NAS: Die Prinzipien der Datenorganisation und Wiederherstellung verlorener Dateien

NAS (Network Attached Storage) ist eine intelligente Speicherlösung, die in modernen Heim- und Büroumgebungen weit verbreitet ist. Und es ist kein Wunder, da diese Geräte zuverlässig, einfach zu verwalten sind, eine beträchtliche Menge an Informationen speichern und sie zwischen autorisierten Benutzern des Netzwerks austauschen können.

Wie jeder Apparat werden auch diese Geräte manchmal falsch behandelt oder abstürzen, wodurch wertvolle Informationen verloren gehen. Glücklicherweise können die fehlenden Dateien mit einem genauen Verständnis der NAS-Grundlagen und einer zuverlässigen Datenrettungssoftware selbst auf einem komplexesten NAS-Gerät wiederhergestellt werden.

Grundlagen von NAS

NAS ist eine Speicherarchitektur, die neben dem Speichern von Daten darauf abzielt, sie für vernetzte Geräte zugänglich zu machen: Computer, tragbare Geräte und andere Appliances. Diese Einheiten arbeiten als kleine lokale Server, die dateibasierte Funktionen ausführen, ohne andere Dienste wie Mailing oder Authentifizierung bereitzustellen.

Der Hardwareteil von NAS umfasst das Motherboard, die CPU, den RAM und ein bis mehrere Dutzend Festplatten- oder Solid-State-Laufwerke, die sich normalerweise in dedizierten Schächten innerhalb der Box befinden. Das Gerät ist über eine oder mehrere Netzwerkkarten mit einem Netzwerk verbunden, während der Zugriff auf Dateien über Netzwerk-Dateifreigabeprotokolle erfolgt. Dem System fehlen normalerweise Peripheriegeräte und es wird vollständig über eine netzwerkbasierte Schnittstelle gesteuert.

Der Softwareteil von NAS wird durch ein spezielles Betriebssystem dargestellt, normalerweise reduziertes Linux oder BSD, das nicht für die Ausführung von Allzweckanwendungen ausgelegt ist und mit der NAS-Hardware vorinstalliert ist. Einige Benutzer richten auch benutzerdefinierte NAS-Systeme ein, auf denen TrueNAS (früher FreeNAS) oder andere BSD- oder Linux-basierte Betriebssysteme ausgeführt werden.

Der Speicherteil von NAS wird, wie bereits erwähnt, durch Festplatten oder SSDs dargestellt. Die Verwendung eines einzelnen Laufwerks in NAS ist selten der Fall, sodass im Allgemeinen mindestens zwei Laufwerke in der Box vorhanden sind. Mehrere NAS-Laufwerke sind häufig in einem einzigen virtuellen RAID-basierten System organisiert, wodurch die Betriebsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit des Speichers erhöht werden können. Die meisten NAS-Händler wie Drobo, Synology, Iomega und Buffalo bieten Software-RAID als Funktion eines eingebetteten Betriebssystems an, während andere wie Promise möglicherweise Hardware-RAID-Setups bereitstellen.

Auf der höchsten Ebene wird der gepoolte virtuelle Speicher mit einem bestimmten Dateisystem formatiert – sein Typ ist normalerweise vom NAS-Anbieter oder manchmal von den Einstellungen der NAS-Einheit bestimmt. Die am häufigsten verwendeten Typen sind Ext3, Ext4 und XFS von speziellen Linux-Editionen. Es gibt jedoch auch Einheiten, die Btrfs verwenden können, z. B. Synology NAS. Einige Anbieter, wie Adaptec, bieten BSD-basierte Lösungen (z. B. SnapOS) an und verwenden benutzerdefinierte Editionen des UFS-Dateisystems. Gleichzeitig können bestimmte Hersteller ihre proprietären Dateisysteme verwenden, z. B. das KDDFS-Dateisystem in WD My Cloud Home und WD My Cloud Home Duo von Western Digital. Benutzerdefinierte NAS-Einheiten, wie solche, die auf TrueNAS (FreeNAS) basieren, können auch verschiedene Versionen des ZFS-Dateisystems verwenden.

Hinweis: Weitere Informationen zu Dateisystemen und ihren Typen finden Sie in den Grundlagen von Dateisystemen.

Datenorganisation

Die meisten NAS-Geräte haben eine gemeinsame Speicherstruktur und Datenorganisation. Das tatsächliche Datenlayout hängt jedoch vom Hersteller und der eingebetteten Konfiguration ab.

