Gelernt ist Gelernt Kontakt Die Themen Ihre Fragen und Anregungen zur Rubrik »GiG – Gelernt ist Gelernt« senden Sie uns bitte an: 1 GRUNDLAGEN Elektrisches Feld und Kondensator (2) 5 INFORMATIONSTECHNIK Das abgesicherte PC-Netzwerk im Unternehmen (4) Dipl.-Ing. (FH) Christiane Decker Lazarettstraße 4 80636 München 18 / 2008 Telefon: (0 89) 1 26 07-2 42 Telefax: (0 89) 1 26 07-1 11 E-Mail: [email protected] Elektrisches Feld und Kondensator (2) Im ersten Teil des Beitrags (»de« 17/2008, S. 99) ging es angefangen bei Coulomb-Gesetz und bohrschem Atommodell über die Kräfte zwischen elektrischen Ladungen bis hin zum elektrischen Feld, zu Feldstärke und Feldlinie. In diesem letzten Teil des Beitrags werden die Begriffe Kapazität und Dielektrikum vorgestellt und es wird auf die Ausführungsformen von Kondensatoren eingegangen. Eine gegeneinander isolierte Elektrodenanordnung, die z. B. aus zwei parallelen Metallplatten besteht, ist in der Lage, Ladungen zu speichern. Wird eine derartige Anordnung mit einer Spannungsquelle verbunden, werden der einen Elektrode Elektronen entzogen (Pluspol) und der anderen zugeführt (Minuspol). Während dieses Ladevorganges fließt ein Strom, der allerdings nach einer gewissen Zeit abklingt. Verändert man die Spannung der Spannungsquelle (verkleinern oder vergrößern), so fließt wiederum für eine gewisse Zeit ein Strom, da sich dann weniger bzw. mehr Ladungen auf den Elektroden ansammeln. Da eine derartige Anordnung Ladungen und, wie wir später noch sehen werden, Energie speichern kann, wird sie als Kondensator (wörtlich übersetzt: Verdichter) bezeichnet. Der Kondensator behält seine Ladung auch dann, wenn er von der Spannungsquelle elektrisch getrennt wird; schließlich können sich die Ladungsträger – bedingt durch die Isolation – nicht ausgleichen. Der Kondensator im geschlossenen Stromkreis Verbindet man allerdings die Elektroden mit einem Widerstand R, so gleicht sich der Ladungsunterschied aus. Das heißt, die überschüssigen Elektronen (Minuspol) fließen zum Ort des Elektronenmangels (Pluspol), bis beide Elektroden elektrisch neutral sind, also ungeladen. Achtung: Der Elektronenfluss vom Minus- zum Pluspol bedeutet Stromfluss von Plus nach Minus. Das heißt: Die technische Stromrichtung verläuft entgegengesetzt zur Fließrichtung der Elektronen, da als technische Stromrichtung die Richtung von positiven Ladungsträgern definiert wurde. Bild 6 zeigt eine elektrische Schaltung bestehend aus Kondensator, Schalter und Widerstand. Das Amperemeter dient zum Messen der Stromstärke i. Weil die Stromstärke in dieser Schaltung über die Zeit gesehen schwankt (sie nimmt ab), kennzeichnet man das mit einem kleinen i. Kleine Buchstaben verwendet man häufig für zeitveränderliche Größen und große Buchstaben für zeitkonstante Größen (z. B. Strom, Spannung, Leistung). Das Amperemeter steht hier stellvertretend für ein Messgerät zur Stromaufzeichnung. Weil der Strom unter Umständen (je nach Größe des Kondensators und des Widerstandes) sehr schnell abklingt, jedenfalls schneller als ein mechanisch träges Drehspulinstrument folgen kann, ist der Einsatz eines aufzeichnenden Messgeräts erforderlich, z. B. Transientenrekorder, x-y-Schreiber, Speicheroszilloskop. i U U0 R C S A t=0 i R 0 0 Bild 6: Elektrische Schaltung eines Stromkreises bestehend aus Kondensator, Widerstand, Schalter und Strommessgerät de 18 /2008 t Bild 7: Zeitlicher Verlauf des Stromes i in der Schaltung nach Bild 6 nach Schließen des Schalters 99 Gelernt ist Gelernt Der Buchstabe C beim Schaltzeichen des Kondensators stellt ein Maß für die Größe des Kondensators dar, also für dessen Kapazität. Bild 7 zeigt qualitativ den Verlauf des Stromes über der Zeit, wenn der Kondensator mit der Spannung U0 aufgeladen und der Schalter zum Zeitpunkt t = 0 s geschlossen wurde. Im ersten Augenblick beträgt die Spannung über dem Kondensator U0, weshalb – bedingt durch das ohmsche Gesetz – der Strom i (t = 0 s) = U0 / R fließt. Der Strom nimmt im Laufe der Zeit deshalb ab, weil die elektrische Leistung p = i2 · R durch den Stromfluss in Wärme umgesetzt wird. Würde der Strom nicht abnehmen, so wäre die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie