Scale-Up Einzelnes System stärker machen Scale-Out Weitere Systeme hinzufügen Wichtige Merksätze Ein Server stellt Dienste bereit, ein Client nutzt diese Dienste. Eine Serverrolle beschreibt die Aufgabe eines Servers. Ein Serverdienst ist die konkrete Software oder Funktion, die diese Aufgabe erfüllt. Server sollten zuverlässig erreichbar, abgesichert, überwacht und gesichert sein. RAID ist kein Backup. Ein Backup ist nur zuverlässig, wenn die Wiederherstellung getestet wurde. Ein Single Point of Failure ist eine einzelne kritische Schwachstelle. Redundanz reduziert das Risiko von Ausfällen. Monitoring hilft, Probleme frühzeitig zu erkennen. Dokumentation ist ein wichtiger Teil des Serverbetriebs. Kurzzusammenfassung Server sind zentrale Systeme in einer IT-Infrastruktur. Sie stellen Dienste wie Dateien, Webseiten, Datenbanken, Benutzerverwaltung, DNS, DHCP oder Backups bereit. Ein Server kann physisch, virtuell oder als Container betrieben werden. Für den professionellen Serverbetrieb sind besonders wichtig: Bereich Bedeutung Hardware CPU, RAM, Storage, Netzwerk Betriebssystem Windows Server oder Linux-Server Dienste Bereitstellung konkreter Funktionen Netzwerk Feste IP, DNS, VLANs, Firewall Sicherheit Härtung, Updates, Rechteverwaltung Verfügbarkeit Redundanz, RAID, USV, Monitoring Datensicherung Backup und Wiederherstellung Dokumentation Übersicht und Nachvollziehbarkeit Wartung Updates, Prüfung und Pflege Diese Grundlagen sind wichtig, bevor man sich mit Virtualisierung, Clustern und Hochverfügbarkeit beschäftigt. 13.2 Virtualisierung und virtuelle Maschinen Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Nachdem die Server-Grundlagen bekannt sind, geht es nun um Virtualisierung. Virtualisierung ist ein zentrales Thema moderner IT-Infrastrukturen, weil dadurch mehrere virtuelle Server auf einer physischen Hardware betrieben werden können. Was bedeutet Virtualisierung? Virtualisierung bedeutet, dass physische Hardware logisch aufgeteilt und mehreren virtuellen Systemen bereitgestellt wird. Ein einzelner physischer Server kann dadurch mehrere virtuelle Maschinen betreiben. Beispiel: Physischer Server Virtuelle Maschinen Host 1 DC01, FILE01, WEB01, DB01 Jede virtuelle Maschine verhält sich wie ein eigener Computer. Merksatz Virtualisierung bedeutet, dass mehrere virtuelle Systeme auf einer gemeinsamen physischen Hardware betrieben werden. Warum nutzt man Virtualisierung? Früher wurde für viele Serverrollen jeweils ein eigener physischer Server verwendet. Beispiel: Physischer Server Aufgabe Server 1 Domain Controller Server 2 Fileserver Server 3 Webserver Server 4 Datenbankserver Problem: Viele Server waren schlecht ausgelastet. Ein Server hatte vielleicht nur 5 bis 20 Prozent CPU-Auslastung, benötigte aber trotzdem Strom, Platz, Kühlung und Wartung. Mit Virtualisierung können mehrere Serverrollen als virtuelle Maschinen auf einem oder mehreren leistungsfähigen Hosts laufen. Vorteile von Virtualisierung Vorteil Erklärung Bessere Ressourcennutzung CPU, RAM und Storage werden effizienter genutzt Schnellere Bereitstellung Neue Server können schneller erstellt werden Einfachere Sicherung Ganze VMs können gesichert werden Einfachere Wiederherstellung VMs können aus Backups zurückgespielt werden Flexibilität Ressourcen können oft angepasst werden Migration VMs können auf andere Hosts verschoben werden Testumgebungen Testsysteme lassen sich schnell erstellen Konsolidierung Weniger physische Server notwendig Hochverfügbarkeit möglich VMs können in Clusterumgebungen betrieben werden Nachteile und Risiken von Virtualisierung Nachteil / Risiko Erklärung Abhängigkeit vom Host Fällt der Host aus, sind alle darauf laufenden VMs betroffen Ressourcenengpässe Zu viele VMs können CPU, RAM oder Storage überlasten Komplexität Netzwerk, Storage und Backup werden anspruchsvoller Lizenzierung Lizenzen können komplizierter werden Sicherheitsrisiko Hypervisor Der Hypervisor ist besonders kritisch Fehlplanung Zu wenig Reserven führen zu Performanceproblemen Storage-Abhängigkeit Viele VMs hängen oft an gemeinsamem Storage Physischer Server als Host Der physische Server, auf dem virtuelle Maschinen laufen, wird Host genannt. Ein Host stellt Hardware-Ressourcen bereit: Ressource Bedeutung CPU Rechenleistung RAM Arbeitsspeicher Storage Speicherplatz für virtuelle Festplatten Netzwerk Anbindung der VMs an das Netzwerk Der Host betreibt eine Virtualisierungsschicht, den sogenannten Hypervisor. Virtuelle Maschine Eine virtuelle Maschine ist ein simulierter Computer innerhalb eines physischen Hosts. Eine VM besitzt eigene virtuelle Hardware: Virtuelle Komponente Bedeutung vCPU Virtuelle CPU-Kerne vRAM Virtueller Arbeitsspeicher vDisk Virtuelle Festplatte vNIC Virtuelle Netzwerkkarte Virtuelles Laufwerk Zum Beispiel ISO-Datei für Installation Virtuelle Konsole Bildschirm- und Tastaturzugriff über den Hypervisor In der VM läuft ein eigenes Betriebssystem. Dieses Betriebssystem nennt man Gastbetriebssystem. Host und Guest Bei Virtualisierung unterscheidet man zwischen Host und Guest. Begriff Bedeutung Host Physischer Server, auf dem die Virtualisierung läuft Guest Virtuelle Maschine auf dem Host Gastbetriebssystem Betriebssystem innerhalb der VM Hostsystem System, das den Hypervisor bereitstellt Beispiel: Ebene Beispiel Physische Hardware Dell-Server oder HP-Server Host / Hypervisor Proxmox VE, VMware ESXi oder Hyper-V Guest / VM Windows Server, Debian, Ubuntu Server Hypervisor Der Hypervisor ist die Virtualisierungsschicht. Er verwaltet die virtuellen Maschinen und verteilt die physischen Ressourcen des Hosts. Aufgaben des Hypervisors: Aufgabe Erklärung VMs erstellen Neue virtuelle Maschinen anlegen VMs starten und stoppen Betrieb der VMs steuern CPU verteilen Rechenzeit an VMs vergeben RAM zuweisen Arbeitsspeicher bereitstellen Virtuelle Festplatten verwalten vDisks bereitstellen Virtuelle Netzwerkkarten bereitstellen Netzwerkzugriff ermöglichen Snapshots verwalten Zustände speichern Migration ermöglichen VMs auf andere Hosts verschieben Ressourcen überwachen Auslastung anzeigen Typ-1-Hypervisor Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der physischen Hardware. Er wird auch Bare-Metal-Hypervisor genannt. Beispiele: Hypervisor Beschreibung VMware ESXi Häufig in Unternehmen Microsoft Hyper-V Microsoft-Virtualisierung Proxmox VE Open-Source-Plattform auf KVM-Basis KVM Linux-Kernel-basierte Virtualisierung Xen Virtualisierungstechnologie Nutanix AHV Hypervisor von Nutanix Vorteile: Vorteil Erklärung Hohe Performance Läuft direkt auf der Hardware Stabilität Für Serverbetrieb geeignet Zentrale Verwaltung möglich Gut für Rechenzentren Clusterfähig Hochverfügbarkeit möglich Professioneller Betrieb Für produktive Umgebungen geeignet Typ-2-Hypervisor Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem. Beispiele: Hypervisor Einsatz VirtualBox Test- und Lernumgebung VMware Workstation Desktop-Virtualisierung VMware Fusion macOS-Virtualisierung Parallels Desktop macOS-Virtualisierung UTM macOS / Apple Silicon Beispiel: Auf einem Windows-Notebook läuft VirtualBox. In VirtualBox läuft eine Linux-VM. Vorteile: Vorteil Erklärung Einfach zu nutzen Gut für Tests Keine eigene Serverhardware nötig Läuft auf normalem PC Gut zum Lernen Schnell eingerichtet Nachteile: Nachteil Erklärung Geringere Performance Läuft zusätzlich über ein Hostbetriebssystem Weniger geeignet für Produktion Eher für Desktop und Test Abhängig vom Hostbetriebssystem Wenn Windows/macOS Probleme hat, betrifft das die VMs Typ-1 vs. Typ-2-Hypervisor Merkmal Typ-1-Hypervisor Typ-2-Hypervisor Läuft auf Direkt auf Hardware Auf vorhandenem Betriebssystem Einsatzgebiet Server, Rechenzentrum, Produktivbetrieb Desktop, Test, Schulung Performance Hoch Meist geringer Stabilität Hoch Abhängig vom Hostsystem Beispiele ESXi, Hyper-V, Proxmox, KVM VirtualBox, VMware Workstation, Parallels IHK-Relevanz Sehr wichtig Grundlegend wichtig Bare Metal Bare Metal bedeutet, dass Software direkt auf der physischen Hardware läuft. Ein Typ-1-Hypervisor ist ein Bare-Metal-Hypervisor. Beispiel: Aufbau Beschreibung Hardware → Hypervisor → VMs Typ-1 / Bare Metal Hardware → Windows 11 → VirtualBox → VM Typ-2 Virtuelle CPU Eine vCPU ist eine virtuelle CPU, die einer VM zugewiesen wird. Beispiel: Eine VM bekommt 2 vCPUs. Das bedeutet nicht automatisch, dass sie dauerhaft zwei physische CPU-Kerne exklusiv besitzt. Der Hypervisor verteilt CPU-Zeit zwischen den VMs. Beispiel: VM vCPU DC01 2 FILE01 2 WEB01 2 DB01 4 Wichtig: Zu viele vCPUs können die Leistung verschlechtern, wenn der Host dadurch überlastet wird. CPU-Overcommitment CPU-Overcommitment bedeutet, dass mehr vCPUs vergeben werden, als physische CPU-Kerne vorhanden sind. Beispiel: Physische CPU-Kerne Vergebene vCPUs 16 40 Das kann funktionieren, weil nicht alle VMs gleichzeitig ihre volle CPU-Leistung benötigen. Risiko: Wenn viele VMs gleichzeitig hohe CPU-Last erzeugen, kommt es zu Performanceproblemen. Virtueller Arbeitsspeicher vRAM ist der Arbeitsspeicher, der einer VM zugewiesen wird. Beispiel: VM RAM DC01 4 GB FILE01 8 GB DB01 16 GB WEB01 4 GB RAM ist bei Virtualisierung besonders wichtig. Wenn der Host zu wenig RAM hat, kann das System stark langsam werden. RAM-Overcommitment RAM-Overcommitment bedeutet, dass mehr RAM an VMs vergeben wird, als physisch im Host vorhanden ist. Das ist riskanter als CPU-Overcommitment. Warum? Wenn VMs wirklich ihren RAM benötigen und der Host nicht genug physischen Speicher hat, muss ausgelagert werden. Das führt oft zu starker Verlangsamung. Merksatz: CPU kann man eher überbuchen als RAM. Virtuelle Festplatte Eine virtuelle Festplatte ist der Datenträger einer VM. Die VM sieht diese virtuelle Festplatte wie eine normale Festplatte. Auf dem Host liegt sie meistens als Datei oder Block-Volume. Beispiele für Formate: Format Plattform VHD / VHDX Hyper-V VMDK VMware QCOW2 KVM / Proxmox RAW KVM / Proxmox Thin Provisioning Thin Provisioning bedeutet, dass eine virtuelle Festplatte größer angezeigt wird, als sie auf dem echten Storage aktuell belegt. Beispiel: Eine VM bekommt eine virtuelle Festplatte mit 100 GB. Tatsächlich belegt sie am Anfang vielleicht nur 20 GB. Vorteil: Speicher wird effizient genutzt. Nachteil: Wenn viele virtuelle Festplatten wachsen, kann der echte Storage voll laufen. Thick Provisioning Thick Provisioning bedeutet, dass der Speicherplatz direkt vollständig reserviert wird. Beispiel: Eine virtuelle Festplatte mit 100 GB belegt sofort 100 GB auf dem Storage. Vorteil: Der Speicherverbrauch ist besser planbar. Nachteil: Weniger flexibel und weniger platzsparend. Thin vs. Thick Provisioning Merkmal Thin Provisioning Thick Provisioning Speicherbelegung am Anfang Nur tatsächlich genutzter Speicher Voller Speicher sofort reserviert Flexibilität Hoch Geringer Risiko Storage kann unerwartet voll laufen Weniger Risiko durch Überbuchung Planung Erfordert Überwachung Besser planbar Einsatz Häufig in Test- und produktiven Umgebungen Kritische Systeme oder klare Reservierung Virtuelle Netzwerkkarte Eine vNIC ist die virtuelle Netzwerkkarte einer VM. Sie verbindet die VM mit einem virtuellen Switch. Beispiel: VM vNIC Netzwerk WEB01 eth0 Servernetz DB01 eth0 Datenbanknetz FW01 eth0 / eth1 WAN / LAN Eine VM kann auch mehrere virtuelle Netzwerkkarten besitzen. Virtueller Switch Ein virtueller Switch verbindet virtuelle Maschinen miteinander und mit dem physischen Netzwerk. Aufgaben: Aufgabe Erklärung VM mit Netzwerk verbinden VM kann mit anderen Systemen kommunizieren VM-zu-VM-Kommunikation VMs auf demselben Host können kommunizieren VLAN-Zuordnung VMs können getrennten Netzen zugeordnet werden Verbindung zur physischen Netzwerkkarte Zugriff ins echte Netzwerk Netzwerkmodi bei virtuellen Maschinen Je nach Plattform gibt es verschiedene Netzwerkarten. Modus Bedeutung Bridged VM ist direkt im gleichen Netzwerk wie der Host NAT VM nutzt den Host als Vermittler ins Netzwerk Host-only VM kommuniziert nur mit dem Host Internal VMs kommunizieren nur untereinander VLAN VM ist einem bestimmten virtuellen LAN zugeordnet Bridged Networking Bei Bridged Networking ist die VM wie ein eigenes Gerät im Netzwerk sichtbar. Beispiel: Gerät IP-Adresse Host 192.168.10.10 VM 192.168.10.20 Client 192.168.10.30 Die VM kann direkt von anderen Geräten im Netzwerk erreicht werden. NAT Networking Bei NAT nutzt die VM den Host als Vermittler nach außen. Die VM kann oft ins Internet, ist aber aus dem Netzwerk nicht direkt erreichbar. Vorteil: Einfach für Tests. Nachteil: Für Serverdienste weniger direkt nutzbar, wenn andere Clients auf die VM zugreifen sollen. Host-only Networking Bei Host-only kann die VM nur mit dem Host kommunizieren. Das ist nützlich für isolierte Tests. Beispiel: Eine Test-VM soll nicht ins Firmennetz, aber vom eigenen Rechner aus erreichbar sein. VLAN bei VMs Mit VLANs kann man virtuelle Maschinen logisch in verschiedene Netzwerke trennen. Beispiel: VLAN Zweck VLAN 10 Management VLAN 20 Server VLAN 30 Storage VLAN 40 Clients VLAN 50 DMZ VLANs helfen bei Sicherheit, Ordnung und Netzwerksegmentierung. VM-Konfiguration Eine VM besteht aus mehreren Konfigurationswerten. Typische Angaben: Einstellung Beispiel Name WEB01 Betriebssystem Debian 12 vCPU 2 RAM 4 GB Festplatte 80 GB Netzwerk VLAN 20 ISO Debian-Installationsmedium Boot-Reihenfolge Disk vor ISO Autostart Ja oder Nein Gastbetriebssystem Das Gastbetriebssystem ist das Betriebssystem innerhalb der VM. Beispiele: Gastbetriebssystem Einsatz Windows Server Active Directory, Fileserver, Anwendungen Debian Serverdienste, Webserver, Container Ubuntu Server Cloud, Web, Anwendungen Rocky Linux Unternehmensnahe Linux-Umgebungen pfSense Firewall oder Router FreeBSD Netzwerkdienste oder Spezialanwendungen VMware Tools / Guest Tools Viele Virtualisierungsplattformen verwenden Zusatztools im Gastbetriebssystem. Beispiele: Plattform Tool VMware VMware Tools Hyper-V Integration Services Proxmox / KVM QEMU Guest Agent VirtualBox Guest Additions Nutzen: Vorteil Erklärung Bessere Treiber Netzwerk, Grafik, Storage Sauberes Herunterfahren Hypervisor kann VM korrekt stoppen IP-Adresse anzeigen Host sieht Informationen der VM Zeitsynchronisation Uhrzeit bleibt korrekt Bessere Performance Optimierte Kommunikation Snapshot Ein Snapshot speichert den Zustand einer VM zu einem bestimmten Zeitpunkt. Er wird häufig vor Änderungen erstellt. Beispiele: Situation Warum Snapshot? Vor Updates Rückkehr möglich, wenn Update fehlschlägt Vor Softwareinstallation Test kann rückgängig gemacht werden Vor Konfigurationsänderung Sicherheit bei Fehlern In Laborumgebungen Schnell zu einem Ausgangszustand zurück Was speichert ein Snapshot? Je nach Plattform kann ein Snapshot Folgendes enthalten: Bestandteil Bedeutung Zustand der virtuellen Festplatte Änderungen ab Snapshot werden getrennt gespeichert VM-Konfiguration Einstellungen der VM Arbeitsspeicherzustand Optional laufender Zustand der VM Snapshots sind kein Backup Ein Snapshot ist kein vollständiges Backup. Warum? Grund Erklärung Abhängigkeit vom Storage Snapshot liegt meist auf demselben Storage Nicht für Langzeit gedacht Snapshots können Performance verschlechtern Kein Schutz vor Storage-Ausfall Wenn Storage defekt ist, ist auch der Snapshot betroffen Kein Ersatz für Sicherung Backup muss separat vorhanden sein Merksatz: Snapshots sind gut für kurzfristige Änderungen, aber kein Ersatz für Backups. Backup von virtuellen Maschinen Ein VM-Backup sichert eine virtuelle Maschine oder ihre Daten. Arten: Backupart Erklärung Image-basiertes Backup Ganze VM wird gesichert Datei-basiertes Backup Einzelne Dateien werden gesichert Applikationskonsistentes Backup Anwendungen wie Datenbanken werden sauber berücksichtigt Agent-basiertes Backup Backup-Software läuft in der VM Agentless Backup Backup erfolgt über den Hypervisor Applikationskonsistentes Backup Ein applikationskonsistentes Backup berücksichtigt laufende Anwendungen. Wichtig bei: Anwendung Warum wichtig? Datenbanken Schreibvorgänge müssen konsistent sein Active Directory Verzeichnisdienst muss sauber gesichert werden Mailserver Viele Transaktionen ERP-Systeme Geschäftsdaten dürfen nicht beschädigt werden Ein einfaches Kopieren einer laufenden virtuellen Festplatte reicht nicht immer aus. Template Ein Template ist eine Vorlage für neue virtuelle Maschinen. Beispiel: Eine Windows-Server-VM wird installiert, aktualisiert und vorbereitet. Danach wird sie als Template gespeichert. Aus diesem Template können neue Server schneller erstellt werden. Vorteile: Vorteil Erklärung Schnellere Bereitstellung Neue VMs schneller erstellen Einheitliche Basis Gleiche Grundkonfiguration Weniger Fehler Standardisierte Installation Automatisierung möglich Gut für größere Umgebungen Clone Ein Clone ist eine Kopie einer virtuellen Maschine. Arten: Clone-Art Bedeutung Full Clone Vollständige unabhängige Kopie Linked Clone Kopie, die von einer Basis-VM abhängig ist Full Clone: Vorteil Nachteil Unabhängig Benötigt mehr Speicher Linked Clone: Vorteil Nachteil Spart Speicher Abhängig von Basis-VM ISO-Datei Eine ISO-Datei ist ein Abbild eines Installationsmediums. Beispiel: Eine Debian-ISO wird in die VM eingebunden, um Debian zu installieren. Ablauf: Schritt Erklärung VM erstellen Virtuelle Hardware anlegen ISO einbinden Installationsmedium bereitstellen VM starten Von ISO booten Betriebssystem installieren Installation in der VM ISO entfernen Nach Installation nicht mehr benötigt Live Migration Live Migration bedeutet, dass eine laufende VM von einem Host auf einen anderen Host verschoben wird. Die VM soll dabei weiterlaufen. Beispiele für Begriffe: Plattform Begriff VMware vMotion Hyper-V Live Migration Proxmox/KVM Live Migration Nutzen: Situation Vorteil Host-Wartung VMs vorher auf andere Hosts verschieben Lastverteilung VMs auf weniger ausgelastete Hosts verteilen Hardwaretausch Dienste bleiben verfügbar Clusterbetrieb Wichtig für Hochverfügbarkeit Voraussetzungen für Live Migration Voraussetzung Erklärung Mehrere Hosts VM braucht Zielhost Gemeinsamer oder replizierter Storage Zielhost muss VM-Daten erreichen Netzwerkverbindung VM-Zustand wird übertragen Kompatible CPUs Zielhost muss VM ausführen können Clusterverwaltung Hosts müssen gemeinsam verwaltet werden Cold Migration Cold Migration bedeutet, dass eine ausgeschaltete VM verschoben wird. Vorteil: Einfacher als Live Migration. Nachteil: Die VM ist währenddessen nicht verfügbar. Storage Migration Storage Migration bedeutet, dass die virtuellen Festplatten einer VM auf einen anderen Speicher verschoben werden. Beispiel: Die VM läuft weiter auf Host 1. Ihre virtuelle Festplatte wird von Storage A nach Storage B verschoben. Nutzen: Situation Vorteil Storage wird voll Daten verschieben Alter Storage wird ersetzt Migration vorbereiten Performanceoptimierung VM auf schnelleren Speicher legen Virtuelle Maschine vs. Container Eine VM virtualisiert einen ganzen Computer. Ein Container virtualisiert eher eine Anwendung mit ihren Abhängigkeiten. Merkmal Virtuelle Maschine Container Betriebssystem Eigenes Gastbetriebssystem Nutzt Host-Kernel Isolation Stärker Leichter Ressourcenverbrauch Höher Niedriger Startzeit Langsamer Sehr schnell Einsatz Ganze Server Anwendungen und Dienste Beispiele Windows Server VM, Debian VM Docker, LXC LXC vs. Docker Merkmal LXC Docker Art Systemcontainer Anwendungscontainer Nutzung Fast wie kleiner Linux-Server Einzelne Anwendung Verwaltung Häufig in Proxmox Häufig für Apps und Microservices Beispiel Linux-Container mit SSH Nginx-Container Wann nutzt man eine VM? Eine VM ist sinnvoll, wenn ein vollständiges Betriebssystem benötigt wird. Beispiele: Einsatz Grund Windows Server Eigenes Betriebssystem nötig Domain Controller Klare Isolation und Betriebssystemrolle Datenbankserver Stabiler eigener Serverkontext Testsystem Sicher getrennt vom Host Legacy-Anwendung Alte Anwendung braucht eigenes System Firewall-VM Eigene Netzwerkschnittstellen und Regeln Wann nutzt man Container? Container sind sinnvoll, wenn Anwendungen leichtgewichtig und schnell bereitgestellt werden sollen. Beispiele: Einsatz Grund Webanwendung Schnell bereitstellbar Microservices Einzelne Dienste getrennt Testumgebung Schnell starten und löschen Automatisierung Gut mit CI/CD Self-Hosting Viele Anwendungen auf wenig Ressourcen Ressourcenplanung bei VMs Vor dem Erstellen einer VM sollte man Ressourcen planen. Wichtige Fragen: Frage Bedeutung Wie viele vCPUs braucht die VM? Rechenleistung Wie viel RAM braucht die VM? Arbeitsspeicher Wie viel Speicherplatz braucht sie? vDisk-Größe Welche Netzwerkverbindung braucht sie? VLAN, IP, Firewall Wird sie gesichert? Backupkonzept Ist sie kritisch? Hochverfügbarkeit nötig? Welche Lizenz wird benötigt? Betriebssystem und Anwendung Beispiel für VM-Planung Einstellung Beispiel VM-Name WEB01 Aufgabe Interner Webserver Betriebssystem Debian 12 vCPU 2 RAM 4 GB vDisk 60 GB Netzwerk VLAN 20 Servernetz IP-Adresse 192.168.20.30 Backup Täglich Hochverfügbarkeit Ja, wenn produktiv Überprovisionierung Überprovisionierung bedeutet, dass mehr Ressourcen geplant oder vergeben werden, als tatsächlich vorhanden oder sinnvoll sind. Beispiele: Art Beispiel CPU-Überprovisionierung Mehr vCPUs als physische Kerne RAM-Überprovisionierung Mehr RAM vergeben als vorhanden Storage-Überprovisionierung Thin Disks größer als echter Speicher Netzwerk-Überlastung Zu viele VMs auf zu wenig Bandbreite Überprovisionierung kann funktionieren, muss aber überwacht werden. Typische Performanceprobleme bei VMs Problem Mögliche Ursache VM ist langsam Zu wenig RAM Hohe Wartezeiten Langsamer Storage CPU hoch Zu wenig vCPU oder Host überlastet Netzwerk langsam Falsches VLAN, Treiber, Bandbreite VM startet nicht Kein Speicherplatz oder falsche Konfiguration Backup dauert lange Große VM oder langsamer Storage Snapshot wächst stark Snapshot wurde zu lange behalten Storage-Performance Storage ist bei Virtualisierung besonders wichtig. Viele VMs greifen gleichzeitig auf denselben Speicher zu. Wichtige Begriffe: Begriff Bedeutung IOPS Ein- und Ausgabeoperationen pro Sekunde Latenz Verzögerung beim Speicherzugriff Durchsatz Datenmenge pro Sekunde Queue Warteschlange von Speicheroperationen Merksatz: Viele langsame VM-Probleme sind eigentlich Storage-Probleme. Netzwerksegmentierung bei VMs VMs sollten je nach Aufgabe in passende Netzwerke getrennt werden. Beispiel: Netzwerk Inhalt Managementnetz Hypervisor-Verwaltung Servernetz Interne Server DMZ Öffentlich erreichbare Dienste Storage-Netz Storage-Verkehr Backup-Netz Backup-Datenverkehr Vorteil: Netzwerksegmentierung erhöht Sicherheit und Übersichtlichkeit. DMZ bei virtuellen Maschinen Eine DMZ ist ein separates Netzwerk für Dienste, die von außen erreichbar sind. Beispiele: VM Aufgabe REVPROXY01 Reverse Proxy WEB01 Öffentlicher Webserver VPN01 VPN-Gateway Diese Systeme sollten nicht direkt im internen Servernetz stehen. VM-Sicherheit Auch virtuelle Maschinen müssen abgesichert werden. Maßnahmen: Maßnahme Erklärung Updates installieren Sicherheitslücken schließen Firewall konfigurieren Zugriff begrenzen Rechte beschränken Least Privilege Dienste minimieren Nur notwendige Dienste betreiben Backup einrichten Wiederherstellung ermöglichen Monitoring nutzen Probleme erkennen Logging aktivieren Ereignisse nachvollziehen Netzwerk trennen VLANs und Firewalls nutzen Hypervisor-Sicherheit Der Hypervisor ist besonders kritisch. Wenn ein Angreifer den Hypervisor kontrolliert, sind alle VMs gefährdet. Maßnahmen: Maßnahme Erklärung Managementzugriff beschränken Nur Adminnetz oder VPN Starke Passwörter verwenden Schutz vor unbefugtem Zugriff MFA nutzen Zusätzliche Sicherheit Updates installieren Sicherheitslücken schließen Rollen und Rechte nutzen Nicht jeder Admin braucht Vollzugriff Logging aktivieren Änderungen nachvollziehen Managementnetz trennen Nicht direkt aus Clientnetz erreichbar Backups der Konfiguration Wiederherstellung erleichtern VM-Dokumentation Virtuelle Maschinen sollten sauber dokumentiert werden. Wichtige Angaben: Bereich Beispiel VM-Name DB01 Aufgabe Datenbankserver Betriebssystem Debian 12 Host / Cluster HV01 oder Cluster01 vCPU 4 RAM 16 GB Festplatte 200 GB Netzwerk VLAN 30 IP-Adresse 192.168.30.10 Backup Täglich Verantwortlich IT-Abteilung Abhängigkeiten APP01 benötigt DB01 Namenskonventionen für VMs Saubere Namen helfen bei Verwaltung und Fehlersuche. Beispiele: Name Bedeutung DC01 Domain Controller 1 DC02 Domain Controller 2 FILE01 Fileserver 1 WEB01 Webserver 1 DB01 Datenbankserver 1 APP01 Applikationsserver 1 BKP01 Backupserver 1 MON01 Monitoringserver 1 Typische kleine Virtualisierungsumgebung Beispiel: Ein Unternehmen hat einen Virtualisierungshost. Darauf laufen mehrere VMs: VM Aufgabe DC01 Domain Controller und DNS FILE01 Dateiserver APP01 Fachanwendung DB01 Datenbank BKP01 Backupverwaltung Vorteil: Weniger physische Server. Nachteil: Der einzelne Host ist ein Single Point of Failure, wenn keine Hochverfügbarkeit vorhanden ist. Typische größere Virtualisierungsumgebung Beispiel: Komponente Aufgabe HV01 Virtualisierungshost 1 HV02 Virtualisierungshost 2 HV03 Virtualisierungshost 3 Shared Storage Gemeinsamer Speicher Backupserver Sicherung der VMs Managementnetz Verwaltung Servernetz VM-Kommunikation In dieser Umgebung können VMs bei Wartung oder Ausfall auf andere Hosts verschoben werden. Das führt zum nächsten Thema: Cluster und Hochverfügbarkeit. Prüfungsnahes Beispiel Aufgabe: Ein Unternehmen betreibt vier physische Server mit jeweils geringer Auslastung. Die Server sind alt und sollen ersetzt werden. Frage: Welche Lösung wäre sinnvoll? Mögliche Antwort: Eine sinnvolle Lösung wäre Virtualisierung. Die bisherigen Serverrollen können als virtuelle Maschinen auf einem oder mehreren leistungsfähigen Virtualisierungshosts betrieben werden. Dadurch werden Ressourcen besser genutzt, neue Server können schneller bereitgestellt werden und Backups sowie Wiederherstellung werden vereinfacht. Für höhere Ausfallsicherheit kann zusätzlich ein Virtualisierungscluster eingesetzt werden. Typische Prüfungsfrage: Was ist Virtualisierung? Mögliche Antwort: Virtualisierung bedeutet, dass physische Hardware logisch aufgeteilt wird, sodass mehrere virtuelle Maschinen auf einem physischen Host betrieben werden können. Jede VM verhält sich wie ein eigener Computer mit eigenem Betriebssystem und eigenen virtuellen Ressourcen. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Hypervisor? Mögliche Antwort: Ein Hypervisor ist die Virtualisierungsschicht, die virtuelle Maschinen erstellt, verwaltet und ihnen Ressourcen wie CPU, RAM, Storage und Netzwerk zuweist. Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware, ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem. Typische Prüfungsfrage: Unterschied Typ-1- und Typ-2-Hypervisor Typ Erklärung Beispiel Typ-1 Läuft direkt auf der Hardware ESXi, Hyper-V, Proxmox Typ-2 Läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem VirtualBox, VMware Workstation Typische Prüfungsfrage: Was ist eine virtuelle Maschine? Mögliche Antwort: Eine virtuelle Maschine ist ein simulierter Computer, der auf einem physischen Host läuft. Sie besitzt virtuelle Hardware wie vCPU, vRAM, vDisk und vNIC und verwendet ein eigenes Gastbetriebssystem. Typische Prüfungsfrage: Warum sind Snapshots kein Backup? Mögliche Antwort: Snapshots speichern nur einen kurzfristigen Zustand einer VM und liegen meist auf demselben Storage. Sie sind für Tests oder Updates geeignet, aber kein Ersatz für ein separates Backup. Bei Storage-Ausfall oder Datenverlust helfen Snapshots allein oft nicht. Typische Prüfungsfrage: Unterschied VM und Container Merkmal VM Container Betriebssystem Eigenes Gastbetriebssystem Nutzt Host-Kernel Ressourcenbedarf Höher Niedriger Isolation Stärker Leichter Startzeit Länger Sehr kurz Einsatz Ganze Server Einzelne Anwendungen Typische Prüfungsfrage: Was ist Live Migration? Mögliche Antwort: Live Migration bedeutet, dass eine laufende virtuelle Maschine von einem Host auf einen anderen Host verschoben wird, ohne sie vorher auszuschalten. Das wird genutzt, um Hosts zu warten, Last zu verteilen oder Hochverfügbarkeit zu ermöglichen. Typische Prüfungsfrage: Was ist Thin Provisioning? Mögliche Antwort: Thin Provisioning bedeutet, dass einer virtuellen Festplatte eine bestimmte Maximalgröße zugewiesen wird, aber auf dem echten Storage zunächst nur der tatsächlich genutzte Speicherplatz belegt wird. Dadurch wird Speicher effizienter genutzt, es besteht aber das Risiko, dass der Storage voll läuft, wenn viele virtuelle Festplatten wachsen. Typische Prüfungsfrage: Warum ist Ressourcenplanung bei VMs wichtig? Mögliche Antwort: Mehrere VMs teilen sich die Ressourcen eines Hosts. Werden zu viele vCPUs, zu viel RAM oder zu viel Storage vergeben, kann der Host überlastet werden. Deshalb müssen CPU, RAM, Storage, Netzwerk und Backup sorgfältig geplant und überwacht werden. Wichtige Begriffe Begriff Kurz erklärt Virtualisierung Mehrere virtuelle Systeme auf gemeinsamer Hardware Host Physischer Server für VMs Guest Virtuelle Maschine Hypervisor Virtualisierungsschicht Typ-1-Hypervisor Läuft direkt auf Hardware Typ-2-Hypervisor Läuft auf einem Betriebssystem VM Virtuelle Maschine vCPU Virtuelle CPU vRAM Virtueller Arbeitsspeicher vDisk Virtuelle Festplatte vNIC Virtuelle Netzwerkkarte Virtueller Switch Verbindet VMs mit Netzwerken Snapshot Kurzfristig gespeicherter VM-Zustand Backup Echte Datensicherung Template Vorlage für neue VMs Clone Kopie einer VM Live Migration Laufende VM auf anderen Host verschieben Cold Migration Ausgeschaltete VM verschieben Thin Provisioning Speicher wird dynamisch belegt Thick Provisioning Speicher wird sofort reserviert Overcommitment Mehr virtuelle Ressourcen vergeben als physisch vorhanden Gastbetriebssystem Betriebssystem innerhalb einer VM Wichtige Merksätze Virtualisierung ermöglicht den Betrieb mehrerer virtueller Maschinen auf einem physischen Host. Eine virtuelle Maschine verhält sich wie ein eigener Computer mit eigener virtueller Hardware. Der Hypervisor verwaltet die virtuellen Maschinen und verteilt CPU, RAM, Storage und Netzwerk. Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware. Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem. Snapshots sind kein Ersatz für Backups. Thin Provisioning spart Speicher, muss aber überwacht werden. Zu viele VMs auf einem Host können zu Performanceproblemen führen. RAM ist bei Virtualisierung oft kritischer als CPU. Storage-Probleme sind eine häufige Ursache für langsame VMs. Live Migration ermöglicht Wartung und Lastverteilung ohne Abschalten der VM. Kurzzusammenfassung Virtualisierung ist eine Technik, bei der mehrere virtuelle Maschinen auf einem physischen Server betrieben werden. Der physische Server wird Host genannt. Die virtuelle Maschine wird Guest genannt. Der Hypervisor ist die Schicht, die die VMs verwaltet. Eine VM besitzt virtuelle Hardware wie vCPU, vRAM, vDisk und vNIC und führt ein eigenes Betriebssystem aus. Wichtige Vorteile sind: Vorteil Bedeutung Flexibilität VMs können schnell erstellt und angepasst werden Ressourcennutzung Hardware wird besser ausgelastet Backup Ganze VMs können gesichert werden Migration VMs können verschoben werden Testumgebungen Systeme können schnell aufgebaut werden Grundlage für HA Virtualisierung kann mit Clustern kombiniert werden Wichtige Risiken sind: Risiko Bedeutung Host-Ausfall Mehrere VMs können gleichzeitig betroffen sein Ressourcenengpass CPU, RAM oder Storage können überlastet werden Storage-Abhängigkeit Viele VMs hängen an zentralem Speicher Sicherheitsrisiko Hypervisor muss besonders geschützt werden Kein Backup durch Snapshot Snapshots ersetzen keine Datensicherung Virtualisierung ist die Grundlage für viele moderne Serverumgebungen und führt direkt zum nächsten Thema: Cluster und Hochverfügbarkeit 13.3 Hypervisor und VM-Verwaltung Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Auf der vorherigen Seite ging es um Virtualisierung und virtuelle Maschinen. Jetzt geht es genauer um den Hypervisor und die praktische Verwaltung von virtuellen Maschinen. Was ist ein Hypervisor? Ein Hypervisor ist die Virtualisierungsschicht, die virtuelle Maschinen bereitstellt und verwaltet. Er sitzt zwischen der physischen Hardware und den virtuellen Maschinen. Vereinfacht: Hardware ↓ Hypervisor ↓ Virtuelle Maschinen Der Hypervisor sorgt dafür, dass mehrere virtuelle Maschinen gleichzeitig auf einem physischen Server laufen können. Merksatz Der Hypervisor verwaltet virtuelle Maschinen und teilt ihnen CPU, RAM, Storage und Netzwerk zu. Aufgaben eines Hypervisors Aufgabe Erklärung VMs erstellen Neue virtuelle Maschinen anlegen VMs starten Virtuelle Maschinen hochfahren VMs stoppen Virtuelle Maschinen herunterfahren oder ausschalten Ressourcen zuteilen CPU, RAM, Storage und Netzwerk bereitstellen Virtuelle Hardware verwalten vCPU, vRAM, vDisk und vNIC konfigurieren Snapshots verwalten Zustände von VMs speichern Backups unterstützen Sicherung von VMs ermöglichen Migration ermöglichen VMs auf andere Hosts verschieben Netzwerk bereitstellen Virtuelle Switches und VLANs verwalten Monitoring unterstützen Auslastung und Zustand überwachen Rechte verwalten Zugriff für Administratoren steuern Typ-1-Hypervisor Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der physischen Hardware. Er wird auch Bare-Metal-Hypervisor genannt. Beispiele: Hypervisor Beschreibung VMware ESXi Häufig in Unternehmensumgebungen Microsoft Hyper-V Microsoft-Virtualisierung Proxmox VE Open-Source-Virtualisierungsplattform KVM Linux-basierte Virtualisierung Xen Virtualisierungstechnologie Nutanix AHV Hypervisor von Nutanix Typischer Aufbau: Physische Hardware ↓ Typ-1-Hypervisor ↓ Virtuelle Maschinen Vorteil: Typ-1-Hypervisoren sind für produktive Serverumgebungen geeignet. Typ-2-Hypervisor Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem. Beispiele: Hypervisor Einsatz VirtualBox Test- und Lernumgebungen VMware Workstation Desktop-Virtualisierung VMware Fusion macOS-Virtualisierung Parallels Desktop macOS-Virtualisierung UTM macOS / Apple Silicon Typischer Aufbau: Physische Hardware ↓ Betriebssystem ↓ Typ-2-Hypervisor ↓ Virtuelle Maschinen Typ-2-Hypervisoren sind gut zum Lernen und Testen, aber weniger typisch für produktive Serverumgebungen. Typ-1 vs. Typ-2-Hypervisor Merkmal Typ-1-Hypervisor Typ-2-Hypervisor Läuft auf Direkt auf Hardware Auf vorhandenem Betriebssystem Einsatzgebiet Server, Rechenzentrum, Unternehmen Desktop, Test, Lernen Performance Hoch Meist geringer Stabilität Sehr hoch Abhängig vom Host-Betriebssystem Beispiele ESXi, Hyper-V, Proxmox VirtualBox, VMware Workstation IHK-Relevanz Sehr wichtig Grundlegend wichtig Virtualisierungsplattform Eine Virtualisierungsplattform besteht nicht nur aus dem Hypervisor. Dazu gehören oft auch Verwaltung, Netzwerk, Storage, Backup und Clusterfunktionen. Beispiele: Plattform Bestandteile VMware vSphere ESXi, vCenter, vMotion, HA, DRS Microsoft Hyper-V Hyper-V, Failover Cluster, Windows Admin Center, SCVMM Proxmox VE KVM, LXC, Weboberfläche, Cluster, HA, Ceph Nutanix AHV, Prism, verteilter Storage VMware ESXi VMware ESXi ist ein Typ-1-Hypervisor. Typische Begriffe: Begriff Bedeutung ESXi Hypervisor vCenter Zentrale Verwaltung mehrerer ESXi-Hosts vMotion Live Migration von VMs HA Hochverfügbarkeit DRS Automatische Lastverteilung Datastore Speicherbereich für VMs VMDK Virtuelle Festplatte VMFS VMware-Dateisystem Microsoft Hyper-V Hyper-V ist die Virtualisierungslösung von Microsoft. Hyper-V kann als Rolle auf Windows Server installiert werden. Typische Begriffe: Begriff Bedeutung Hyper-V Microsoft-Hypervisor Hyper-V Manager Verwaltung einzelner Hosts Failover Cluster Clusterfunktion für Hochverfügbarkeit Live Migration Laufende VM auf anderen Host verschieben Checkpoint Snapshot-ähnlicher Zustand VHDX Virtuelle Festplattendatei CSV Cluster Shared Volume SCVMM System Center Virtual Machine Manager Proxmox VE Proxmox VE ist eine Virtualisierungsplattform auf Linux-Basis. Sie nutzt KVM für virtuelle Maschinen und LXC für Container. Typische Begriffe: Begriff Bedeutung Proxmox VE Virtualisierungsplattform KVM Virtualisierung für VMs LXC Container-Virtualisierung Node Einzelner Proxmox-Host Cluster Zusammenschluss mehrerer Nodes VMID Eindeutige Nummer einer VM oder eines Containers Ceph Verteilter Storage HA Manager Hochverfügbarkeitsverwaltung QEMU Guest Agent Gast-Agent für bessere VM-Integration KVM KVM steht für Kernel-based Virtual Machine. KVM ist eine Virtualisierungstechnologie im Linux-Kernel. Viele Plattformen nutzen KVM als technische Grundlage. Beispiele: Plattform Nutzt KVM Proxmox VE Ja OpenStack Häufig Linux-Virtualisierung Ja Nutanix AHV KVM-basiert KVM ist kein vollständiges Verwaltungsprodukt, sondern eine Virtualisierungstechnologie. Verwaltung von virtuellen Maschinen Virtuelle Maschinen werden über eine Verwaltungsoberfläche oder über Befehle administriert. Beispiele: Plattform Verwaltung VMware vSphere Client / vCenter Hyper-V Hyper-V Manager, Windows Admin Center, PowerShell Proxmox Weboberfläche, Shell, API VirtualBox GUI oder VBoxManage KVM virsh, virt-manager, Cockpit, Proxmox Typische Verwaltungsaufgaben Aufgabe Beschreibung VM erstellen Virtuelle Maschine neu anlegen VM konfigurieren CPU, RAM, Disk und Netzwerk einstellen Betriebssystem installieren ISO einbinden und OS installieren VM starten Virtuelle Maschine hochfahren VM stoppen Virtuelle Maschine herunterfahren VM neu starten Reboot ausführen Snapshot erstellen Zustand sichern Snapshot löschen Alten Zustand entfernen VM klonen Kopie einer VM erzeugen VM migrieren VM auf anderen Host verschieben VM sichern Backup ausführen VM überwachen Auslastung und Status prüfen VM erstellen Beim Erstellen einer VM werden grundlegende Eigenschaften festgelegt. Typische Angaben: Einstellung Beispiel Name WEB01 Betriebssystemtyp Linux / Windows vCPU 2 RAM 4 GB Festplatte 60 GB Netzwerk Servernetz / VLAN 20 ISO-Datei Debian oder Windows Server Boot-Reihenfolge ISO zuerst, danach Disk Beispiel für eine einfache VM-Planung Einstellung Wert VM-Name WEB01 Aufgabe Interner Webserver Betriebssystem Debian 12 vCPU 2 RAM 4 GB vDisk 60 GB Netzwerk VLAN 20 IP-Adresse 192.168.20.30 Backup Täglich Kritikalität Mittel VM-Namen Virtuelle Maschinen sollten klare Namen bekommen. Beispiele: Name Bedeutung DC01 Domain Controller 1 DC02 Domain Controller 2 FILE01 Fileserver 1 WEB01 Webserver 1 DB01 Datenbankserver 1 APP01 Applikationsserver 1 BKP01 Backupserver 1 MON01 Monitoringserver 1 HV01 Hypervisor Host 1 Vorteil: Man erkennt schnell, welche Aufgabe die VM hat. VMID Manche Plattformen vergeben zusätzlich eine VMID. Beispiel bei Proxmox: VMID Name 100 DC01 101 FILE01 102 WEB01 103 DB01 Die VMID ist eine eindeutige technische Nummer. Der VM-Name ist für Menschen leichter verständlich. vCPU konfigurieren Eine VM erhält eine bestimmte Anzahl virtueller CPUs. Beispiel: VM vCPU DC01 2 WEB01 2 DB01 4 FILE01 2 Wichtig: Mehr vCPUs bedeuten nicht automatisch bessere Leistung. Zu viele vCPUs können die Planung durch den Hypervisor verschlechtern. CPU-Planung Bei CPU-Planung muss man unterscheiden: Begriff Bedeutung Physische Kerne Tatsächliche CPU-Kerne im Host Threads Logische Ausführungseinheiten vCPU Virtuelle CPU für eine VM CPU-Ready Wartezeit einer VM auf CPU-Zeit Overcommitment Mehr vCPUs vergeben als physische Kerne vorhanden CPU-Overcommitment CPU-Overcommitment bedeutet, dass mehr vCPUs vergeben werden, als physische Kerne vorhanden sind. Beispiel: Physische CPU-Kerne Vergebene vCPUs 16 40 Das kann funktionieren, weil nicht alle VMs dauerhaft volle CPU-Leistung brauchen. Risiko: Wenn viele VMs gleichzeitig Last erzeugen, kommt es zu Wartezeiten und Performanceproblemen. RAM konfigurieren Eine VM bekommt eine feste oder dynamische Menge Arbeitsspeicher. Beispiel: VM RAM DC01 4 GB WEB01 4 GB FILE01 8 GB DB01 16 GB RAM ist bei Virtualisierung besonders wichtig. Wenn der Host nicht genug RAM hat, werden VMs langsam oder instabil. RAM-Planung Wichtige Fragen: Frage Bedeutung Wie viel RAM braucht das Betriebssystem? Grundbedarf Wie viel RAM braucht die Anwendung? Arbeitslast Gibt es Spitzenlasten? Reserven einplanen Wie viele VMs laufen auf dem Host? Gesamtauslastung Gibt es HA-Reserve? Ausfall eines Hosts abfangen Merksatz: RAM ist oft kritischer als CPU, weil fehlender RAM schnell zu starker Verlangsamung führt. Virtuelle Festplatte konfigurieren Eine VM benötigt mindestens eine virtuelle Festplatte. Typische Angaben: Einstellung Beispiel Größe 60 GB Format VHDX, VMDK, QCOW2, RAW Provisioning Thin oder Thick Storage Datastore, Volume oder Pool Bus / Controller SCSI, VirtIO, SATA Cache-Modus Plattformabhängig Thin Provisioning Thin Provisioning bedeutet: Die virtuelle Festplatte hat eine Maximalgröße, belegt aber zunächst nur den tatsächlich genutzten Speicher. Beispiel: Eingestellte Größe Tatsächlich belegt 100 GB 20 GB Vorteil: Speicher wird effizient genutzt. Nachteil: Der echte Storage kann voll laufen, wenn viele VMs wachsen. Thick Provisioning Thick Provisioning bedeutet: Der Speicherplatz wird direkt vollständig reserviert. Beispiel: Eingestellte Größe Tatsächlich belegt 100 GB 100 GB Vorteil: Besser planbar. Nachteil: Weniger flexibel und weniger platzsparend. Virtuelle Netzwerkkarte konfigurieren Eine VM bekommt eine oder mehrere virtuelle Netzwerkkarten. Typische Einstellungen: Einstellung Bedeutung Netzwerk / Bridge Verbindung zum virtuellen Switch VLAN Logisches Netzwerk MAC-Adresse Hardwareadresse der vNIC Treiber VirtIO, E1000, VMXNET3 usw. Firewall Plattformabhängige Netzwerkfilter Bandbreitenlimit Begrenzung des Netzwerkverkehrs Virtueller Switch Ein virtueller Switch verbindet VMs mit Netzwerken. Er kann VMs untereinander und mit dem physischen Netzwerk verbinden. Beispiel: VM WEB01 ↓ Virtuelle Netzwerkkarte ↓ Virtueller Switch ↓ Physische Netzwerkkarte ↓ Physisches Netzwerk Bridge Eine Bridge verbindet virtuelle Netzwerke mit dem physischen Netzwerk. Beispiel bei Proxmox: Bridge Zweck vmbr0 Verbindung zum LAN vmbr1 Internes VM-Netz vmbr2 DMZ-Netz Eine VM wird mit einer Bridge verbunden und kann darüber kommunizieren. VLAN-Zuordnung VLANs trennen Netzwerke logisch voneinander. Beispiel: VLAN Zweck VLAN 10 Management VLAN 20 Servernetz VLAN 30 Storage VLAN 40 Clientnetz VLAN 50 DMZ VLAN 60 Backup Eine VM kann über ihre virtuelle Netzwerkkarte einem VLAN zugeordnet werden. ISO einbinden Zum Installieren eines Betriebssystems wird häufig eine ISO-Datei eingebunden. Ablauf: Schritt Erklärung ISO hochladen Installationsmedium bereitstellen VM erstellen Virtuelle Hardware anlegen ISO als Laufwerk einbinden VM kann davon booten VM starten Installation beginnt Betriebssystem installieren OS auf vDisk installieren ISO entfernen Nach Installation nicht mehr benötigt Boot-Reihenfolge Die Boot-Reihenfolge legt fest, von welchem Medium die VM startet. Beispiel: Reihenfolge Medium 1 Virtuelles CD/DVD-Laufwerk mit ISO 2 Virtuelle Festplatte 3 Netzwerkboot Nach der Installation sollte die VM meistens von der virtuellen Festplatte starten. Gastbetriebssystem installieren Das Gastbetriebssystem ist das Betriebssystem innerhalb der VM. Beispiele: Betriebssystem Einsatz Windows Server Active Directory, Fileserver, Anwendungen Debian Webserver, Dienste, Container Ubuntu Server Cloud, Anwendungen, Webdienste pfSense Firewall oder Router Rocky Linux Unternehmensnahe Linux-Umgebung Guest Tools Guest Tools verbessern die Zusammenarbeit zwischen VM und Hypervisor. Beispiele: Plattform Tool VMware VMware Tools Hyper-V Integration Services Proxmox/KVM QEMU Guest Agent VirtualBox Guest Additions Vorteile: Vorteil Erklärung Bessere Treiber Netzwerk, Storage und Grafik Sauberes Herunterfahren Hypervisor kann VM kontrolliert stoppen IP-Anzeige Hypervisor erkennt IP-Adresse der VM Zeitsynchronisation Uhrzeit bleibt korrekt Bessere Performance Optimierte Kommunikation Snapshot-Unterstützung Bessere Konsistenz möglich QEMU Guest Agent Der QEMU Guest Agent wird häufig bei KVM und Proxmox verwendet. Er läuft innerhalb der VM. Typische Vorteile: Vorteil Erklärung IP-Adressen sichtbar Proxmox kann IP der VM anzeigen Sauberes Herunterfahren VM kann korrekt beendet werden Dateisystem einfrieren Hilfreich für Backups Bessere Kommunikation Host und VM tauschen Informationen aus VM starten Beim Starten einer VM stellt der Hypervisor die virtuelle Hardware bereit. Ablauf vereinfacht: Schritt Erklärung VM-Konfiguration lesen CPU, RAM, Disk, Netzwerk Ressourcen reservieren Host stellt Ressourcen bereit Virtuelles BIOS/UEFI startet Bootvorgang beginnt Betriebssystem startet Gastbetriebssystem wird geladen Dienste starten Serverdienste werden verfügbar VM sauber herunterfahren Eine VM sollte möglichst sauber heruntergefahren werden. Beispiel: Methode Bewertung Herunterfahren im Gastbetriebssystem Sauber Shutdown über Hypervisor mit Guest Tools Sauber Power Off erzwingen Nur im Notfall Ein erzwungenes Ausschalten kann Daten beschädigen, ähnlich wie das Ziehen des Stromsteckers bei einem physischen Server. Autostart Autostart legt fest, ob eine VM automatisch mit dem Host startet. Beispiel: VM Autostart DC01 Ja DNS01 Ja FILE01 Ja TEST01 Nein Produktive Dienste sollten nach einem Host-Neustart automatisch wieder starten. Testsysteme müssen nicht unbedingt automatisch starten. Startreihenfolge Bei mehreren VMs ist die Startreihenfolge wichtig. Beispiel: Reihenfolge VM Grund 1 DC01 Authentifizierung und DNS 2 DB01 Datenbank für Anwendung 3 APP01 Anwendung benötigt Datenbank 4 WEB01 Webserver nutzt Anwendung Wenn abhängige Systeme zu früh starten, funktionieren Dienste eventuell nicht korrekt. VM-Konsole Die VM-Konsole ist der direkte Bildschirmzugriff auf eine virtuelle Maschine. Nutzen: Situation Nutzen OS-Installation Installation durchführen Netzwerkfehler Zugriff auch ohne RDP/SSH Bootprobleme Fehlermeldungen sehen Notfallzugriff Anmeldung direkt an der VM Remotezugriff auf VMs Nach der Installation werden VMs oft über normale Verwaltungsprotokolle administriert. Beispiele: System Zugriff Windows Server RDP, PowerShell Remoting Linux Server SSH Webserver Browser, SSH Datenbankserver Datenbankclient, SSH/RDP Die VM-Konsole ist eher für Installation und Notfälle gedacht. Snapshot erstellen Ein Snapshot speichert einen Zustand der VM. Typische Nutzung: Situation Grund Vor Updates Rückkehr möglich Vor Softwareinstallation Test rückgängig machen Vor Konfigurationsänderung Fehler absichern Schulungsumgebung Ausgangszustand wiederherstellen Snapshot löschen Snapshots sollten nicht dauerhaft bestehen bleiben. Warum? Problem Erklärung Speicherverbrauch Änderungen wachsen in Snapshot-Dateien Performanceverlust Mehr Verwaltungsaufwand beim Lesen/Schreiben Komplexität Lange Snapshot-Ketten werden riskanter Kein Backup Snapshot liegt meist auf gleichem Storage Merksatz: Snapshots nur kurzfristig nutzen und danach wieder entfernen. Checkpoint Bei Hyper-V wird häufig der Begriff Checkpoint verwendet. Ein Checkpoint ist ähnlich wie ein Snapshot. Es gibt unterschiedliche Arten: Art Bedeutung Standard Checkpoint Speichert VM-Zustand für Tests Production Checkpoint Besser für produktive Systeme geeignet Auch Checkpoints sind kein Ersatz für Backups. VM klonen Beim Klonen wird eine VM kopiert. Arten: Clone-Art Erklärung Full Clone Vollständige unabhängige Kopie Linked Clone Abhängige Kopie von einer Basis-VM Typische Nutzung: Situation Beispiel Testsystem erstellen Produktivsystem kopieren Schulungsumgebung Gleiche VM mehrfach bereitstellen Vorlage nutzen Aus Basis-VM neue Server erstellen Template verwenden Ein Template ist eine vorbereitete Vorlage für neue VMs. Typischer Ablauf: Schritt Erklärung Basis-VM installieren Betriebssystem einrichten Updates installieren System aktualisieren Grundkonfiguration setzen Zeitzone, Tools, Benutzer Bereinigen Temporäre Daten entfernen In Template umwandeln Vorlage erstellen Neue VM aus Template erzeugen Schnelle Bereitstellung Warum Templates sinnvoll sind Vorteil Erklärung Zeitersparnis Neue VMs schneller bereitstellen Einheitlichkeit Gleiche Grundkonfiguration Weniger Fehler Standardisierte Einrichtung Automatisierung Gut für größere Umgebungen Dokumentation Klarer Ausgangszustand VM migrieren Migration bedeutet, dass eine VM verschoben wird. Arten: Art Bedeutung Cold Migration VM wird ausgeschaltet verschoben Live Migration Laufende VM wird verschoben Storage Migration Virtuelle Festplatte wird auf anderen Storage verschoben Cold Migration Cold Migration bedeutet: Die VM wird heruntergefahren und dann verschoben. Vorteil: Einfacher und weniger anspruchsvoll. Nachteil: Die VM ist währenddessen nicht verfügbar. Live Migration Live Migration bedeutet: Eine laufende VM wird von einem Host auf einen anderen Host verschoben. Die VM soll dabei weiterlaufen. Nutzen: Situation Vorteil Wartung Host kann ohne VM-Ausfall gewartet werden Lastverteilung VMs können besser verteilt werden Hardwaretausch VM kann vorher verschoben werden Clusterbetrieb Grundlage für flexible Verwaltung Voraussetzungen für Live Migration Voraussetzung Erklärung Mehrere Hosts Es braucht Quell- und Zielhost Gemeinsamer oder replizierter Storage Zielhost muss VM-Daten erreichen Netzwerkverbindung RAM-Zustand wird übertragen Kompatible CPUs VM muss auf Zielhost laufen können Gemeinsame Verwaltung Hosts müssen im Cluster oder Management eingebunden sein Storage Migration Storage Migration verschiebt die virtuellen Festplatten einer VM auf einen anderen Speicher. Beispiel: Vorher Nachher VM-Disk auf Storage A VM-Disk auf Storage B Nutzen: Situation Vorteil Storage wird voll Daten verschieben Storage wird ersetzt Migration vorbereiten Performance verbessern VM auf schnelleren Speicher legen Last verteilen Storage entlasten VM sichern VMs müssen regelmäßig gesichert werden. Mögliche Backuparten: Backupart Erklärung Image-basiert Ganze VM wird gesichert Datei-basiert Einzelne Dateien werden gesichert Agent-basiert Backupsoftware läuft in der VM Agentless Backup über Hypervisor Applikationskonsistent Laufende Anwendungen werden berücksichtigt Applikationskonsistentes Backup Ein applikationskonsistentes Backup ist besonders wichtig bei Systemen mit aktiven Daten. Beispiele: System Grund Datenbankserver Schreibvorgänge müssen konsistent sein Domain Controller Active Directory muss sauber gesichert werden Mailserver Viele Transaktionen ERP-System Geschäftsdaten dürfen nicht beschädigt werden Ein reines Kopieren einer laufenden virtuellen Festplatte kann inkonsistente Daten erzeugen. VM wiederherstellen Eine VM kann aus einem Backup wiederhergestellt werden. Möglichkeiten: Wiederherstellung Bedeutung Ganze VM Vollständige VM zurückspielen Einzelne Datei Datei aus VM-Backup wiederherstellen Einzelne Disk Nur virtuelle Festplatte wiederherstellen Instant Recovery VM direkt aus Backup starten Restore auf neuen Host VM auf anderer Hardware wiederherstellen Wichtig: Wiederherstellungen sollten regelmäßig getestet werden. VM-Monitoring Virtuelle Maschinen müssen überwacht werden. Wichtige Werte: Bereich Messwert CPU Auslastung, CPU-Ready RAM Nutzung, Swapping, Ballooning Storage IOPS, Latenz, freier Speicher Netzwerk Bandbreite, Paketverlust Backup Erfolgreich oder fehlgeschlagen Dienste Läuft die Anwendung? Snapshots Alte Snapshots vorhanden? Host Gesamtlast des Virtualisierungshosts CPU-Ready CPU-Ready beschreibt, wie lange eine VM auf CPU-Zeit warten muss. Wenn CPU-Ready hoch ist, möchte die VM rechnen, bekommt aber nicht schnell genug CPU-Zeit vom Host. Mögliche Ursachen: Ursache Erklärung Zu viele VMs Host überlastet Zu viele vCPUs Schlechte CPU-Planung Hohe Last auf Host Viele VMs aktiv Falsche Ressourcenverteilung Kritische VM bekommt zu wenig Ressourcen Ballooning Ballooning ist eine Speichertechnik in Virtualisierungsumgebungen. Dabei wird Speicher aus VMs zurückgeholt, wenn der Host unter RAM-Druck steht. Das kann sinnvoll sein, zeigt aber auch, dass RAM knapp werden kann. Merksatz: Ballooning kann ein Hinweis auf knappe RAM-Ressourcen sein. Swapping Swapping bedeutet, dass Arbeitsspeicher auf langsameren Datenträger ausgelagert wird. Das ist bei VMs problematisch. Folge: Die VM wird deutlich langsamer. Merksatz: Swapping ist meistens ein schlechtes Zeichen für Performance. Storage-Monitoring Bei Virtualisierung ist Storage sehr wichtig. Viele VMs greifen gleichzeitig auf denselben Speicher zu. Wichtige Werte: Wert Bedeutung Freier Speicher Reicht Platz für VMs und Snapshots? IOPS Anzahl Speicheroperationen pro Sekunde Latenz Verzögerung beim Speicherzugriff Durchsatz Datenmenge pro Sekunde Snapshot-Größe Wächst ein Snapshot zu stark? Alte Snapshots erkennen Alte Snapshots sind ein häufiges Problem. Risiken: Risiko Erklärung Speicher läuft voll Snapshot-Dateien wachsen Performance sinkt Mehr Verwaltungsaufwand Backupprobleme Backups können fehlschlagen Schwierige Konsolidierung Lange Snapshot-Ketten sind riskanter Gute Praxis: Snapshots nur kurzfristig verwenden und danach löschen oder konsolidieren. VM-Rechteverwaltung Nicht jeder Administrator sollte alle Rechte auf alle VMs haben. Beispiele für Rollen: Rolle Rechte Viewer Nur ansehen Operator VM starten und stoppen VM-Admin VM verwalten Storage-Admin Datenspeicher verwalten Netzwerk-Admin Virtuelle Netzwerke verwalten Volladministrator Gesamte Plattform verwalten Grundprinzip: Least Privilege Nur die Rechte vergeben, die wirklich benötigt werden. Hypervisor-Updates Auch der Hypervisor muss aktualisiert werden. Gründe: Grund Erklärung Sicherheitsupdates Schwachstellen schließen Stabilität Fehler beheben Hardwareunterstützung Neue Hardware unterstützen Performance Verbesserungen erhalten Kompatibilität Neue Gastbetriebssysteme unterstützen In produktiven Umgebungen sollten Updates geplant und getestet werden. Wartungsmodus Ein Host kann in den Wartungsmodus versetzt werden. Bedeutung: Der Host soll vorübergehend keine produktiven VMs betreiben. Typischer Ablauf: Schritt Erklärung Wartungsmodus aktivieren Host für Wartung vorbereiten VMs migrieren VMs auf andere Hosts verschieben Updates installieren Hypervisor aktualisieren Host neu starten Falls erforderlich Funktion prüfen Host kontrollieren Wartungsmodus beenden Host wieder produktiv nutzen VM-Dokumentation VMs müssen dokumentiert werden. Wichtige Angaben: Bereich Beispiel VM-Name WEB01 VMID 102 Aufgabe Interner Webserver Betriebssystem Debian 12 Host / Cluster HV01 oder Cluster01 vCPU 2 RAM 4 GB Disk 60 GB Netzwerk VLAN 20 IP-Adresse 192.168.20.30 Backup Täglich Kritikalität Mittel Verantwortlich IT-Abteilung Abhängigkeiten DB01 Abhängigkeiten dokumentieren VMs sind oft voneinander abhängig. Beispiel: VM Benötigt APP01 DB01 WEB01 APP01 FILE01 DC01 und DNS BACKUP01 Storage und Netzwerk MON01 Zugriff auf alle Systeme Wenn man eine VM wartet oder neu startet, muss man ihre Abhängigkeiten kennen. Typische Fehler bei VM-Verwaltung Fehler Auswirkung Zu viele vCPUs vergeben Performance kann schlechter werden Zu wenig RAM VM wird langsam Storage nicht überwacht Datastore läuft voll Snapshots zu lange behalten Speicher- und Performanceprobleme Keine Guest Tools installiert Schlechtere Verwaltung Keine Backups Datenverlust möglich Keine Dokumentation Fehlersuche wird schwer Keine Startreihenfolge Dienste starten falsch Managementzugang offen Sicherheitsrisiko Kein Monitoring Probleme werden zu spät erkannt Gute Praxis bei VM-Verwaltung Empfehlung Grund VMs sauber benennen Bessere Übersicht Ressourcen passend planen Stabiler Betrieb Nicht zu viele vCPUs vergeben Bessere CPU-Planung RAM ausreichend dimensionieren Vermeidet Swapping Storage überwachen Verhindert volle Datenspeicher Snapshots nur kurzfristig nutzen Verhindert Probleme Guest Tools installieren Bessere Integration Backups regelmäßig prüfen Wiederherstellung sicherstellen Dokumentation pflegen Betrieb und Fehlersuche erleichtern Rechte beschränken Sicherheit erhöhen Hypervisor aktuell halten Sicherheitslücken schließen Prüfungsnahes Beispiel Aufgabe: Eine VM läuft langsam. Die CPU-Auslastung in der VM ist hoch. Der Host betreibt sehr viele VMs mit vielen zugewiesenen vCPUs. Frage: Was könnte die Ursache sein? Mögliche Antwort: Eine mögliche Ursache ist CPU-Overcommitment. Es wurden mehr vCPUs an VMs vergeben, als der Host sinnvoll bedienen kann. Dadurch müssen VMs auf CPU-Zeit warten. Man sollte die Host-Auslastung, CPU-Ready-Werte und die Anzahl vergebener vCPUs prüfen. Prüfungsnahes Beispiel Aufgabe: Ein Administrator erstellt vor einem Update einen Snapshot und lässt diesen mehrere Wochen bestehen. Frage: Warum ist das problematisch? Mögliche Antwort: Snapshots sind nur für kurzfristige Zustände gedacht. Wenn ein Snapshot lange bestehen bleibt, kann er viel Speicher verbrauchen und die Performance verschlechtern. Außerdem ist ein Snapshot kein Backup. Nach erfolgreichem Update sollte der Snapshot gelöscht oder konsolidiert werden. Prüfungsnahes Beispiel Aufgabe: Ein Unternehmen möchte einen Virtualisierungshost warten, ohne die darauf laufenden produktiven VMs auszuschalten. Frage: Welche Technik kann helfen? Mögliche Antwort: Live Migration kann helfen. Dabei werden laufende VMs auf einen anderen Host verschoben. Voraussetzung sind mehrere Hosts, passende Netzwerkverbindungen, kompatible CPUs und gemeinsamer oder replizierter Storage. Typische Prüfungsfrage: Was macht ein Hypervisor? Mögliche Antwort: Ein Hypervisor verwaltet virtuelle Maschinen und teilt ihnen Ressourcen wie CPU, RAM, Storage und Netzwerk zu. Er ermöglicht, dass mehrere virtuelle Maschinen gleichzeitig auf einem physischen Host laufen. Typische Prüfungsfrage: Warum sind Guest Tools wichtig? Mögliche Antwort: Guest Tools verbessern die Zusammenarbeit zwischen Hypervisor und Gastbetriebssystem. Sie ermöglichen bessere Treiber, sauberes Herunterfahren, Zeitsynchronisation, Anzeige von IP-Adressen und oft bessere Backup- oder Snapshot-Funktionen. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein virtueller Switch? Mögliche Antwort: Ein virtueller Switch verbindet virtuelle Maschinen untereinander und mit dem physischen Netzwerk. Er übernimmt innerhalb des Hypervisors eine ähnliche Aufgabe wie ein physischer Switch im Netzwerk. Typische Prüfungsfrage: Warum ist die Startreihenfolge von VMs wichtig? Mögliche Antwort: Viele Serverdienste hängen voneinander ab. Ein Applikationsserver benötigt zum Beispiel zuerst die Datenbank, und viele Windows-Server benötigen DNS oder Domain Controller. Wenn VMs in falscher Reihenfolge starten, können Dienste fehlerhaft starten. Typische Prüfungsfrage: Was ist CPU-Overcommitment? Mögliche Antwort: CPU-Overcommitment bedeutet, dass mehr virtuelle CPUs an VMs vergeben werden, als physische CPU-Kerne vorhanden sind. Das kann funktionieren, solange nicht alle VMs gleichzeitig viel CPU-Leistung benötigen. Bei hoher Last kann es aber zu Wartezeiten und Performanceproblemen kommen. Typische Prüfungsfrage: Was ist RAM-Overcommitment? Mögliche Antwort: RAM-Overcommitment bedeutet, dass mehr Arbeitsspeicher an VMs vergeben wird, als physisch vorhanden ist. Das ist riskant, weil fehlender RAM zu Ballooning oder Swapping führen kann. Dadurch werden VMs oft stark langsamer. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Template? Mögliche Antwort: Ein Template ist eine vorbereitete Vorlage für neue virtuelle Maschinen. Es enthält ein installiertes und vorkonfiguriertes Betriebssystem. Dadurch können neue VMs schneller und einheitlicher erstellt werden. Typische Prüfungsfrage: Was ist der Unterschied zwischen Snapshot und Backup? Snapshot Backup Kurzfristiger Zustand einer VM Langfristige Datensicherung Liegt meist auf demselben Storage Kann separat gespeichert werden Für Updates und Tests geeignet Für Wiederherstellung nach Datenverlust Kein Ersatz für Backup Echte Sicherung Wichtige Begriffe Begriff Kurz erklärt Hypervisor Virtualisierungsschicht Typ-1-Hypervisor Läuft direkt auf Hardware Typ-2-Hypervisor Läuft auf Betriebssystem Host Physischer Virtualisierungsserver Guest Virtuelle Maschine VM Virtuelle Maschine VMID Eindeutige technische VM-Nummer vCPU Virtuelle CPU vRAM Virtueller Arbeitsspeicher vDisk Virtuelle Festplatte vNIC Virtuelle Netzwerkkarte Virtueller Switch Verbindet VMs mit Netzwerken Bridge Verbindung zwischen virtueller und physischer Netzwerkwelt VLAN Logische Netztrennung ISO Installationsabbild Guest Tools Zusatztools für bessere VM-Integration Snapshot Kurzfristig gespeicherter VM-Zustand Checkpoint Snapshot-ähnliche Funktion bei Hyper-V Clone Kopie einer VM Template Vorlage für neue VMs Live Migration Laufende VM verschieben Cold Migration Ausgeschaltete VM verschieben Storage Migration Virtuelle Festplatte verschieben CPU-Ready Wartezeit auf CPU-Zeit Ballooning Speicher wird aus VM zurückgeholt Swapping RAM wird auf Datenträger ausgelagert Wartungsmodus Host für Wartung vorbereiten Wichtige Merksätze Der Hypervisor verwaltet virtuelle Maschinen und verteilt Ressourcen. Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware. Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem. Eine VM sollte nur so viele Ressourcen bekommen, wie sie sinnvoll benötigt. Zu viele vCPUs können die Performance verschlechtern. RAM-Mangel führt häufig zu starken Performanceproblemen. Snapshots sind nur kurzfristig sinnvoll und kein Backup. Guest Tools verbessern Verwaltung, Performance und Integration. Live Migration ermöglicht Wartung ohne Abschalten laufender VMs. VMs müssen genauso dokumentiert, überwacht und gesichert werden wie physische Server. Kurzzusammenfassung Der Hypervisor ist die zentrale Komponente einer Virtualisierungsumgebung. Er stellt virtuelle Hardware bereit, verwaltet virtuelle Maschinen und verteilt Ressourcen wie CPU, RAM, Storage und Netzwerk. Wichtige Verwaltungsaufgaben sind: Aufgabe Bedeutung VM erstellen Neue virtuelle Maschine anlegen Ressourcen planen CPU, RAM, Disk und Netzwerk passend zuweisen Betriebssystem installieren Gastbetriebssystem einrichten Guest Tools installieren Integration verbessern Snapshots nutzen Kurzfristige Absicherung bei Änderungen Backups einrichten Echte Wiederherstellung ermöglichen Migration durchführen VMs verschieben Monitoring nutzen Auslastung und Probleme erkennen Dokumentation pflegen Betrieb nachvollziehbar machen Rechte verwalten Sicherheit erhöhen Für die IHK ist besonders wichtig: Thema Kerngedanke Hypervisor Verwaltet VMs Typ-1 / Typ-2 Direkt auf Hardware oder auf Betriebssystem VM-Ressourcen vCPU, vRAM, vDisk, vNIC Snapshots Kein Backup Migration VM kann verschoben werden Guest Tools Bessere Integration Monitoring Performanceprobleme erkennen Dokumentation Professioneller Betrieb Der nächste logische Schritt ist: Storage, Snapshots und Backups bei VMs 13.4 Storage, Snapshots und Backups bei VMs Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Auf den vorherigen Seiten ging es um Server-Grundlagen, Virtualisierung, virtuelle Maschinen und Hypervisor-Verwaltung. Jetzt geht es um ein besonders wichtiges Thema im VM-Betrieb: Storage, Snapshots und Backups Diese Themen sind wichtig, weil virtuelle Maschinen ihre Daten auf Speichersystemen ablegen und bei Fehlern wiederherstellbar sein müssen. Grundidee Eine virtuelle Maschine besteht nicht nur aus CPU und RAM. Sie benötigt auch Speicherplatz für: Bestandteil Bedeutung Betriebssystem Windows Server, Linux usw. Anwendungen Serverdienste, Programme, Datenbanken Konfiguration Einstellungen der VM Virtuelle Festplatten Daten der VM Snapshots Zwischenstände Backups Sicherungskopien Der Speicherbereich, auf dem virtuelle Maschinen liegen, wird häufig als Storage bezeichnet. Was bedeutet Storage? Storage bedeutet Speicherplatz für Daten. In einer Virtualisierungsumgebung speichert Storage vor allem: Datenart Beispiel VM-Konfiguration Name, RAM, CPU, Netzwerk Virtuelle Festplatten VHDX, VMDK, QCOW2, RAW ISO-Dateien Installationsmedien Snapshots Zustände von VMs Backups Sicherungskopien Templates Vorlagen für neue VMs Merksatz Storage ist der Speicherbereich, auf dem virtuelle Maschinen, virtuelle Festplatten, Snapshots, ISO-Dateien, Templates und Backups abgelegt werden. Warum Storage bei VMs besonders wichtig ist Bei Virtualisierung greifen oft viele VMs gleichzeitig auf denselben Speicher zu. Beispiel: VM Zugriff auf Storage DC01 Betriebssystem, Active Directory FILE01 Dateien und Freigaben DB01 Datenbankdateien WEB01 Webdaten APP01 Anwendungsdaten Wenn der Storage langsam oder voll ist, werden oft viele VMs gleichzeitig langsam oder fallen aus. Typische Storage-Probleme bei VMs Problem Auswirkung Storage voll VMs können stehen bleiben oder abstürzen Storage zu langsam VMs reagieren träge Hohe Latenz Anwendungen wirken langsam Defekte Festplatte Datenverlust möglich Alte Snapshots Speicherverbrauch und Performanceprobleme Kein Backup Wiederherstellung nicht möglich Falsches Provisioning Speicher wird falsch eingeschätzt Fehlende Überwachung Probleme werden zu spät erkannt Virtuelle Festplatte Eine virtuelle Festplatte ist der Datenträger einer VM. Die VM sieht diese virtuelle Festplatte wie eine normale Festplatte. Auf dem Host oder Storage liegt sie als Datei oder Block-Volume. Typische Formate: Format Plattform VHD Älteres Hyper-V-Format VHDX Modernes Hyper-V-Format VMDK VMware QCOW2 KVM / Proxmox RAW KVM / Proxmox IMG Allgemeines Image-Format Beispiel Eine VM mit dem Namen WEB01 kann so aufgebaut sein: Bestandteil Beispiel VM-Name WEB01 Betriebssystem Debian 12 Virtuelle Festplatte WEB01.qcow2 Größe 80 GB Speicherort Datastore01 Netzwerk VLAN 20 Die Datei WEB01.qcow2 enthält dann die virtuelle Festplatte der VM. Datastore Ein Datastore ist ein Speicherbereich, auf dem VMs und ihre Dateien liegen. Der Begriff wird besonders in VMware-Umgebungen verwendet, ist aber allgemein gut verständlich. Beispiele: Datastore Inhalt Datastore01 Produktive VMs Datastore02 Test-VMs ISO-Store ISO-Dateien Backup-Store Sicherungen Storage Pool Ein Storage Pool ist ein zusammengefasster Speicherbereich aus mehreren Datenträgern oder Speicherressourcen. Beispiel: Mehrere SSDs werden zu einem Pool zusammengefasst. Aus diesem Pool können dann Volumes oder virtuelle Festplatten bereitgestellt werden. Begriff Bedeutung Physische Datenträger Einzelne SSDs oder HDDs Storage Pool Zusammengefasster Speicher Volume Logischer Speicherbereich Virtuelle Festplatte Festplatte einer VM Lokaler Storage Lokaler Storage befindet sich direkt im Virtualisierungshost. Beispiel: Ein Proxmox-Host hat interne SSDs oder NVMe-Laufwerke. Vorteile: Vorteil Erklärung Einfach Keine externe Storage-Infrastruktur nötig Schnell möglich Lokale NVMe kann sehr schnell sein Günstiger Einstieg Weniger zusätzliche Hardware Nachteile: Nachteil Erklärung Host-Abhängigkeit VM liegt nur auf diesem Host Schlechter für HA Andere Hosts kommen nicht direkt an die Daten Migration schwieriger VM-Daten müssen übertragen werden Ausfallrisiko Host- oder Disk-Ausfall betrifft lokale VMs Gemeinsamer Storage Gemeinsamer Storage wird von mehreren Hosts genutzt. Beispiel: Drei Hypervisor-Hosts greifen auf dasselbe SAN oder NAS zu. Host Zugriff auf Storage HV01 Ja HV02 Ja HV03 Ja Vorteil: VMs können leichter zwischen Hosts verschoben oder bei Ausfall auf einem anderen Host gestartet werden. Vorteile von gemeinsamem Storage Vorteil Erklärung Besser für Cluster Mehrere Hosts können auf VM-Daten zugreifen Live Migration einfacher VM-Daten müssen nicht komplett kopiert werden Zentrale Verwaltung Speicher wird zentral bereitgestellt Bessere HA-Möglichkeiten VMs können auf anderem Host starten Einfacheres Kapazitätsmanagement Speicher zentral planen Nachteile von gemeinsamem Storage Nachteil Erklärung Komplexer Netzwerk, Rechte und Storage müssen passen Teurer SAN/NAS kann kostenintensiv sein Single Point of Failure möglich Wenn Storage nicht redundant ist Netzwerkabhängig Storage-Verkehr benötigt stabile Verbindung Performanceplanung nötig Viele VMs greifen gleichzeitig zu SAN SAN steht für Storage Area Network. Ein SAN stellt Blockspeicher über ein spezielles Storage-Netz bereit. Typische Technologien: Technologie Bedeutung Fibre Channel Sehr schnelles dediziertes Storage-Netz iSCSI Blockspeicher über IP-Netzwerk FCoE Fibre Channel über Ethernet SAN wird häufig in größeren Unternehmensumgebungen eingesetzt. NAS NAS steht für Network Attached Storage. Ein NAS stellt Speicher über Netzwerkprotokolle bereit. Typische Protokolle: Protokoll Einsatz SMB Windows-Dateifreigaben NFS Linux/Unix-Dateifreigaben iSCSI Blockspeicher über Netzwerk Ein NAS kann auch als Speicherziel für VMs oder Backups verwendet werden. SAN vs. NAS Merkmal SAN NAS Zugriff Blockbasiert Dateibasiert oder teils iSCSI Typische Protokolle Fibre Channel, iSCSI SMB, NFS Einsatz Große Virtualisierungsumgebungen, Datenbanken Dateifreigaben, Backups, kleinere VM-Umgebungen Komplexität Höher Meist einfacher Kosten Oft höher Oft günstiger iSCSI iSCSI stellt Blockspeicher über ein IP-Netzwerk bereit. Der Client nennt sich Initiator. Das Storage-Ziel nennt sich Target. Begriff Bedeutung iSCSI Initiator System, das den Speicher nutzt iSCSI Target System, das den Speicher bereitstellt LUN Logischer Speicherbereich Beispiel: Ein Hypervisor verbindet sich per iSCSI mit einem NAS und nutzt den bereitgestellten Speicher wie eine lokale Festplatte. NFS NFS steht für Network File System. Es wird häufig in Linux- und Unix-Umgebungen verwendet. NFS kann für VM-Speicher, ISO-Dateien oder Backups genutzt werden. Beispiel: Ein Proxmox-Host bindet ein NFS-Share vom NAS ein und speichert dort Backups oder ISO-Dateien. SMB SMB steht für Server Message Block. Es ist besonders in Windows-Umgebungen verbreitet. Typische Nutzung: Nutzung Beispiel Dateifreigaben Netzlaufwerke Benutzerordner Home-Verzeichnisse Backupziel Sicherungen auf NAS Hyper-V Storage SMB 3.0 kann für Hyper-V genutzt werden RAID im Storage RAID kombiniert mehrere Festplatten zu einem logischen Speicher. Ziele: Ziel Erklärung Ausfallsicherheit Eine oder mehrere Platten dürfen ausfallen Leistung Daten werden verteilt Kapazität Mehrere Platten bilden größeren Speicher Wichtige RAID-Level: RAID-Level Bedeutung Vorteil Nachteil RAID 0 Striping ohne Redundanz Schnell, volle Kapazität Kein Ausfallschutz RAID 1 Spiegelung Eine Platte darf ausfallen Weniger nutzbarer Speicher RAID 5 Parität Eine Platte darf ausfallen Rebuild belastet System RAID 6 Doppelte Parität Zwei Platten dürfen ausfallen Weniger nutzbarer Speicher RAID 10 Spiegelung und Striping Schnell und sicher Benötigt viele Platten RAID ist kein Backup RAID schützt vor bestimmten Festplattenausfällen. RAID schützt nicht zuverlässig gegen: Risiko Warum RAID nicht reicht Versehentliches Löschen Gelöschte Daten werden auf allen Platten gelöscht Ransomware Verschlüsselte Daten werden ebenfalls gespeichert Datenkorruption Fehler können sich auf den RAID-Verbund auswirken Brand oder Diebstahl Alle Platten können betroffen sein Fehlkonfiguration Falsche Änderungen bleiben bestehen Merksatz: RAID erhöht die Verfügbarkeit des Speichers, ersetzt aber niemals ein Backup. SSD, HDD und NVMe Speicherart Eigenschaften HDD Günstig, viel Speicher, mechanisch, langsamer SSD Schnell, keine mechanischen Teile, teurer pro TB NVMe Sehr schnell, geringe Latenz, ideal für hohe Last Für Virtualisierung ist nicht nur die Kapazität wichtig, sondern auch Geschwindigkeit und Latenz. IOPS IOPS bedeutet Input/Output Operations Per Second. Also: Wie viele Lese- und Schreiboperationen ein Speicher pro Sekunde schafft. Wichtig bei: System Warum IOPS wichtig sind Datenbanken Viele kleine Zugriffe Mailserver Viele Transaktionen Fileserver Viele Benutzerzugriffe VDI Viele gleichzeitige Desktop-VMs Backup Große Datenmengen Latenz Latenz ist die Verzögerung bei einem Zugriff. Beispiel: Eine VM fordert Daten vom Storage an. Je niedriger die Latenz, desto schneller reagiert die VM. Hohe Storage-Latenz führt oft zu langsamen Anwendungen. Durchsatz Durchsatz beschreibt, wie viele Daten pro Sekunde übertragen werden. Beispiele: Einheit Bedeutung MB/s Megabyte pro Sekunde GB/s Gigabyte pro Sekunde Gbit/s Gigabit pro Sekunde im Netzwerk Durchsatz ist wichtig bei großen Datenmengen, zum Beispiel Backups oder großen Dateiübertragungen. IOPS vs. Durchsatz Begriff Wichtig bei IOPS Viele kleine Zugriffe Durchsatz Große zusammenhängende Datenmengen Latenz Reaktionszeit Beispiel: Eine Datenbank braucht oft viele IOPS und niedrige Latenz. Ein Backup braucht oft hohen Durchsatz. Thin Provisioning Thin Provisioning bedeutet, dass eine virtuelle Festplatte eine Maximalgröße bekommt, aber auf dem echten Storage nur den tatsächlich genutzten Speicher belegt. Beispiel: Eingestellte Größe Tatsächlich belegt 100 GB 25 GB Vorteil: Speicher wird effizient genutzt. Nachteil: Wenn viele VMs wachsen, kann der Storage unerwartet voll laufen. Thick Provisioning Thick Provisioning bedeutet, dass der Speicher direkt vollständig reserviert wird. Beispiel: Eingestellte Größe Tatsächlich belegt 100 GB 100 GB Vorteil: Speicherverbrauch ist besser planbar. Nachteil: Weniger flexibel und weniger platzsparend. Thin vs. Thick Provisioning Merkmal Thin Provisioning Thick Provisioning Speicherbelegung Wächst nach Bedarf Wird sofort reserviert Effizienz Hoch Geringer Risiko Storage kann voll laufen Weniger Überraschung Planung Muss gut überwacht werden Einfacher planbar Einsatz Häufig bei flexiblen Umgebungen Kritische oder klar geplante Systeme Overprovisioning beim Storage Storage-Overprovisioning bedeutet: Es wird mehr virtueller Speicher vergeben, als physisch vorhanden ist. Beispiel: Physischer Storage Vergebener VM-Speicher 2 TB 5 TB Das kann funktionieren, solange die VMs nicht den gesamten Speicher tatsächlich nutzen. Risiko: Wenn viele VMs wachsen, wird der Storage voll. Warum voller Storage gefährlich ist Ein voller Storage kann schwere Probleme verursachen. Mögliche Folgen: Folge Erklärung VMs frieren ein Schreibvorgänge sind nicht mehr möglich VMs stürzen ab Betriebssysteme können Fehler bekommen Snapshots können nicht konsolidiert werden Alte Daten bleiben liegen Backups schlagen fehl Kein Platz für Sicherungen Datenbanken werden beschädigt Schreibvorgänge brechen ab Dienste fallen aus Anwendungen können nicht mehr arbeiten Merksatz: Ein voller VM-Storage ist ein kritischer Zustand und muss unbedingt vermieden werden. Storage-Monitoring Storage muss dauerhaft überwacht werden. Wichtige Werte: Wert Bedeutung Freier Speicherplatz Wie viel Platz ist noch vorhanden? Wachstum Wie schnell wächst der Speicherverbrauch? IOPS Anzahl Speicheroperationen Latenz Verzögerung beim Zugriff Durchsatz Datenmenge pro Sekunde Fehler Defekte Blöcke, Controllerfehler Snapshot-Größe Alte oder wachsende Snapshots Backupstatus Sicherungen erfolgreich? Snapshot Ein Snapshot speichert den Zustand einer VM zu einem bestimmten Zeitpunkt. Typische Nutzung: Situation Warum Snapshot? Vor Updates Rückkehr möglich, wenn Update fehlschlägt Vor Softwareinstallation Test kann rückgängig gemacht werden Vor Konfigurationsänderung Absicherung gegen Fehler Schulungsumgebung Zurück zum Ausgangszustand Was speichert ein Snapshot? Je nach Plattform kann ein Snapshot Folgendes speichern: Bestandteil Erklärung Festplattenzustand Zustand der virtuellen Festplatte VM-Konfiguration Einstellungen der VM Arbeitsspeicherzustand Optional laufender RAM-Zustand Nicht jeder Snapshot enthält automatisch den Arbeitsspeicherzustand. Wie funktioniert ein Snapshot vereinfacht? Vor dem Snapshot schreibt die VM direkt in ihre virtuelle Festplatte. Nach dem Snapshot werden neue Änderungen getrennt gespeichert. Vereinfacht: Zeitpunkt Speicherung Vor Snapshot VM schreibt in die ursprüngliche virtuelle Festplatte Nach Snapshot Änderungen werden in eine zusätzliche Snapshot-Datei geschrieben Beim Zurücksetzen VM kehrt zum alten Zustand zurück Beim Löschen Änderungen werden zusammengeführt Snapshot-Kette Wenn mehrere Snapshots erstellt werden, kann eine Kette entstehen. Beispiel: Ebene Bedeutung Basisdisk Ursprüngliche virtuelle Festplatte Snapshot 1 Änderungen nach erstem Snapshot Snapshot 2 Änderungen nach zweitem Snapshot Snapshot 3 Änderungen nach drittem Snapshot Je länger und komplexer die Snapshot-Kette ist, desto riskanter wird die Verwaltung. Probleme durch alte Snapshots Problem Erklärung Speicherverbrauch Snapshot-Dateien wachsen mit Änderungen Performanceverlust Lesen und Schreiben wird komplexer Backupfehler Backups können länger dauern oder fehlschlagen Konsolidierungsprobleme Zusammenführen kann schwierig werden Storage voll Snapshot-Wachstum kann Speicher füllen Merksatz: Snapshots nur kurzfristig verwenden und nach erfolgreicher Änderung wieder entfernen. Snapshots sind kein Backup Ein Snapshot ist kein Backup. Warum? Grund Erklärung Gleicher Storage Snapshot liegt oft auf demselben Speicher Kurzfristig gedacht Nicht für langfristige Sicherung Kein Schutz vor Storage-Ausfall Fällt Storage aus, ist auch Snapshot betroffen Kein Schutz vor Ransomware Angreifer können Snapshots löschen oder beschädigen Kein Ersatz für Restore-Konzept Backup muss separat wiederherstellbar sein Snapshot vs. Backup Merkmal Snapshot Backup Zweck Kurzfristiger Zustand Datensicherung Speicherort Meist gleicher Storage Separater Speicher möglich Zeitraum Kurzfristig Mittel- bis langfristig Schutz bei Storage-Ausfall Nein Ja, wenn extern gespeichert Einsatz Updates, Tests Wiederherstellung nach Datenverlust Ersatz für Backup? Nein Ja, echte Sicherung Checkpoint Bei Hyper-V wird häufig der Begriff Checkpoint verwendet. Ein Checkpoint ist ähnlich wie ein Snapshot. Arten: Checkpoint-Art Bedeutung Standard Checkpoint Speichert Zustand für Tests Production Checkpoint Besser für produktive Workloads geeignet Auch Checkpoints sind kein Ersatz für Backups. Backup Ein Backup ist eine Sicherung von Daten oder Systemen. Ziel: Daten oder ganze Systeme sollen nach einem Fehler wiederhergestellt werden können. Typische Ursachen für Wiederherstellung: Ursache Beispiel Versehentliches Löschen Benutzer löscht Datei Hardwaredefekt Storage oder Server fällt aus Malware Daten werden verschlüsselt Fehlkonfiguration System wird falsch geändert Updatefehler Anwendung funktioniert nicht mehr Datenbankfehler Daten werden beschädigt Katastrophe Brand, Wasser, Diebstahl Backuparten Backupart Erklärung Vollbackup Sichert alle ausgewählten Daten Inkrementelles Backup Sichert Änderungen seit dem letzten Backup Differenzielles Backup Sichert Änderungen seit dem letzten Vollbackup Image-basiertes Backup Sichert eine ganze VM oder ein ganzes System Datei-basiertes Backup Sichert einzelne Dateien und Ordner Applikationskonsistentes Backup Berücksichtigt laufende Anwendungen Agent-basiertes Backup Backupsoftware läuft im Gastbetriebssystem Agentless Backup Backup erfolgt über Hypervisor-Schnittstelle Vollbackup Ein Vollbackup sichert alle ausgewählten Daten vollständig. Vorteil: Einfach wiederherzustellen. Nachteil: Benötigt viel Speicherplatz und Zeit. Beispiel: Jeden Sonntag wird eine vollständige Sicherung der VM erstellt. Inkrementelles Backup Ein inkrementelles Backup sichert nur die Änderungen seit dem letzten Backup. Beispiel: Tag Sicherung Sonntag Vollbackup Montag Änderungen seit Sonntag Dienstag Änderungen seit Montag Mittwoch Änderungen seit Dienstag Vorteil: Schnell und speichersparend. Nachteil: Für eine Wiederherstellung werden mehrere Backupstände benötigt. Differenzielles Backup Ein differenzielles Backup sichert alle Änderungen seit dem letzten Vollbackup. Beispiel: Tag Sicherung Sonntag Vollbackup Montag Änderungen seit Sonntag Dienstag Änderungen seit Sonntag Mittwoch Änderungen seit Sonntag Vorteil: Wiederherstellung ist einfacher als bei vielen inkrementellen Backups. Nachteil: Differenzielle Backups werden mit der Zeit größer. Vollbackup vs. inkrementell vs. differenziell Merkmal Vollbackup Inkrementell Differenziell Speicherbedarf Hoch Niedrig Mittel Backupdauer Lang Kurz Mittel Restore Einfach Abhängig von Backupkette Einfacher als inkrementell Typischer Einsatz Basisbackup Tägliche Sicherung Alternative tägliche Sicherung Image-basiertes VM-Backup Bei einem image-basierten Backup wird die ganze VM gesichert. Gesichert werden können: Bestandteil Beispiel VM-Konfiguration CPU, RAM, Netzwerk Virtuelle Festplatten VHDX, VMDK, QCOW2 VM-Zustand Je nach Verfahren Metadaten Name, ID, Einstellungen Vorteil: Die ganze VM kann wiederhergestellt werden. Datei-basiertes Backup Beim datei-basierten Backup werden einzelne Dateien oder Ordner gesichert. Beispiel: Daten Beispiel Benutzerdateien Dokumente Konfigurationen config-Dateien Webdaten HTML, PHP, Bilder Anwendungsdaten Exportordner Vorteil: Einzelne Dateien können gezielt wiederhergestellt werden. Nachteil: Das komplette System ist damit nicht immer schnell wiederherstellbar. Agent-basiertes Backup Beim agent-basierten Backup läuft eine Backupsoftware innerhalb der VM. Vorteile: Vorteil Erklärung Anwendung kennt das Betriebssystem Gute Kontrolle innerhalb der VM Dateibasierte Sicherung möglich Einzelne Dateien sichern Applikationsintegration Datenbanken können berücksichtigt werden Nachteile: Nachteil Erklärung Agent muss gepflegt werden Installation und Updates nötig Mehr Verwaltungsaufwand Pro VM konfigurieren Belastung der VM Backup läuft innerhalb der VM Agentless Backup Beim agentless Backup wird die VM über den Hypervisor gesichert. Vorteile: Vorteil Erklärung Zentrale Sicherung Backup über Hypervisor Kein Agent in jeder VM nötig Weniger Pflege Ganze VM leicht sicherbar Image-basierte Sicherung Gut für viele VMs Skalierbar Nachteile: Nachteil Erklärung Anwendungskonsistenz beachten Datenbanken brauchen besondere Behandlung Hypervisor-Integration nötig Plattform muss unterstützt werden Rechte erforderlich Backupsoftware braucht Zugriff auf Hypervisor Applikationskonsistentes Backup Ein applikationskonsistentes Backup berücksichtigt laufende Anwendungen. Besonders wichtig bei: Anwendung Warum wichtig? Datenbanken Schreibvorgänge müssen sauber abgeschlossen werden Active Directory Verzeichnisdienst muss konsistent bleiben Mailserver Viele Transaktionen ERP-Systeme Geschäftsdaten dürfen nicht beschädigt werden Dokumentenmanagement Datenbank und Dateien müssen zusammenpassen Ein einfaches Kopieren einer laufenden virtuellen Festplatte kann inkonsistente Daten erzeugen. Crash-konsistentes Backup Ein crash-konsistentes Backup entspricht ungefähr dem Zustand nach einem Stromausfall. Das Dateisystem ist meist in einem wiederherstellbaren Zustand, aber Anwendungen können unvollständige Transaktionen haben. Art Bedeutung Crash-konsistent Wie nach hartem Ausschalten Applikationskonsistent Anwendung wurde sauber berücksichtigt Für einfache Systeme kann crash-konsistent reichen. Für Datenbanken ist applikationskonsistent besser. Backupziel Ein Backupziel ist der Speicherort für Sicherungen. Beispiele: Backupziel Beispiel Lokales NAS Backup auf Netzwerkspeicher Externes NAS Zweites Gerät an anderem Ort Externe Festplatte Offline-Backup Cloudspeicher Offsite-Sicherung Tape Bandlaufwerk für Langzeitarchivierung Backup-Appliance Spezielles Backup-System Offsite-Backup Offsite bedeutet: Eine Sicherung liegt außerhalb des Hauptstandorts. Warum wichtig? Risiko am Hauptstandort Warum Offsite hilft Brand Externe Kopie bleibt erhalten Diebstahl Externe Kopie bleibt erhalten Wasserschaden Externe Kopie bleibt erhalten Ransomware Getrennte Kopie kann geschützt sein Totalausfall Wiederherstellung an anderem Ort möglich Offline-Backup Offline-Backup bedeutet: Die Sicherung ist nicht dauerhaft mit dem Netzwerk verbunden. Beispiel: Eine externe Festplatte wird nach dem Backup getrennt. Vorteil: Besserer Schutz gegen Ransomware. Nachteil: Mehr manueller Aufwand. Immutable Backup Immutable bedeutet unveränderbar. Ein immutable Backup kann für eine bestimmte Zeit nicht gelöscht oder verändert werden. Vorteil: Schutz gegen Ransomware und versehentliches Löschen. Beispiel: Backups werden 30 Tage unveränderbar gespeichert. 3-2-1-Regel Eine bekannte Backup-Regel ist die 3-2-1-Regel. Regel Bedeutung 3 Kopien Original plus zwei Sicherungen 2 verschiedene Medien Zum Beispiel NAS und externe Festplatte 1 Kopie extern Eine Kopie außerhalb des Standorts Erweiterung: Erweiterung Bedeutung 3-2-1-1-0 Zusätzlich eine Offline/Immutable-Kopie und 0 Fehler bei Backupprüfung RPO RPO steht für Recovery Point Objective. Es beantwortet die Frage: Wie viele Daten dürfen maximal verloren gehen? Beispiel: RPO Bedeutung 24 Stunden Datenverlust von bis zu einem Tag wäre akzeptiert 1 Stunde Maximal eine Stunde Datenverlust 15 Minuten Sehr geringe Datenverlust-Toleranz Je kleiner das RPO, desto häufiger müssen Backups oder Replikationen erfolgen. RTO RTO steht für Recovery Time Objective. Es beantwortet die Frage: Wie lange darf die Wiederherstellung dauern? Beispiel: RTO Bedeutung 24 Stunden Dienst darf bis zu einem Tag ausfallen 4 Stunden Dienst muss am selben Tag wieder laufen 30 Minuten Sehr schnelle Wiederherstellung nötig Je kleiner das RTO, desto schneller muss die Wiederherstellung funktionieren. RPO vs. RTO Begriff Frage Beispiel RPO Wie viele Daten dürfen verloren gehen? Maximal 1 Stunde Daten RTO Wie lange darf der Ausfall dauern? Maximal 4 Stunden Merksatz: RPO betrifft den Datenverlust. RTO betrifft die Ausfallzeit. Restore Restore bedeutet Wiederherstellung aus einem Backup. Mögliche Restore-Arten: Restore-Art Erklärung Full Restore Ganze VM wiederherstellen File Restore Einzelne Datei wiederherstellen Disk Restore Einzelne virtuelle Festplatte zurückholen Application Restore Datenbank oder Anwendung wiederherstellen Instant Recovery VM direkt aus Backup starten Bare-Metal-Recovery System auf neuer Hardware wiederherstellen Backup ohne Restore-Test ist unsicher Ein Backup ist nur dann wirklich wertvoll, wenn es wiederhergestellt werden kann. Deshalb müssen Restore-Tests durchgeführt werden. Typische Tests: Test Ziel Einzelne Datei wiederherstellen Prüfen, ob File Restore funktioniert Ganze VM wiederherstellen Prüfen, ob System bootet Datenbank wiederherstellen Anwendungskonsistenz prüfen Restore-Zeit messen RTO prüfen Backup-Protokolle prüfen Fehler erkennen Merksatz: Ein ungeprüftes Backup ist nur eine Hoffnung, keine Sicherheit. Backupfenster Das Backupfenster ist der Zeitraum, in dem Sicherungen durchgeführt werden sollen. Beispiel: Backups laufen nachts zwischen 22:00 Uhr und 06:00 Uhr. Problem: Wenn das Backup länger dauert als das Backupfenster, kann es den produktiven Betrieb stören. Aufbewahrungszeit Die Aufbewahrungszeit legt fest, wie lange Backups gespeichert werden. Beispiel: Backup Aufbewahrung Täglich 14 Tage Wöchentlich 8 Wochen Monatlich 12 Monate Jährlich 10 Jahre Die Aufbewahrung hängt von technischen, organisatorischen und rechtlichen Anforderungen ab. Backup-Rotation Backup-Rotation bedeutet, dass alte Backups nach festen Regeln ersetzt oder gelöscht werden. Beispiel: Sicherung Zweck Täglich Kurzfristige Wiederherstellung Wöchentlich Mittelfristige Wiederherstellung Monatlich Langfristige Wiederherstellung Jährlich Archivierung GFS-Prinzip GFS steht für Grandfather-Father-Son. Ebene Bedeutung Son Tägliche Backups Father Wöchentliche Backups Grandfather Monatliche Backups Dieses Prinzip wird häufig für Backup-Aufbewahrung genutzt. Replikation Replikation bedeutet, dass Daten oder VMs auf ein anderes System kopiert werden. Ziel: Bei Ausfall kann schneller auf eine Kopie umgeschaltet werden. Arten: Art Erklärung Synchrone Replikation Daten werden gleichzeitig auf Zielsystem geschrieben Asynchrone Replikation Daten werden zeitversetzt übertragen Synchrone Replikation Bei synchroner Replikation wird ein Schreibvorgang erst bestätigt, wenn er auf beiden Seiten angekommen ist. Vorteil: Sehr geringer Datenverlust. Nachteil: Höhere Anforderungen an Netzwerk und Latenz. Asynchrone Replikation Bei asynchroner Replikation werden Daten zeitversetzt kopiert. Vorteil: Weniger Netzwerkabhängigkeit und oft einfacher. Nachteil: Bei Ausfall können letzte Änderungen fehlen. Replikation ist kein Backup Replikation schützt vor Systemausfall, aber nicht automatisch vor logischen Fehlern. Beispiel: Wenn eine Datei versehentlich gelöscht wird, kann diese Löschung auf das Ziel repliziert werden. Deshalb gilt: Replikation ersetzt kein Backup. Backup vs. Replikation Merkmal Backup Replikation Ziel Wiederherstellung alter Zustände Schnelle Verfügbarkeit einer Kopie Schutz vor versehentlichem Löschen Ja, wenn Version vorhanden Nicht unbedingt Schutz vor Ransomware Ja, wenn getrennt/immutable Nicht unbedingt RTO Je nach Restore-Zeit Oft schneller RPO Je nach Sicherungsintervall Oft kleiner Ersatz füreinander? Nein Nein Disaster Recovery Disaster Recovery beschreibt die Wiederherstellung nach einem größeren Ausfall. Beispiele: Ereignis Beispiel Hardwareausfall Storage defekt Ransomware Daten verschlüsselt Brand Serverraum beschädigt Wasserschaden Hardware zerstört Fehlkonfiguration Systeme falsch geändert Standortausfall Gebäude nicht nutzbar Disaster Recovery umfasst Backup, Restore-Pläne, Ersatzsysteme, Dokumentation und regelmäßige Tests. Disaster-Recovery-Plan Ein Disaster-Recovery-Plan beschreibt, wie