Typische Speicherstruktur

Die Daten jeder Festplatte, aus der das System besteht, sind auf den folgenden Partitionen angeordnet:

• Eine Boot-Partition speichert die zum Starten des eingebetteten NAS-Betriebssystems erforderlichen Dienstinformationen und nimmt normalerweise bis zu einem Gigabyte ein.
• Eine Firmware-Partition enthält auch technische Daten zur Firmware, z. B. ausführbare Dateien, Konfigurationen usw. Solche Partition belegt in der Regel bis zu einigen Gigabyte.
• Eine Swap-Partition wird von der Firmware zum Erweitern des Arbeitsspeichers verwendet und ist normalerweise nicht größer als 1 Gigabyte.
• Eine oder mehrere Datenpartitionen belegen den Rest des Speicherplatzes und dienen zum Speichern von Benutzerdateien. Die tatsächliche Größe und die Anzahl der Partitionen hängen von der NAS-Konfiguration ab.

Das Festplattenpartitionierungsschema ist normalerweise der Standard-MBR (DOS-Stil), der von jeder Software gelesen werden kann.

RAID-Konfiguration und Datenorganisation

Abhängig vom NAS-Händler, Modell und Gerätekonfiguration können die Informationen auf Datenpartitionen auf eine der folgenden Arten organisiert werden:

• RAID 5. Dies ist die am häufigsten verwendete RAID-Konfiguration. Auf RAID Level 5 befinden sich die Benutzerdaten als Stripes, die auf die Datenpartitionen aller Festplatten (mindestens drei Laufwerke) zusammen mit der Parität verteilt werden – diese Informationen können verwendet werden, um den Inhalt wiederherzustellen, falls eines der Laufwerke ausfällt. Die Standardparitätsverteilung ist rückwärtsdynamisch (links symmetrisch). Die Stripe-Ggröße hängt von den Einstellungen ab (Die Größe von 64 KB tritt am häufigsten auf). Die Reihenfolge der Festplatten in RAID 5 kann sequentiell (die 1. NAS-Festplatte ist die 1. Festplatte in RAID, die 2. NAS-Festplatte ist die 2. Festplatte in RAID usw.) oder umgekehrt (die letzte NAS-Festplatte ist die 1. Festplatte in RAID, die vorletzte NAS-Festplatte ist die 2. Festplatte in RAID usw.) sein.
• RAID 1. Diese Konfiguration wird manchmal bei NAS-Modellen mit zwei Festplatten verwendet, um maximale Fehlertoleranz zu gewährleisten. In diesem Setup wird der Inhalt eines Laufwerks auf das andere Laufwerk gespiegelt, sodass beide Datenträger immer exakte Kopien voneinander sind. Wenn eines der Laufwerke ausfällt, bleiben die Daten auf dem zweiten Laufwerk weiterhin verfügbar. Die Reihenfolge der Festplatten in RAID 1 ist nicht relevant.
• RAID 0. Diese Konfiguration ist aufgrund der fehlenden Redundanz die am wenigsten zuverlässige, kann jedoch wegen ihrer hohen Leistung und maximalen Speicherplatznutzung auf einigen NAS-Einheiten verwendet werden. Die Benutzerdaten sind als ein einziger Satz von Stripes angeordnet, die ohne Parität oder Spiegelung gleichmäßig über die Datenpartitionen aller Laufwerke verteilt werden. Die Reihenfolge der Festplatten in RAID 0 ist sequentiell (die 1. NAS-Festplatte ist die 1. Festplatte in RAID, die 2. NAS-Festplatte ist die 2. Festplatte in RAID usw.).
• RAID 6. Dieses RAID-Level ist RAID 5 sehr ähnlich, es werden jedoch zwei Arten von Paritätsinformationen anstelle von einem gespeichert, um eine doppelte Redundanz bereitzustellen. Beide Paritätssätze werden getrennt auf vier oder mehr Festplatten verteilt und ermöglichen es dem Array, bis zu zwei gleichzeitige Festplattenfehler zu tolerieren.
• Spezifische RAID-basierte Technologie. Einige Hersteller bieten ihre eigenen RAID-Implementierungen an, die proprietäre Techniken verwenden und häufig Funktionen eines LVMs aufweisen:
  • Das von Synology NAS unterstützte Synology Hybrid RAID (SHR) basiert auf zwei oder mehr Laufwerken, die unterschiedliche Kapazitäten haben können. Auf jeder Festplatte wird basierend auf der Größe des kleinsten Laufwerks eine Zuordnungseinheit erstellt. Diese Einheiten werden dann in ein der Standard-RAID-Levels (Level 1, 5 oder 6, abhängig von der Anzahl der Laufwerke und der gewählten Redundanzstufe) unterteilt. Die verbleibenden "Schwänze" auf den Festplatten, deren Größe die Größe des kleinsten Laufwerks überschreitet, werden dann in einem anderen RAID angeordnet, das dann mit dem ersten RAID unter Verwendung von Linux LVM überspannt wird, wodurch ein einzelner virtueller Speicher erstellt wird.
  • Drobo BeyondRAID, das von Drobo-Einheiten unterstützt wird, erfordert zwei oder mehr Laufwerke, die auch unterschiedliche Kapazitäten haben können. Diese Technologie ist jedoch selbst in Hinsicht auf RAID sehr komplex. Das System besteht aus zahlreichen RAID-Sets mit einer Größe von 64 KB. Der Offset für Komponenten in jedem RAID-Set wird dynamisch vom System bestimmt sowie das RAID-Level und die Größe des Stripes. Um Thin Provisioning zu ermöglichen, ist der gesamte Speicherplatz in Blöcke von 4 KB unterteilt, die auf die Festplatten verteilt werden. Das Schema der Blockzuweisung ist in einer speziellen Karte reflektiert, und deren Verlust macht es unmöglich, den Speicher neu zu erstellen.
  • RAID-Z, das von benutzerdefinierten NAS-Lösungen mit TrueNAS (FreeNAS) unterstützt ist, wird in einem Speicherpool mit dem ZFS-Dateisystem eingerichtet und umfasst mindestens drei Festplatten. Die verwendeten Algorithmen zur Datenverteilung sind Standard-RAID 5 sehr ähnlich, jedoch ist die Größe der Stripes nicht festgelegt und wird vom System auf der Grundlage der aktuellen Bedürfnisse ausgewählt. Die Informationen über die Breite jedes Stripes werden in die Metadaten geschrieben, deren Beschädigung wahrscheinlich die Rekonstruktion des Speichers verhindert.