unendlich groß, was nicht sein kann. dukt aus Plattenfläche A und Plattenabstand d. Für Gl. (6) folgt damit: 1 U2 ⋅ ε0 ⋅ 2 ⋅ A ⋅ d 2 d 1 A W = ⋅ ⋅ ε0 ⋅ U 2 2 d W= Allgemein gilt für die elektrisch gespeicherte Energie in einem Kondensator: W= Q=C·U C= (4) Die Einheit für die Kapazität ist As / V oder C / V. Dieser Einheit hat man einen eigenen Namen gegeben, das Farad (F) – zu Ehren des englischen Naturforschers Michael Faraday. In der Praxis treten bei Kapazitäten meist deutlich kleinere Werte auf als 1 F, weshalb man mit dem Nanofarad (nF), dem Mikrofarad (μF) und dem Millifarad (mF) arbeitet. Die Energie des Kondensators Die elektrische Feldstärke steht immer im Zusammenhang mit gespeicherter elektrischer Energie. Die elektrische Energie ist somit im elektrischen Feld gespeichert, also zwischen den Elektroden. Es gilt für Vakuum bzw. Luft: w= 1 ⋅ ε0 ⋅ E 2 2 (5) • w = Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit im elektrischen Feld) in J / m3 • ε0 = Dielektrizitätskonstante des Vakuums, ε0 = 8,854 · 10-12 F / m • E = elektrische Feldstärke Die Dielektrizitätskonstante ist eine Naturkonstante, d. h., der Wert ändert sich niemals. Die Dielektrizitätskonstante hat fundamentale Bedeutung in der gesamten Elektrophysik, insbesondere bei den elektromagnetischen Wellen. Wenden wir nun Gl. (5) auf den Plattenkondensator an. Mit E = U / d folgt: w= 1 U2 ⋅ ε0 ⋅ 2 2 d (6) Zur Berechnung der Gesamtenergie W müssen wir noch die Energiedichte mit dem Volumen V zwischen den Platten multiplizieren. Beim Volumen handelt es sich hierbei um das Pro- 100 1 ⋅ C ⋅ U2 2 (7) Für den Plattenkondensator gilt also: Die Kapazität des Kondensators Die Kapazität C ist ein Maß dafür, wie viel Ladung ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern kann. Einst fand man hierfür folgenden Zusammenhang: Die gespeicherte Ladung Q verhält sich bei einem gegebenen Kondensator wie die Spannung. Also: Doppelte Spannung bedeutet somit doppelte gespeicherte Ladung. Die Proportionalitätskonstante ist die Kapazität. Bei gegebener Spannung hat also derjenige Kondensator die größere Kapazität, der mehr Ladungen speichern kann. Somit ist die Definition der Kapazität sowohl sinnvoll als auch anschaulich: ⇒ A ⋅ ε0 d (8) Beispielsweise ergibt sich die Kapazität eines Plattenkondensators, bei dem die Plattenfläche 1 m2 und der Plattenabstand 0,1 mm beträgt, mit Gl. (8) zu: A ⋅ε d 0 1 m2 F C= ⋅ 8, 854 ⋅ 10 −12 = 88,54 nF 0,1 mm m C= Eine Kapazität in Höhe von 88,54 nF gilt als sehr klein. Zur Veranschaulichung dieses zunächst abstrakten Zahlenwertes lässt sich mit Gl. (7) die elektrisch gespeicherte Energie bei einer Spannung von U = 100 V berechnen: 1 W = ⋅ C ⋅ U2 2 2 1 W = ⋅ 88,54 ⋅ 10 —9F ⋅ (100 V ) 2 W = 0,443 mWs 0,443 mWs bedeutet z. B.: 1 W Leistung für eine Zeitspanne von 0,443 ms. Die Energie ist hier also ebenso klein wie die Kapazität. Von einem Energiespeicher im technischen Sinne kann man hier noch nicht sprechen. Dielektrikum erhöht die Kapazität Nun kann man sich fragen, wie sich die Kapazität deutlich steigern lässt. Anhand Gl. (8) erkennt man, dass einerseits die Plattenfläche sehr groß und andererseits der Plattenabstand sehr klein sein muss. Allerdings ist zu beachten, dass bei kleiner werdendem Abstand gemäß E = U / d die elektrische Feldstärke ansteigt. Bei Erreichen der so genannten Durchschlagfeldstärke kommt es zum elektrischen Überschlag. Aber es gibt es noch eine weitere Möglichkeit zum Erhöhen der Kapazität. Führen wir dazu ein Experiment durch (Bild 8). Wir laden einen Plattenkondensator z.B. mit 30V auf und trennen ihn anschließend von der Spannungsquelle. Nun schieben wir ein Blatt Papier oder eine Kunststofffolie zwischen die Platten. Wenn wir jetzt die Spannung des Kondensators mit einem sehr hochohmigen Voltmeter messen, so stellen wir erstaunt fest, dass die Spannung auf z.B. 5V sinkt. Ist die Spannung durch die Leitfähigkeit des Isolierstoffes gesunken, weil der Widerstand sicher nicht Unendlich ist? Nein, denn diese Vermutung lässt sich schnell überprüfen: Wir entfernen den Isolierstoff wieder und erkennen: Die Spannung zwischen den Platten steigt wieder auf die ursprünglichen 30V. Somit kann dieses Phänomen