Systeme nach einem größeren Ausfall wiederhergestellt werden. Wichtige Inhalte: Inhalt Erklärung Kritische Systeme Welche VMs müssen zuerst wieder laufen? Abhängigkeiten Welche Systeme brauchen andere Systeme? Backupstandorte Wo liegen die Sicherungen? Zugangsdaten Wer darf Systeme wiederherstellen? Wiederherstellungsreihenfolge Welche VM zuerst? Ansprechpartner Zuständigkeiten Testverfahren Wie wird geprüft, ob alles funktioniert? Wiederherstellungsreihenfolge Bei mehreren VMs ist die Reihenfolge wichtig. Beispiel: Reihenfolge VM Grund 1 DC01 Anmeldung und DNS 2 DB01 Datenbank für Anwendungen 3 FILE01 Dateifreigaben 4 APP01 Anwendung benötigt Datenbank 5 WEB01 Webserver nutzt Anwendung Wenn abhängige Systeme falsch gestartet werden, funktionieren Dienste möglicherweise nicht. Backup von Domain Controllern Domain Controller sollten besonders sorgfältig gesichert werden. Wichtig: Punkt Erklärung System State Wichtig für Active Directory Mehrere Domain Controller Redundanz verbessern Saubere Wiederherstellung AD darf nicht inkonsistent werden DNS beachten AD hängt stark von DNS ab Bei Active Directory ist eine einfache Kopie der VM nicht immer ausreichend geplant. Backup von Datenbanken Datenbanken benötigen besondere Beachtung. Mögliche Methoden: Methode Erklärung Datenbankdump Logischer Export der Datenbank Applikationskonsistentes VM-Backup Backup berücksichtigt Datenbankzustand Transaktionslog-Backup Feingranulare Wiederherstellung Replikation Kopie auf zweitem System Wichtig: Eine laufende Datenbank sollte nicht nur durch einfaches Kopieren der Disk gesichert werden. Backup von Dateiservern Bei Dateiservern sind einzelne Datei-Wiederherstellungen besonders wichtig. Typische Anforderungen: Anforderung Beispiel Einzelne Datei wiederherstellen Benutzer hat Datei gelöscht Ordner wiederherstellen Projektordner wurde überschrieben Versionen wiederherstellen Ältere Fassung benötigt Rechte erhalten NTFS-Rechte oder Linux-Rechte Große Datenmengen Backupfenster beachten Backup von Webservern Webserver bestehen oft aus mehreren Teilen. Bestandteil Beispiel Webdateien HTML, CSS, PHP, Bilder Konfiguration Nginx, Apache, Zertifikate Datenbank MariaDB, PostgreSQL Zertifikate TLS-Zertifikate Umgebung Container, VM, Pakete Wichtig: Bei Webanwendungen reicht es oft nicht, nur die Webdateien zu sichern. Die Datenbank muss ebenfalls gesichert werden. Backup von Zertifikaten und Schlüsseln Zertifikate und private Schlüssel sind wichtig. Beispiele: Element Bedeutung TLS-Zertifikat Verschlüsselte HTTPS-Verbindungen Private Keys Schlüsselmaterial SSH-Keys Zugriff und Automatisierung API-Keys Zugriff auf Dienste Lizenzdateien Softwarelizenzen Verlust von Schlüsseln kann zu Ausfällen oder Sicherheitsproblemen führen. Verschlüsselung von Backups Backups sollten geschützt werden. Maßnahmen: Maßnahme Erklärung Verschlüsselung Schutz bei Diebstahl Zugriffsbeschränkung Nur berechtigte Personen Getrennte Zugangsdaten Backupsystem nicht mit normalen Adminrechten MFA Schutz für Backupverwaltung Offline/Immutable Schutz gegen Ransomware Backup-Sicherheit Backupsysteme sind besonders schützenswert. Warum? Wenn ein Angreifer Backups löschen kann, wird Wiederherstellung schwierig. Maßnahmen: Maßnahme Erklärung Eigene Admin-Konten Nicht gleiche Konten wie Produktivsystem MFA Zusätzliche Anmeldung Immutable Storage Backups nicht veränderbar Netzwerksegmentierung Backupnetz trennen Keine dauerhafte Freigabe mit Schreibrechten Schutz vor Ransomware Monitoring Backupfehler erkennen Restore-Tests Wiederherstellung prüfen Backup-Protokolle prüfen Nach Backups sollten Protokolle geprüft werden. Wichtige Fragen: Frage Bedeutung War das Backup erfolgreich? Keine Fehler? Wurden alle VMs gesichert? Keine VM vergessen? Gab es Warnungen? Zum Beispiel Snapshot-Probleme Wie lange dauerte das Backup? Passt es ins Backupfenster? Wie groß ist das Backup? Speicherplanung Ist Restore möglich? Test erforderlich Storage und Backup trennen Backups sollten nicht nur auf demselben Storage liegen wie die produktiven VMs. Problem: Wenn der Storage ausfällt, sind sonst VMs und Backups gleichzeitig weg. Besser: Speicherort Zweck Produktiv-Storage Laufende VMs Backup-Storage Sicherungen Offsite-Kopie Schutz bei Standortausfall Offline/Immutable-Kopie Schutz gegen Ransomware Typische Fehler bei Storage, Snapshots und Backups Fehler Auswirkung Snapshots zu lange behalten Speicher- und Performanceprobleme Kein Restore-Test Backup kann unbrauchbar sein Backups auf gleichem Storage Kein Schutz bei Storage-Ausfall Storage nicht überwacht Speicher läuft voll Thin Provisioning ohne Monitoring Unerwartet voller Storage Keine applikationskonsistenten Backups Datenbanken können beschädigt sein Keine Offsite-Kopie Standortausfall zerstört alle Daten Backup-Zugang schlecht geschützt Ransomware kann Backups löschen RPO/RTO nicht definiert Unklare Wiederherstellungsziele Gute Praxis Empfehlung Grund Storage überwachen Probleme früh erkennen Freien Speicher einplanen Snapshots und Wachstum abfangen Snapshots nur kurzfristig nutzen Performance und Speicher schützen Backups regelmäßig durchführen Datenverlust vermeiden Restore regelmäßig testen Sicherstellen, dass Backups funktionieren Backups getrennt speichern Schutz bei Storage-Ausfall Offsite-Kopie nutzen Schutz bei Standortausfall Immutable oder Offline-Kopie nutzen Schutz gegen Ransomware RPO und RTO definieren Anforderungen klar festlegen Backupdokumentation pflegen Wiederherstellung erleichtern Prüfungsnahes Beispiel 1 Aufgabe: Ein Administrator erstellt vor einem Update einen Snapshot einer VM. Nach erfolgreichem Update bleibt der Snapshot mehrere Monate bestehen. Frage: Warum ist das problematisch? Mögliche Antwort: Snapshots sind nur für kurzfristige Zustände gedacht. Wenn sie lange bestehen bleiben, können sie viel Speicher verbrauchen, die Performance verschlechtern und zu Problemen bei der Konsolidierung führen. Außerdem sind Snapshots kein Backup und schützen nicht vor Storage-Ausfall. Prüfungsnahes Beispiel 2 Aufgabe: Ein Unternehmen speichert seine produktiven VMs und deren Backups auf demselben Storage-System. Frage: Welches Risiko besteht? Mögliche Antwort: Wenn dieses Storage-System ausfällt oder beschädigt wird, sind sowohl die produktiven VMs als auch die Backups betroffen. Dadurch ist keine Wiederherstellung möglich. Backups sollten getrennt, möglichst zusätzlich offsite oder immutable gespeichert werden. Prüfungsnahes Beispiel 3 Aufgabe: Eine VM besitzt eine virtuelle Festplatte mit 500 GB Thin Provisioning. Tatsächlich sind auf dem Storage nur noch 50 GB frei. Frage: Warum ist das gefährlich? Mögliche Antwort: Bei Thin Provisioning wächst die virtuelle Festplatte nach Bedarf. Wenn die VM weiter Daten schreibt, kann der echte Storage voll laufen. Das kann dazu führen, dass VMs einfrieren, Backups fehlschlagen oder Daten beschädigt werden. Thin Provisioning muss daher überwacht werden. Prüfungsnahes Beispiel 4 Aufgabe: Ein Unternehmen möchte wissen, wie lange ein Dienst maximal ausfallen darf und wie viele Daten maximal verloren gehen dürfen. Frage: Welche Begriffe sind gemeint? Mögliche Antwort: Die maximale Ausfallzeit wird mit RTO beschrieben. Der maximal akzeptierte Datenverlust wird mit RPO beschrieben. Typische Prüfungsfrage: Was ist Storage? Mögliche Antwort: Storage bezeichnet den Speicherbereich, auf dem Daten abgelegt werden. In Virtualisierungsumgebungen liegen dort virtuelle Festplatten, VM-Konfigurationen, ISO-Dateien, Templates, Snapshots und Backups. Typische Prüfungsfrage: Warum ist Storage bei VMs kritisch? Mögliche Antwort: Viele virtuelle Maschinen greifen gleichzeitig auf denselben Storage zu. Wenn der Storage langsam, voll oder ausgefallen ist, können mehrere VMs gleichzeitig betroffen sein. Deshalb müssen Speicherplatz, IOPS, Latenz, Durchsatz und Fehler überwacht werden. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Snapshot? Mögliche Antwort: Ein Snapshot speichert den Zustand einer virtuellen Maschine zu einem bestimmten Zeitpunkt. Er wird häufig vor Updates oder Konfigurationsänderungen verwendet, um schnell zu einem vorherigen Zustand zurückkehren zu können. Typische Prüfungsfrage: Warum ist ein Snapshot kein Backup? Mögliche Antwort: Ein Snapshot liegt meist auf demselben Storage wie die VM und ist für kurzfristige Änderungen gedacht. Fällt der Storage aus, ist auch der Snapshot betroffen. Ein Backup wird separat gespeichert und dient zur Wiederherstellung nach Datenverlust oder Ausfall. Typische Prüfungsfrage: Unterschied zwischen Snapshot und Backup Snapshot Backup Kurzfristiger Zustand Echte Datensicherung Meist gleicher Storage Separater Speicher möglich Für Tests und Updates Für Wiederherstellung Kein Schutz bei Storage-Ausfall Schutz möglich, wenn getrennt gespeichert Kein Ersatz für Backup Backup ist notwendig Typische Prüfungsfrage: Was bedeutet Thin Provisioning? Mögliche Antwort: Thin Provisioning bedeutet, dass einer virtuellen Festplatte eine Maximalgröße zugewiesen wird, aber auf dem echten Storage zunächst nur der tatsächlich genutzte Speicherplatz belegt wird. Das spart Speicher, muss aber überwacht werden, weil der Storage sonst unerwartet voll laufen kann. Typische Prüfungsfrage: Was bedeutet Thick Provisioning? Mögliche Antwort: Thick Provisioning bedeutet, dass der Speicherplatz für eine virtuelle Festplatte sofort vollständig reserviert wird. Dadurch ist der Speicherverbrauch besser planbar, aber weniger flexibel und weniger platzsparend. Typische Prüfungsfrage: Was ist RPO? Mögliche Antwort: RPO steht für Recovery Point Objective. Es beschreibt, wie viele Daten maximal verloren gehen dürfen. Ein RPO von einer Stunde bedeutet, dass höchstens Daten der letzten Stunde verloren gehen dürfen. Typische Prüfungsfrage: Was ist RTO? Mögliche Antwort: RTO steht für Recovery Time Objective. Es beschreibt, wie lange die Wiederherstellung maximal dauern darf. Ein RTO von vier Stunden bedeutet, dass der Dienst innerhalb von vier Stunden wieder verfügbar sein soll. Typische Prüfungsfrage: Warum ist RAID kein Backup? Mögliche Antwort: RAID schützt vor bestimmten Festplattenausfällen, aber nicht vor versehentlichem Löschen, Ransomware, Datenkorruption oder Standortausfall. Ein Backup ist eine separate Sicherung, mit der Daten wiederhergestellt werden können. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein applikationskonsistentes Backup? Mögliche Antwort: Ein applikationskonsistentes Backup berücksichtigt laufende Anwendungen wie Datenbanken oder Active Directory. Dadurch werden offene Schreibvorgänge und Transaktionen sauber behandelt, damit die Daten nach der Wiederherstellung konsistent sind. Typische Prüfungsfrage: Was bedeutet Offsite-Backup? Mögliche Antwort: Ein Offsite-Backup ist eine Sicherung, die außerhalb des Hauptstandorts gespeichert wird. Es schützt vor Ereignissen wie Brand, Diebstahl, Wasserschaden oder vollständigem Standortausfall. Typische Prüfungsfrage: Was bedeutet immutable Backup? Mögliche Antwort: Ein immutable Backup ist eine Sicherung, die für eine bestimmte Zeit nicht verändert oder gelöscht werden kann. Dadurch schützt es besser gegen Ransomware und versehentliches Löschen. Wichtige Begriffe Begriff Kurz erklärt Storage Speicherbereich für Daten Datastore Speicherbereich für VM-Dateien Storage Pool Zusammengefasster Speicher Virtuelle Festplatte Datenträger einer VM VHDX Virtuelles Festplattenformat bei Hyper-V VMDK Virtuelles Festplattenformat bei VMware QCOW2 Virtuelles Festplattenformat bei KVM/Proxmox RAW Einfaches Festplattenimage SAN Storage Area Network NAS Network Attached Storage iSCSI Blockspeicher über IP NFS Netzwerkdateisystem SMB Windows-Dateifreigabeprotokoll RAID Verbund mehrerer Festplatten IOPS Speicheroperationen pro Sekunde Latenz Verzögerung beim Zugriff Durchsatz Datenmenge pro Sekunde Thin Provisioning Speicher wächst nach Bedarf Thick Provisioning Speicher wird sofort reserviert Snapshot Zustand einer VM zu einem Zeitpunkt Checkpoint Snapshot-ähnliche Funktion bei Hyper-V Backup Datensicherung Restore Wiederherstellung RPO Maximal akzeptierter Datenverlust RTO Maximal akzeptierte Wiederherstellungszeit Offsite-Backup Sicherung außerhalb des Standorts Offline-Backup Nicht dauerhaft verbundenes Backup Immutable Backup Unveränderbare Sicherung Replikation Kopie auf anderes System Disaster Recovery Wiederherstellung nach großem Ausfall Wichtige Merksätze Storage ist bei Virtualisierung besonders kritisch, weil viele VMs gleichzeitig davon abhängig sein können. Ein voller Storage kann VMs zum Stillstand bringen. Thin Provisioning spart Speicher, muss aber überwacht werden. Thick Provisioning ist weniger flexibel, aber besser planbar. Snapshots sind nur für kurzfristige Änderungen gedacht. Snapshots sind kein Backup. RAID ist kein Backup. Backups müssen getrennt vom Produktivsystem gespeichert werden. Ein Backup ist nur dann zuverlässig, wenn die Wiederherstellung getestet wurde. RPO beschreibt den maximal akzeptierten Datenverlust. RTO beschreibt die maximal akzeptierte Ausfallzeit. Replikation ersetzt kein Backup. Immutable oder Offline-Backups schützen besser gegen Ransomware. Kurzzusammenfassung Storage, Snapshots und Backups sind zentrale Bestandteile jeder Virtualisierungsumgebung. Virtuelle Maschinen speichern ihre Daten auf virtuellen Festplatten. Diese liegen auf lokalem, gemeinsamem oder verteiltem Storage. Wichtig sind dabei: Thema Kerngedanke Storage Speicher für VMs, Disks, ISO-Dateien und Templates Performance IOPS, Latenz und Durchsatz beachten Thin Provisioning Spart Speicher, muss überwacht werden Thick Provisioning Reserviert Speicher sofort Snapshots Kurzfristige Absicherung bei Änderungen Backups Echte Wiederherstellung bei Datenverlust RPO Wie viele Daten dürfen verloren gehen? RTO Wie lange darf Wiederherstellung dauern? Offsite Sicherung außerhalb des Standorts Immutable Schutz vor Änderung und Löschung Restore-Test Prüft, ob Backup wirklich funktioniert Für die IHK ist besonders wichtig: Prüfungsrelevanter Punkt Bedeutung Snapshot vs. Backup Snapshot ist kein Backup RAID vs. Backup RAID ist kein Backup Thin vs. Thick Speicher dynamisch oder fest reserviert RPO vs. RTO Datenverlust vs. Ausfallzeit Applikationskonsistenz Wichtig bei Datenbanken und AD Offsite/Immutable Schutz vor Standortausfall und Ransomware Restore-Test Backup muss wiederherstellbar sein Der nächste logische Schritt ist: Cluster und Hochverfügbarkeit 13.5 Cluster und Hochverfügbarkeit Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Auf den vorherigen Seiten ging es um Server-Grundlagen, Virtualisierung, Hypervisor-Verwaltung, Storage, Snapshots und Backups. Jetzt geht es um: Cluster und Hochverfügbarkeit Diese Themen sind wichtig, weil Dienste möglichst zuverlässig erreichbar bleiben sollen, auch wenn einzelne Systeme oder Komponenten ausfallen. Grundidee Ein einzelner Server kann ausfallen. Mögliche Ursachen: Ursache Beispiel Hardwaredefekt Netzteil, Mainboard, RAM oder Festplatte defekt Softwarefehler Betriebssystem oder Dienst stürzt ab Wartung Updates oder Hardwaretausch Netzwerkproblem Switch, Kabel oder Netzwerkkarte defekt Stromausfall Server verliert Strom Storageproblem Datenspeicher nicht erreichbar Wenn ein wichtiger Dienst nur auf einem einzelnen Server läuft, ist dieser Server ein Risiko. Ein Cluster soll dieses Risiko verringern. Was ist ein Cluster? Ein Cluster ist ein Zusammenschluss mehrerer Server, die gemeinsam arbeiten. Die einzelnen Server im Cluster nennt man Nodes oder Knoten . Beispiel: Cluster Nodes Virtualisierungscluster HV01, HV02, HV03 Datenbankcluster DB01, DB02 Webserver-Cluster WEB01, WEB02, WEB03 Ziel ist meist: Ziel Bedeutung Hochverfügbarkeit Dienste sollen bei Ausfall weiterlaufen oder schnell wieder starten Lastverteilung Arbeit wird auf mehrere Systeme verteilt Skalierbarkeit Weitere Systeme können ergänzt werden Wartbarkeit Einzelne Systeme können gewartet werden Merksatz Ein Cluster ist ein Verbund mehrerer Server, die gemeinsam Dienste bereitstellen oder absichern. Was bedeutet Hochverfügbarkeit? Hochverfügbarkeit bedeutet, dass ein Dienst möglichst dauerhaft erreichbar bleibt. Ein System ist hochverfügbar, wenn Ausfälle einzelner Komponenten nicht sofort zum Ausfall des gesamten Dienstes führen. Beispiel: Ein Unternehmen betreibt wichtige virtuelle Maschinen auf drei Hypervisor-Hosts. Wenn ein Host ausfällt, können die VMs auf einem anderen Host neu gestartet werden. Hochverfügbarkeit bedeutet nicht immer unterbrechungsfrei Wichtig: Hochverfügbarkeit bedeutet nicht automatisch, dass es gar keine Unterbrechung gibt. Oft gibt es eine kurze Unterbrechung. Beispiel: Situation Ergebnis Host fällt aus VM wird auf anderem Host neu gestartet Dienst startet neu Benutzer merken kurze Unterbrechung Cluster erkennt Fehler Automatisches Failover erfolgt Merksatz: Hochverfügbarkeit reduziert Ausfallzeiten, verhindert sie aber nicht immer vollständig. Verfügbarkeit Verfügbarkeit beschreibt, wie zuverlässig ein Dienst erreichbar ist. Beispiel: Verfügbarkeit Bedeutung 99 % Dienst darf ca. 3,65 Tage pro Jahr ausfallen 99,9 % Dienst darf ca. 8,76 Stunden pro Jahr ausfallen 99,99 % Dienst darf ca. 52,6 Minuten pro Jahr ausfallen 99,999 % Dienst darf ca. 5,26 Minuten pro Jahr ausfallen Je höher die gewünschte Verfügbarkeit, desto aufwendiger und teurer wird die technische Umsetzung. Warum Hochverfügbarkeit wichtig ist Viele IT-Dienste sind für Unternehmen kritisch. Beispiele: Dienst Auswirkung bei Ausfall Domain Controller Anmeldung kann gestört sein DNS Systeme können Namen nicht auflösen DHCP Neue Clients bekommen keine IP-Konfiguration Fileserver Benutzer kommen nicht an Dateien Datenbankserver Anwendungen funktionieren nicht Webserver Webseite oder Portal nicht erreichbar Mailserver E-Mail-Kommunikation gestört ERP-System Geschäftsprozesse betroffen Single Point of Failure Ein Single Point of Failure ist eine einzelne Komponente, deren Ausfall einen Dienst oder ein ganzes System lahmlegen kann. Beispiele: Single Point of Failure Risiko Einziger Server Dienst fällt komplett aus Einziger Switch Netzwerk nicht erreichbar Einziges Netzteil Server geht aus Einziger Storage VM-Daten nicht erreichbar Einzige Internetleitung Externer Zugriff fällt aus Einziger Domain Controller Anmeldung und DNS gefährdet Cluster und Redundanz sollen Single Points of Failure reduzieren. Redundanz Redundanz bedeutet, dass wichtige Komponenten mehrfach vorhanden sind. Beispiele: Komponente Redundanz Server Mehrere Cluster-Nodes Netzteil Zwei Netzteile Netzwerk Mehrere Netzwerkkarten Switch Zwei Switches Storage RAID, Replikation oder verteiltes Storage Internet Zweite Leitung Dienste Mehrere Server mit gleicher Rolle Merksatz: Redundanz bedeutet, dass eine kritische Komponente nicht nur einmal vorhanden ist. Cluster-Node Ein Cluster-Node ist ein einzelner Server innerhalb eines Clusters. Beispiel: Node Aufgabe HV01 Virtualisierungshost 1 HV02 Virtualisierungshost 2 HV03 Virtualisierungshost 3 Alle Nodes zusammen bilden den Cluster. Cluster-Ressource Eine Cluster-Ressource ist ein Dienst, eine VM, eine IP-Adresse oder ein Speicherbereich, der vom Cluster verwaltet wird. Beispiele: Cluster-Ressource Erklärung Virtuelle Maschine Kann auf verschiedenen Hosts laufen IP-Adresse Wird einem aktiven Dienst zugeordnet Dateifreigabe Wird vom aktiven Node bereitgestellt Datenbankdienst Kann auf anderem Node starten Storage Gemeinsamer Speicherbereich Anwendung Wird vom Cluster überwacht Failover Failover bedeutet, dass ein Dienst bei Ausfall eines Systems auf ein anderes System wechselt. Beispiel: Schritt Ereignis 1 VM läuft auf HV01 2 HV01 fällt aus 3 Cluster erkennt den Ausfall 4 VM wird auf HV02 neu gestartet 5 Dienst ist wieder erreichbar Merksatz: Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall. Failback Failback bedeutet, dass ein Dienst nach der Reparatur wieder auf das ursprüngliche System zurückverschoben wird. Beispiel: Schritt Ereignis 1 VM läuft ursprünglich auf HV01 2 HV01 fällt aus 3 VM wird auf HV02 gestartet 4 HV01 wird repariert 5 VM wird zurück auf HV01 verschoben Failback kann automatisch oder manuell erfolgen. Automatisches Failover Beim automatischen Failover erkennt der Cluster einen Fehler selbst und startet die betroffene Ressource auf einem anderen Node. Vorteile: Vorteil Erklärung Schnelle Reaktion Kein manuelles Eingreifen nötig Weniger Ausfallzeit Dienst schneller wieder verfügbar Bessere Verfügbarkeit Besonders bei kritischen Diensten Nachteil: Automatisches Failover muss gut geplant werden, damit es nicht durch Fehlalarme oder Netzwerkprobleme zu unerwünschten Umschaltungen kommt. Manuelles Failover Beim manuellen Failover stößt ein Administrator die Umschaltung bewusst an. Typische Gründe: Grund Beispiel Wartung Node soll aktualisiert werden Test Failover-Funktion prüfen Lastverteilung Ressource auf anderen Node verschieben Fehleranalyse Dienst bewusst verlagern Manuelles Failover ist kontrollierter, aber nicht so schnell wie automatisches Failover. Heartbeat Heartbeat ist ein regelmäßiges Signal zwischen Cluster-Nodes. Damit prüfen die Nodes gegenseitig, ob sie noch erreichbar sind. Beispiel: Node Signal HV01 sendet Heartbeat HV02 sendet Heartbeat HV03 sendet Heartbeat Wenn ein Node keine Heartbeat-Signale mehr sendet, kann der Cluster einen Ausfall vermuten. Heartbeat ist nicht gleich echter Serverausfall Ein fehlender Heartbeat kann verschiedene Ursachen haben. Ursache Bedeutung Server ist wirklich ausgefallen Node ist nicht mehr aktiv Netzwerkproblem Node lebt, ist aber nicht erreichbar Switchproblem Verbindung zwischen Nodes gestört Firewallproblem Heartbeat wird blockiert Überlastung Node reagiert zu langsam Deshalb braucht ein Cluster zusätzliche Entscheidungsmechanismen wie Quorum. Quorum Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus in einem Cluster. Es legt fest, welcher Teil eines Clusters weiterarbeiten darf. Ziel: Der Cluster soll auch bei Kommunikationsproblemen eine eindeutige Entscheidung treffen können. Merksatz: Quorum verhindert, dass mehrere Cluster-Teile gleichzeitig unabhängig voneinander aktiv werden. Warum Quorum wichtig ist Beispiel: Ein Cluster besteht aus zwei Nodes. Die Netzwerkverbindung zwischen beiden Nodes bricht ab. Problem: Beide Nodes könnten denken: Der andere Node ist ausgefallen, also übernehme ich. Wenn beide gleichzeitig aktiv werden und auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption kommen. Quorum soll genau das verhindern. Split-Brain Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand in einem Cluster. Dabei verlieren Cluster-Teile die Verbindung zueinander und arbeiten gleichzeitig weiter, obwohl sie nicht mehr sauber koordiniert sind. Problem: Beide Seiten können glauben, sie seien der aktive Cluster. Mögliche Folgen: Folge Erklärung Datenkorruption Mehrere Systeme schreiben auf dieselben Daten Inkonsistente Dienste Unterschiedliche Zustände Datenverlust Änderungen können verloren gehen Komplexe Wiederherstellung Manuelle Reparatur nötig Merksatz: Split-Brain ist ein gefährlicher Cluster-Zustand, bei dem getrennte Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden. Witness Ein Witness ist eine zusätzliche Entscheidungsinstanz für das Quorum. Er hilft dem Cluster, eine Mehrheit zu bilden. Beispiele: Witness-Art Erklärung File Share Witness Netzwerkfreigabe als Zeuge Disk Witness Gemeinsamer Datenträger als Zeuge Cloud Witness Cloud-Dienst als Zeuge Besonders bei Clustern mit gerader Node-Anzahl ist ein Witness wichtig. Beispiel mit zwei Nodes und Witness Komponente Stimme Node 1 1 Stimme Node 2 1 Stimme Witness 1 Stimme Wenn Node 1 die Verbindung zu Node 2 verliert, entscheidet die Mehrheit. Der Teil, der noch die Mehrheit besitzt, darf weiterarbeiten. Aktiv/Passiv-Cluster Bei einem Aktiv/Passiv-Cluster ist ein Node aktiv und ein anderer Node wartet als Reserve. Beispiel: Node Zustand Node 1 Aktiv Node 2 Passiv / Standby Wenn Node 1 ausfällt, übernimmt Node 2. Vorteile: Vorteil Erklärung Einfaches Konzept Leicht verständlich Klare Zuständigkeit Ein aktives System Gute Absicherung Reserve steht bereit Nachteile: Nachteil Erklärung Ressourcen ungenutzt Passiver Node macht im Normalbetrieb wenig Teurer Hardware wird als Reserve vorgehalten Aktiv/Aktiv-Cluster Bei einem Aktiv/Aktiv-Cluster arbeiten mehrere Nodes gleichzeitig. Beispiel: Node Zustand Node 1 Aktiv Node 2 Aktiv Node 3 Aktiv Vorteile: Vorteil Erklärung Bessere Ressourcennutzung Alle Nodes arbeiten Skalierbarkeit Last kann verteilt werden Flexibilität Dienste können verteilt laufen Nachteile: Nachteil Erklärung Komplexer Planung und Konfiguration aufwendiger Abhängigkeiten Anwendungen müssen dafür geeignet sein Failover-Reserve nötig Trotz Aktiv/Aktiv muss Kapazität für Ausfälle bleiben Aktiv/Passiv vs. Aktiv/Aktiv Merkmal Aktiv/Passiv Aktiv/Aktiv Normalbetrieb Ein Node aktiv, einer wartet Mehrere Nodes aktiv Ressourcennutzung Weniger effizient Effizienter Komplexität Einfacher Komplexer Beispiel Datenbankdienst mit Standby Mehrere Webserver Failover Passiver Node übernimmt Andere aktive Nodes übernehmen zusätzlich High Availability High Availability bedeutet Hochverfügbarkeit. Ziel: Ein Dienst soll möglichst wenig ausfallen. Typische Maßnahmen: Maßnahme Wirkung Mehrere Server Ausfall eines Servers abfangen Redundantes Netzwerk Netzwerkfehler reduzieren Redundanter Storage Speicherverfügbarkeit erhöhen Monitoring Fehler erkennen Failover Dienst auf anderem System starten Backups Wiederherstellung ermöglichen USV Stromausfälle abfangen Fault Tolerance Fault Tolerance bedeutet Fehlertoleranz. Dabei soll ein Dienst möglichst ohne Unterbrechung weiterlaufen, auch wenn eine Komponente ausfällt. Unterschied: Begriff Bedeutung High Availability Dienst wird nach Ausfall schnell wiederhergestellt Fault Tolerance Dienst läuft möglichst ohne merkbare Unterbrechung weiter Fault Tolerance ist technisch aufwendiger als normale Hochverfügbarkeit. Hochverfügbarkeit vs. Backup Hochverfügbarkeit und Backup sind nicht dasselbe. Hochverfügbarkeit Backup Soll Ausfallzeit reduzieren Soll Daten wiederherstellen Hilft bei Hardware- oder Dienstausfall Hilft bei Datenverlust Arbeitet oft automatisch Restore muss geplant werden Schützt nicht vor falschen Daten Kann ältere Zustände wiederherstellen Kein Ersatz für Backup Kein Ersatz für HA Beispiel: Wenn eine Datei gelöscht wird, repliziert oder übernimmt ein HA-System diesen Zustand eventuell ebenfalls. Ein Backup kann eine ältere Version wiederherstellen. Cluster vs. Backup Ein Cluster schützt nicht automatisch vor Datenverlust. Beispiel: Ereignis Hilft Cluster? Hilft Backup? Host fällt aus Ja Nicht primär Dienst stürzt ab Teilweise Nicht primär Datei gelöscht Nein Ja Ransomware verschlüsselt Daten Nein Ja, wenn Backup geschützt ist Storage komplett defekt Nur bei redundantem Storage Ja, wenn Backup getrennt liegt Fehlkonfiguration Teilweise nein Ja, wenn alter Stand vorhanden Merksatz: Ein Cluster erhöht Verfügbarkeit, ein Backup schützt vor Datenverlust. Beides wird benötigt. Virtualisierungscluster Ein Virtualisierungscluster besteht aus mehreren Hypervisor-Hosts. Darauf laufen virtuelle Maschinen. Beispiel: Node Aufgabe HV01 Host für VMs HV02 Host für VMs HV03 Host für VMs Wenn ein Host ausfällt, können VMs auf einem anderen Host neu gestartet werden. Beispiel Virtualisierungscluster VM Läuft aktuell auf DC01 HV01 FILE01 HV01 WEB01 HV02 DB01 HV03 MON01 HV02 Wenn HV01 ausfällt: VM Neuer Host DC01 HV02 FILE01 HV03 Voraussetzung: Die anderen Hosts müssen genug freie Ressourcen haben. Ressourcenreserve im Cluster Ein Cluster braucht Reserven. Wenn ein Node ausfällt, müssen die verbleibenden Nodes dessen VMs übernehmen können. Beispiel: Cluster Problem 3 Hosts, alle zu 100 % ausgelastet Kein Host-Ausfall abfangbar 3 Hosts mit Reserve Ausfall eines Hosts kann abgefangen werden Merksatz: Ein Cluster ohne freie Ressourcen kann kein sinnvolles Failover leisten. N+1-Prinzip N+1 bedeutet: Es gibt eine zusätzliche Reservekomponente. Beispiel: Für die normale Last werden zwei Hosts benötigt. Ein dritter Host ist als Reserve vorhanden. Benötigt Vorhanden 2 Hosts 3 Hosts Wenn ein Host ausfällt, können die verbleibenden Hosts die Last übernehmen. N+2-Prinzip N+2 bedeutet: Es gibt zwei zusätzliche Reservekomponenten. Beispiel: Für die normale Last werden drei Hosts benötigt. Es sind fünf Hosts vorhanden. Benötigt Vorhanden 3 Hosts 5 Hosts Dadurch kann der Cluster den Ausfall von zwei Hosts besser verkraften. Shared Storage im Cluster Shared Storage ist gemeinsamer Speicher, auf den mehrere Cluster-Nodes zugreifen können. Beispiel: Host Zugriff auf Storage HV01 Ja HV02 Ja HV03 Ja Vorteil: Wenn eine VM auf einem anderen Host gestartet werden soll, kann dieser Host direkt auf die VM-Daten zugreifen. Beispiele für Shared Storage Storage-Art Erklärung SAN Storage Area Network NAS Network Attached Storage iSCSI Blockspeicher über IP Fibre Channel Dediziertes Storage-Netz NFS Netzwerkdateisystem SMB 3.0 Dateifreigabe für bestimmte Hyper-V-Szenarien Risiko bei Shared Storage Shared Storage kann selbst ein Single Point of Failure sein. Beispiel: Wenn alle Hosts auf denselben Storage zugreifen und dieser Storage ausfällt, sind alle VMs betroffen. Deshalb muss auch der Storage redundant geplant werden. Maßnahmen: Maßnahme Wirkung RAID Schutz vor Festplattenausfall Redundante Controller Schutz vor Controllerdefekt Mehrere Netzwege Schutz vor Netzwerkfehler Zwei Switches Schutz vor Switchausfall Replikation Kopie auf anderem Storage Backup Wiederherstellung bei Datenverlust Shared-Nothing-Cluster Bei einem Shared-Nothing-Cluster hat jeder Node eigenen lokalen Speicher. Die Daten werden