Andere mögliche Konfigurationen:

• RAID 10 oder RAID 0+1. Der Spiegel von zwei RAID 0-Stripe-Sätzen oder ein Stripe-Satz von zwei Spiegeln. Die Benutzerdaten sind wie in RAID 0 angeordnet, aber nur ein "Share" und beide Stripe-Sätze enthalten dieselben Informationen.
• JBOD. Datenpartitionen werden verkettet, um maximale Speicherkapazität zu erzielen. Die Benutzerdaten werden ohne Redundanz über alle Datenpartitionen verteilt.

Hinweis: Alle grundlegenden RAID-Konzepte werden in den Besonderheiten der Datenorganisation auf RAID erklärt. Weitere Informationen zu bestimmten NAS-Technologien wie Drobo BeyondRAID und Synology Hybrid RAID finden Sie im entsprechenden Artikel.

• Einzelne Laufwerke. Auf NAS-Laufwerken, die nicht in RAID organisiert sind, basiert jede Datenpartition auf einem unabhängigen Dateisystem.
• Verschlüsselung. Einige NAS-Hersteller wie Synology, QNAP, Buffalo, Western Digital und andere bieten integrierte Möglichkeiten zur Volumen-Verschlüsselung, um die Daten mit einer der vorhandenen Verschlüsselungstechnologien – hauptsächlich Linux LUKS – vor unbefugtem Zugriff zu schützen. Auf Daten einer verschlüsselten NAS-Einheit kann nur zugegriffen werden, solange der Benutzer das richtige Kennwort (Verschlüsselungsschlüssel) hat und die kritischen Bereiche auf dem Speicher, auf denen sich die Verschlüsselungsinformationen befinden, intakt sind.

Wann ist die Wiederherstellung erforderlich?

Aufgrund ihrer offensichtlichen Vorteile sind NAS-Boxen für Heimanwender und Unternehmen zu einem wesentlichen Bestandteil der täglichen Arbeit geworden. Trotz der erhöhten Zuverlässigkeit dieser Speicher sind sie weiterhin Fehlern ausgesetzt, die zu Unzugänglichkeit der Daten oder sogar zur Beschädigung des Speichers und zum Verlust wichtiger Dateien führen. Die häufigsten Ursachen für Datenverlust sind:

• Der Verlust eines NAS-Links;
• Ein Offline-Array oder "vier rote Ampeln";
• Die Beschädigung der Daten aufgrund eines Stromausfalls;
• Ein Firmware-Absturz oder ein fehlgeschlagener Start;
• Das Versagen einer oder mehrerer Festplatten;
• Das Fehler von dem Controller;
• Elektrische oder mechanische Schäden.

