Datenverfall

Unter Datenverfall versteht man die allmähliche Beschädigung von Computerdaten aufgrund einer Anhäufung unkritischer Fehler in einem Datenspeichergerät. Dieser Vorgang wird auch als Datenverschlechterung, Datenverrottung, digitaler Verfall oder Bitverfall bezeichnet. Dies führt im Laufe der Zeit zu einer Verschlechterung der Datenqualität, selbst wenn die Daten nicht genutzt werden.

Ausprägungen

Primärspeicher

Eine Datenschädigung in einem dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) kann auftreten, wenn sich die elektrische Ladung eines Bits im DRAM verteilt, wodurch sich möglicherweise der Programmcode oder gespeicherte Daten verändert. Ein DRAM kann durch kosmische Strahlung oder andere hochenergetische Teilchen beeinträchtigt werden. Eine solche Datenschädigung wird als „Soft Error“ bezeichnet. ECC-Speicher können eingesetzt werden, um diese Art von Datenschädigung zu mindern.

Sekundärspeicher

Datenverfall entsteht durch den allmählichen Verfall von Speichermedien im Laufe von Jahren oder noch länger. Die Ursachen variieren je nach Medium.

Solid-State-Medien

EPROMs, Flash-Speicher und andere Solid-State-Laufwerke speichern Daten mithilfe elektrischer Ladungen, die aufgrund unvollkommener Isolierung langsam entweichen können. Moderne Flash-Controller-Chips berücksichtigen diesen Verlust, indem sie verschiedene niedrigere Schwellenspannungen ausprobieren (bis der ECC-Test bestanden ist) und so die Lebensdauer der Daten verlängern. Multi-Level-Cells mit einem deutlich geringeren Abstand zwischen den Spannungspegeln können ohne diese Funktion nicht als stabil angesehen werden.

Der Chip selbst ist davon nicht betroffen, sodass eine Neuprogrammierung etwa einmal pro Jahrzehnt einen Datenverlust verhindert. Für die Neuprogrammierung ist eine unbeschädigte Kopie der Stammdaten erforderlich. Mithilfe einer Prüfsumme lässt sich sicherstellen, dass die Daten auf dem Chip noch nicht beschädigt und für die Neuprogrammierung bereit sind.

Herkömmliche SD-Karten, USB-Sticks und M.2-NVMe-Speicher verfügen alle über eine begrenzte Lebensdauer. Durch das Einschreiben lassen sich Daten in der Regel wiederherstellen, doch die Fehlerrate führt letztendlich dazu, dass das Speichermedium unlesbar wird. Durch das Beschreiben eines beschädigten NAND-Speichers mit Nullen kann der Speicher für die weitere Nutzung wieder in einen nahezu neuwertigen Zustand versetzt werden. Die Auffrischungszyklen sollten nicht länger als sechs Monate dauern, um sicherzustellen, dass das Gerät lesbar bleibt.

Magnetische Speichermedien

Bei magnetischen Speichermedien wie Festplatten, Disketten und Magnetbändern kann es zu einem Datenverlust kommen, da die Bits ihre magnetische Ausrichtung verlieren. Höhere Temperaturen beschleunigen den magnetischen Verlust. Wie bei Solid-State-Medien ist das Überschreiben sinnvoll, solange das Medium selbst nicht beschädigt ist (siehe unten). Moderne Festplatten nutzen den Riesenmagnetowiderstand (GMR) und weisen eine längere magnetische Lebensdauer in der Größenordnung von Jahrzehnten auf. Außerdem korrigieren sie automatisch alle von der ECC erkannten Fehler durch Überschreiben. Die Abhängigkeit von einem Servowriter kann die Datenwiederherstellung jedoch erschweren, sollte das Medium nicht mehr wiederherstellbar sein.

Disketten und Magnetbänder sind nur unzureichend vor Umwelteinflüssen geschützt. Unter warmen und feuchten Bedingungen neigen sie dazu, dass sich das Speichermedium physikalisch zersetzt.

Optische Speichermedien

Bei optischen Medien wie CD-R, DVD-R und BD-R kann es aufgrund der Alterung des Speichermediums zu einem Datenverlust kommen. Dies lässt sich durch die Aufbewahrung der Discs an einem dunklen, kühlen Ort mit geringer Luftfeuchtigkeit eindämmen. Es sind Discs in „Archivqualität“ mit verlängerter Lebensdauer erhältlich, die jedoch ebenfalls nicht unbegrenzt haltbar sind. Durch Datenintegritätsprüfungen, bei denen die Häufigkeit verschiedener Fehlerarten gemessen wird, lässt sich der Datenverlust auf optischen Medien jedoch bereits lange vor dem Auftreten eines nicht behebbaren Datenverlusts vorhersagen.

Sowohl der Farbstoff als auch die Trägerschicht der CD sind potenziell anfällig für Zersetzung. Frühe Farbstoffe auf Cyaninbasis, die in CD-Rs verwendet wurden, waren für ihre mangelnde UV-Beständigkeit berüchtigt. Frühe CDs litten zudem unter dem sogenannten „CD-Bronzing“, was auf eine Kombination aus minderwertigem Lackmaterial und einem Versagen der Aluminium-Reflexionsschicht zurückzuführen ist. Spätere Discs verwenden stabilere Farbstoffe oder verzichten gänzlich darauf, zugunsten einer anorganischen Mischung. Die Aluminiumschicht wird zudem häufig durch eine Gold- oder Silberlegierung ersetzt.