nicht durch die Leitfähigkeit des Isode 18/2008 Gelernt ist Gelernt 1 ⋅ C ⋅ U2 2 2 1 W = ⋅ 88,54 μF ⋅ (100 V ) 2 W = 0,433 Ws W= Bild 8: Geladener Plattenkondensator mit verschiebbarem Dielektrikum zur Veränderung der Kapazität Die gespeicherte Energie ist so groß, dass eine Leistung von 1 W für eine Dauer von 0,443 s abgegeben werden kann. lierstoffes verursacht worden sein. Wie erklärt sich aber dann die Tatsache, dass die Spannung am U Kondensator von der Art des Isolierstoffes abhängt? Zur Beantwortung dieser Frage betrachten wir Gl. (4), die einen Zusammenhang zwischen Kapazität, gespeicherter Ladung und Spannung angibt. Wir stellen Gl. (4) um, indem wir nach U auflösen und erhalten: U= Q C (9) Die Spannung am Kondensator hängt gemäß Gl. (9) nur von der gespeicherten Ladung und der Kapazität ab. Wir wissen auch, dass sich die Ladung durch einen Überschuss an Elektronen auf der einen Elektrode und einen Mangel an Elektronen auf der anderen Elektrode ergibt. Nachdem Ladungen aber nicht einfach verschwinden oder entstehen können, muss die Ladung auf den Platten konstant bleiben, wenn der Kondensator nicht mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Der Ladezustand kann sich nur durch Ab- bzw. Zufließen von Elektronen über einen Stromkreis verändern. Wir halten also fest: Der Ladezustand und damit die Ladung ändern sich bei unserem Kondensator nicht. Damit und mit Gl. (9) wird klar, dass die Änderung der Spannung durch eine Veränderung der Kapazität hervorgerufen wurde. Offenbar erhöht ein Isolierstoff zwischen den Platten eines Kondensators die Kapazität. Diesen Isolierstoff bezeichnet man als Dielektrikum. Gl. (8) gilt nur, wenn sich zwischen den Elektroden Vakuum oder Luft befindet. Im allgemeinen Fall muss angesetzt werden: A C = ⋅ ε 0 ⋅ εr (10) d { Der Zylinderkondensator Bild 9 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Zylinderkondensators. Er besteht aus zwei koaxialen Metallflächen, die durch ein Dielektrikum isoliert sind. Zylinderkondensatoren werden nicht als diskrete Bauelemente für den Einsatz in der Energie- oder Nachrichtentechnik gebaut. Sie entstehen aber von selbst bei bestimmten elektrotechnischen Anordnungen, z. B. bei Koaxialkabeln. Hier ist die Kapazität zwar häufig nicht erwünscht, dennoch muss sie aber wegen der entstehenden Nebeneffekte bekannt sein und deshalb berechnet werden. Für die Kapazität des Zylinderkondensators gilt: C= • ε = absolute Dielektrizitätskonstante • l = axiale Länge der Anordnung • ra = Radius der Außenelektrode • ri = Radius der Innenelektrode • In = natürlicher Logarithmus (nur für positive Argumente definiert, Berechnung mit einem Taschenrechner) Beim Zylinderkondensator ist das elektrische Feld stark inhomogen, d. h., es ist nicht konstant, sondern hängt vom Radius ab. Die Feldstärke lässt sich mit folgender Gleichung ermitteln: r ⋅ ln A ⋅ε ⋅ε d 0 r 1 m2 F C= ⋅ 8, 854 ⋅ 10 −12 ⋅ 1000 0,1 mm m C = 88,54 μF Der Energieinhalt beträgt bei U = 100 V mit Gl. (7): de 18 /2008 ra ri (11) Für U = 100 V, ra = r = 4 mm und ri = 0,5 mm folgt mit Gl. (11): E= U r ⋅ ln • εr = relative Dielektrizitätskonstante (keine Einheit), auch Permittivitätszahl genannt, hat für verschiedene Isolierstoffe unterschiedliche Werte, vorstellbar als »Verstärkungsfaktor« für die Kapazität • ε = absolute Dielektrizitätskonstante in F / m C= U E= ε Widmen wir uns wieder dem Plattenkondensator von vorhin mit A = 1 m2 und d = 0,1 mm. Wir bringen als Dielektrikum Bariumtitanat (εr = 1 000) ein. Für die Kapazität ergibt sich mit Gl. (10): 2⋅ π ⋅ε ⋅ l r ln a ri E= ra ri 100 V kV = 12 4 mm m 4 mm ⋅ ln 0,5 mm Bei r = ri ergibt sich mit Gl. (11): E= kV 100 V = 96 4 mm m 0,5 mm ⋅ ln 0,5 mm Die elektrische Feldstärke wird also umso größer, je mehr wir uns der Innenelektrode nähern. An der Innenelektrode ist sie achtmal größer als an der Außenelektrode (ra / ri). Im ersten Teil des Beitrag wurde ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Gleichung E = U / d nur für homogene Felder gültig ist, da sie ansonsten falsche Ergebnisse liefert. In diesem Fall ergäbe sich fälschlicherweise: 101 Gelernt ist Gelernt innere Elektrode ri ra äußere Elektrode ra rL Dielektrikum Bild 9: Prinzipieller Aufbau eines Zylinderkondensators E= U 100 V kV = = 28, 6 d 3,5 mm m Kapazität einer parallelen Doppelleitung Für die Kapazität einer parallelen Doppelleitung (Bild 10) gilt: C= π ⋅ε ⋅ l a ln rL (12) • a = Abstand der Mittelpunkte der Leiter • rL = Radius des Leiters Kenngrößen von Kondensatoren Für Kondensatoren gibt es Kenngrößen, die das Bauelement genauer spezifizieren: • Nennkapazität: Die Stufung erfolgt wie bei Widerständen nach IEC-Reihen. Sie kann als Zahlenwert oder durch Farbcodes angegeben sein und ist mit einer ebenfalls angegebenen Herstellungstoleranz versehen. • Nennspannung des Kondensators: Sie darf keinesfalls überschritten werden, da dies zur Zerstörung (Durchschlag) des Kondensators führt. • Isolationswiderstand: elektrischer Widerstand des Dielektrikums, sorgt für Selbstentladung • Verlustfaktor: Hat bei Betrieb des Kondensators an Wechselspannung Bedeutung. Der Wert soll möglichst klein sein, damit die Wärmeverluste gering ausfallen. • Temperaturbeiwert: auch Temperaturkoeffizient genannt; er kann sowohl positiv als auch negativ sein und gibt die Kapazitätsänderung je Kelvin Temperaturerhöhung an. Ausführungsformen von Kondensatoren Der einfachste Kondensator, der Plattenkondensator, ist unhandlich und hat – bezogen auf seine Abmessungen – nur eine relativ kleine Kapazität. Praktisch ausgeführte Kondensatoren mit nicht veränderbarer Kapazität (Festkondensatoren) werden häufig als Wickelkondensatoren gefertigt. Bei Kondensatoren wird deren Technologie durch eine Kurzbezeichnung gekennzeichnet, z. B. steht FKP für Polypropylen als Dielektrikum und Aluminiumfolie als Elektroden. Bei Papier- und Kunststofffolien-Kondensatoren werden Metallfolien (Elektroden) mit Papier- oder Kunststofffolien (Dielektrikum) zu einem Wickel gerollt. Damit beim Auf- 102 Bild 10: Parallele Doppelleitung wickeln zwischen den Elektroden kein Kurzschluss entsteht, wird eine weitere Lage Isoliermaterial verwendet. Der fertige Wickel wird in einen Becher aus Stahlblech, Aluminium oder Kunststoff eingesetzt und mit Vergussmasse abgedichtet. Bei Papierkondensatoren besteht das Dielektrikum aus getränktem, ungefähr 0,001 mm dickem Papier. Der Aufbau von Metall-Papier-Kondensatoren (MP-Kondensatoren) ähnelt dem von Papierkondensatoren. Sie haben jedoch statt der Aluminiumfolie eine nur etwa 0,0001 mm dicke, auf das Papier aufgedampfte Metallschicht aus einer Zinklegierung. Diese Zinklegierung hat einen so niedrigen Verdampfungspunkt, dass die bei einem Spannungsdurchschlag entstehende Wärme genügt, um in sehr kurzer Zeit das Metall in der Umgebung der Durchschlagstelle zu verdampfen. So bleibt der Kondensator – selbst nach vielen Durchschlägen – betriebsfähig (so genannter Selbstheilungseffekt). Bei Keramikkondensatoren besteht das keramische Dielektrikum aus Oxiden von Titan, Barium, Magnesium und / oder Calcium. Je nach Zusammensetzung ergeben sich relative Dielektrizitätszahlen von 20 bis 10 000. Die Verluste sind je nach Zusammensetzung gering bis sehr gering. Durch den keramischen Aufbau des Dielektrikums lassen sich diese Kondensatoren nicht als Wickelkondensatoren herstellen. Auf die Oberfläche der dünnwandigen Keramikkörper wird beidseitig ein Belag aus einem Edelmetall aufgedampft. Die realisierbaren Kapazitäten liegen zwischen 1 pF und 10 nF. Beim Elektrolytkondensator (Elko) wird das Dielektrikum von einer isolierenden Oxidschicht gebildet, die nur etwa 0,0005 mm dick ist. Die positive Elektrode (Anode) besteht aus einer Aluminiumfolie, auf der durch elektrochemische Vorgänge die Aluminiumoxidschicht entsteht. Die negative Elektrode (Kathode) ist ein Elektrolyt (z. B. eine Ammoniumsalzlösung), der durch ein saugfähiges Papier festgehalten wird. Das Papier ist über eine zweite Aluminiumfolie oder über ein Aluminiumgehäuse mit dem negativen Pol des Stromkreises verbunden. Der Elektrolyt schützt das poröse und empfindliche Dielektrikum vor direkter Berührung mit der Anschlusselektrode. Am häufigsten werden trockene Elektrolytkondensatoren gebaut, da sie sich lageunabhängig verwenden lassen. Sie werden als Wickelkondensatoren gefertigt und haben wegen der sehr dünnen Oxidschicht verhältnismäßig hohe Kapazitäten (μF ... F). Bei falscher Polung wird jedoch die Oxidschicht abgebaut und der Elko zerstört. Außer diesen gepolten Elkos gibt es auch ungepolte, die sich mit Wechselspannung betreiben lassen. Dipl.