Zu den Benutzerfehlern, die zu Datenverlust führen, gehören:

• Ein fehlerhaftes Firmware-Update und Zurücksetzen der eingebetteten RAID-Einstellungen;
• Das Löschen von Dateien;

Die Neuerstellung der eingebetteten RAID-Konfiguration auf Live-Daten und Neuformatierung von Festplatten.

Vorbereitung zur Datenrettung

Wenn die Festplatten physische Defekte, die durch mechanische, thermische oder elektrische Schäden verursacht wurden, aufweisen, wird es dringend empfohlen, das NAS-System herunterzufahren und das in einem spezialisierten Datenrettungslabor untersuchen zu lassen. Wenn Sie jedoch sicher sind, dass NAS-Festplatten keinen physischen Schaden erlitten haben und weiterhin funktionsfähig sind, können Sie die DIY-Datenwiederherstellung anhand der folgenden Empfehlungen durchführen.

• Da NAS-Geräte keinen direkten Zugriff auf ihre Laufwerke auf niedriger Ebene bieten und ihre Betriebssysteme nicht für die Ausführung von Datenrettungsprogrammen vorgesehen sind, müssen Sie die Box für die Datenwiederherstellung zerlegen und die Festplatten an einen Computer anschließen.
• Wenn Sie die Laufwerke entfernen, wird es empfohlen, ihre Reihenfolge mit Papieraufklebern oder einem weichen Tintenmarker zu kennzeichnen, um den Speicher wieder ordnungsgemäß zusammenzubauen.
• Besondere Aufmerksamkeit sollte der Auswahl des Betriebssystems auf dem Computer, das als Host für die Datenwiederherstellung dient, gewidmet werden. Verlassen Sie sich bitte auf die Empfehlungen, um ein optimales Betriebssystem für die NAS-Wiederherstellung auszuwählen.
• Vom NAS verlorene Dateien können mithilfe einer effektiven Datenrettungssoftware, die die Arbeit eines RAID-Controllers emulieren, solche Speichersysteme rekonstruieren und Zugriff auf die darauf befindlichen Dateisysteme gewähren kann, problemlos zurückgebracht werden. Zu diesem Zweck bietet SysDev Laboratories die UFS Explorer-Produkte an: UFS Explorer RAID Recovery wurde speziell für die Verarbeitung von RAID-Sets verschiedener Levels entwickelt, während UFS Explorer Professional Recovery einen professionellen Ansatz für den Prozess der Datenwiederherstellung darstellt. Die Software unterstützt ein breites Spektrum an Software- und Hardware-RAID, von Standard-Layouts (RAID 0, RAID 1, RAID 1E, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6) bis hin zu RAID-Kombinationen (RAID 0+1, RAID 10, RAID 50, RAID 51 usw.) und spezifischen RAID-Schemata (Drobo BeyondRAID, Synology Hybrid RAID, ZFS RAID-Z, Btrfs-RAID). Darüber hinaus arbeiten die Programme mit der gesamten Palette von Dateisystemen, die in modernen NAS-Appliances verwendet werden, einschließlich Ext2, Ext3, Ext4, XFS, UFS, ZFS, Btrfs und sogar des proprietären KDDFS-Formats, zusammen mit verschiedenen modernen Verschlüsselungstechnologien.

Hinweis: Detaillierte Informationen zu den unterstützten Technologien finden Sie in den technischen Daten des jeweiligen Softwareprodukts.

Die Software liest die auf den Komponentenfestplatten vorhandenen RAID-Metadaten aus und erstellt damit das Array in einem virtuellen Modus neu. Im Falle einer schwerwiegenden Beschädigung der Metadaten können jedoch die folgenden Details erforderlich sein, um den Speicher wieder zusammenzusetzen:

• Das RAID-Level;
• Die Reihenfolge der Mitgliedsdatenträger in RAID (außer RAID 1);
• Die Stripe-Größe (außer RAID 1);
• Die Paritätsverteilung und andere Parameter (falls zutreffend).

Das Gesamtverfahren wird Schritt für Schritt im allgemeinen Tutorial zur NAS-Wiederherstellung erläutert. Die folgenden Ressourcen sollten auch für NAS-Systeme, die bestimmte Speichertechnologien implementieren, konsultiert werden, da für deren Verarbeitung möglicherweise zusätzliche Anweisungen erforderlich sind:

• Drobo NAS mit BeyondRAID;
• NAS mit einfachem ZFS-Dateisystem und NAS mit RAID-Z;
• Verschlüsselter NAS mit Linux LUKS;
• NAS mit Thin Provisioning.

Letzte Aktualisierung: 22. Dezember 2020