Papiermedien

Papiermedien wie Lochkarten und Lochstreifen können buchstäblich verrotten. Mylar-Lochstreifen stellen eine Alternative dar, die nicht auf elektromagnetischer Stabilität beruht. Der Zerfall von Büchern und Druckpapier wird in erster Linie durch die saure Hydrolyse der glykosidischen Bindungen innerhalb des Zellulosemoleküls sowie durch Oxidation verursacht. Der Zerfall von Papier wird durch hohe relative Luftfeuchtigkeit, hohe Temperaturen sowie durch den Kontakt mit Säuren, Sauerstoff, Licht und verschiedenen Schadstoffen, darunter verschiedene flüchtige organische Verbindungen und Stickstoffdioxid, beschleunigt.

Streaming-Medien

Bei der Übertragung von Streaming-Medien kommt es zu Datenverlusten, was zu Problemen mit der Datenqualität führt.

Beispiel

Eine Ausprägung der Datenverschlechterung tritt auf, wenn ein oder mehrere Bits über einen langen Zeitraum hinweg zufällig umgedreht werden. Dies wird anhand mehrerer digitaler Bilder unten veranschaulicht, die alle aus 326.272 Bits bestehen. Zunächst wird das Originalfoto angezeigt. Im nächsten Bild wurde ein einzelnes Bit von 0 auf 1 geändert. In den beiden folgenden Bildern wurden zwei bzw. drei Bits umgedreht. Auf Linux-Systemen lässt sich der binäre Unterschied zwischen Dateien mit dem Befehl „cmp“ anzeigen (z. B. „cmp -b bitrot-original.jpg bitrot-1bit-changed.jpg“).

Das JPEG-Format speichert kein Bit-für-Bit-Abbild, sondern die Parameter für die Dekodierung. Daher führt bereits die Änderung eines einzigen Bits zu erkennbaren Veränderungen. Der Koeffizient der Kodierungsfunktion ändert sich beispielsweise mehrfach, wenn sich das Bit in einer der höheren Stellen befand.

Ursachen

Diese Verschlechterung kann durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, die die Zuverlässigkeit und Integrität digitaler Informationen beeinträchtigen, darunter physische Faktoren, Softwarefehler, Sicherheitsverletzungen, menschliches Versagen, veraltete Technologie und Vorfälle unbefugten Zugriffs.

Bei den meisten Festplatten, Festplattencontrollern und übergeordneten Systemen besteht ein geringes Risiko eines nicht behebbaren Ausfalls. Angesichts ständig wachsender Festplattenkapazitäten, Dateigrößen und der auf einer Festplatte gespeicherten Datenmengen steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Datenverlusten und anderen Formen von unkorrigierten und unentdeckten Datenbeschädigungen kommt.

Low-Level-Festplattencontroller verwenden in der Regel Fehlerkorrekturcodes (ECC), um fehlerhafte Daten zu korrigieren.

Um das Risiko solcher zugrunde liegender Fehler zu mindern, können Software-Systeme höherer Ebene eingesetzt werden, die eine erhöhte Redundanz bieten und Integritätsprüfungen, Fehlerkorrekturcodes sowie selbstreparierende Algorithmen implementieren. Das ZFS-Dateisystem wurde entwickelt, um viele dieser Probleme im Zusammenhang mit Datenbeschädigungen zu beheben. Auch das Btrfs-Dateisystem verfügt über Mechanismen zum Datenschutz und zur Datenwiederherstellung, ebenso wie ReFS.

Risikominderung

Es gibt keine Lösung, die die Gefahr einer Datenverschlechterung vollständig beseitigt, aber es gibt verschiedene Maßnahmen, mit denen sich diese abwenden lässt. Eine davon ist die Replikation der Daten in Form von Backups. Sowohl die Originaldaten als auch die gesicherten Daten werden anschließend auf Fehler aufgrund von Speichermedienfehlern überprüft, indem die Daten mit einer Prüfsumme versehen oder mit denen anderer Kopien verglichen werden. Dies ist die einzige Möglichkeit, latente Fehler proaktiv zu erkennen, die andernfalls möglicherweise erst beim tatsächlichen Zugriff auf die Daten bemerkt würden. Aktuelle Speichersysteme, wie beispielsweise solche auf RAID-Basis, wenden solche Maßnahmen bereits intern an. Im Idealfall – und insbesondere bei Daten, die digital aufbewahrt werden müssen – sollten die Replikate auf mehrere Verwaltungsstandorte verteilt werden, die autonom arbeiten und unterschiedliche Hardware- und Softwarelösungen einsetzen, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausfällen sowie menschlichen Fehlern und Cyberangriffen zu erhöhen.

Siehe auch

Einzelnachweise

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    2. ↑ S. 224, Zitat übersetzt: „Während viele Fehler bereits zum Zeitpunkt ihres Auftretens erkannt werden, treten andere unbemerkt auf. Diese werden als „latente Fehler“ bezeichnet. Es gibt viele Ursachen für latente Fehler, doch Medienfehler sind die bekanntesten. Während ein Head-Crash erkennbar wäre, wird „Bitrot“ möglicherweise erst entdeckt, wenn tatsächlich auf die betroffenen fehlerhaften Daten zugegriffen und diese überprüft werden. Ein weiteres Beispiel: Ein Sektor auf einer Festplatte könnte unlesbar werden; dies würde erst beim nächsten Lesevorgang dieses Sektors erkannt werden. Außerdem könnte ein Sektor zwar lesbar sein, aber aufgrund eines zuvor fehlgeleiteten Schreibvorgangs in diesen Sektor falsche Informationen enthalten.“
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