zwischen den Nodes repliziert oder verteilt. Beispiele: Technologie Prinzip Ceph Verteilter Storage VMware vSAN Verteilter Speicher über Hosts Storage Spaces Direct Microsoft verteilter Storage GlusterFS Verteiltes Dateisystem Vorteil: Kein einzelner zentraler Storage muss zwingend vorhanden sein. Nachteil: Die Einrichtung ist komplexer und benötigt ein gutes Netzwerk. Cluster-Netzwerke Ein Cluster verwendet oft mehrere getrennte Netzwerke. Beispiele: Netzwerk Aufgabe Management-Netz Verwaltung der Hosts VM-Netz Netzwerkverkehr der virtuellen Maschinen Storage-Netz Zugriff auf SAN, NAS, iSCSI oder NFS Migration-Netz Live Migration von VMs Cluster-Heartbeat Überwachung der Nodes Backup-Netz Datenverkehr für Sicherungen Diese Trennung kann physisch oder über VLANs erfolgen. Warum Netztrennung wichtig ist Grund Erklärung Sicherheit Management und Storage nicht im normalen Clientnetz Performance Storage- und Backupverkehr stören nicht den Benutzerverkehr Übersicht Klare Trennung der Aufgaben Fehlerbegrenzung Probleme in einem Netz betreffen nicht alles Hochverfügbarkeit Redundante Wege möglich Live Migration im Cluster Live Migration bedeutet, dass eine laufende VM von einem Host auf einen anderen Host verschoben wird. Beispiel: Vorher Nachher VM läuft auf HV01 VM läuft auf HV02 Die VM soll dabei weiterlaufen. Nutzen: Situation Vorteil Wartung Host kann aktualisiert werden Lastverteilung VMs können besser verteilt werden Hardwaretausch VM vorher verschieben Clusterbetrieb Flexible Verwaltung Failover vs. Live Migration Begriff Situation Unterbrechung Failover Fehler oder Ausfall Häufig kurze Unterbrechung Live Migration Geplante Verschiebung Möglichst keine Unterbrechung Beispiel: Situation Richtiger Begriff Host fällt plötzlich aus Failover Admin verschiebt VM vor Wartung Live Migration Wartungsmodus Ein Cluster-Node kann in den Wartungsmodus versetzt werden. Typischer Ablauf: Schritt Erklärung Wartungsmodus aktivieren Host soll keine produktiven VMs mehr betreiben VMs migrieren VMs auf andere Hosts verschieben Updates installieren Host aktualisieren Neustart durchführen Falls nötig Funktion prüfen Host kontrollieren Wartungsmodus beenden Host wieder nutzen Wartungsmodus hilft, geplante Arbeiten ohne unnötige Ausfälle durchzuführen. Cluster-Monitoring Ein Cluster muss überwacht werden. Wichtige Werte: Bereich Messwert Nodes Online, offline, Fehler VMs Läuft, gestoppt, migriert Ressourcen CPU, RAM, Storage Netzwerk Heartbeat, Paketverlust, Latenz Storage Freier Speicher, IOPS, Latenz Failover-Ereignisse Wann wurde umgeschaltet? Quorum Ist Quorum vorhanden? Backups Erfolgreich oder fehlgeschlagen? Cluster-Logs Cluster-Logs helfen bei Fehlersuche. Typische Fragen: Frage Warum wichtig? Warum wurde ein Failover ausgelöst? Ursache finden Welcher Node war betroffen? Fehler eingrenzen Gab es Heartbeat-Probleme? Netzwerk prüfen War Storage erreichbar? Storagefehler erkennen Gab es Ressourcenmangel? Kapazität prüfen Wurde Quorum verloren? Split-Brain-Risiko prüfen Cluster und Updates Updates in einem Cluster müssen geplant werden. Typischer Ablauf: Schritt Erklärung Backup prüfen Sicherung vorhanden? Clusterzustand prüfen Alle Nodes gesund? Node in Wartungsmodus setzen Keine produktiven VMs dort VMs verschieben Live Migration nutzen Updates installieren Host aktualisieren Neustart durchführen Falls erforderlich Funktion prüfen Node wieder gesund? Nächsten Node aktualisieren Schrittweise vorgehen Merksatz: Cluster-Updates sollten nacheinander und kontrolliert erfolgen, nicht auf allen Nodes gleichzeitig. Cluster und Backup Auch in einem Cluster braucht man Backups. Warum? Risiko Cluster reicht nicht Datei wird gelöscht Löschung bleibt im Cluster gültig Datenbank wird beschädigt Beschädigung kann repliziert werden Ransomware Daten können überall verschlüsselt werden Fehlkonfiguration Falscher Zustand bleibt aktiv Storagefehler Cluster hilft nur bei passender Storage-Redundanz Deshalb: Cluster und Backup gehören zusammen. Clusterfähige Anwendungen Nicht jede Anwendung ist automatisch clusterfähig. Eine Anwendung ist clusterfähig, wenn sie in einer Umgebung mit mehreren Systemen zuverlässig betrieben werden kann. Beispiele: Anwendung / Dienst Clusterfähigkeit Webserver Meist gut skalierbar Datenbank Benötigt spezielle Cluster- oder Replikationsfunktion Dateiserver Benötigt gemeinsamen oder replizierten Speicher Alte Einzelplatzsoftware Oft nicht geeignet Domain Controller Mehrere DCs möglich, aber kein klassischer Failover-Cluster Stateful und Stateless Für Cluster ist wichtig, ob eine Anwendung zustandsbehaftet oder zustandslos arbeitet. Begriff Bedeutung Stateless Server speichert keinen wichtigen Sitzungszustand lokal Stateful Server speichert Sitzungszustand oder lokale Daten Stateless-Anwendungen sind einfacher zu skalieren. Stateful-Anwendungen brauchen besondere Konzepte wie gemeinsamen Speicher, Replikation oder Session-Persistenz. Beispiel Stateless Ein Webserver liefert statische Webseiten aus. Mehrere Webserver können dieselben Dateien bereitstellen. Ein Load Balancer verteilt Anfragen. Wenn ein Webserver ausfällt, übernimmt ein anderer. Das ist vergleichsweise einfach. Beispiel Stateful Eine Datenbank speichert laufend Transaktionen. Mehrere Datenbankserver müssen genau wissen, welche Daten aktuell gültig sind. Das ist deutlich komplexer. Hier braucht man Replikation, Failover-Konzepte oder spezielle Datenbankcluster. Clusterarten Es gibt verschiedene Arten von Clustern. Clusterart Ziel Failover-Cluster Dienst bei Ausfall auf anderem Node starten Load-Balancing-Cluster Anfragen auf mehrere Systeme verteilen Storage-Cluster Speicher verteilt oder hochverfügbar bereitstellen Datenbank-Cluster Datenbank hochverfügbar oder skalierbar betreiben Virtualisierungscluster VMs auf mehreren Hosts betreiben Container-Cluster Container auf mehreren Nodes betreiben Failover-Cluster Ein Failover-Cluster ist darauf ausgelegt, Dienste bei Ausfall auf einem anderen Node weiterzuführen oder neu zu starten. Typische Beispiele: Einsatz Beispiel Virtualisierung VM startet auf anderem Host Dateiserver Dateidienst wechselt auf anderen Node Datenbank Datenbankinstanz übernimmt auf anderem Node Anwendung Dienst startet auf Ersatzsystem Load-Balancing-Cluster Ein Load-Balancing-Cluster verteilt Anfragen auf mehrere aktive Systeme. Beispiel: System Aufgabe Load Balancer Verteilt Anfragen WEB01 Webserver WEB02 Webserver WEB03 Webserver Ziel: Ziel Erklärung Mehr Leistung Mehrere Server teilen sich Arbeit Bessere Verfügbarkeit Ausfall eines Servers kann abgefangen werden Skalierbarkeit Weitere Server können ergänzt werden Load Balancing wird auf einer eigenen Seite genauer behandelt. Failover-Cluster vs. Load Balancing Merkmal Failover-Cluster Load Balancing Hauptziel Ausfallsicherheit Lastverteilung Normalbetrieb Oft eine aktive Ressource Mehrere Systeme aktiv Ausfall Ressource wechselt oder startet neu Anfragen gehen an andere Server Beispiel VM startet auf anderem Host Webanfragen auf WEB01/WEB02 Typische Dienste VMs, Datenbanken, Dateiserver Webserver, APIs, Anwendungen Cluster in Windows-Umgebungen In Windows-Umgebungen gibt es den Failover Cluster. Typische Begriffe: Begriff Bedeutung Failover Cluster Microsoft-Clusterfunktion Cluster Node Server im Cluster Cluster Resource Verwaltete Ressource CSV Cluster Shared Volume Quorum Entscheidungsmechanismus Witness Zusätzlicher Zeuge Live Migration VM wird laufend verschoben Cluster in VMware-Umgebungen In VMware-Umgebungen sind typische Begriffe: Begriff Bedeutung ESXi Hypervisor vCenter Zentrale Verwaltung vMotion Live Migration HA Hochverfügbarkeit DRS Automatische Lastverteilung Datastore Speicherbereich Cluster Gruppe von ESXi-Hosts Cluster in Proxmox-Umgebungen In Proxmox-Umgebungen gibt es ebenfalls Clusterfunktionen. Typische Begriffe: Begriff Bedeutung Node Einzelner Proxmox-Host Cluster Zusammenschluss mehrerer Nodes HA Manager Verwaltung hochverfügbarer Ressourcen Ceph Verteilter Storage Quorum Mehrheitsentscheidung Migration VM oder Container verschieben VMID Eindeutige ID einer VM oder eines Containers Cluster in Container-Umgebungen Container können ebenfalls in Clustern betrieben werden. Beispiele: Plattform Bedeutung Kubernetes Container-Orchestrierung Docker Swarm Einfacherer Container-Cluster Nomad Workload-Orchestrierung Typische Funktionen: Funktion Erklärung Scheduling Container auf Nodes verteilen Self-Healing Fehlerhafte Container neu starten Scaling Mehr Instanzen starten Service Discovery Dienste auffindbar machen Rolling Updates Schrittweise Updates durchführen Kapazitätsplanung im Cluster Ein Cluster muss so geplant werden, dass ein Ausfall abgefangen werden kann. Wichtige Fragen: Frage Bedeutung Wie viele Nodes gibt es? Grundstruktur Wie viele Nodes dürfen ausfallen? Verfügbarkeitsziel Reicht CPU nach Ausfall? VMs müssen weiterlaufen Reicht RAM nach Ausfall? RAM ist oft kritisch Reicht Storage? VM-Daten und Snapshots Reicht Netzwerkbandbreite? Migration, Storage, Backup Gibt es Quorum? Cluster muss entscheiden können Beispiel Kapazitätsplanung Ein Cluster hat drei Hosts. Jeder Host hat: Ressource Wert CPU 32 Kerne RAM 256 GB Storagezugriff Shared Storage Wenn ein Host ausfällt, müssen zwei Hosts die Last von drei Hosts tragen können. Deshalb sollte der Cluster nicht dauerhaft zu stark ausgelastet sein. Typische Fehler bei Clustern Fehler Auswirkung Kein Quorum-Konzept Split-Brain-Gefahr Kein Witness bei zwei Nodes Unsichere Mehrheitsentscheidung Cluster voll ausgelastet Failover nicht möglich Shared Storage nicht redundant Storage bleibt Single Point of Failure Keine Netzwerkredundanz Heartbeat oder Storage fällt aus Kein Backup Cluster schützt nicht vor Datenverlust Keine Dokumentation Fehlersuche wird schwierig Keine Failover-Tests Funktion im Ernstfall unsicher Updates auf allen Nodes gleichzeitig Gesamtausfall möglich Monitoring fehlt Probleme werden zu spät erkannt Gute Praxis bei Clustern Empfehlung Grund Quorum sauber planen Split-Brain verhindern Witness verwenden Besonders bei gerader Node-Anzahl Ressourcenreserve einplanen Failover ermöglichen Storage redundant auslegen Storage-Ausfall vermeiden Netzwerk redundant auslegen Heartbeat, Storage und Migration absichern Cluster regelmäßig testen Failover-Funktion prüfen Backups unabhängig halten Schutz vor Datenverlust Dokumentation pflegen Betrieb nachvollziehbar machen Monitoring einrichten Fehler früh erkennen Updates schrittweise durchführen Ausfallrisiko senken Prüfungsnahes Beispiel 1 Aufgabe: Ein Unternehmen betreibt eine wichtige VM auf einem einzelnen Hypervisor-Host. Wenn dieser Host ausfällt, ist die VM nicht verfügbar. Frage: Welche Lösung verbessert die Verfügbarkeit? Mögliche Antwort: Eine Lösung wäre ein Virtualisierungscluster aus mehreren Hosts. Die VM kann dann bei Ausfall eines Hosts auf einem anderen Host neu gestartet werden. Zusätzlich werden gemeinsamer oder replizierter Storage, Netzwerkredundanz, Monitoring und Backups benötigt. Prüfungsnahes Beispiel 2 Aufgabe: Ein Cluster mit zwei Nodes verliert die Netzwerkverbindung zwischen den Nodes. Beide Nodes greifen auf denselben Speicher zu. Frage: Welches Risiko entsteht? Mögliche Antwort: Es besteht die Gefahr eines Split-Brain-Zustands. Beide Nodes könnten glauben, dass der jeweils andere ausgefallen ist und gleichzeitig aktiv werden. Wenn beide auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption kommen. Ein korrektes Quorum mit Witness soll das verhindern. Prüfungsnahes Beispiel 3 Aufgabe: Ein Unternehmen hat einen Drei-Node-Cluster. Alle Hosts sind dauerhaft zu 95 Prozent ausgelastet. Frage: Warum ist das problematisch? Mögliche Antwort: Bei Ausfall eines Nodes müssten die verbleibenden Hosts dessen Last übernehmen. Wenn sie bereits fast vollständig ausgelastet sind, reicht die Kapazität dafür nicht aus. Ein Cluster benötigt Ressourcenreserven, zum Beispiel nach dem N+1-Prinzip. Prüfungsnahes Beispiel 4 Aufgabe: Ein Administrator meint: „Wir brauchen keine Backups, weil unsere Server im Cluster laufen.“ Frage: Warum ist diese Aussage falsch? Mögliche Antwort: Ein Cluster erhöht die Verfügbarkeit, schützt aber nicht zuverlässig vor Datenverlust. Versehentlich gelöschte Dateien, Ransomware, Datenkorruption oder Fehlkonfigurationen können im Cluster ebenfalls wirksam werden. Backups sind weiterhin notwendig. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Cluster? Mögliche Antwort: Ein Cluster ist ein Zusammenschluss mehrerer Server, die gemeinsam Dienste bereitstellen oder absichern. Ziel ist meistens Hochverfügbarkeit, Lastverteilung, Skalierbarkeit oder bessere Wartbarkeit. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Cluster-Node? Mögliche Antwort: Ein Cluster-Node ist ein einzelner Server innerhalb eines Clusters. Mehrere Nodes bilden zusammen den Cluster. Typische Prüfungsfrage: Was ist Failover? Mögliche Antwort: Failover bedeutet, dass ein Dienst oder eine Ressource bei Ausfall eines Systems auf ein anderes System wechselt oder dort neu gestartet wird. Dadurch wird die Ausfallzeit reduziert. Typische Prüfungsfrage: Was ist Failback? Mögliche Antwort: Failback bedeutet, dass ein Dienst nach der Reparatur oder Wiederverfügbarkeit des ursprünglichen Systems wieder dorthin zurückverschoben wird. Typische Prüfungsfrage: Was ist Quorum? Mögliche Antwort: Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus in einem Cluster. Es legt fest, welcher Teil des Clusters weiterarbeiten darf. Dadurch wird verhindert, dass mehrere Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden und Daten beschädigen. Typische Prüfungsfrage: Was ist Split-Brain? Mögliche Antwort: Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand, bei dem getrennte Cluster-Teile gleichzeitig glauben, aktiv sein zu dürfen. Wenn beide Seiten auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption kommen. Quorum und Witness helfen, Split-Brain zu verhindern. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Witness? Mögliche Antwort: Ein Witness ist eine zusätzliche Entscheidungsinstanz in einem Cluster. Er hilft beim Quorum, eine Mehrheit zu bilden. Beispiele sind File Share Witness, Disk Witness oder Cloud Witness. Typische Prüfungsfrage: Unterschied Aktiv/Passiv und Aktiv/Aktiv Aktiv/Passiv Aktiv/Aktiv Ein Node ist aktiv, ein anderer wartet Mehrere Nodes arbeiten gleichzeitig Einfacher Aufbau Bessere Ressourcennutzung Passiver Node als Reserve Alle Nodes können produktiv genutzt werden Beispiel: Dienst mit Standby-Node Beispiel: mehrere Webserver Typische Prüfungsfrage: Unterschied Hochverfügbarkeit und Fehlertoleranz Hochverfügbarkeit Fehlertoleranz Dienst wird nach Ausfall schnell wiederhergestellt Dienst läuft möglichst ohne Unterbrechung weiter Kurze Unterbrechung möglich Möglichst keine merkbare Unterbrechung Häufiger in normalen IT-Umgebungen Technisch aufwendiger Typische Prüfungsfrage: Warum braucht ein Cluster trotzdem Backups? Mögliche Antwort: Ein Cluster schützt vor Ausfällen einzelner Systeme, aber nicht vor versehentlichem Löschen, Ransomware, Datenkorruption oder Fehlkonfiguration. Backups werden benötigt, um ältere oder saubere Datenstände wiederherzustellen. Typische Prüfungsfrage: Was ist der Unterschied zwischen Failover und Live Migration? Failover Live Migration Reaktion auf Fehler oder Ausfall Geplante Verschiebung Häufig kurze Unterbrechung Möglichst ohne Unterbrechung Beispiel: Host fällt aus Beispiel: Wartung eines Hosts Typische Prüfungsfrage: Warum braucht ein Cluster Ressourcenreserven? Mögliche Antwort: Wenn ein Node ausfällt, müssen die verbleibenden Nodes dessen Dienste oder VMs übernehmen können. Sind alle Nodes bereits voll ausgelastet, ist kein zuverlässiges Failover möglich. Deshalb braucht ein Cluster freie CPU-, RAM-, Storage- und Netzwerkressourcen. Wichtige Begriffe Begriff Kurz erklärt Cluster Verbund mehrerer Server Node Einzelner Server im Cluster Cluster-Ressource Vom Cluster verwalteter Dienst oder Objekt Hochverfügbarkeit Dienst soll möglichst wenig ausfallen Failover Übernahme bei Ausfall Failback Rückkehr auf ursprüngliches System Heartbeat Regelmäßiges Signal zwischen Nodes Quorum Entscheidungsmechanismus im Cluster Witness Zusätzlicher Zeuge für Quorum Split-Brain Getrennte Cluster-Teile werden gleichzeitig aktiv Aktiv/Passiv Ein aktiver Node, ein Standby-Node Aktiv/Aktiv Mehrere Nodes arbeiten gleichzeitig High Availability Hochverfügbarkeit Fault Tolerance Fehlertoleranz Shared Storage Gemeinsamer Speicher Shared-Nothing Kein zentral gemeinsamer Speicher N+1 Eine Reservekomponente N+2 Zwei Reservekomponenten Wartungsmodus Node für Wartung vorbereiten Live Migration Laufende VM verschieben Single Point of Failure Einzelne kritische Ausfallstelle Redundanz Kritische Komponenten mehrfach vorhanden Wichtige Merksätze Ein Cluster ist ein Verbund mehrerer Server, die gemeinsam Dienste bereitstellen oder absichern. Hochverfügbarkeit reduziert Ausfallzeiten, verhindert aber nicht automatisch jede Unterbrechung. Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall. Failback bedeutet Rückkehr auf das ursprüngliche System. Heartbeat dient zur Überwachung der Cluster-Nodes. Quorum verhindert gefährliche Split-Brain-Situationen. Ein Witness hilft dem Cluster bei der Mehrheitsentscheidung. Ein Cluster braucht Ressourcenreserven, sonst kann er keinen Ausfall abfangen. Shared Storage muss ebenfalls redundant geplant werden. Ein Cluster ersetzt kein Backup. Snapshots ersetzen kein Backup. RAID ersetzt kein Backup. Live Migration ist für geplante Verschiebungen, Failover für Fehlerfälle. Kurzzusammenfassung Cluster und Hochverfügbarkeit dienen dazu, wichtige IT-Dienste zuverlässiger bereitzustellen. Ein Cluster besteht aus mehreren Nodes. Diese Nodes können Dienste, virtuelle Maschinen oder andere Ressourcen gemeinsam verwalten. Wichtige Ziele sind: Ziel Bedeutung Hochverfügbarkeit Weniger Ausfallzeit Failover Übernahme bei Ausfall Wartbarkeit Systeme können nacheinander gewartet werden Skalierbarkeit Weitere Nodes können ergänzt werden Redundanz Einzelne Ausfälle besser abfangen Besonders wichtig sind: Thema Kerngedanke Quorum Eindeutige Entscheidung im Cluster Witness Hilft bei Mehrheitsentscheidung Split-Brain Gefährlicher Zustand bei Kommunikationsverlust Ressourcenreserve Notwendig für echtes Failover Shared Storage Praktisch, aber selbst kritisch Backup Weiterhin zwingend notwendig Monitoring Fehler früh erkennen Dokumentation Betrieb nachvollziehbar machen Für die IHK ist besonders wichtig: Prüfungsrelevanter Punkt Bedeutung Cluster erklären können Mehrere Server arbeiten zusammen Failover erklären können Dienst übernimmt auf anderem System Quorum verstehen Verhindert falsche Mehrfachaktivität Split-Brain kennen Gefahr für Datenkonsistenz Aktiv/Aktiv und Aktiv/Passiv unterscheiden Unterschiedliche Clusterkonzepte Cluster vs. Backup unterscheiden Verfügbarkeit ist nicht Datensicherung Ressourcenreserven beachten Cluster muss Ausfall abfangen können Der nächste logische Schritt ist: Failover, Quorum und Split-Brain 13.6 Failover, Quorum und Split-Brain Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Auf der vorherigen Seite ging es allgemein um Cluster und Hochverfügbarkeit. Jetzt geht es genauer um drei besonders wichtige Cluster-Begriffe: Begriff Bedeutung Failover Übernahme bei Ausfall Quorum Entscheidungsmechanismus im Cluster Split-Brain Gefährlicher Zustand durch getrennte Cluster-Teile Diese Begriffe sind wichtig, weil sie erklären, wie ein Cluster bei Fehlern entscheidet und warum falsche Entscheidungen zu Datenverlust führen können. Grundidee Ein Cluster besteht aus mehreren Servern. Diese Server müssen ständig wissen: Frage Warum wichtig? Welche Nodes sind erreichbar? Damit Ausfälle erkannt werden Welche Ressourcen laufen wo? Damit Dienste nicht doppelt starten Wer darf aktiv sein? Damit keine Daten beschädigt werden Gibt es eine Mehrheit? Damit der Cluster eindeutig entscheiden kann Wenn ein Node ausfällt, soll der Cluster reagieren. Wenn aber nur die Netzwerkverbindung gestört ist, darf der Cluster nicht einfach falsch übernehmen. Genau dafür sind Quorum und Split-Brain-Schutz wichtig. Was ist Failover? Failover bedeutet, dass ein Dienst oder eine Ressource bei Ausfall eines Systems auf ein anderes System wechselt oder dort neu gestartet wird. Beispiel: Eine virtuelle Maschine läuft auf Host 1. Host 1 fällt aus. Der Cluster startet die VM auf Host 2 neu. Schritt Ereignis 1 VM läuft auf HV01 2 HV01 fällt aus 3 Cluster erkennt den Ausfall 4 VM wird auf HV02 gestartet 5 Dienst ist wieder erreichbar Merksatz Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall. Warum Failover wichtig ist Ohne Failover müsste ein Administrator einen Dienst manuell auf einem anderen System starten. Das dauert länger und erhöht die Ausfallzeit. Mit Failover kann ein Cluster schneller reagieren. Vorteile: Vorteil Erklärung Kürzere Ausfallzeit Dienst wird schneller wieder verfügbar Automatische Reaktion Kein sofortiges manuelles Eingreifen nötig Bessere Verfügbarkeit Kritische Dienste fallen weniger lange aus Geplanter Betrieb Ressourcen können gezielt verteilt werden Failover bei virtuellen Maschinen In einem Virtualisierungscluster kann eine VM bei Host-Ausfall auf einem anderen Host neu gestartet werden. Beispiel: VM Vor Ausfall Nach Failover DC01 HV01 HV02 FILE01 HV01 HV03 WEB01 HV02 HV02 DB01 HV03 HV03 Wenn HV01 ausfällt, werden die betroffenen VMs auf anderen Hosts neu gestartet. Wichtig: Es gibt meistens eine kurze Unterbrechung, weil die VM neu starten muss. Failover ist nicht immer unterbrechungsfrei Failover bedeutet nicht automatisch, dass Benutzer gar nichts merken. Beispiel: Situation Auswirkung Host fällt aus VM läuft nicht mehr Cluster erkennt Ausfall Fehler wird verarbeitet VM wird auf anderem Host gestartet Bootvorgang dauert Dienst startet Benutzer können wieder zugreifen Je nach Dienst kann die Unterbrechung Sekunden bis Minuten dauern. Failover vs. Fault Tolerance Begriff Bedeutung Failover Dienst wird nach Ausfall auf anderem System gestartet Fault Tolerance Dienst läuft trotz Ausfall möglichst ohne Unterbrechung weiter Failover ist in vielen IT-Umgebungen üblich. Fault Tolerance ist technisch aufwendiger. Automatisches Failover Beim automatischen Failover erkennt der Cluster einen Fehler selbst und startet die betroffene Ressource auf einem anderen Node. Beispiel: Ereignis Reaktion Node fällt aus Cluster startet Ressource auf anderem Node VM reagiert nicht Cluster versucht Neustart Dienst ist nicht erreichbar Cluster löst Failover aus Vorteil: Schnelle Reaktion. Nachteil: Wenn die Fehlererkennung falsch ist, kann ein unnötiges Failover ausgelöst werden. Manuelles Failover Beim manuellen Failover verschiebt ein Administrator eine Ressource bewusst auf einen anderen Node. Typische Gründe: Grund Beispiel Wartung Ein Host soll aktualisiert werden Test Failover-Funktion prüfen Lastverteilung Ressource soll auf anderen Node Fehleranalyse Dienst soll kontrolliert verschoben werden Manuelles Failover ist kontrollierter als automatisches Failover. Geplantes Failover Ein geplantes Failover findet bewusst statt. Beispiel: Ein Administrator möchte HV01 warten. Vorher werden die VMs kontrolliert auf HV02 und HV03 verschoben. Schritt Erklärung 1 Wartung ankündigen 2 Backups prüfen 3 VMs verschieben 4 Host warten 5 Funktion prüfen 6 Host wieder aktivieren Geplantes Failover verursacht meist weniger Risiko als ungeplantes Failover. Ungeplantes Failover Ein ungeplantes Failover passiert durch einen Fehler. Beispiele: Ursache Beispiel Hardwaredefekt Host fällt plötzlich aus Stromausfall Node geht aus Netzwerkfehler Node ist nicht erreichbar Hypervisor-Absturz Host reagiert nicht Storageproblem VM-Daten nicht erreichbar Ungeplantes Failover ist riskanter, weil der Ausfall plötzlich passiert. Failback Failback bedeutet, dass eine Ressource nach der Reparatur wieder auf das ursprüngliche System zurückwechselt. Beispiel: Schritt Ereignis 1 VM läuft auf HV01 2 HV01 fällt aus 3 VM wird auf HV02 gestartet 4 HV01 wird repariert 5 VM wird wieder zurück auf HV01 verschoben Failback kann automatisch oder manuell erfolgen. Automatisches Failback Beim automatischen Failback wird eine Ressource automatisch auf den ursprünglichen Node zurückverschoben, sobald dieser wieder verfügbar ist. Vorteil: Der gewünschte Normalzustand wird automatisch wiederhergestellt. Nachteil: Es kann zusätzliche Bewegung und Last erzeugen. Beispiel: Ein Host kommt nach Reparatur zurück und viele VMs wandern automatisch zurück. Das kann unnötige Last verursachen. Manuelles Failback Beim manuellen Failback entscheidet ein Administrator bewusst, wann eine Ressource zurückverschoben wird. Vorteil: Kontrollierter Ablauf. Nachteil: Mehr manueller Aufwand. In produktiven Umgebungen ist manuelles Failback oft sinnvoller, weil man vorher prüfen kann, ob der reparierte Node wirklich stabil läuft. Failover-Voraussetzungen Damit Failover funktionieren kann, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Voraussetzung Erklärung Mehrere Nodes Es muss ein Zielsystem geben Clusterverwaltung Nodes müssen gemeinsam verwaltet werden Ressource muss clusterfähig sein Dienst oder VM muss verschiebbar sein Zugriff auf Daten Zielnode muss an die Daten kommen Netzwerkverbindung Nodes müssen kommunizieren Quorum Cluster muss entscheiden können Ressourcenreserve Zielnode muss genug CPU/RAM haben Monitoring Fehler müssen erkannt werden Failover bei VMs mit Shared Storage Bei Shared Storage greifen mehrere Hosts auf denselben Speicher zu. Beispiel: Host Zugriff auf VM-Daten HV01 Ja HV02 Ja HV03 Ja Wenn HV01 ausfällt, kann HV02 die VM starten, weil HV02 ebenfalls Zugriff auf die VM-Daten hat. Vorteil: Failover ist einfacher, weil die VM-Daten nicht erst kopiert werden müssen. Failover bei VMs mit lokalem Storage Wenn eine VM nur auf lokalem Storage eines Hosts liegt, ist Failover schwieriger. Beispiel: VM Speicherort WEB01 Lokale Disk von HV01 Wenn HV01 ausfällt, kommt HV02 nicht automatisch an die VM-Daten. Mögliche Lösungen: Lösung Erklärung Replikation VM-Daten werden auf anderen Host kopiert Verteilter Storage Daten liegen verteilt auf mehreren Nodes Backup-Restore VM aus Backup wiederherstellen Shared Storage Gemeinsamen Speicher nutzen Failover und Ressourcenreserve Ein Failover funktioniert nur sinnvoll, wenn der Zielnode genug freie Ressourcen hat. Beispiel: Node Auslastung HV01 90 % HV02 95 % HV03 92 % Wenn HV01 ausfällt, können HV02 und HV03 die zusätzlichen VMs kaum übernehmen. Besser: Node Auslastung HV01 60 % HV02 60 % HV03 60 % Dann gibt es Reserven für einen Ausfall. N+1 beim Failover N+1 bedeutet, dass eine zusätzliche Reserve vorhanden ist. Beispiel: Für die normale Last werden zwei Hosts benötigt. Es sind drei Hosts vorhanden. Benötigt Vorhanden 2 Hosts 3 Hosts Wenn ein Host ausfällt, können die anderen Hosts die Last übernehmen. Was ist Quorum? Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus in einem Cluster. Es legt fest, ob der Cluster oder ein Teil des Clusters weiterarbeiten darf. Ziel: Der Cluster soll auch bei Störungen eindeutig entscheiden können. Quorum verhindert, dass mehrere getrennte Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden. Merksatz Quorum sorgt dafür, dass im Cluster nur der Teil weiterarbeitet, der eine gültige Mehrheit besitzt. Warum braucht ein Cluster Quorum? Ein Cluster muss erkennen können, ob ein Node wirklich ausgefallen ist oder nur die Verbindung gestört ist. Beispiel: Situation Problem Node antwortet nicht Ist der Node aus oder nur nicht erreichbar? Netzwerk getrennt Beide Seiten könnten weiterarbeiten wollen Storage erreichbar Mehrere Nodes könnten auf dieselben Daten schreiben Dienst wird doppelt gestartet Daten können beschädigt werden Quorum verhindert falsche Mehrfachaktivität. Quorum und Mehrheit Viele Cluster arbeiten mit einem Mehrheitsprinzip. Beispiel mit drei Nodes: Komponente Stimme Node 1 1 Node 2 1 Node 3 1 Insgesamt gibt es 3 Stimmen. Mehrheit bedeutet mindestens 2 Stimmen. Erreichbare Stimmen Entscheidung 3 von 3 Cluster darf arbeiten 2 von 3 Cluster darf arbeiten 1 von 3 Keine Mehrheit, Cluster sollte stoppen Quorum-Beispiel mit drei Nodes Ausgangslage: Node Zustand HV01 Online HV02 Online HV03 Online Alle Nodes haben Verbindung. Der Cluster hat Quorum. Jetzt fällt HV03 aus. Node Zustand HV01 Online HV02 Online HV03 Offline HV01 und HV02 haben zusammen noch die Mehrheit. Der Cluster darf weiterarbeiten. Quorum-Beispiel mit zwei getrennten Cluster-Teilen Ein Drei-Node-Cluster wird getrennt. Cluster-Teil Nodes Stimmen Teil A HV01, HV02 2 Teil B HV03 1 Teil A hat die Mehrheit und darf weiterarbeiten. Teil B hat keine Mehrheit und darf nicht weiterarbeiten. Dadurch wird verhindert, dass beide Seiten gleichzeitig aktiv sind. Quorum bei zwei Nodes Ein Zwei-Node-Cluster ist besonders kritisch. Beispiel: Komponente Stimme Node 1 1 Node 2 1 Wenn die Verbindung zwischen beiden Nodes ausfällt, hat jede Seite nur eine Stimme. Ohne zusätzliche Entscheidungshilfe ist unklar, wer weiterarbeiten darf. Deshalb braucht ein Zwei-Node-Cluster häufig einen Witness. Witness Ein Witness ist eine zusätzliche Entscheidungsinstanz für das Quorum. Er hilft, eine Mehrheit zu bilden. Beispiele: Witness-Art Erklärung File Share Witness Netzwerkfreigabe als Zeuge Disk Witness Gemeinsamer Datenträger als Zeuge Cloud Witness Cloud-Dienst als Zeuge Merksatz Ein Witness hilft dem Cluster, bei gerader Node-Anzahl eine eindeutige Mehrheit zu bilden. Zwei Nodes mit Witness Beispiel: Komponente Stimme Node 1 1 Node 2 1 Witness 1 Insgesamt gibt es 3 Stimmen. Mehrheit bedeutet mindestens 2 Stimmen. Erreichbar Stimmen Ergebnis Node 1 + Node 2 + Witness 3 Cluster arbeitet Node 1 + Witness 2 Node 1 darf arbeiten Node 2 + Witness 2 Node 2 darf arbeiten Nur Node 1 1 Keine Mehrheit Nur Node 2 1 Keine Mehrheit File Share Witness Ein File Share Witness ist eine Netzwerkfreigabe, die als Zeuge für das Quorum verwendet wird. Beispiel: Komponente Beispiel Witness-Server FS01 Freigabe \FS01\ClusterWitness Aufgabe Zusätzliche Stimme für Quorum Vorteil: Einfach einzurichten. Nachteil: Die Freigabe muss zuverlässig erreichbar sein. Disk Witness Ein Disk Witness ist ein gemeinsamer Datenträger, der als Zeuge genutzt wird. Er wird oft in klassischen Shared-Storage-Clustern verwendet. Vorteil Nachteil Gute Integration in Storage-Cluster Abhängigkeit vom gemeinsamen Storage Cloud Witness Ein Cloud Witness nutzt einen Cloud-Dienst als Zeuge. Beispiel: Ein Windows-Failover-Cluster kann einen Cloud Witness verwenden. Vorteil: Nützlich bei verteilten Standorten. Nachteil: Abhängigkeit von Internet und Cloudzugang. Dynamisches Quorum Manche moderne Cluster können Stimmen dynamisch anpassen. Ziel: Der Cluster soll bei Node-Ausfällen möglichst lange entscheidungsfähig bleiben. Beispiel: Wenn ein Node geplant heruntergefahren wird, kann der Cluster die Stimmenverteilung anpassen. Für die IHK reicht meist: Quorum bedeutet Mehrheitsentscheidung im Cluster. Was ist Split-Brain? Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand in einem Cluster. Dabei verlieren Cluster-Teile die Verbindung zueinander und glauben gleichzeitig, aktiv sein zu dürfen. Beispiel: Cluster-Teil Glaubt Teil A Ich bin der aktive Cluster Teil B Ich bin der aktive Cluster Wenn beide Teile gleichzeitig auf dieselben Daten schreiben, können Daten beschädigt werden. Merksatz Split-Brain bedeutet, dass getrennte Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden und dadurch Daten beschädigen können. Wie entsteht Split-Brain? Split-Brain entsteht häufig durch Kommunikationsprobleme. Beispiele: Ursache Erklärung Netzwerkunterbrechung Nodes erreichen sich nicht mehr Heartbeat-Verlust Cluster erkennt andere Nodes nicht Falsches Quorum Keine klare Mehrheitsentscheidung Fehlender Witness Besonders kritisch bei zwei Nodes Storage weiterhin erreichbar Beide Seiten können auf Daten schreiben Fehlkonfiguration Clusterregeln sind falsch gesetzt Split-Brain-Beispiel Ein Cluster besteht aus zwei Nodes. Beide greifen auf denselben Storage zu. Komponente Zustand Node 1 Online Node 2 Online Verbindung zwischen Nodes Unterbrochen Shared Storage Für beide erreichbar Problem: Node 1 glaubt, Node 2 sei ausgefallen. Node 2 glaubt, Node 1 sei ausgefallen. Wenn beide den Dienst aktiv starten und auf dieselben Daten schreiben, entsteht Datenkorruption. Warum Split-Brain gefährlich ist Gefahr Erklärung Datenkorruption Zwei Systeme schreiben gleichzeitig Inkonsistente Daten Unterschiedliche Datenstände entstehen Dienstfehler Anwendungen arbeiten mit falschem Zustand Datenverlust Änderungen können überschrieben werden Schwierige Wiederherstellung Manuelle Reparatur nötig Lange Ausfallzeit Analyse und Korrektur dauern Wie verhindert man Split-Brain? Wichtige Maßnahmen: Maßnahme Wirkung Quorum korrekt planen Nur Mehrheit darf arbeiten Witness einsetzen Hilft bei gerader Node-Anzahl Redundantes Cluster-Netzwerk Heartbeat-Ausfall vermeiden Storage-Zugriff absichern Nicht mehrere Seiten gleichzeitig schreiben lassen Fencing / STONITH Defekten oder isolierten Node ausschalten Monitoring Fehler früh erkennen Tests Failover-Szenarien prüfen Fencing Fencing bedeutet, einen fehlerhaften oder isolierten Node vom Clusterbetrieb auszuschließen. Ziel: Ein Node, der nicht mehr sicher koordiniert ist, darf nicht weiter auf gemeinsame Ressourcen zugreifen. Beispiel: Situation Fencing-Reaktion Node reagiert nicht korrekt Node wird ausgeschaltet oder isoliert Node hat Clusterkontakt verloren Zugriff auf Ressourcen wird verhindert Gefahr von Split-Brain Unsicherer Node wird blockiert STONITH STONITH steht für: Shoot The Other Node In The Head Das klingt hart, bedeutet technisch: Ein unsicherer Node wird ausgeschaltet oder vom Zugriff ausgeschlossen. Ziel: Datenkonsistenz schützen. Beispiel: Ein Cluster kann über IPMI, iLO, iDRAC oder PDU einen Node ausschalten, wenn dieser nicht mehr sicher arbeitet. Warum Fencing wichtig ist Ohne Fencing könnte ein isolierter Node weiterarbeiten. Problem: Auch wenn ein Node keine Clusterverbindung mehr hat, kann er eventuell noch auf Storage schreiben. Fencing stellt sicher: Ziel Erklärung Nur ein aktiver Zugriff Daten werden geschützt Unsicherer Node wird isoliert Split-Brain wird verhindert Clusterzustand bleibt eindeutig Andere Nodes können übernehmen Heartbeat Heartbeat ist ein regelmäßiges Signal zwischen Cluster-Nodes. Damit prüfen Nodes gegenseitig, ob sie erreichbar sind. Beispiel: Node Heartbeat HV01 sendet Signal HV02 sendet Signal HV03 sendet Signal Wenn ein Node keinen Heartbeat mehr sendet, kann der Cluster einen Ausfall vermuten. Heartbeat-Verlust Ein Heartbeat-Verlust bedeutet nicht automatisch, dass der Server wirklich ausgefallen ist. Mögliche Ursachen: Ursache Erklärung Server aus Echter Ausfall Netzwerkproblem Node läuft noch, ist aber nicht erreichbar Switchproblem Verbindung unterbrochen Firewallproblem Heartbeat blockiert Überlastung Node antwortet zu spät Deshalb darf der Cluster nicht nur nach Gefühl entscheiden. Quorum und Fencing sind wichtig. Cluster-Kommunikation Cluster-Nodes kommunizieren ständig miteinander. Übertragen werden zum Beispiel: Information Bedeutung Node-Status Online oder offline Ressourcenstatus Welche VM läuft wo? Heartbeat Erreichbarkeit Quorum-Information Mehrheit vorhanden? Failover-Ereignisse Umschaltungen Konfiguration Clusterregeln und Zustände Cluster-Netzwerk redundant auslegen Das Cluster-Netzwerk sollte nicht nur über eine einzige Verbindung laufen. Besser: Maßnahme Vorteil Zwei Netzwerkkarten Schutz bei NIC-Ausfall Zwei Switches Schutz bei Switch-Ausfall Getrennte VLANs Logische Trennung Separates Heartbeat-Netz Weniger Störungen Monitoring Fehler schnell erkennen Failover-Reihenfolge In manchen Clustern kann man festlegen, auf welchen Node eine Ressource bevorzugt wechseln soll. Beispiel: Ressource Bevorzugter Node Ersatznode VM DC01 HV01 HV02 VM FILE01 HV02 HV03 VM WEB01 HV03 HV01 Das hilft bei geordneter Lastverteilung. Failover-Priorität Nicht alle VMs sind gleich wichtig. Beispiel: VM Priorität DC01 Hoch DNS01 Hoch DB01 Hoch FILE01 Mittel TEST01 Niedrig Bei Ressourcenknappheit sollten wichtige VMs zuerst gestartet werden. Testsysteme können später oder gar nicht automatisch starten. Abhängigkeiten beim Failover Manche Dienste hängen von anderen Diensten ab. Beispiel: Dienst Benötigt APP01 DB01 WEB01 APP01 FILE01 DC01 und DNS BACKUP01 Storage und Netzwerk Bei Failover oder Neustart muss die Reihenfolge beachtet werden. Startreihenfolge nach Failover Eine sinnvolle Startreihenfolge kann sein: Reihenfolge System Grund 1 Netzwerk / Storage Grundlage 2 Domain Controller / DNS Anmeldung und Namensauflösung 3 Datenbank Anwendung benötigt Daten 4 Applikationsserver Anwendung startet 5 Webserver Zugriff für Benutzer 6 Monitoring / Backup Kontrolle und Sicherung Failover-Test Ein Failover sollte getestet werden. Warum? Grund Erklärung Funktion prüfen Failover muss im Ernstfall funktionieren Ausfallzeit messen RTO prüfen Abhängigkeiten erkennen Startreihenfolge testen Dokumentation verbessern Ablauf festhalten Fehler vor Ernstfall finden Risiko senken Geplanter Failover-Test Typischer Ablauf: Schritt Erklärung Test ankündigen Benutzer und Verantwortliche informieren Backup prüfen Rückfallmöglichkeit sicherstellen Clusterzustand prüfen Alle Nodes gesund? Failover auslösen Ressource verschieben Dienst prüfen Funktioniert der Dienst? Rückschwenk testen Failback prüfen Ergebnis dokumentieren Erkenntnisse festhalten Risiken beim Failover-Test Risiko Erklärung Dienstunterbrechung Benutzer können betroffen sein Datenbankprobleme Transaktionen können unterbrochen werden Abhängigkeiten Folgefehler bei anderen Diensten Performance Zielnode kann überlastet werden Rückfallplan fehlt Problem dauert länger Deshalb sollten Failover-Tests geplant und dokumentiert werden. RTO beim Failover RTO steht für Recovery Time Objective. Es beschreibt, wie lange ein Dienst maximal ausfallen darf. Beispiel: Dienst RTO DNS 15 Minuten Fileserver 2 Stunden Testsystem 24 Stunden Failover hilft, das RTO zu verkürzen. RPO beim Failover RPO steht für Recovery Point Objective. Es beschreibt, wie viele Daten maximal verloren gehen dürfen. Bei Failover hängt RPO stark von Storage und Replikation ab. Beispiel: Technik Möglicher Datenverlust Shared Storage Meist geringer, wenn Storage intakt Synchrone Replikation Sehr gering Asynchrone Replikation Letzte Änderungen können fehlen Backup-Restore Abhängig vom letzten Backup Failover ersetzt kein Backup Failover schützt vor Ausfallzeiten, aber nicht vor Datenverlust durch falsche oder beschädigte Daten. Beispiele: Problem Failover hilft? Backup hilft? Host fällt aus Ja Nicht primär Datei gelöscht Nein Ja Ransomware verschlüsselt Daten Nein Ja, wenn Backup geschützt Datenbank beschädigt Nicht zuverlässig Ja, wenn konsistentes Backup Fehlkonfiguration Nicht zuverlässig Ja, wenn alter Stand vorhanden Merksatz: Failover erhöht Verfügbarkeit, Backup schützt vor Datenverlust. Typische Fehler bei Failover, Quorum und Split-Brain Fehler Auswirkung Kein Witness bei zwei Nodes Unklare Entscheidung bei Ausfall Quorum falsch geplant Cluster kann stoppen oder falsch arbeiten Kein Fencing Split-Brain-Gefahr Cluster-Netzwerk nicht redundant Heartbeat-Probleme Shared Storage nicht redundant Storage bleibt Single Point of Failure Keine Ressourcenreserve Failover kann nicht starten Keine Failover-Tests Funktion im Ernstfall unsicher Abhängigkeiten nicht dokumentiert Dienste starten falsch Failback automatisch ohne Kontrolle Unnötige Last oder neue Störungen Kein Backup Datenverlust trotz Cluster möglich Gute Praxis Empfehlung Grund Quorum-Konzept planen Klare Entscheidungen ermöglichen Witness bei gerader Node-Anzahl nutzen Mehrheit herstellen Fencing einrichten Split-Brain verhindern Heartbeat-Netz redundant auslegen Fehlalarme vermeiden Ressourcenreserve einplanen Failover ermöglichen Failover regelmäßig testen Ernstfall vorbereiten Failback kontrolliert durchführen Stabilität prüfen Abhängigkeiten dokumentieren Richtige Startreihenfolge Monitoring einrichten Probleme früh erkennen Backups getrennt halten Datenverlust vermeiden Prüfungsnahes Beispiel 1 Aufgabe: Ein Zwei-Node-Cluster verliert die Netzwerkverbindung zwischen den beiden Nodes. Beide Nodes können weiterhin auf den gemeinsamen Storage zugreifen. Frage: Welches Risiko entsteht? Mögliche Antwort: Es besteht die Gefahr eines Split-Brain-Zustands. Beide Nodes könnten glauben, dass der jeweils andere ausgefallen ist und gleichzeitig aktiv werden. Wenn beide auf denselben Storage schreiben, kann es zu Datenkorruption kommen. Ein korrektes Quorum mit Witness und Fencing soll das verhindern. Prüfungsnahes Beispiel 2 Aufgabe: Ein Cluster besteht aus drei Nodes. Ein Node fällt aus. Frage: Darf der Cluster weiterarbeiten? Mögliche Antwort: Ja, wenn die verbleibenden zwei Nodes noch miteinander kommunizieren können. Bei drei Stimmen besitzen zwei erreichbare Nodes weiterhin die Mehrheit. Das Quorum ist vorhanden. Prüfungsnahes Beispiel 3 Aufgabe: Ein Cluster besteht aus zwei Nodes ohne Witness. Die Verbindung zwischen den Nodes wird unterbrochen. Frage: Warum ist das problematisch? Mögliche Antwort: Ohne Witness gibt es keine eindeutige Mehrheit. Jeder Node hat nur seine eigene Stimme. Dadurch kann der Cluster nicht sicher entscheiden, welcher Node weiterarbeiten darf. Es besteht Risiko für Dienstunterbrechung oder Split-Brain, je nach Konfiguration. Prüfungsnahes Beispiel 4 Aufgabe: Ein Administrator möchte einen Host warten und verschiebt vorher die VMs auf einen anderen Host. Frage: Ist das Failover oder Live Migration? Mögliche Antwort: Das ist eine geplante Verschiebung und wird als Live Migration bezeichnet, wenn die VMs dabei weiterlaufen. Failover beschreibt eher die Übernahme bei einem Fehler oder Ausfall. Prüfungsnahes Beispiel 5 Aufgabe: Ein Unternehmen hat einen Cluster, aber keine Backups. Ein Benutzer löscht versehentlich wichtige Daten. Frage: Warum hilft der Cluster nicht? Mögliche Antwort: Der Cluster sorgt für Verfügbarkeit, aber er stellt keine alten Datenstände wieder her. Wenn Daten gelöscht werden, ist der gelöschte Zustand auch im aktiven Dienst vorhanden. Für die Wiederherstellung wird ein Backup benötigt. Typische Prüfungsfrage: Was ist Failover? Mögliche Antwort: Failover bedeutet, dass ein Dienst oder eine Ressource bei Ausfall eines Systems auf ein anderes System wechselt oder dort neu gestartet wird. Dadurch wird die Ausfallzeit reduziert. Typische Prüfungsfrage: Was ist Failback? Mögliche Antwort: Failback bedeutet, dass eine Ressource nach der Reparatur des ursprünglichen Systems wieder zurück auf dieses System verschoben wird. Typische Prüfungsfrage: Was ist Quorum? Mögliche Antwort: Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus in einem Cluster. Es stellt sicher, dass nur der Cluster-Teil mit gültiger Mehrheit weiterarbeiten darf. Dadurch werden gefährliche Mehrfachaktivitäten verhindert. Typische Prüfungsfrage: Warum braucht ein Zwei-Node-Cluster oft einen Witness? Mögliche Antwort: Bei zwei Nodes gibt es ohne Witness keine klare Mehrheit, wenn die Verbindung zwischen den Nodes unterbrochen wird. Ein Witness liefert eine zusätzliche Stimme und hilft dem Cluster, eindeutig zu entscheiden, welcher Teil weiterarbeiten darf. Typische Prüfungsfrage: Was ist Split-Brain? Mögliche Antwort: Split-Brain ist ein gefährlicher Cluster-Zustand, bei dem getrennte Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden. Wenn beide Seiten auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption oder Datenverlust kommen. Typische Prüfungsfrage: Wie verhindert man Split-Brain? Mögliche Antwort: Split-Brain wird durch ein korrekt geplantes Quorum, einen Witness bei Bedarf, redundante Cluster-Kommunikation und Fencing verhindert. Dadurch darf nur der berechtigte Cluster-Teil weiterarbeiten. Typische Prüfungsfrage: Was ist Fencing? Mögliche Antwort: Fencing bedeutet, einen unsicheren oder isolierten Node vom Zugriff auf gemeinsame Ressourcen auszuschließen. Dadurch wird verhindert, dass dieser Node weiterarbeitet und Daten beschädigt. Typische Prüfungsfrage: Was bedeutet STONITH? Mögliche Antwort: STONITH steht für „Shoot The Other Node In The Head“. Gemeint ist, dass ein unsicherer Node ausgeschaltet oder isoliert wird, damit er keine gemeinsamen Daten beschädigen kann. Typische Prüfungsfrage: Unterschied Failover und Live Migration Failover Live Migration Reaktion auf Fehler oder Ausfall Geplante Verschiebung Häufig kurze Unterbrechung Möglichst ohne Unterbrechung Beispiel: Host fällt aus Beispiel: Host wird gewartet Cluster startet Ressource woanders Laufende VM wird verschoben Typische Prüfungsfrage: Warum braucht Failover Ressourcenreserven? Mögliche Antwort: Wenn ein Node ausfällt, müssen die verbleibenden Nodes dessen Dienste oder VMs übernehmen. Sind die verbleibenden Nodes bereits vollständig ausgelastet, kann das Failover nicht zuverlässig funktionieren. Deshalb braucht ein Cluster freie CPU-, RAM-, Storage- und Netzwerkressourcen. Typische Prüfungsfrage: Warum ersetzt Failover kein Backup? Mögliche Antwort: Failover reduziert Ausfallzeiten bei Systemfehlern, stellt aber keine alten Datenstände wieder her. Bei gelöschten, verschlüsselten oder beschädigten Daten wird weiterhin ein Backup benötigt. Wichtige Begriffe Begriff Kurz erklärt Failover Übernahme bei Ausfall Failback Rückkehr auf ursprüngliches System Automatisches Failover Cluster reagiert selbst auf Fehler Manuelles Failover Administrator löst Umschaltung aus Geplantes Failover Bewusste Umschaltung für Wartung oder Test Ungeplantes Failover Umschaltung durch plötzlichen Fehler Quorum Entscheidungsmechanismus im Cluster Mehrheit Genug Stimmen für Weiterbetrieb Witness Zusätzliche Entscheidungsinstanz File Share Witness Netzwerkfreigabe als Zeuge Disk Witness Gemeinsamer Datenträger als Zeuge Cloud Witness Cloud-Dienst als Zeuge Split-Brain Getrennte Cluster-Teile werden gleichzeitig aktiv Heartbeat Regelmäßiges Signal zwischen Nodes Fencing Unsicheren Node ausschließen STONITH Unsicheren Node ausschalten oder isolieren RTO Maximal erlaubte Ausfallzeit RPO Maximal erlaubter Datenverlust Live Migration Laufende VM geplant verschieben Ressourcenreserve Freie Kapazität für Failover Wichtige Merksätze Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall. Failback bedeutet Rückkehr auf das ursprüngliche System. Quorum sorgt für eine eindeutige Entscheidung im Cluster. Ein Witness hilft besonders bei Clustern mit gerader Node-Anzahl. Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand, bei dem getrennte Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden. Fencing verhindert, dass ein unsicherer Node weiter auf gemeinsame Ressourcen zugreift. Heartbeat zeigt Erreichbarkeit, beweist aber nicht allein den echten Zustand eines Servers. Failover braucht Ressourcenreserven. Failover reduziert Ausfallzeiten, ersetzt aber kein Backup. Live Migration ist geplant, Failover ist meist eine Reaktion auf einen Fehler. Kurzzusammenfassung Failover, Quorum und Split-Brain gehören zu den wichtigsten Grundlagen beim Verständnis von Clustern. Thema Kerngedanke Failover Ein Dienst oder eine VM wird bei Ausfall auf einem anderen Node gestartet Failback Nach Reparatur wird auf das ursprüngliche System zurückgeschwenkt Quorum Der Cluster entscheidet über eine Mehrheit Witness Zusätzliche Stimme zur Mehrheitsbildung Split-Brain Gefährliche Mehrfachaktivität getrennter Cluster-Teile Heartbeat Regelmäßige Erreichbarkeitsprüfung Fencing Unsichere Nodes werden ausgeschlossen STONITH Unsichere Nodes werden ausgeschaltet oder isoliert Für die IHK ist besonders wichtig: Prüfungsrelevanter Punkt Bedeutung Failover erklären Übernahme bei Ausfall Quorum erklären Mehrheitsentscheidung im Cluster Witness kennen Zusätzliche Stimme bei gerader Node-Anzahl Split-Brain verstehen Gefahr für Datenkonsistenz Fencing verstehen Schutz vor unsicheren Nodes Failover vs. Live Migration unterscheiden Fehlerfall vs. geplante Verschiebung Cluster vs. Backup unterscheiden Verfügbarkeit ist keine Datensicherung Der nächste logische Schritt ist: Load Balancing und Skalierung 13.7 Load Balancing und Skalierung Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Auf den vorherigen Seiten ging es um Cluster, Hochverfügbarkeit, Failover, Quorum und Split-Brain. Jetzt geht es um: Load Balancing und Skalierung Diese Themen sind wichtig, wenn Dienste nicht nur ausfallsicherer, sondern auch leistungsfähiger und besser verteilbar betrieben werden sollen. Grundidee Ein einzelner Server kann nur eine bestimmte Menge an Anfragen verarbeiten. Beispiele: Dienst Mögliche Last Webserver Viele Webseitenaufrufe API-Server Viele Anwendungsanfragen Datenbankserver Viele Lese- und Schreibzugriffe Terminalserver Viele Benutzer gleichzeitig Fileserver Viele Dateioperationen Mailserver Viele E-Mails und Benutzerzugriffe Wenn ein Server überlastet ist, gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten: Möglichkeit Bedeutung Server stärker machen Mehr CPU, RAM, Storage oder Netzwerk Mehr Server hinzufügen Last auf mehrere Systeme verteilen Was bedeutet Load Balancing? Load Balancing bedeutet Lastverteilung. Ein Load Balancer verteilt Anfragen auf mehrere Server. Beispiel: Komponente Aufgabe Client Stellt eine Anfrage Load Balancer Verteilt die Anfrage WEB01 Webserver 1 WEB02 Webserver 2 WEB03 Webserver 3 Vereinfacht: Client ↓ Load Balancer ↓ WEB01 / WEB02 / WEB03 Der Benutzer greift auf eine zentrale Adresse zu. Der Load Balancer entscheidet, welcher Server die Anfrage verarbeitet. Merksatz Load Balancing verteilt Anfragen auf mehrere Server, damit Last besser verteilt und Verfügbarkeit erhöht wird. Warum nutzt man Load Balancing? Grund Erklärung Mehr Leistung Mehrere Server teilen sich die Arbeit Höhere Verfügbarkeit Fällt ein Server aus, können andere übernehmen Skalierbarkeit Weitere Server können ergänzt werden Wartbarkeit Einzelne Server können aus dem Betrieb genommen werden Bessere Benutzererfahrung Anfragen werden schneller beantwortet Ressourcennutzung Systeme können gleichmäßiger ausgelastet werden Einfaches Beispiel Eine Webseite läuft nur auf einem Server. Problem: Situation Folge Viele Besucher Server wird langsam Server fällt aus Webseite ist nicht erreichbar Wartung notwendig Dienst muss abgeschaltet werden Lösung: Mehrere Webserver werden betrieben und ein Load Balancer davor geschaltet. Komponente Aufgabe Load Balancer Nimmt Anfragen entgegen WEB01 Bearbeitet Teil der Anfragen WEB02 Bearbeitet Teil der Anfragen WEB03 Bearbeitet Teil der Anfragen Load Balancer Ein Load Balancer ist ein System, das eingehende Anfragen verteilt. Er kann als Hardware, Software, virtuelle Appliance oder Cloud-Dienst umgesetzt sein. Beispiele: Art Beispiel Hardware Load Balancer Spezielle Appliance Software Load Balancer HAProxy, Nginx, Apache, Traefik Cloud Load Balancer Load Balancer eines Cloud-Anbieters Firewall mit Load-Balancing-Funktion Firewall verteilt Anfragen Kubernetes Service / Ingress Lastverteilung in Containerumgebungen Backend-Server Backend-Server sind die Server hinter dem Load Balancer. Beispiel: Backend Aufgabe WEB01 Webserver WEB02 Webserver WEB03 Webserver Der Client sieht meist nur den Load Balancer. Die Backend-Server arbeiten im Hintergrund. Frontend und Backend Beim Load Balancing unterscheidet man oft zwischen Frontend und Backend. Begriff Bedeutung Frontend Adresse oder Dienst, den der Client anspricht Backend Servergruppe, auf die Anfragen verteilt werden Beispiel: Bereich Beispiel Frontend https://intranet.firma.local Backend WEB01, WEB02, WEB03 VIP – Virtuelle IP-Adresse Eine VIP ist eine virtuelle IP-Adresse. Clients verbinden sich mit dieser IP-Adresse. Der Load Balancer nimmt die Verbindung an und verteilt sie an Backend-Server. Beispiel: Komponente IP-Adresse Load Balancer VIP 192.168.10.100 WEB01 192.168.10.101 WEB02 192.168.10.102 WEB03 192.168.10.103 Die Benutzer rufen nur die VIP auf: 192.168.10.100 Der Load Balancer verteilt dann intern weiter. DNS und Load Balancing Oft zeigt ein DNS-Name auf die Adresse des Load Balancers. Beispiel: DNS-Name IP-Adresse intranet.firma.local 192.168.10.100 Die IP-Adresse gehört zur VIP des Load Balancers. Vorteil: Benutzer müssen keine einzelnen Servernamen kennen. Load Balancing auf verschiedenen Ebenen Load Balancing kann auf verschiedenen Netzwerkebenen arbeiten. Ebene Beispiel Bedeutung Layer 4 TCP/UDP Verteilung nach IP und Port Layer 7 HTTP/HTTPS Verteilung nach Inhalt der Anfrage Layer-4-Load-Balancing Layer 4 arbeitet auf Transportebene. Dabei werden Anfragen anhand von IP-Adressen und Ports verteilt. Beispiel: Kriterium Beispiel Protokoll TCP Port 443 Ziel WEB01 oder WEB02 Der Load Balancer betrachtet nicht den Inhalt der Webseite, sondern nur die Verbindung. Vorteil: Schnell und einfach. Nachteil: Weniger intelligente Entscheidungen auf Anwendungsebene. Layer-7-Load-Balancing Layer 7 arbeitet auf Anwendungsebene. Bei Webdiensten kann der Load Balancer Inhalte der HTTP/HTTPS-Anfrage auswerten. Beispiele: Kriterium Beispiel URL-Pfad /shop geht zu SHOP01 Hostname api.firma.local geht zu API01 Header Entscheidung nach HTTP-Header Cookie Sitzung einem Server zuordnen Vorteil: Sehr flexibel. Nachteil: Komplexer und oft rechenintensiver. Layer 4 vs. Layer 7 Merkmal Layer 4 Layer 7 Ebene Transport Anwendung Entscheidung nach IP, Port, Protokoll URL, Hostname, Header, Cookie Beispiel TCP 443 verteilen /api auf API-Server verteilen Geschwindigkeit Oft schneller Mehr Verarbeitung Flexibilität Geringer Höher Health Check Ein Health Check prüft, ob ein Backend-Server erreichbar und funktionsfähig ist. Beispiel: Der Load Balancer prüft regelmäßig: Prüfung Bedeutung Ping Server erreichbar? TCP-Port Dienstport offen? HTTP-Status Webserver antwortet korrekt? API-Prüfung Anwendung funktioniert wirklich? Datenbankprüfung Backend kann Datenbank erreichen? Wenn ein Server nicht gesund ist, nimmt der Load Balancer ihn aus der Verteilung. Warum Health Checks wichtig sind Ohne Health Checks könnte der Load Balancer weiterhin Anfragen an einen defekten Server senden. Beispiel: Situation Ohne Health Check Mit Health Check WEB02 fällt aus Benutzer bekommen Fehler WEB02 wird entfernt Anwendung hängt Anfragen landen trotzdem dort Server wird als fehlerhaft erkannt Wartung Benutzer werden gestört Server kann vorher deaktiviert werden Backend aus der Verteilung nehmen Ein Backend-Server kann bewusst aus der Lastverteilung genommen werden. Das nennt man oft: Begriff Bedeutung Disable Server deaktivieren Drain Bestehende Verbindungen auslaufen lassen Maintenance Mode Server wird gewartet Out of Rotation Server erhält keine neuen Anfragen Typischer Ablauf bei Wartung: Schritt Erklärung Server aus Rotation nehmen Keine neuen Anfragen Bestehende Sitzungen auslaufen lassen Benutzer nicht hart trennen Updates installieren Server warten Funktion prüfen Dienst testen Server wieder aktivieren Neue Anfragen erlauben Load-Balancing-Methoden Der Load Balancer kann unterschiedliche Verfahren nutzen. Wichtige Methoden: Methode Erklärung Round Robin Anfragen werden der Reihe nach verteilt Least Connections Server mit wenigsten Verbindungen bekommt nächste Anfrage Weighted Round Robin Server mit höherem Gewicht bekommt mehr Anfragen IP Hash Client-IP entscheidet über Zielserver Random Zufällige Verteilung Response Time Schnellster Server wird bevorzugt Round Robin Round Robin verteilt Anfragen der Reihe nach. Beispiel: Anfrage Zielserver 1 WEB01 2 WEB02 3 WEB03 4 WEB01 5 WEB02 Vorteil: Einfaches Verfahren. Nachteil: Berücksichtigt nicht automatisch, ob ein Server stärker oder schwächer ist. Least Connections Least Connections verteilt neue Anfragen an den Server mit den wenigsten aktiven Verbindungen. Beispiel: Server Aktive Verbindungen WEB01 50 WEB02 20 WEB03 35 Die nächste Anfrage geht an WEB02. Vorteil: Sinnvoll, wenn Verbindungen unterschiedlich lange dauern. Weighted Round Robin Bei Weighted Round Robin bekommen stärkere Server mehr Anfragen. Beispiel: Server Gewicht WEB01 3 WEB02 1 WEB03 1 WEB01 bekommt mehr Anfragen, weil er leistungsfähiger ist. IP Hash Bei IP Hash wird anhand der Client-IP entschieden, welcher Backend-Server genutzt wird. Vorteil: Ein Client landet häufig wieder auf demselben Server. Nachteil: Die Verteilung kann ungleichmäßig werden, wenn viele Clients über dieselbe öffentliche IP kommen. Session Persistence Session Persistence bedeutet, dass ein Benutzer während einer Sitzung immer wieder beim gleichen Backend-Server landet. Andere Begriffe: Begriff Bedeutung Sticky Session Benutzer bleibt am gleichen Server Session Affinity Sitzung wird einem Backend zugeordnet Das ist wichtig, wenn eine Anwendung Sitzungsdaten lokal auf dem Backend-Server speichert. Warum Sticky Sessions nötig sein können Beispiel: Ein Webshop speichert den Warenkorb lokal auf WEB01. Wenn der Benutzer bei der nächsten Anfrage auf WEB02 landet, kennt WEB02 den Warenkorb nicht. Lösung: Lösung Erklärung Sticky Session Benutzer bleibt auf WEB01 Gemeinsamer Session-Speicher Alle Webserver greifen auf dieselbe Session zu Anwendung stateless bauen Keine lokale Sitzung auf Webserver Nachteil von Sticky Sessions Sticky Sessions können die Lastverteilung verschlechtern. Beispiel: Wenn viele aktive Benutzer auf WEB01 gebunden sind, wird WEB01 stärker belastet als andere Server. Besser ist oft: Ansatz Vorteil Zentraler Session-Speicher Benutzer können auf jedem Webserver landen Stateless-Anwendung Einfacher zu skalieren Datenbank oder Redis für Sessions Einheitlicher Sitzungszustand Stateless Stateless bedeutet zustandslos. Ein Server speichert keinen wichtigen Sitzungszustand lokal. Beispiel: Jede Anfrage enthält alle nötigen Informationen oder nutzt einen zentralen Speicher. Vorteil: Vorteil Erklärung Einfacher zu skalieren Anfragen können auf jeden Server Einfacher ausfallsicher Ausfall eines Servers weniger kritisch Besser für Load Balancing Keine feste Bindung nötig Stateful Stateful bedeutet zustandsbehaftet. Ein Server speichert Informationen über den aktuellen Zustand einer Sitzung oder Anwendung. Beispiele: Zustand Beispiel Benutzersitzung Login-Session Warenkorb Webshop Lokale Datei Upload liegt nur auf einem Server Datenbankzustand Transaktionen Stateful-Anwendungen sind schwieriger zu skalieren. Stateless vs. Stateful Merkmal Stateless Stateful Sitzungsdaten lokal Nein Ja Skalierung Einfacher Schwieriger Load Balancing Einfacher Oft Sticky Sessions nötig Ausfallsicherheit Besser Komplexer Beispiel Statische Webseite Warenkorb lokal auf Webserver Failover vs. Load Balancing Failover und Load Balancing werden oft verwechselt. Begriff Hauptziel Failover Übernahme bei Ausfall Load Balancing Verteilung von Last Beispiel Failover: Eine VM läuft auf HV01. HV01 fällt aus. Die VM wird auf HV02 gestartet. Beispiel Load Balancing: Drei Webserver laufen gleichzeitig. Ein Load Balancer verteilt Benutzeranfragen auf alle drei Server. Failover-Cluster vs. Load-Balancing-Cluster Merkmal Failover-Cluster Load-Balancing-Cluster Ziel Ausfallsicherheit Lastverteilung Normalbetrieb Oft eine aktive Ressource Mehrere aktive Server Ausfall Dienst wechselt oder startet neu Anfragen gehen an andere Server Beispiel VM-Failover Webserver-Farm Unterbrechung Häufig kurz möglich Oft weniger spürbar Load Balancing und