-Ing. (FH) Christiane Decker, Redaktion »de« de 18/2008 Gelernt ist Gelernt Das abgesicherte PC-Netzwerk im Unternehmen (4) Als Ergänzung zum letzten Teil des Beitrags (»de« 15-16/2008, S. 105) folgen hier nochmals wichtige Tipps zum Erhöhen der IT-Sicherheit. Einerseits geht es um Updates und andererseits um das regelmäßige Erstellen von Backups, also von Datensicherungen. Wenn die Hersteller Sicherheitslücken in Programmen und Betriebssystemen veröffentlichen, starten unmittelbar danach die ersten Angriffsversuche. Um die Sicherheitslücken zu schließen, ist es wichtig (insbesondere bei Windows-Betriebssystemen), rasch die von den Herstellern bereitgestellten Softwarefehler-Korrekturprogramme, so genannte Patches (Flicken), zu installieren. Auch alle Programme sollten entsprechend gepflegt werden. Virenscanner laden sich automatisch die aktuellen Virensignaturen und die aktuellen Patches für den Scanner. Microsoft gibt die meisten Patches am so genannten Patch-Day heraus (zweiter Dienstag eines Monats). Folgende Einstellungen sollte man einschalten: • Automatische Updates (Bild 31): Damit installieren sich wichtige und sicherheitsrelevante Updates des Betriebssystems unverzüglich nach Veröffentlichung durch Microsoft, also automatisch. • Windows Update (Bild 32): Damit lässt sich die Windows Update-Website manuell aufrufen. Der Benutzer entscheidet, wann und was er aktualisieren möchte. • Microsoft Update (Bild 33): Empfehlenswert, denn damit lassen sich zusätzliche Updates für MS-Programme wie MS-Office, MS-Exchange oder MS-SQL ebenfalls laden. Aus Windows Update wird also Microsoft Update. Bereits installierte Updates lassen sich anzeigen und bei Bedarf deinstallieren (Bild 34). Die aktuellen SicherheitsUpdates stehen nur dann zur Verfügung, wenn das aktuelle »Service Pack« installiert ist. Bild 31: Sinnvoll: Automatische Updates einschalten, bei XP (li.) und Vista (re.) Backups erstellen (Datensicherungen) Das Sichern von Daten erfordert einen Plan und kostet Zeit. Häufig sichern Benutzer über einen längeren Zeitraum ihre wichtigen Dateien nicht, weil es im Großen und Ganzen ja »gut ging«. Ist aber mal eine wichtige Datei zerstört, erlangen die Benutzer i. d. R. schnell ein anderes Verhältnis zur Datensicherung. Eine funktionierende Rücksicherung kann leicht eine Woche Arbeit für das Wiederherstellen eines Dokumentes ersparen. Unter Umständen lässt sich das Dokument überhaupt nicht wiederherstellen, weil sich keiner die Informationen merken konnte. Und der Verlust sämtlicher Unternehmensdaten, führt manchmal direkt in die Insolvenz. Malen Sie sich einmal die Auswirkungen von Datenverlusten in Ihrem Unternehmen aus. Wie geht es weiter, wenn auf die Kundendatei oder sämtliche Unterlagen definitiv nicht mehr zugegriffen werden kann? Verzichten Sie weiterhin auf regelmäßige Datensicherungen? Die Ursachen für einen möglichen Datenverlust sind vielfältig: • Hardware-Fehler (Festplatten-Crash, Überspannung, ...) und Betriebssystemfehler de 18 /2008 Bild 32: Benutzerdefinierte Suche, d. h., wenn der Benutzer über Zeitpunkt und Umfang der Updates selbst entscheiden möchte; bei Vista (o.) und XP (u.) 103 Gelernt ist Gelernt Medien wie Magnetbändern oder optischen Medien. Es werden häufig alle (viele) Versionen eines Dokumentes gespeichert. Einige Unternehmensdaten sind bis zu zehn Jahre zu archivieren (revisionssichere Buchführung). Ein dem Unternehmen angemessenes und dokumentiertes Backup-Konzept hilft den Verantwortlichen bei den täglichen Sicherungsaufgaben, auch wenn es anfangs mit etwas Arbeit verbunden ist. Gehen wir nun im Einzelnen den Fragen nach, die man bei der Entwicklung eines Backup-Konzeptes beantworten und dokumentieren sollte. Bild 33: Microsoft Update: Auch MS-Anwendungen wie Office werden aktualisiert; bei Vista (o.) und XP (li.) • Benutzer-Fehler, z. B. versehentliches Löschen oder Überschreiben von Daten • Viren, die Dateien zerstören • Trojaner, die Dateien verfälschen oder löschen • Datendiebstahl, z. B. Laptop-Diebstahl • Naturgewalt wie Wassereinbruch, Feuer usw. Wegen dieser Gefahren müssen wichtige Daten kontinuierlich auf einem zweiten Speichermedium dupliziert werden. Zum besseren Verständnis hier kurz der Unterschied zwischen Datenspiegelung, -sicherung und -archivierung: • Datenspiegelung oder RAID-System: Die Daten werden immer gleichzeitig auf zwei (oder mehr) Festplatten des Computers gespeichert. Bei einem Festplatten-Crash lassen sich die Daten der zweiten Festplatte nutzen. Neben dem Hauptziel, dem unterbrechungsfreien Betrieb, erhöht sich durch gleichzeitige Zugriffe auf mehrere Festplatten auch die Geschwindigkeit. Spiegelung (RAID) ersetzt die Datensicherung nicht, denn sie bietet keinen Schutz gegen Virenbefall, Diebstahl, Naturgewalt oder versehentliches Löschen von Dokumenten. • Datensicherung: Die Daten werden im Vergleich zur Spiegelung in größeren Zeitabständen (Tag, Woche) dupliziert. Das Ziel ist, Betriebsunterbrechungen so kurz wie möglich zu halten. Verlorene Daten sollen sich möglichst schnell und so aktuell wie möglich wieder herstellen lassen. • Datenarchivierung / Versionssicherung: Dabei speichert man die Daten langfristig (Jahre) auf Massenspeicher- Welche Daten sollen gesichert werden, also was sind wichtige Dateien? Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Daten unterscheiden. Die erste Gruppe besteht aus den Programmen, dem Betriebssystem und den Benutzerprofilen (Benutzereinstellungen). Diese Informationen lassen sich mit etwas Aufwand von den Original-CDs wiederherstellen. Ärgerlich ist nur, dass die vielen im Laufe der Zeit durchgeführten und meist nicht dokumentierten Konfigurationseinstellungen nach einer Neuinstallation mühsam wieder einzurichten sind. Empfehlung: Diese Daten insgesamt in größeren Zeitabständen mit einem ImageProgramm auf einer externen Festplatte sichern (Bild 35). Während die Neukonfiguration der Programme und des Betriebssystems lediglich viel Zeit erfordert, ist der Verlust von selbst erstellten Dokumenten sehr unangenehm. Kundendatei, Angebote, Baupläne, Arbeitsabläufe, Bilanz usw. sind für ein Unternehmen sehr wertvoll. Empfehlung: Diese Daten erfordern ein viel stärkeres Augenmerk und sind in kürzeren Zeitabständen zu sichern. Bereits beim Speichern der Daten sollte man auf eine strikte Trennung zwischen selbst erstellten Dokumenten und Programm- und Betriebssystem-Dateien achten. Dadurch wird die Datensicherung stark vereinfacht und sicherer. Bei Verlust von selbst erstellten Dokumenten müssen dann nur diese wiederhergestellt werden. Bei Absturz des Betriebssystems lässt sich die Programm- und Betriebssystem-Partition samt Einstellungen wieder einspielen, ohne die selbst erstellten Daten zu berühren. Die Aufteilung der zwei unterschiedlichen Datenarten auf zwei Partitionen lässt sich noch verbessern, wenn auf zwei unterschiedlichen Festplatten gespeichert wird. Bei Ausfall einer Festplatte ist der Zugriff nur für eine Datenart unmöglich. Bild 34: Bereits installierte Updates lassen sich anzeigen; bei Vista (li.) und XP (re.) 104 de 18/2008 Gelernt ist Gelernt Sollen die Daten jedes einzelnen PC oder ein zentraler Unternehmens-Datenbestand gesichert werden? Ab einer gewissen Anzahl von PC-Arbeitsplätzen sollte man erwägen, die von den Benutzern erzeugten Unternehmensdaten zentral zu speichern. Die Datenspeicherung verläuft dann strukturierter, jeder Benutzer im Netzwerk kann auf die stets aktuellen Daten zugreifen und die Sicherung der Unternehmensdaten wird – da an nur einem Computer durchgeführt – übersichtlicher (Bild 36). Die Großvater-Sicherung liefert eine weitere Rücksicherungsmöglichkeit. Bild 37 zeigt ein Beispiel für das Generationen-Prinzip mit fünf wieder beschreibbaren DVDs als Sicherungsmedium. Für die Langzeitsicherung lässt sich z. B. alle drei Monate ein Medium aus dem Zyklus entnehmen, getrennt von den Computern sicher aufbewahren und durch ein frisches Medium ersetzen. • Variante 2: In größeren Unternehmen wird das Generationen-Prinzip meistens mit den drei Sicherungsgruppen täg- In welchen zeitlichen Abständen (Intervalle) und zu welcher Tageszeit sollen die Daten gesichert werden? Die festzulegenden