Hochverfügbarkeit Load Balancing kann auch zur Hochverfügbarkeit beitragen. Wenn ein Backend-Server ausfällt, kann der Load Balancer ihn aus der Verteilung nehmen. Beispiel: Backend Zustand WEB01 Online WEB02 Ausgefallen WEB03 Online Der Load Balancer sendet neue Anfragen nur noch an WEB01 und WEB03. Wichtig: Der Load Balancer selbst darf kein Single Point of Failure sein. Load Balancer als Single Point of Failure Wenn es nur einen Load Balancer gibt, kann dieser selbst zur Schwachstelle werden. Beispiel: Komponente Risiko Ein Load Balancer Fällt er aus, ist der Dienst nicht erreichbar Mehrere Webserver Helfen nicht, wenn der Load Balancer ausfällt Lösung: Load Balancer redundant betreiben. Redundante Load Balancer Bei redundanten Load Balancern gibt es mindestens zwei Load-Balancer-Systeme. Beispiel: Load Balancer Zustand LB01 Aktiv LB02 Standby Fällt LB01 aus, übernimmt LB02. Das kann über eine virtuelle IP-Adresse erfolgen. VRRP VRRP steht für Virtual Router Redundancy Protocol. Es wird verwendet, um eine virtuelle IP-Adresse zwischen mehreren Systemen hochverfügbar bereitzustellen. Beispiel: System Zustand LB01 Master LB02 Backup VIP 192.168.10.100 Wenn LB01 ausfällt, übernimmt LB02 die VIP. Keepalived Keepalived ist eine Software, die häufig VRRP unter Linux bereitstellt. Typischer Einsatz: Komponente Aufgabe HAProxy Load Balancing Keepalived VIP-Failover zwischen Load Balancern So kann ein Load Balancer selbst hochverfügbar aufgebaut werden. Reverse Proxy Ein Reverse Proxy nimmt Anfragen von Clients entgegen und leitet sie an interne Server weiter. Er kann auch Load Balancing übernehmen. Beispiele: Reverse Proxy Einsatz Nginx Webserver, Reverse Proxy, Load Balancer HAProxy Load Balancer und Proxy Traefik Reverse Proxy für Containerumgebungen Apache Webserver und Reverse Proxy Caddy Webserver mit automatischer TLS-Verwaltung Reverse Proxy vs. Load Balancer Begriff Bedeutung Reverse Proxy Vermittelt Anfragen an interne Server Load Balancer Verteilt Anfragen auf mehrere Server Ein Reverse Proxy kann gleichzeitig ein Load Balancer sein. Beispiel: Nginx nimmt HTTPS-Anfragen entgegen und verteilt sie auf WEB01, WEB02 und WEB03. SSL/TLS-Terminierung SSL/TLS-Terminierung bedeutet, dass der Load Balancer oder Reverse Proxy die verschlüsselte HTTPS-Verbindung entgegennimmt und entschlüsselt. Beispiel: Verbindung Verschlüsselung Client → Load Balancer HTTPS Load Balancer → Backend HTTP oder HTTPS Vorteile: Vorteil Erklärung Zentrale Zertifikatsverwaltung Zertifikate nur am Load Balancer Backend entlasten Verschlüsselung wird zentral verarbeitet Inhalt auswertbar Layer-7-Regeln möglich Nachteil: Wenn intern HTTP genutzt wird, muss das interne Netzwerk ausreichend geschützt sein. Ende-zu-Ende-Verschlüsselung Bei Ende-zu-Ende-Verschlüsselung bleibt die Verbindung auch bis zum Backend verschlüsselt. Beispiel: Verbindung Verschlüsselung Client → Load Balancer HTTPS Load Balancer → Backend HTTPS Vorteil: Auch interner Verkehr ist verschlüsselt. Nachteil: Zertifikatsverwaltung und Fehleranalyse können komplexer werden. Skalierung Skalierung bedeutet, ein System leistungsfähiger zu machen. Es gibt zwei Grundarten: Art Bedeutung Vertikale Skalierung Einzelnes System stärker machen Horizontale Skalierung Weitere Systeme hinzufügen Scale-Up Scale-Up bedeutet vertikale Skalierung. Dabei wird ein einzelner Server stärker gemacht. Beispiele: Maßnahme Wirkung Mehr RAM Mehr Arbeitsspeicher Mehr CPU-Kerne Mehr Rechenleistung Schnellere SSDs Bessere Storage-Performance Schnellere Netzwerkkarte Mehr Netzwerkdurchsatz Größere VM Mehr Ressourcen für Anwendung Vorteile von Scale-Up Vorteil Erklärung Einfaches Konzept Ein System wird stärker Weniger Architekturänderung Anwendung bleibt meist gleich Keine Lastverteilung nötig Ein Server verarbeitet alles Gut für bestimmte Anwendungen Besonders bei nicht verteilbaren Anwendungen Nachteile von Scale-Up Nachteil Erklärung Hardwaregrenze Irgendwann ist maximale Größe erreicht Teuer Große Systeme können sehr teuer sein Single Point of Failure bleibt möglich Ein Server bleibt kritisch Wartung schwieriger Dienst hängt an einem System Nicht beliebig skalierbar Begrenzung durch Hardware Scale-Out Scale-Out bedeutet horizontale Skalierung. Dabei werden mehrere Systeme eingesetzt. Beispiel: Statt einem Webserver werden drei Webserver betrieben. Server Aufgabe WEB01 Webserver WEB02 Webserver WEB03 Webserver Ein Load Balancer verteilt die Anfragen. Vorteile von Scale-Out Vorteil Erklärung Gut erweiterbar Weitere Server können ergänzt werden Bessere Ausfallsicherheit Ausfall eines Servers kann abgefangen werden Lastverteilung möglich Arbeit wird verteilt Wartung einfacher Einzelne Server können aus Rotation genommen werden Günstigere Standardhardware möglich Mehrere kleinere Systeme statt ein sehr großes Nachteile von Scale-Out Nachteil Erklärung Anwendung muss geeignet sein Nicht jede Anwendung kann verteilt arbeiten Mehr Komplexität Load Balancer, Sessions, Datenhaltung Datenkonsistenz beachten Mehrere Systeme müssen gleiche Daten sehen Monitoring aufwendiger Mehr Komponenten Netzwerk wichtiger Kommunikation zwischen Systemen Scale-Up vs. Scale-Out Merkmal Scale-Up Scale-Out Prinzip Ein System stärker machen Mehr Systeme hinzufügen Beispiel Mehr RAM in DB01 WEB01, WEB02, WEB03 Komplexität Oft einfacher Komplexer Grenze Hardwarelimit Architekturlimit Ausfallsicherheit Nicht automatisch besser Kann besser werden Typischer Einsatz Datenbanken, einzelne Anwendungen Webserver, APIs, Microservices Vertikale Skalierung bei VMs Bei virtuellen Maschinen ist Scale-Up oft einfach möglich. Beispiele: Änderung Beispiel Mehr vCPU 2 vCPU auf 4 vCPU Mehr RAM 4 GB auf 8 GB Größere vDisk 80 GB auf 160 GB Schnellere Storage-Klasse HDD auf SSD/NVMe Wichtig: Mehr Ressourcen helfen nur, wenn die Anwendung dadurch wirklich profitiert. Horizontale Skalierung bei VMs Bei horizontaler Skalierung werden mehrere VMs mit gleicher oder ähnlicher Aufgabe betrieben. Beispiel: VM Aufgabe WEB01 Webserver WEB02 Webserver WEB03 Webserver Ein Load Balancer verteilt die Anfragen. Das funktioniert besonders gut bei Webservern und APIs. Skalierung bei Datenbanken Datenbanken sind schwieriger horizontal zu skalieren als Webserver. Gründe: Problem Erklärung Datenkonsistenz Alle Daten müssen korrekt bleiben Schreibzugriffe Mehrere schreibende Systeme sind komplex Transaktionen Vorgänge müssen vollständig und korrekt sein Replikation Daten müssen übertragen werden Konflikte Gleichzeitige Änderungen müssen behandelt werden Datenbank-Replikation Replikation bedeutet, dass Daten von einer Datenbank auf eine andere übertragen werden. Typische Varianten: Variante Bedeutung Primary/Replica Eine Hauptdatenbank, eine oder mehrere Kopien Read Replica Kopie für lesende Zugriffe Multi-Master Mehrere Systeme können schreiben Synchrone Replikation Bestätigung erst nach Schreiben auf mehrere Systeme Asynchrone Replikation Übertragung zeitversetzt Read Replica Eine Read Replica ist eine Kopie der Datenbank für lesende Anfragen. Beispiel: Datenbank Aufgabe DB01 Schreiben und Lesen DB02 Lesen DB03 Lesen Vorteil: Leselast kann verteilt werden. Nachteil: Schreibzugriffe laufen weiterhin über die Hauptdatenbank. Webserver-Skalierung Webserver sind oft gut horizontal skalierbar. Beispiel: Komponente Aufgabe LB01 Load Balancer WEB01 Webserver WEB02 Webserver WEB03 Webserver DB01 Datenbank Wichtig: Alle Webserver müssen auf dieselben Inhalte oder dieselbe Anwendung zugreifen können. Gemeinsame Daten bei mehreren Webservern Wenn mehrere Webserver genutzt werden, müssen gemeinsame Daten sauber behandelt werden. Möglichkeiten: Lösung Erklärung Gemeinsames Dateisystem Alle Webserver greifen auf gleiche Dateien zu Deployment auf alle Server Anwendung wird identisch verteilt Objekt-Speicher Dateien liegen zentral Datenbank Dynamische Daten liegen zentral Session-Speicher Sitzungen liegen zentral, z. B. Redis Rolling Update Ein Rolling Update bedeutet, dass Systeme nacheinander aktualisiert werden. Beispiel: Schritt Aktion 1 WEB01 aus Load Balancer nehmen 2 WEB01 aktualisieren 3 WEB01 testen 4 WEB01 wieder aktivieren 5 WEB02 aktualisieren 6 WEB03 aktualisieren Vorteil: Der Dienst bleibt während des Updates verfügbar. Blue-Green-Deployment Blue-Green-Deployment bedeutet, dass es zwei Umgebungen gibt. Umgebung Zustand Blue Aktive Produktion Green Neue Version Ablauf: Schritt Erklärung 1 Neue Version wird in Green bereitgestellt 2 Green wird getestet 3 Load Balancer schaltet auf Green 4 Blue bleibt als Rückfalloption Vorteil: Schneller Rückwechsel möglich. Canary Deployment Beim Canary Deployment bekommt zuerst nur ein kleiner Teil der Benutzer die neue Version. Beispiel: Anteil Version 95 % Alte Version 5 % Neue Version Wenn keine Probleme auftreten, wird der Anteil erhöht. Vorteil: Fehler betreffen zunächst nur wenige Benutzer. Autoscaling Autoscaling bedeutet, dass Systeme automatisch hinzugefügt oder entfernt werden. Beispiel: Last Aktion CPU hoch Neue Instanz starten Wenig Last Instanz entfernen Autoscaling ist besonders in Cloud- und Containerumgebungen verbreitet. In klassischen VM-Umgebungen ist es möglich, aber oft aufwendiger. Container und Skalierung Container lassen sich oft sehr gut horizontal skalieren. Beispiel: Dienst Instanzen Web-App 5 Container API 3 Container Worker 4 Container Container-Orchestrierungssysteme wie Kubernetes können Container automatisch verteilen, überwachen und neu starten. Kubernetes als Beispiel Kubernetes ist eine Plattform zur Verwaltung von Containern in Clustern. Typische Funktionen: Funktion Erklärung Scheduling Container auf Nodes verteilen Self-Healing Fehlerhafte Container neu starten Scaling Mehr Instanzen starten Service Discovery Dienste auffindbar machen Rolling Updates Schrittweise Updates Load Balancing Anfragen auf Pods verteilen Für die IHK reicht meistens das Grundverständnis: Kubernetes verteilt und verwaltet Container auf mehreren Nodes. Microservices Microservices sind kleine, getrennte Dienste, die zusammen eine Anwendung bilden. Beispiel: Microservice Aufgabe User-Service Benutzerverwaltung Payment-Service Zahlung Product-Service Produktdaten Order-Service Bestellungen Mail-Service E-Mails Vorteil: Einzelne Dienste können unabhängig skaliert werden. Nachteil: Die Gesamtarchitektur wird komplexer. Monolithische Anwendung Eine monolithische Anwendung enthält viele Funktionen in einem großen System. Beispiel: Eine Anwendung enthält Benutzerverwaltung, Bestellungen, Zahlung und E-Mail-Funktion in einem Paket. Vorteil Nachteil Einfacher zu verstehen Schwerer einzeln zu skalieren Weniger verteilte Komponenten Änderungen können mehr Risiko haben Einfacheres Deployment Größere Abhängigkeiten Monolith vs. Microservices Merkmal Monolith Microservices Aufbau Eine große Anwendung Viele kleine Dienste Skalierung Gesamte Anwendung skalieren Einzelne Dienste skalieren Komplexität Anfangs einfacher Betrieb komplexer Deployment Ein Paket Viele Deployments Fehlerauswirkung Fehler kann große Teile betreffen Fehler kann begrenzt sein Lastspitzen Lastspitzen sind kurzzeitig hohe Belastungen. Beispiele: Situation Lastspitze Viele Benutzer melden sich morgens an Login-System belastet Sonderangebot im Webshop Viele Besucher Backup startet Storage und Netzwerk belastet Monatsabschluss Datenbank stark belastet Softwareverteilung Netzwerk stark belastet Skalierung und Load Balancing helfen, Lastspitzen besser abzufangen. Bottleneck Ein Bottleneck ist ein Engpass. Beispiele: Engpass Auswirkung CPU Anwendung rechnet langsam RAM System lagert aus Storage VMs reagieren träge Netzwerk Datenübertragung langsam Datenbank Webanwendung langsam einzelner Server Dienst überlastet Merksatz: Ein System ist oft nur so schnell wie sein größter Engpass. Kapazitätsplanung Kapazitätsplanung bedeutet, Ressourcen rechtzeitig zu planen. Wichtige Fragen: Frage Bedeutung Wie viele Benutzer nutzen den Dienst? Last abschätzen Wann treten Lastspitzen auf? Spitzen einplanen Welche Ressource ist kritisch? CPU, RAM, Storage, Netzwerk Wie schnell wächst die Nutzung? Zukunft planen Welche Verfügbarkeit wird benötigt? HA und Redundanz planen Wie wird skaliert? Scale-Up oder Scale-Out Monitoring für Skalierung Um richtig zu skalieren, braucht man Monitoring. Wichtige Werte: Bereich Messwert CPU Auslastung, Load RAM Nutzung, Swapping Storage IOPS, Latenz, freier Speicher Netzwerk Bandbreite, Paketverlust Webserver Anfragen pro Sekunde Anwendung Antwortzeit, Fehlerquote Datenbank Abfragen, Locks, Replikationsverzögerung Load Balancer aktive Verbindungen, fehlerhafte Backends Antwortzeit Antwortzeit beschreibt, wie lange ein Dienst braucht, um auf eine Anfrage zu reagieren. Beispiel: Antwortzeit Bewertung 100 ms Sehr schnell 500 ms Gut 2 Sekunden Spürbar langsam 10 Sekunden Kritisch Hohe Antwortzeiten können durch CPU, RAM, Storage, Netzwerk oder Datenbankprobleme entstehen. Throughput Throughput bedeutet Durchsatz. Je nach Dienst kann das unterschiedlich gemessen werden. Beispiele: Dienst Throughput Webserver Anfragen pro Sekunde Netzwerk Mbit/s oder Gbit/s Storage MB/s oder IOPS Datenbank Abfragen pro Sekunde Backup GB pro Stunde Fehlerquote Die Fehlerquote zeigt, wie viele Anfragen fehlschlagen. Beispiele: Fehler Bedeutung HTTP 500 Serverfehler HTTP 502 Bad Gateway HTTP 503 Dienst nicht verfügbar Timeout Antwort dauert zu lange Verbindungsfehler Backend nicht erreichbar Eine steigende Fehlerquote kann auf Überlastung oder Ausfälle hinweisen. Load Balancer Monitoring Beim Load Balancer sollten besonders diese Werte überwacht werden: Wert Bedeutung Aktive Verbindungen Aktuelle Last Backend-Status Server online oder offline Antwortzeiten Geschwindigkeit der Backends Fehlercodes Probleme bei Anwendungen Verbindungsabbrüche Netzwerk- oder Serverprobleme Traffic Datenmenge Health-Check-Fehler Backend-Probleme Sicherheit beim Load Balancing Ein Load Balancer oder Reverse Proxy ist oft ein zentraler Einstiegspunkt. Daher ist Sicherheit wichtig. Maßnahmen: Maßnahme Erklärung TLS sauber konfigurieren Sichere HTTPS-Verbindungen Zugriff beschränken Nur notwendige Ports öffnen Backend-Netz schützen Backends nicht direkt öffentlich machen Logging aktivieren Anfragen nachvollziehen Updates installieren Sicherheitslücken schließen Rate Limiting Schutz vor zu vielen Anfragen WAF nutzen Schutz vor Webangriffen Adminzugriff absichern Management nicht öffentlich Rate Limiting Rate Limiting begrenzt die Anzahl von Anfragen. Beispiel: Ein Client darf maximal 100 Anfragen pro Minute stellen. Ziel: Ziel Erklärung Schutz vor Missbrauch Zu viele Anfragen blockieren Schutz vor Überlastung Dienst stabil halten Schutz vor Brute Force Loginversuche begrenzen Fairness Ressourcen gleichmäßiger verteilen WAF WAF steht für Web Application Firewall. Eine WAF schützt Webanwendungen vor bestimmten Angriffen. Beispiele: Angriff Erklärung SQL Injection Manipulation von Datenbankabfragen Cross-Site Scripting Einschleusen von Skripten Path Traversal Zugriff auf unerlaubte Dateien Brute Force Viele Loginversuche Exploit-Versuche Ausnutzen bekannter Schwachstellen Eine WAF ersetzt keine sichere Anwendung, kann aber zusätzlichen Schutz bieten. Load Balancing in der DMZ Öffentlich erreichbare Dienste stehen oft in einer DMZ. Beispiel: Zone Systeme Internet Benutzer DMZ Load Balancer, Reverse Proxy Internes Netz Anwendung, Datenbank Vorteil: Interne Server sind nicht direkt aus dem Internet erreichbar. Typische Webserver-Architektur Beispiel: Ebene Systeme Internet Benutzer DMZ Reverse Proxy / Load Balancer Webebene WEB01, WEB02 Anwendungsebene APP01, APP02 Datenbankebene DB01 Backup BKP01 Diese Trennung verbessert Sicherheit, Wartbarkeit und Skalierbarkeit. Drei-Schichten-Architektur Eine typische Anwendung kann aus drei Schichten bestehen. Schicht Aufgabe Präsentationsschicht Weboberfläche Anwendungsschicht Logik und Verarbeitung Datenschicht Datenbank und Speicher Beispiel: Schicht Beispiel Präsentation WEB01, WEB02 Anwendung APP01, APP02 Daten DB01, DB02 Warum Datenbanken oft nicht einfach load-balanced werden Webserver können häufig einfach vervielfacht werden. Datenbanken sind schwieriger. Grund: Datenbanken müssen konsistente Daten liefern. Probleme: Problem Erklärung Schreibzugriffe Änderungen dürfen nicht widersprüchlich sein Transaktionen Vorgänge müssen vollständig sein Locks Gleichzeitige Zugriffe müssen geregelt werden Replikationsverzögerung Kopien können kurzzeitig alt sein Konflikte Mehrere Schreibstellen sind schwierig Caching Caching bedeutet Zwischenspeichern. Ziel: Häufig benötigte Daten schneller bereitstellen. Beispiele: Cache Beispiel Browser-Cache Bilder und CSS lokal speichern Reverse-Proxy-Cache Webseiten zwischenspeichern Datenbank-Cache Häufige Abfragen im RAM Application-Cache Ergebnisse zwischenspeichern CDN Inhalte weltweit verteilen Caching kann Last reduzieren, ersetzt aber keine saubere Skalierung. CDN CDN steht für Content Delivery Network. Ein CDN verteilt Inhalte über viele Standorte. Typische Inhalte: Inhalt Beispiel Bilder Produktbilder Videos Streaming-Inhalte JavaScript Webdateien CSS Stylesheets Downloads Dateien Vorteile: Vorteil Erklärung Schnellere Auslieferung Nähe zum Benutzer Weniger Last auf Ursprungsserver CDN liefert Inhalte aus Schutz bei Lastspitzen Mehr Verteilung Teilweise DDoS-Schutz Je nach Anbieter DDoS und Last DDoS steht für Distributed Denial of Service. Dabei wird ein Dienst mit sehr vielen Anfragen überlastet. Load Balancing kann helfen, ist aber allein kein vollständiger DDoS-Schutz. Maßnahmen: Maßnahme Erklärung Rate Limiting Anfragen begrenzen CDN Last verteilen WAF Webangriffe filtern DDoS-Schutzdienst Angriffstraffic abwehren Monitoring Angriff erkennen Netzwerkfilter Unerwünschten Traffic blockieren Typische Fehler beim Load Balancing Fehler Auswirkung Kein Health Check Anfragen gehen an defekte Server Load Balancer nicht redundant Load Balancer wird Single Point of Failure Sticky Sessions falsch geplant Ungleichmäßige Last Backends direkt öffentlich erreichbar Sicherheitsrisiko Keine gemeinsamen Sessions Benutzer verlieren Sitzungen TLS falsch konfiguriert Sicherheitsproblem Keine Logs Fehler schwer nachvollziehbar Keine Ressourcenreserve Ausfall eines Backends überlastet andere Datenbank als Engpass vergessen Webserver skalieren, aber DB bleibt langsam Kein Monitoring Überlastung wird zu spät erkannt Gute Praxis Empfehlung Grund Health Checks einrichten Defekte Backends erkennen Load Balancer redundant betreiben Kein Single Point of Failure Backends nicht direkt öffentlich machen Sicherheit erhöhen TLS sauber konfigurieren Sichere Kommunikation Sessions zentral speichern Besser skalierbar Stateless-Anwendungen bevorzugen Einfachere Lastverteilung Monitoring einrichten Last und Fehler erkennen Ressourcenreserven einplanen Ausfälle abfangen Rolling Updates nutzen Wartung ohne Komplettausfall Datenbanklast beachten Engpässe vermeiden Dokumentation pflegen Betrieb nachvollziehbar machen Prüfungsnahes Beispiel 1 Aufgabe: Eine Webseite läuft auf einem einzelnen Webserver. Bei vielen Zugriffen wird die Webseite langsam. Frage: Welche Maßnahme kann helfen? Mögliche Antwort: Es können mehrere Webserver betrieben und über einen Load Balancer angesprochen werden. Der Load Balancer verteilt die Anfragen auf die Webserver. Dadurch wird die Last verteilt und die Verfügbarkeit verbessert. Prüfungsnahes Beispiel 2 Aufgabe: Ein Unternehmen betreibt drei Webserver hinter einem Load Balancer. Einer der Webserver fällt aus. Frage: Was sollte der Load Balancer tun? Mögliche Antwort: Der Load Balancer sollte den Ausfall über Health Checks erkennen und keine neuen Anfragen mehr an den defekten Webserver senden. Die Anfragen werden auf die verbleibenden funktionierenden Webserver verteilt. Prüfungsnahes Beispiel 3 Aufgabe: Ein Webshop speichert Warenkörbe lokal auf dem Webserver. Benutzer verlieren manchmal ihren Warenkorb, wenn mehrere Webserver genutzt werden. Frage: Was ist vermutlich das Problem? Mögliche Antwort: Die Anwendung ist stateful und speichert Sitzungsdaten lokal. Wenn der Benutzer bei einer späteren Anfrage auf einem anderen Webserver landet, kennt dieser den Warenkorb nicht. Lösungen sind Sticky Sessions oder ein zentraler Session-Speicher. Prüfungsnahes Beispiel 4 Aufgabe: Ein Administrator sagt: „Wir skalieren unsere Datenbank einfach wie unsere Webserver, indem wir mehrere Datenbankserver parallel hinter einen Load Balancer hängen.“ Frage: Warum ist das problematisch? Mögliche Antwort: Datenbanken müssen Daten konsistent halten. Schreibzugriffe, Transaktionen und gleichzeitige Änderungen sind komplex. Datenbanken benötigen spezielle Replikations-, Cluster- oder Failover-Konzepte und können nicht immer wie einfache Webserver horizontal skaliert werden. Prüfungsnahes Beispiel 5 Aufgabe: Ein Unternehmen hat zwei Load Balancer, aber nur einer besitzt die aktive virtuelle IP-Adresse. Fällt dieser aus, übernimmt der zweite. Frage: Welches Prinzip wird genutzt? Mögliche Antwort: Es wird ein redundanter Load-Balancer-Aufbau mit virtueller IP-Adresse genutzt. Häufig wird dafür ein Verfahren wie VRRP eingesetzt. Der zweite Load Balancer übernimmt bei Ausfall die VIP. Typische Prüfungsfrage: Was ist Load Balancing? Mögliche Antwort: Load Balancing bedeutet Lastverteilung. Ein Load Balancer verteilt eingehende Anfragen auf mehrere Backend-Server, damit die Last besser verteilt und die Verfügbarkeit erhöht wird. Typische Prüfungsfrage: Warum sind Health Checks wichtig? Mögliche Antwort: Health Checks prüfen, ob Backend-Server erreichbar und funktionsfähig sind. Wenn ein Server ausfällt, kann der Load Balancer ihn aus der Verteilung nehmen und Anfragen nur noch an funktionierende Server senden. Typische Prüfungsfrage: Unterschied Failover und Load Balancing Failover Load Balancing Übernahme bei Ausfall Verteilung von Anfragen Häufig eine aktive Ressource Mehrere aktive Server Ziel: Ausfallsicherheit Ziel: Lastverteilung und Verfügbarkeit Beispiel: VM startet auf anderem Host Beispiel: Webanfragen auf mehrere Webserver Typische Prüfungsfrage: Was ist Scale-Up? Mögliche Antwort: Scale-Up bedeutet vertikale Skalierung. Dabei wird ein einzelnes System leistungsfähiger gemacht, zum Beispiel durch mehr CPU, mehr RAM, schnelleren Storage oder eine größere VM. Typische Prüfungsfrage: Was ist Scale-Out? Mögliche Antwort: Scale-Out bedeutet horizontale Skalierung. Dabei werden weitere Systeme hinzugefügt, zum Beispiel mehrere Webserver hinter einem Load Balancer. Typische Prüfungsfrage: Unterschied Scale-Up und Scale-Out Scale-Up Scale-Out Einzelnes System stärker machen Mehr Systeme hinzufügen Mehr RAM, CPU, Storage Weitere Server oder Instanzen Einfacher, aber begrenzt Skalierbarer, aber komplexer Single Point of Failure bleibt möglich Kann Verfügbarkeit verbessern Typische Prüfungsfrage: Was bedeutet Sticky Session? Mögliche Antwort: Sticky Session bedeutet, dass ein Benutzer während einer Sitzung immer wieder demselben Backend-Server zugeordnet wird. Das ist nötig, wenn eine Anwendung Sitzungsdaten lokal auf dem Server speichert. Typische Prüfungsfrage: Was bedeutet stateless? Mögliche Antwort: Stateless bedeutet, dass ein Server keinen wichtigen Sitzungszustand lokal speichert. Dadurch können Anfragen einfacher auf verschiedene Server verteilt werden, was Load Balancing und Skalierung erleichtert. Typische Prüfungsfrage: Warum ist ein einzelner Load Balancer problematisch? Mögliche Antwort: Ein einzelner Load Balancer kann selbst ein Single Point of Failure sein. Wenn er ausfällt, ist der Dienst trotz mehrerer Backend-Server nicht erreichbar. Deshalb sollten Load Balancer redundant aufgebaut werden. Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Reverse Proxy? Mögliche Antwort: Ein Reverse Proxy nimmt Anfragen von Clients entgegen und leitet sie an interne Server weiter. Er kann zusätzlich TLS-Terminierung, Logging, Zugriffskontrolle und Load Balancing übernehmen. Typische Prüfungsfrage: Was ist TLS-Terminierung? Mögliche Antwort: TLS-Terminierung bedeutet, dass der Load Balancer oder Reverse Proxy die HTTPS-Verbindung des Clients entgegennimmt und entschlüsselt. Danach leitet er die Anfrage intern an Backend-Server weiter. Typische Prüfungsfrage: Warum sind Datenbanken schwieriger zu skalieren als Webserver? Mögliche Antwort: Datenbanken müssen Daten konsistent halten. Schreibzugriffe, Transaktionen und gleichzeitige Änderungen dürfen keine Widersprüche erzeugen. Deshalb benötigen Datenbanken spezielle Replikations- oder Clusterkonzepte. Wichtige Begriffe Begriff Kurz erklärt Load Balancing Lastverteilung auf mehrere Server Load Balancer System, das Anfragen verteilt Backend Zielserver hinter dem Load Balancer Frontend Adresse oder Dienst, den Clients ansprechen VIP Virtuelle IP-Adresse Health Check Prüfung eines Backends Round Robin Verteilung der Reihe nach Least Connections Server mit wenigsten Verbindungen wird bevorzugt Weighted Round Robin Gewichtete Verteilung IP Hash Zielserver anhand Client-IP Sticky Session Benutzer bleibt auf gleichem Backend Session Affinity Sitzung wird Backend zugeordnet Stateless Zustandslos Stateful Zustandsbehaftet Scale-Up Einzelnes System stärker machen Scale-Out Weitere Systeme hinzufügen Reverse Proxy Vermittler zwischen Client und internen Servern TLS-Terminierung HTTPS wird am Proxy/Load Balancer beendet VRRP Virtuelle IP für Redundanz Keepalived Linux-Software für VRRP Rolling Update Systeme nacheinander aktualisieren Blue-Green-Deployment Umschaltung zwischen zwei Umgebungen Canary Deployment Neue Version zuerst für wenige Benutzer Autoscaling Automatische Skalierung Bottleneck Engpass Throughput Durchsatz Antwortzeit Zeit bis zur Antwort WAF Web Application Firewall CDN Content Delivery Network Wichtige Merksätze Load Balancing verteilt Anfragen auf mehrere Server. Load Balancing verbessert Lastverteilung und kann die Verfügbarkeit erhöhen. Ein Load Balancer braucht Health Checks, damit defekte Backends erkannt werden. Ein einzelner Load Balancer kann selbst ein Single Point of Failure sein. Scale-Up bedeutet: ein System stärker machen. Scale-Out bedeutet: mehrere Systeme hinzufügen. Webserver lassen sich oft leichter horizontal skalieren als Datenbanken. Stateless-Anwendungen sind einfacher zu skalieren als stateful Anwendungen. Sticky Sessions können nötig sein, verschlechtern aber manchmal die Lastverteilung. Ein Reverse Proxy kann auch als Load Balancer arbeiten. Monitoring ist notwendig, um Engpässe und Überlastung zu erkennen. Kurzzusammenfassung Load Balancing und Skalierung helfen dabei, Dienste leistungsfähiger und besser verfügbar zu machen. Ein Load Balancer verteilt Anfragen auf mehrere Backend-Server. Wichtige Ziele sind: Ziel Bedeutung Lastverteilung Arbeit auf mehrere Server verteilen Verfügbarkeit Defekte Server aus der Verteilung nehmen Skalierbarkeit Weitere Server hinzufügen Wartbarkeit Server einzeln warten Performance Antwortzeiten verbessern Skalierung gibt es in zwei Grundformen: Art Bedeutung Scale-Up Einzelnes System stärker machen Scale-Out Mehr Systeme hinzufügen Für die IHK ist besonders wichtig: Prüfungsrelevanter Punkt Bedeutung Load Balancing erklären Anfragen werden verteilt Health Checks verstehen Defekte Backends erkennen Failover vs. Load Balancing unterscheiden Übernahme vs. Verteilung Scale-Up vs. Scale-Out unterscheiden Stärker machen vs. mehr Systeme Stateful vs. Stateless verstehen Sitzungszustand wichtig für Skalierung Sticky Sessions kennen Benutzer bleibt auf gleichem Server Load Balancer als SPOF erkennen Redundanz nötig Datenbank-Skalierung einordnen Komplexer als Webserver Der nächste logische Schritt ist: Prüfungszusammenfassung – Virtualisierung und Cluster 13.8 Prüfungszusammenfassung – Virtualisierung und Cluster Einordnung Diese Seite gehört zum Kapitel: Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Diese Seite fasst die wichtigsten Begriffe und Zusammenhänge aus den vorherigen Seiten zusammen. Sie eignet sich besonders zur Wiederholung vor Klassenarbeiten, IHK-Aufgaben oder Prüfungsvorbereitung. Themenüberblick In diesem Kapitel wurden folgende Themen behandelt: Seite Thema 1 Server-Grundlagen 2 Virtualisierung und virtuelle Maschinen 3 Hypervisor und VM-Verwaltung 4 Storage, Snapshots und Backups bei VMs 5 Cluster und Hochverfügbarkeit 6 Failover, Quorum und Split-Brain 7 Load Balancing und Skalierung Grundzusammenhang Moderne Serverumgebungen bestehen oft nicht mehr aus einzelnen physischen Servern für jeden Dienst. Stattdessen werden mehrere virtuelle Maschinen auf leistungsfähigen Hosts betrieben. Mehrere Hosts können zu einem Cluster verbunden werden. Dadurch entstehen mehr Flexibilität, bessere Ressourcennutzung und höhere Verfügbarkeit. Vereinfacht: Physische Server ↓ Hypervisor ↓ Virtuelle Maschinen ↓ Cluster / Hochverfügbarkeit ↓ Dienste für Benutzer Server Ein Server ist ein System, das anderen Geräten Dienste, Daten oder Anwendungen bereitstellt. Clients nutzen diese Dienste. Beispiele: Serverrolle Aufgabe Domain Controller Benutzer und Anmeldungen verwalten DNS-Server Namen in IP-Adressen auflösen DHCP-Server IP-Adressen vergeben Fileserver Dateien bereitstellen Webserver Webseiten bereitstellen Datenbankserver Daten speichern Backupserver Sicherungen verwalten Monitoring-Server Systeme überwachen Client-Server-Prinzip Beim Client-Server-Prinzip fordert ein Client einen Dienst an und der Server stellt ihn bereit. Beispiel: Client Server PC öffnet Netzlaufwerk Fileserver stellt Datei bereit Browser ruft Webseite auf Webserver liefert Webseite PC fragt DNS-Namen ab DNS-Server liefert IP-Adresse Benutzer meldet sich an Domain Controller prüft Anmeldung Merksatz Server Ein Server stellt Dienste bereit. Ein Client nutzt diese Dienste. Virtualisierung Virtualisierung bedeutet, dass mehrere virtuelle Systeme auf einer physischen Hardware betrieben werden. Ein physischer Server kann dadurch mehrere virtuelle Maschinen ausführen. Beispiel: Physischer Host Virtuelle Maschinen HV01 DC01, FILE01, WEB01, DB01 Virtuelle Maschine Eine virtuelle Maschine ist ein simulierter Computer. Sie besitzt eigene virtuelle Hardware: Virtuelle Komponente Bedeutung vCPU Virtuelle CPU vRAM Virtueller Arbeitsspeicher vDisk Virtuelle Festplatte vNIC Virtuelle Netzwerkkarte Gastbetriebssystem Betriebssystem innerhalb der VM Host und Guest Begriff Bedeutung Host Physischer Server, auf dem VMs laufen Guest Virtuelle Maschine Gastbetriebssystem Betriebssystem innerhalb der VM Hypervisor Virtualisierungsschicht Beispiel: Ebene Beispiel Hardware Physischer Server Hypervisor Proxmox, ESXi, Hyper-V Guest Windows Server VM oder Linux VM Hypervisor Ein Hypervisor ist die Virtualisierungsschicht. Er verwaltet virtuelle Maschinen und verteilt Ressourcen. Aufgaben: Aufgabe Erklärung VMs erstellen Neue virtuelle Maschinen anlegen VMs starten und stoppen Betrieb steuern CPU zuteilen Rechenleistung bereitstellen RAM zuteilen Arbeitsspeicher bereitstellen Storage verwalten Virtuelle Festplatten bereitstellen Netzwerk bereitstellen Virtuelle Netzwerkkarten und Switches Snapshots verwalten Zustände speichern Migration ermöglichen VMs verschieben Typ-1-Hypervisor Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware. Beispiele: Hypervisor Beschreibung VMware ESXi Häufig in Unternehmen Microsoft Hyper-V Microsoft-Virtualisierung Proxmox VE Open-Source-Virtualisierungsplattform KVM Linux-basierte Virtualisierung Xen Virtualisierungstechnologie Typischer Aufbau: Hardware ↓ Typ-1-Hypervisor ↓ Virtuelle Maschinen Typ-2-Hypervisor Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem. Beispiele: Hypervisor Einsatz VirtualBox Test und Lernen VMware Workstation Desktop-Virtualisierung Parallels Desktop macOS-Virtualisierung UTM macOS / Apple Silicon Typischer Aufbau: Hardware ↓ Betriebssystem ↓ Typ-2-Hypervisor ↓ Virtuelle Maschinen Typ-1 vs. Typ-2 Merkmal Typ-1 Typ-2 Läuft auf Direkt auf Hardware Auf Betriebssystem Einsatz Server / Rechenzentrum Desktop / Test Performance Höher Meist geringer Stabilität Sehr hoch Abhängig vom Host-OS Beispiel ESXi, Hyper-V, Proxmox VirtualBox, VMware Workstation Vorteile von Virtualisierung Vorteil Erklärung Bessere Ressourcennutzung Hardware wird effizienter genutzt Weniger physische Server Konsolidierung Schnellere Bereitstellung Neue VMs schnell erstellen Einfachere Sicherung Ganze VMs können gesichert werden Flexibilität Ressourcen können angepasst werden Migration VMs können verschoben werden Testumgebungen Schnell erstellbar und zurücksetzbar Grundlage für HA Clusterbetrieb möglich Nachteile und Risiken von Virtualisierung Risiko Erklärung Host-Ausfall Mehrere VMs gleichzeitig betroffen Ressourcenengpass CPU, RAM oder Storage überlastet Komplexität Mehr Planung bei Netzwerk, Storage und Backup Hypervisor-Sicherheit Hypervisor ist besonders kritisch Storage-Abhängigkeit Viele VMs hängen am gleichen Speicher Lizenzierung Kann komplizierter werden Storage bei VMs Storage ist der Speicherbereich für virtuelle Maschinen. Dort liegen zum Beispiel: Bestandteil Beispiel Virtuelle Festplatten VHDX, VMDK, QCOW2 VM-Konfiguration CPU, RAM, Netzwerk ISO-Dateien Installationsmedien Snapshots Zwischenstände Templates Vorlagen Backups Sicherungen Virtuelle Festplattenformate Format Plattform VHD / VHDX Hyper-V VMDK VMware QCOW2 KVM / Proxmox RAW KVM / Proxmox Thin Provisioning Thin Provisioning bedeutet, dass eine virtuelle Festplatte nur den tatsächlich genutzten Speicher belegt, obwohl sie eine größere Maximalgröße hat. Beispiel: Eingestellte Größe Tatsächlich belegt 100 GB 25 GB Vorteil: Speicher wird effizient genutzt. Nachteil: Der echte Storage kann unerwartet voll laufen. Thick Provisioning Thick Provisioning bedeutet, dass der Speicher direkt vollständig reserviert wird. Beispiel: Eingestellte Größe Tatsächlich belegt 100 GB 100 GB Vorteil: Besser planbar. Nachteil: Weniger flexibel und weniger platzsparend. Thin vs. Thick Merkmal Thin Thick Speicherbelegung Wächst nach Bedarf Sofort vollständig reserviert Effizienz Hoch Geringer Risiko Storage kann voll laufen Besser planbar Überwachung Sehr wichtig Trotzdem wichtig Snapshot Ein Snapshot speichert den Zustand einer VM zu einem bestimmten Zeitpunkt. Typische Nutzung: Situation Warum Snapshot? Vor Updates Rückkehr möglich Vor Softwareinstallation Test rückgängig machen Vor Konfigurationsänderung Absicherung Schulung / Labor Ausgangszustand wiederherstellen Snapshots sind kein Backup Snapshots sind nur kurzfristige Zustände. Sie ersetzen kein Backup. Gründe: Grund Erklärung Gleicher Storage Snapshot liegt oft neben der VM Kurzfristig gedacht Nicht für Langzeitaufbewahrung Kein Schutz bei Storage-Ausfall Snapshot ist dann auch betroffen Performanceprobleme möglich Lange Snapshot-Ketten können bremsen Kein vollständiges Restore-Konzept Backup bleibt notwendig Backup Ein Backup ist eine Datensicherung. Ziel: Daten oder Systeme sollen nach einem Fehler wiederhergestellt werden können. Typische Gründe für Restore: Ursache Beispiel Datei gelöscht Benutzerfehler Ransomware Daten verschlüsselt Hardwaredefekt Storage defekt Fehlkonfiguration Falsche Änderung Updatefehler Anwendung funktioniert nicht mehr Datenkorruption Daten beschädigt Backuparten Backupart Erklärung Vollbackup Sichert alle Daten Inkrementelles Backup Sichert Änderungen seit letztem Backup Differenzielles Backup Sichert Änderungen seit letztem Vollbackup Image-basiertes Backup Sichert ganze VM Datei-basiertes Backup Sichert einzelne Dateien Applikationskonsistentes Backup Berücksichtigt laufende Anwendungen RAID ist kein Backup RAID schützt vor bestimmten Festplattenausfällen. RAID schützt nicht zuverlässig gegen: Risiko Beispiel Versehentliches Löschen Datei wird gelöscht Ransomware Daten werden verschlüsselt Datenkorruption Fehlerhafte Daten Brand / Diebstahl Gesamtes Gerät weg Fehlkonfiguration Falsche Änderung bleibt bestehen Merksatz: RAID erhöht Verfügbarkeit, ersetzt aber kein Backup. RPO und RTO Begriff Bedeutung Frage RPO Recovery Point Objective Wie viele Daten dürfen maximal verloren gehen? RTO Recovery Time Objective Wie lange darf die Wiederherstellung dauern? Beispiel: Wert Bedeutung RPO 1 Stunde Maximal Datenverlust von 1 Stunde RTO 4 Stunden Dienst muss nach 4 Stunden wieder laufen Cluster Ein Cluster ist ein Zusammenschluss mehrerer Server, die gemeinsam arbeiten. Die einzelnen Server heißen Nodes. Ziele: Ziel Erklärung Hochverfügbarkeit Dienste sollen bei Ausfall weiterlaufen oder schnell wieder starten Lastverteilung Arbeit wird verteilt Skalierbarkeit Weitere Systeme können ergänzt werden Wartbarkeit Systeme können nacheinander gewartet werden Cluster-Node Ein Cluster-Node ist ein einzelner Server innerhalb eines Clusters. Beispiel: Cluster Nodes Virtualisierungscluster HV01, HV02, HV03 Webserver-Cluster WEB01, WEB02, WEB03 Datenbankcluster DB01, DB02 Cluster-Ressource Eine Cluster-Ressource ist ein Dienst, eine VM, eine IP-Adresse oder ein Speicherbereich, der vom Cluster verwaltet wird. Beispiele: Cluster-Ressource Erklärung Virtuelle Maschine Kann auf anderem Host starten IP-Adresse Wandert mit aktivem Dienst Dateifreigabe Hochverfügbare Freigabe Datenbankdienst Kann auf Ersatznode starten Anwendung Wird überwacht und verschoben Hochverfügbarkeit Hochverfügbarkeit bedeutet, dass ein Dienst möglichst dauerhaft erreichbar bleibt. Wichtig: Hochverfügbarkeit bedeutet nicht automatisch unterbrechungsfrei. Oft gibt es bei einem Failover eine kurze Unterbrechung. Single Point of Failure Ein Single Point of Failure ist eine einzelne Komponente, deren Ausfall einen Dienst oder ein System lahmlegen kann. Beispiele: Single Point of Failure Risiko Einziger Server Dienst fällt komplett aus Einziger Switch Netzwerk fällt aus Einziger Storage VM-Daten nicht erreichbar Einzige Internetleitung Externer Zugriff fällt aus Einziger Load Balancer Dienst trotz Backends nicht erreichbar Redundanz Redundanz bedeutet, dass wichtige Komponenten mehrfach vorhanden sind. Beispiele: Komponente Redundanz Server Mehrere Hosts Netzteil Zwei Netzteile Netzwerk Mehrere Netzwerkkarten Switch Zwei Switches Storage RAID, Replikation, verteiltes Storage Backup Mehrere Sicherungen Failover Failover bedeutet, dass ein Dienst bei Ausfall auf ein anderes System wechselt oder dort neu gestartet wird. Beispiel: Schritt Ereignis 1 VM läuft auf HV01 2 HV01 fällt aus 3 Cluster erkennt Fehler 4 VM wird auf HV02 gestartet 5 Dienst ist wieder verfügbar Merksatz: Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall. Failback Failback bedeutet, dass eine Ressource nach Reparatur wieder auf das ursprüngliche System zurückwechselt. Beispiel: Schritt Ereignis 1 VM läuft ursprünglich auf HV01 2 Failover auf HV02 3 HV01 wird repariert 4 VM wird zurück auf HV01 verschoben Live Migration Live Migration bedeutet, dass eine laufende VM geplant auf einen anderen Host verschoben wird. Beispiel: Situation Begriff Admin verschiebt VM vor Wartung Live Migration Host fällt plötzlich aus Failover Failover vs. Live Migration Failover Live Migration Reaktion auf Fehler Geplante Verschiebung Häufig kurze Unterbrechung Möglichst ohne Unterbrechung Beispiel: Host-Ausfall Beispiel: Wartung Ressource startet woanders VM läuft weiter beim Verschieben Quorum Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus im Cluster. Es sorgt dafür, dass nur der Cluster-Teil mit gültiger Mehrheit weiterarbeiten darf. Ziel: Split-Brain verhindern. Witness Ein Witness ist eine zusätzliche Entscheidungsinstanz für das Quorum. Beispiele: Witness-Art Erklärung File Share Witness Netzwerkfreigabe als Zeuge Disk Witness Gemeinsamer Datenträger als Zeuge Cloud Witness Cloud-Dienst als Zeuge Besonders bei Clustern mit gerader Node-Anzahl ist ein Witness wichtig. Split-Brain Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand. Dabei verlieren Cluster-Teile die Verbindung zueinander und glauben gleichzeitig, aktiv sein zu dürfen. Gefahr: Gefahr Erklärung Datenkorruption Zwei Seiten schreiben gleichzeitig Inkonsistente Daten Unterschiedliche Datenstände Datenverlust Änderungen überschreiben sich Lange Wiederherstellung Manuelle Reparatur nötig Merksatz: Quorum und Witness helfen, Split-Brain zu verhindern. Fencing Fencing bedeutet, einen unsicheren oder isolierten Node vom Zugriff auf gemeinsame Ressourcen auszuschließen. Ziel: Ein unsicherer Node darf nicht weiter auf Daten schreiben. STONITH STONITH steht für: Shoot The Other Node In The Head Gemeint ist technisch: Ein unsicherer Node wird ausgeschaltet oder isoliert, um Datenkonsistenz zu schützen. Heartbeat Heartbeat ist ein regelmäßiges Signal zwischen Cluster-Nodes. Damit prüfen Nodes, ob andere Nodes noch erreichbar sind. Wichtig: Ein fehlender Heartbeat bedeutet nicht automatisch, dass der Server aus ist. Es kann auch ein Netzwerkproblem sein. Shared Storage Shared Storage ist gemeinsamer Speicher, auf den mehrere Hosts zugreifen können. Vorteil: VMs können leichter auf anderen Hosts gestartet werden. Nachteil: Der gemeinsame Storage darf selbst kein Single Point of Failure sein. Shared-Nothing-Cluster Bei einem Shared-Nothing-Cluster hat jeder Node eigenen lokalen Speicher. Daten werden repliziert oder verteilt. Beispiele: Technologie Prinzip Ceph Verteilter Storage VMware vSAN Verteilter Speicher Storage Spaces Direct Microsoft verteilter Storage GlusterFS Verteiltes Dateisystem N+1-Prinzip N+1 bedeutet: Es gibt eine zusätzliche Reservekomponente. Beispiel: Benötigt Vorhanden 2 Hosts 3 Hosts Wenn ein Host ausfällt, können die verbleibenden Hosts die Last übernehmen. Load Balancing Load Balancing bedeutet Lastverteilung. Ein Load Balancer verteilt Anfragen auf mehrere Backend-Server. Beispiel: Client ↓ Load Balancer ↓ WEB01 / WEB02 / WEB03 Load Balancer Ein Load Balancer nimmt Anfragen entgegen und verteilt sie. Beispiele: Art Beispiel Software HAProxy, Nginx, Traefik Hardware Load-Balancer-Appliance Cloud Cloud Load Balancer Container Kubernetes Service / Ingress Backend und Frontend Begriff Bedeutung Frontend Adresse, die der Client anspricht Backend Zielserver hinter dem Load Balancer Beispiel: Bereich Beispiel Frontend intranet.firma.local Backend WEB01, WEB02, WEB03 Health Check Ein Health Check prüft, ob ein Backend-Server erreichbar und funktionsfähig ist. Wenn ein Server nicht gesund ist, nimmt der Load Balancer ihn aus der Verteilung. Beispiele: Health Check Prüfung Ping Server erreichbar? TCP-Port Port offen? HTTP-Status Webserver antwortet korrekt? API-Check Anwendung funktioniert? Load-Balancing-Methoden Methode Erklärung Round Robin Anfragen der Reihe nach verteilen Least Connections Server mit wenigsten Verbindungen bevorzugen Weighted Round Robin Stärkere Server bekommen mehr Anfragen IP Hash Client-IP entscheidet über Zielserver Random Zufällige Verteilung Sticky Session Sticky Session bedeutet, dass ein Benutzer während einer Sitzung immer wieder beim gleichen Backend-Server landet. Das ist nötig, wenn die Anwendung Sitzungsdaten lokal speichert. Nachteil: Die Lastverteilung kann ungleichmäßiger werden. Stateless und Stateful Begriff Bedeutung Stateless Server speichert keinen wichtigen Sitzungszustand lokal Stateful Server speichert Zustand oder Sitzungsdaten lokal Stateless-Anwendungen sind einfacher zu skalieren. Stateful-Anwendungen benötigen oft Sticky Sessions, zentralen Session-Speicher oder besondere Clusterkonzepte. Scale-Up Scale-Up bedeutet vertikale Skalierung. Ein einzelnes System wird stärker gemacht. Beispiele: Maßnahme Wirkung Mehr RAM Mehr Arbeitsspeicher Mehr CPU Mehr Rechenleistung Schnellere SSD Bessere Storage-Performance Größere VM Mehr Ressourcen Scale-Out Scale-Out bedeutet horizontale Skalierung. Es werden weitere Systeme hinzugefügt. Beispiel: Vorher Nachher Ein Webserver Drei Webserver hinter Load Balancer Scale-Up vs. Scale-Out Merkmal Scale-Up Scale-Out Prinzip Ein System stärker machen Mehr Systeme hinzufügen Beispiel Mehr RAM für DB01 WEB01, WEB02, WEB03 Komplexität Meist einfacher Komplexer Grenze Hardwarelimit Architekturabhängig Ausfallsicherheit Nicht automatisch besser Kann besser werden Failover vs. Load Balancing Failover Load Balancing Übernahme bei Ausfall Verteilung von Anfragen Häufig eine aktive Ressource Mehrere aktive Server Ziel: Verfügbarkeit Ziel: Lastverteilung und Verfügbarkeit Beispiel: VM startet auf anderem Host Beispiel: Webanfragen auf mehrere Server Cluster vs. Backup Cluster Backup Erhöht Verfügbarkeit Schützt vor Datenverlust Hilft bei Serverausfall Hilft bei gelöschten oder beschädigten Daten Kein Ersatz für Backup Kein Ersatz für Hochverfügbarkeit Aktueller Zustand bleibt aktiv Ältere Zustände wiederherstellbar Merksatz: Ein Cluster ersetzt kein Backup. Snapshot vs. Backup Snapshot Backup Kurzfristiger Zustand Echte Datensicherung Meist gleicher Storage Separater Speicher möglich Für Updates und Tests Für Wiederherstellung Kein Ersatz für Backup Notwendig für Datenverlustfälle Merksatz: Snapshots sind kein Backup. RAID vs. Backup RAID Backup Schutz vor bestimmten Festplattenausfällen Schutz vor Datenverlust Erhöht Verfügbarkeit Ermöglicht Wiederherstellung Kein Schutz vor Löschen/Ransomware Kann alte Zustände liefern Kein Ersatz für Backup Echte Sicherung Merksatz: RAID ist kein Backup. Wichtige Unterschiede auf einen Blick Begriff 1 Begriff 2 Unterschied VM Container VM hat eigenes OS, Container nutzt Host-Kernel Host Guest Host betreibt VMs, Guest ist VM Typ-1 Typ-2 Direkt auf Hardware vs. auf Betriebssystem Snapshot Backup Zustand vs. Sicherung RAID Backup Festplattenschutz vs. Wiederherstellung Failover Live Migration Fehlerfall vs. geplante Verschiebung Failover Load Balancing Übernahme vs. Verteilung Scale-Up Scale-Out Stärker machen vs. mehr Systeme Stateful Stateless Mit Zustand vs. ohne lokalen Zustand RPO RTO Datenverlust vs. Ausfallzeit HA Fault Tolerance Schnelle Wiederherstellung vs. möglichst unterbrechungsfrei Typische IHK-Frage: Was ist Virtualisierung? Mögliche Antwort: Virtualisierung bedeutet, dass mehrere virtuelle Maschinen auf einer gemeinsamen physischen Hardware betrieben werden. Jede VM verhält sich wie ein eigener Computer mit virtueller CPU, virtuellem Arbeitsspeicher, virtueller Festplatte und virtueller Netzwerkkarte. Typische IHK-Frage: Was ist ein Hypervisor? Mögliche Antwort: Ein Hypervisor ist die Virtualisierungsschicht, die virtuelle Maschinen bereitstellt und verwaltet. Er verteilt Ressourcen wie CPU, RAM, Storage und Netzwerk an die VMs. Typische IHK-Frage: Unterschied Typ-1 und Typ-2-Hypervisor Mögliche Antwort: Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware und wird typischerweise im Serverbetrieb eingesetzt. Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem und wird häufig für Tests oder Lernumgebungen genutzt. Typische IHK-Frage: Warum nutzt man virtuelle Maschinen? Mögliche Antwort: Virtuelle Maschinen ermöglichen eine bessere Ressourcennutzung, schnellere Bereitstellung, einfachere Sicherung, flexible Verwaltung und den Betrieb mehrerer Server auf einer physischen Hardware. Außerdem bilden sie eine Grundlage für Hochverfügbarkeit und Clusterbetrieb. Typische IHK-Frage: Warum ist ein einzelner Virtualisierungshost riskant? Mögliche Antwort: Wenn viele VMs auf einem einzelnen Host laufen, fallen bei Ausfall dieses Hosts mehrere virtuelle Server gleichzeitig aus. Der Host ist dann ein Single Point of Failure. Abhilfe schaffen Cluster, Redundanz, Backups und Monitoring. Typische IHK-Frage: Was ist ein Cluster? Mögliche Antwort: Ein Cluster ist ein Zusammenschluss mehrerer Server, die gemeinsam Dienste bereitstellen oder absichern. Ziel ist meistens Hochverfügbarkeit, Lastverteilung, Skalierbarkeit oder bessere Wartbarkeit. Typische IHK-Frage: Was ist Failover? Mögliche Antwort: Failover bedeutet, dass ein Dienst oder eine Ressource bei Ausfall eines Systems auf ein anderes System wechselt oder dort neu gestartet wird. Dadurch wird die Ausfallzeit reduziert. Typische IHK-Frage: Was ist Quorum? Mögliche Antwort: Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus im Cluster. Es stellt sicher, dass nur der Cluster-Teil mit gültiger Mehrheit weiterarbeiten darf. Dadurch wird verhindert, dass mehrere Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden. Typische IHK-Frage: Was ist Split-Brain? Mögliche Antwort: Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand, bei dem getrennte Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden. Wenn beide Seiten auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption oder Datenverlust kommen. Typische IHK-Frage: Warum braucht ein Zwei-Node-Cluster oft einen Witness? Mögliche Antwort: Bei zwei Nodes gibt es ohne Witness keine klare Mehrheit, wenn die Verbindung zwischen den Nodes gestört ist. Ein Witness liefert eine zusätzliche Stimme und hilft dem Cluster, eindeutig zu entscheiden, welcher Teil weiterarbeiten darf. Typische IHK-Frage: Was ist Load Balancing? Mögliche Antwort: Load Balancing bedeutet Lastverteilung. Ein Load Balancer verteilt eingehende Anfragen auf mehrere Backend-Server, damit Last besser verteilt und die Verfügbarkeit erhöht wird. Typische IHK-Frage: Unterschied Failover und Load Balancing Mögliche Antwort: Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall. Load Balancing bedeutet Verteilung von Anfragen auf mehrere aktive Systeme. Failover dient vor allem der Ausfallsicherheit, Load Balancing dient der Lastverteilung und kann zusätzlich die Verfügbarkeit verbessern. Typische IHK-Frage: Was ist Scale-Up? Mögliche Antwort: Scale-Up bedeutet, ein einzelnes System leistungsfähiger zu machen, zum Beispiel durch mehr CPU, mehr RAM oder schnelleren Storage. Typische IHK-Frage: Was ist Scale-Out? Mögliche Antwort: Scale-Out bedeutet, weitere Systeme hinzuzufügen, zum Beispiel mehrere Webserver hinter einem Load Balancer. Typische IHK-Frage: Warum sind Datenbanken schwieriger zu skalieren als Webserver? Mögliche Antwort: Datenbanken müssen Daten konsistent halten. Schreibzugriffe, Transaktionen und gleichzeitige Änderungen dürfen keine widersprüchlichen Daten erzeugen. Deshalb benötigen Datenbanken spezielle Replikations-, Cluster- oder Failover-Konzepte. Typische IHK-Frage: Warum sind Snapshots kein Backup? Mögliche Antwort: Snapshots speichern nur einen kurzfristigen Zustand einer VM und liegen meist auf demselben Storage. Sie sind für Tests oder Updates geeignet, aber kein Ersatz für eine getrennte Datensicherung. Typische IHK-Frage: Warum ist RAID kein Backup? Mögliche Antwort: RAID schützt vor bestimmten Festplattenausfällen, aber nicht vor versehentlichem Löschen, Ransomware, Datenkorruption oder Standortausfall. Deshalb wird zusätzlich ein Backup benötigt. Typische IHK-Frage: Was bedeutet RPO? Mögliche Antwort: RPO steht für Recovery Point Objective. Es beschreibt, wie viele Daten maximal verloren gehen dürfen. Ein RPO von einer Stunde bedeutet, dass höchstens Daten der letzten Stunde verloren gehen dürfen. Typische IHK-Frage: Was bedeutet RTO? Mögliche Antwort: RTO steht für Recovery Time Objective. Es beschreibt, wie lange die Wiederherstellung maximal dauern darf. Ein RTO von vier Stunden bedeutet, dass der Dienst innerhalb von vier Stunden wieder verfügbar sein soll. Typische IHK-Frage: Warum braucht ein Cluster trotzdem Backups? Mögliche Antwort: Ein Cluster erhöht die Verfügbarkeit, schützt aber nicht zuverlässig vor Datenverlust. Wenn Daten gelöscht, verschlüsselt oder beschädigt werden, wird der fehlerhafte Zustand weiterhin aktiv sein. Für die Wiederherstellung alter Datenstände benötigt man Backups. Prüfungsnahes Szenario 1 Ein Unternehmen betreibt mehrere wichtige Serverrollen auf einem einzelnen physischen Server. Auf diesem Server laufen: Dienst Aufgabe DC01 Domain Controller FILE01 Dateiserver DB01 Datenbank WEB01 Webserver Frage: Welches Risiko besteht? Mögliche Antwort: Der einzelne physische Server ist ein Single Point of Failure. Wenn er ausfällt, sind alle darauf betriebenen Dienste betroffen. Eine bessere Lösung wäre Virtualisierung auf mehreren Hosts, ein Cluster für Hochverfügbarkeit, regelmäßige Backups und Monitoring. Prüfungsnahes Szenario 2 Ein Administrator erstellt vor einem Update einen Snapshot einer VM und lässt diesen danach mehrere Monate bestehen. Frage: Warum ist das problematisch? Mögliche Antwort: Snapshots sind nur kurzfristig gedacht. Lange bestehende Snapshots können Speicher verbrauchen, die Performance verschlechtern und Probleme bei der Konsolidierung verursachen. Außerdem sind Snapshots kein Backup. Prüfungsnahes Szenario 3 Ein Zwei-Node-Cluster ohne Witness verliert die Verbindung zwischen den Nodes. Frage: Welches Problem kann entstehen? Mögliche Antwort: Es gibt keine klare Mehrheit. Beide Nodes könnten den jeweils anderen als ausgefallen betrachten. Dadurch besteht die Gefahr von Split-Brain oder der Cluster stoppt aus Sicherheitsgründen. Ein Witness hilft, eine eindeutige Entscheidung zu treffen. Prüfungsnahes Szenario 4 Ein Unternehmen nutzt drei Webserver hinter einem Load Balancer. Einer der Webserver fällt aus. Frage: Was sollte passieren? Mögliche Antwort: Der Load Balancer sollte den Ausfall durch Health Checks erkennen und keine neuen Anfragen mehr an den defekten Webserver senden. Die Anfragen werden auf die verbleibenden funktionierenden Webserver verteilt. Prüfungsnahes Szenario 5 Ein Unternehmen speichert produktive VMs und Backups auf demselben Storage. Frage: Warum ist das gefährlich? Mögliche Antwort: Wenn dieser Storage ausfällt, sind sowohl die produktiven VMs als auch die Backups betroffen. Backups sollten getrennt vom Produktivsystem gespeichert werden, idealerweise zusätzlich offsite, offline oder immutable. Prüfungsnahes Szenario 6 Eine VM mit Thin Provisioning hat eine virtuelle Festplatte von 500 GB. Auf dem echten Storage sind aber nur noch 20 GB frei. Frage: Warum ist das kritisch? Mögliche Antwort: Bei Thin Provisioning wächst die virtuelle Festplatte nach Bedarf. Wenn die VM weiter Daten schreibt, kann der echte Storage voll laufen. Dadurch können VMs einfrieren, abstürzen oder Daten beschädigt werden. Storage muss daher überwacht werden. Prüfungsnahes Szenario 7 Ein Unternehmen möchte wissen, wie lange ein Dienst maximal ausfallen darf und wie viele Daten maximal verloren gehen dürfen. Frage: Welche Begriffe werden dafür verwendet? Mögliche Antwort: Die maximal akzeptierte Ausfallzeit heißt RTO. Der maximal akzeptierte Datenverlust heißt RPO. Prüfungsnahes Szenario 8 Eine Anwendung speichert Benutzersitzungen lokal auf dem Webserver. Hinter einem Load Balancer gibt es mehrere Webserver. Frage: Welches Problem kann entstehen? Mögliche Antwort: Wenn ein Benutzer bei verschiedenen Anfragen auf unterschiedliche Webserver geleitet wird, kennt der neue Webserver die lokale Sitzung nicht. Dadurch kann die Sitzung verloren gehen. Mögliche Lösungen sind Sticky Sessions oder ein zentraler Session-Speicher. Lernkarte: VM Frage Antwort Was ist eine VM? Ein simulierter Computer auf einem Host Was braucht eine VM? vCPU, vRAM, vDisk, vNIC Was läuft in einer VM? Ein Gastbetriebssystem Wofür nutzt man VMs? Serverdienste, Tests, Isolation, Flexibilität Lernkarte: Hypervisor Frage Antwort Was ist ein Hypervisor? Virtualisierungsschicht Was verwaltet er? VMs und Ressourcen Was ist Typ-1? Direkt auf Hardware Was ist Typ-2? Auf vorhandenem Betriebssystem Lernkarte: Snapshot Frage Antwort Was ist ein Snapshot? Zustand einer VM zu einem Zeitpunkt Wofür nutzt man ihn? Vor Updates oder Tests Ist ein Snapshot ein Backup? Nein Warum nicht? Meist gleicher Storage, kurzfristig gedacht Lernkarte: Cluster Frage Antwort Was ist ein Cluster? Verbund mehrerer Server Was ist ein Node? Einzelner Server im Cluster Was ist Ziel? Hochverfügbarkeit, Lastverteilung, Skalierung Ersetzt ein Cluster ein Backup? Nein Lernkarte: Quorum Frage Antwort Was ist Quorum? Entscheidungsmechanismus im Cluster Wozu dient es? Verhindert falsche Mehrfachaktivität Was ist ein Witness? Zusätzliche Stimme Was verhindert Quorum? Split-Brain Lernkarte: Load Balancing Frage Antwort Was ist Load Balancing? Verteilung von Anfragen Was ist ein Backend? Zielserver hinter Load Balancer Was ist ein Health Check? Prüfung eines Backends Was ist Sticky Session? Benutzer bleibt auf gleichem Backend Die wichtigsten Merksätze Ein Server stellt Dienste bereit, ein Client nutzt Dienste. Virtualisierung ermöglicht mehrere VMs auf einer physischen Hardware. Eine VM ist ein simulierter Computer mit eigener virtueller Hardware. Der Hypervisor verwaltet VMs und verteilt Ressourcen. Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf Hardware. Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem. Storage ist bei Virtualisierung besonders kritisch. Thin Provisioning spart Speicher, muss aber überwacht werden. Snapshots sind kein Backup. RAID ist kein Backup. Ein Backup ist nur sicher, wenn der Restore getestet wurde. Ein Cluster erhöht Verfügbarkeit, ersetzt aber kein Backup. Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall. Live Migration ist eine geplante Verschiebung einer laufenden VM. Quorum verhindert gefährliche Split-Brain-Situationen. Ein Witness hilft bei der Mehrheitsentscheidung im Cluster. Split-Brain kann Datenkorruption verursachen. Load Balancing verteilt Anfragen auf mehrere Server. Scale-Up bedeutet ein System stärker machen. Scale-Out bedeutet mehr Systeme hinzufügen. Stateless-Anwendungen sind leichter zu skalieren als stateful Anwendungen. Sehr kurze Prüfungszusammenfassung Thema Ein Satz Server Stellt Dienste im Netzwerk bereit VM Virtueller Computer auf einem Host Hypervisor Verwaltet virtuelle Maschinen Typ-1 Hypervisor direkt auf Hardware Typ-2 Hypervisor auf Betriebssystem Storage Speicher für VM-Daten Snapshot Kurzfristiger VM-Zustand Backup Echte Datensicherung Cluster Verbund mehrerer Server Node Einzelner Server im Cluster HA Möglichst geringe Ausfallzeit Failover Übernahme bei Ausfall Quorum Mehrheitsentscheidung im Cluster Witness Zusätzliche Stimme Split-Brain Gefährliche doppelte Aktivität Load Balancing Lastverteilung Scale-Up Ein System stärker machen Scale-Out Mehr Systeme hinzufügen RPO Maximaler Datenverlust RTO Maximale Wiederherstellungszeit Abschluss Damit ist das Kapitel Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit inhaltlich vollständig. Die wichtigsten Prüfungsbereiche sind: Prüfungsbereich Besonders wichtig Virtualisierung VM, Host, Guest, Hypervisor, Typ-1/Typ-2 VM-Betrieb vCPU, RAM, Storage, Netzwerk, Guest Tools Storage Thin/Thick, IOPS, Latenz, Datastore Sicherung Snapshot vs. Backup, RAID vs. Backup, RPO/RTO Cluster Node, Ressource, Failover, Failback Quorum Witness, Mehrheit, Split-Brain Hochverfügbarkeit Redundanz, SPOF, N+1 Load Balancing Backend, Health Check, Sticky Session Skalierung Scale-Up, Scale-Out, Stateful, Stateless Wenn du diese Begriffe erklären und voneinander unterscheiden kannst, hast du die wichtigsten Grundlagen für IHK-nahe Aufgaben zu Servern, Virtualisierung, Clustern und Hochverfügbarkeit verstanden. Trainer – Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit 20.1 Trainer – Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit Trainer im Vollbild öffnen Trainer - Systemtechnik Berechnungen Trainer 01 – Bilddaten, Pixel, Farbraum und Speicherbedarf Trainer im Vollbild öffnen Trainer 02 – Video-Bandbreite, HDMI und Bilddatenrate Trainer im Vollbild öffnen Trainer – Routing, Subnetting und Fehlersuche Trainer im Vollbild öffnen