Datensicherungs-Intervalle hängen sehr stark von den betrieblichen Abläufen ab. Die maximale Zeit zwischen zwei Datensicherungen wird von der erzeugten Datenmenge pro Tag beeinflusst. Unter Umständen muss jeden Tag eine Datensicherung für die selbst erstellten Dokumente durchgeführt werden. Bei den meisten Backup-Produkten lässt sich ein Zeitplan für die regelmäßige, automatische Sicherung einrichten. So kann die Datensicherung nicht in Vergessenheit geraten. Zusätzlich zu den Sicherungen in festgelegten Intervallen sollte man manuell sichern, wenn viele Dateien auf einen Schlag neu erstellt oder geändert werden – z. B., wenn an einem Tag viele neue wichtige Dokumente von einem Lieferanten oder vom Steuerberater im Unternehmen zu speichern sind. Häufig geänderte Dateien sollten die Benutzer unabhängig von der automatischen Sicherung in noch kürzeren Intervallen sichern. Vor Änderungen am System (z. B. neue Hardware hinzufügen, Treiber aktualisieren, die Registrierung bearbeiten, ein Service Pack installieren und Installation/Deinstallation von Programmen) sollte die Betriebssystem- und ProgrammPartition gesichert werden. Bei Einzelplatz-Datenspeicherung muss die automatische Sicherung während der Arbeitszeit erfolgen. Es ist zu testen, ob die Computerleistung während der Sicherung reicht. Manuell lässt sich die Sicherung vor Pausen anstoßen. Bei zentraler Datenspeicherung erfolgt die Sicherung zu betriebsschwachen Zeiten, meistens nachts oder / und am Wochenende, da Server ohnehin nicht abgeschaltet werden. Bild 35: Zunächst muss man sich fragen, welche Daten gesichert werden sollen. Es empfiehlt sich, die selbst erstellten Daten von Programmen, Betriebssystem und Benutzereinstellungen zu trennen Wie lange sollen Datensicherungen aufgehoben werden? Generell gilt: Wichtige Daten müssen mehrfach gesichert werden. Würde man immer dasselbe Medium zur Datensicherung verwenden, bestünde während der Datensicherung die Gefahr, dass gleichzeitig sowohl die interne Festplatte als auch das verwendete externe Speichermedium unbrauchbar werden. Dieses Szenario ist nicht unwahrscheinlich. Es kann z. B. bei einem Computerabsturz während der Datensicherung auftreten. Die Unternehmensdaten wären verloren. Häufig wird nach dem Generationen-Prinzip – auch Großvater-Vater-Sohn-Prinzip genannt – gesichert: • Variante 1: Mindestens drei (besser fünf) Datenträger werden zyklisch zum Sichern in Intervallen verwendet, z. B. jede Woche oder jeden Tag. Dadurch kann auch bei einem defekten bzw. aktuell virenbefallenen Datenträger noch auf die funktionierende Vater-Sicherung zurückgegriffen werden, wenn auch auf weniger aktuelle Daten. de 18 /2008 Bild 36: Ab einer gewissen Anzahl von PC-Arbeitsplätzen empfiehlt sich eine zentrale Datenspeicherung / -sicherung Bild 37: Einzelplatz-Datensicherung nach dem Generationen-Prinzip 105 Gelernt ist Gelernt lich, wöchentlich und monatlich betrieben. Dafür sind 20 Bänder erforderlich: vier Tages-, vier Wochen- und zwölf Monatsbänder, zuzüglich pro Jahr ein Jahresband (Dez.). Die vier Tagesbänder werden beschriftet mit Mo, Di, Mi, Do. Die vier Wochenbänder werden beschriftet mit Fr1, Fr2, Fr3, Fr4. Die zwölf Monatsbänder werden beschriftet mit Jan, Febr, ... Dez. Die Beschriftung der Bänder ist sorgfältig durchzuführen, da sich die gesicherten Daten sonst nicht wieder finden lassen. Es werden nur vier Wochenbänder benötigt, weil bei fünf Freitagen im Monat der fünfte Freitag immer der letzte Wochentag des Monats ist und dann ein Monatsband erstellt wird (Bild 38). Bei dieser Variante empfehlen sich Sicherungsautomaten, die automatisch das richtige Band auswählen. Im Beispiel in Bild 38 wird erst in Woche 2 vom Januar das MittwochBand der Vorwoche überschrieben. Die jeweils freitags erstellten Wochenbänder werden frühestens nach vier Wochen überschrieben. Die Monatsbänder werden immer am letzten Freitag des Monats anstelle des Wochenbandes erstellt und nach zwölf Monaten überschrieben. Es empfiehlt sich, sie bis zum nächsten Einsatz im Tresor an einem anderen Ort (Bank) oder mindestens in einem anderen Brandschutzbereich im Datensicherungsschrank aufzubewahren. Das Dezember-Monatsband sollte als Jahresband langfristig im Tresor verbleiben. Mit dem Generationen-Prinzip lassen sich Datenänderungen schrittweise zurückverfolgen, z. B. um festzustellen, wann und warum ein Fehler aufgetreten ist, oder um eine versehentlich überschriebene Datei in ihrem ursprünglichen Zustand wieder herzustellen. Allerdings ist selbst bei dem Verfahren mit den drei Sicherungsgruppen täglich, wöchentlich und monatlich keine lückenlose Wiederherstellung möglich. Man kann zwar jederzeit auf eine Sicherung • der letzten vier Werktage (Sohn-Sicherungen), • der letzten vier Freitage (Vater-Sicherungen) und • der letzten zwölf Monatsenden (Großvater-Sicherungen) zugreifen. Aber wird z. B. am Montag eine große Datei erstellt oder umfangreich geändert und auf dem Montagsband gesichert und dann am Dienstag die Datei versehentlich mit einer leeren Datei gleichen Namens überschrieben und auf dem Dienstagsband gesichert, sollte der Fehler möglichst bis Montag der folgenden Woche erkannt werden, denn Montag Nacht wird die gesicherte GLOSSAR RAID: (Redundant Array of Inexpensive Disks oder Redundant Array of Independent Disks) ist ein Verbund von mehreren Festplatten, die nach außen (für das Betriebssystem) als eine Festplatte erscheinen. Bei den meisten Verfahren (RAID-Levels) ist insgesamt mehr Speicherkapazität hardwaremäßig vorhanden als für das Betriebssystem angezeigt wird (Redundanz). Dadurch kann bei Ausfall einer Platte das System fast unterbrechungsfrei weiterarbeiten. RAIDs kombinieren diese Ausfallsicherheit meistens mit dem zweiten Ziel Geschwindigkeitserhöhung. Dazu wird eine Datei in kleinere Bereiche unterteilt (Stripes) und diese werden abwechselnd auf die Festplatten des RAID-Verbundes geschrieben. Durch gleichzeitiges Schreiben auf mehreren Festplatten entsteht die Leistungsverbesserung. Originaldatei auf dem Montagsband mit der leeren Datei überschrieben (und die Originaldatei wurde nie auf einem Wochen- oder Monatsband gesichert). Will man dieses Risiko nicht eingehen, muss man die Sicherungen aller Wochentage aufheben, also pro Jahr ca. 220 Bänder verwahren und vorher kaufen. Im schlechtesten Fall ist dann die Arbeit eines Tages zu wiederholen. Einen anderen Ansatz verfolgt die Versionssicherung pro Datei. Diese dateibezogene Art der Archivierung wirkt gleich beim Speichern. Bei umfangreichen Projekten mit Textverarbeitung, Kalkulationen oder Zeichenprogrammen schützt häufiges Sichern nicht vor dem Verlust von Informationen, weil die Zwischenstände immer wieder überschrieben werden (»die vorletzte Version war doch besser«). In diesem Fall sind alle Zwischenstände zu speichern (unter Umständen durchaus mehrere pro Tag), um später die Entwicklung nachvollziehen zu können. Im einfachsten Fall wird bei jeder Speicherung die Versionsnummer im Namen der Datei inkrementiert (hochgezählt): dateiname_v1.doc, dateiname_v2.doc, usw. Anwendungsprogramme können diese Art der Speicherung automatisiert vornehmen. Ein Alternativ-Verfahren speichert – durch den Benutzer veranlasst – in verschiedenen temporären Ordnern. Heute unter C:\Arbeitsordner\Temp1, morgen unter C:\Arbeitsordner\ Temp2, usw. Natürlich müssen alle VersionsDateien auch in den im Unternehmen etablierten Datensicherungsprozess mit aufgenommen werden, um gegen Festplatten-Crash und Virenbefall abgesichert zu sein. Die Sicherung der Partition mit Programmen, Betriebssystem und deren Konfigurationen lässt sich wegen des hohen Volumens entweder bei jeder neuen Sicherung überschreiben oder es werden zwei Sicherungen zyklisch verwaltet. Ausblick Im nächsten Teil des Beitrags gehen wir den Fragen nach, ob jedes Mal eine Vollsicherung der Daten erfolgen soll oder nur die Änderungen seit der letzten Sicherung zu sichern sind. Darüber hinaus wird u. a. geklärt, auf welchen Medien gesichert werden soll, wo die beschriebenen Datensicherungsmedien aufbewahrt werden sollen und welche Backup-Software sich eignet. (Fortsetzung folgt) Bild 38: Zentrale Datensicherung nach dem GenerationenPrinzip mit den drei Sicherungsgruppen täglich, wöchentlich und monatlich 106 Dipl.-Ing. Dieter Schenk, Fachlehrer am Bundestechnologiezentrum für Elektro- und Informationstechnik in Oldenburg (bfe) de 18/2008