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Datenverfall

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(Weitergeleitet von Digitaler Verfall)

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.[1] Dies führt im Laufe der Zeit zu einer Verschlechterung der Datenqualität, selbst wenn die Daten nicht genutzt werden.

Ausprägungen

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Primärspeicher

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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.[2] Eine solche Datenschädigung wird als „Soft Error“ bezeichnet.[3] ECC-Speicher können eingesetzt werden, um diese Art von Datenschädigung zu mindern.[4]

Sekundärspeicher

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

Solid-State-Medien

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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.[5]

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

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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).[6] 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.[6][7]

Optische Speichermedien

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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.[8]

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.[9] 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

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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.[10] 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.[11]

Streaming-Medien

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Bei der Übertragung von Streaming-Medien kommt es zu Datenverlusten, was zu Problemen mit der Datenqualität führt.[12]

Beispiel

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Eine Ausprägung der Datenverschlechterung tritt auf, wenn ein oder mehrere Bits über einen langen Zeitraum hinweg zufällig umgedreht werden.[13.1] 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

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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.[14][15][16][17]

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.[18]

Low-Level-Festplattencontroller verwenden in der Regel Fehlerkorrekturcodes (ECC), um fehlerhafte Daten zu korrigieren.[19]

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.[20] Das ZFS-Dateisystem wurde entwickelt, um viele dieser Probleme im Zusammenhang mit Datenbeschädigungen zu beheben.[21] Auch das Btrfs-Dateisystem verfügt über Mechanismen zum Datenschutz und zur Datenwiederherstellung,[22] ebenso wie ReFS.[23]

Risikominderung

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Es gibt keine Lösung, die die Gefahr einer Datenverschlechterung vollständig beseitigt, aber es gibt verschiedene Maßnahmen,[13.2] 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,[24.1] die andernfalls möglicherweise erst beim tatsächlichen Zugriff auf die Daten bemerkt würden.[24.2] Aktuelle Speichersysteme, wie beispielsweise solche auf RAID-Basis, wenden solche Maßnahmen bereits intern an.[13.3] 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.[25]

Siehe auch

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  • Mary Baker, Kimberly Keeton, Sean Martin: Why Traditional Storage Systems Don't Help Us Save Stuff Forever. In: HotDep'05: Proceedings of the First conference on Hot topics in system dependability. Usenix, 30. Juni 2005 (archive.org [PDF; 120 kB; abgerufen am 15. Februar 2025]).
  • Mary Baker et al.: A fresh look at the reliability of long-term digital storage. In: EuroSys '06: Proceedings of the 1st ACM SIGOPS/EuroSys European Conference on Computer Systems 2006. Association for Computing Machinery, 18. April 2006, S. 221–234, doi:10.1145/1217935.1217957.
  • David S. H. Rosenthal: Keeping bits safe: how hard can it be? In: Communications of the ACM. Band 53, Nr. 11. Association for Computing Machinery, 1. November 2010, S. 47–55, doi:10.1145/1839676.1839692.

Einzelnachweise

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  1. ↑ Margaret Rouse: What is Bit Rot? In: Techopedia Dictionary. 25. März 2020, abgerufen am 10. April 2024 (englisch).
  2. ↑ The Invisible Neutron Threat | National Security Science Magazine. In: Los Alamos National Laboratory. Abgerufen am 13. März 2020 (englisch).
  3. ↑ T. J. O'Gorman et al.: Field testing for cosmic ray soft errors in semiconductor memories. In: IBM Journal of Research and Development. 40. Jahrgang, Nr. 1, Januar 1996, S. 41–50, doi:10.1147/rd.401.0041 (englisch).
  4. ↑ Eugene Normand: Single Event Upset at Ground Level. In: IEEE Transactions on Nuclear Science. 43. Jahrgang, Nr. 6, Dezember 1996, S. 2742–2750, doi:10.1109/23.556861, bibcode:1996ITNS...43.2742N (englisch, pdf.yuri.se (Memento des Originals vom 21. Oktober 2013 im Internet Archive)).
  5. ↑ Qianhui Li et al.: Optimal read voltages decision scheme eliminating read retry operations for 3D NAND flash memories. In: Microelectronics Reliability. 131. Jahrgang, April 2022, doi:10.1016/j.microrel.2022.114509, bibcode:2022MiRe..13114509L (englisch).
  6. 1 2 Preserving magnetic media. In: National Archives of Australia. Abgerufen am 3. November 2020 (englisch): „High temperature and humidity and fluctuations may cause the magnetic and base layers in a reel of tape to separate, or cause adjacent loops to block together. High temperatures may also weaken the magnetic signal, and ultimately de-magnetise the magnetic layer.“
  7. ↑ Dan Riss: Conserve O Gram (number 19/8) Preservation Of Magnetic Media. In: nps.gov. National Park Service / Department of the Interior (US), Juli 1993, S. 2 (englisch): „(Übersetzt): ‚Die Lebensdauer magnetischer Medien wird am stärksten durch Prozesse beeinträchtigt, die das Bindemittel angreifen. Feuchtigkeit aus der Luft wird vom Bindemittel aufgenommen und reagiert mit dem Harz. Das Ergebnis ist ein klebriger Rückstand, der sich auf den Bandköpfen ablagern und dazu führen kann, dass die Bandschichten miteinander verkleben. Die Reaktion mit Feuchtigkeit kann zudem zu Brüchen in den langen Molekülketten des Bindemittels führen. Dies schwächt die physikalischen Eigenschaften des Bindemittels und kann zu einem Verlust der Haftung am Trägermaterial führen. Diese Reaktionen werden durch das Vorhandensein von Säuren erheblich beschleunigt. Typische Quellen sind die üblichen Schadgase in der Luft, wie Schwefeldioxid (SO₂) und Stickoxide (NOx), die mit feuchter Luft zu Säuren reagieren. Obwohl Säurehemmer in der Regel in die Bindemittelschicht eingebaut sind, können sie mit der Zeit ihre Wirksamkeit verlieren.‘“
  8. ↑ QPxTool glossary. In: qpxtool.sourceforge.io. QPxTool, 1. August 2008, abgerufen am 22. Juli 2020 (englisch).
  9. ↑ Bronzed CD alert! In: IASA Information Bulletin no. 22. Juli 1997, archiviert vom Original am 22. Juli 2011; abgerufen am 3. August 2007 (englisch).
  10. ↑ Edyta Małachowska et al.: Paper Ageing: The Effect of Paper Chemical Composition on Hydrolysis and Oxidation. In: Polymers. 13. Jahrgang, Nr. 7, 26. März 2021, S. 1029, doi:10.3390/polym13071029, PMID 33810293, PMC 8036582 (freier Volltext) – (englisch).
  11. ↑ Eva Menart, Gerrit De Bruin, Matija Strlič: Dose–response functions for historic paper. In: Polymer Degradation and Stability. 96. Jahrgang, Nr. 12, 9. September 2011, S. 2029–2039, doi:10.1016/j.polymdegradstab.2011.09.002 (englisch, ucl.ac.uk [PDF; abgerufen am 5. Juni 2023]).
  12. ↑ Wenwu Yu et al.: Perceived Integrity of Distributed Streaming Media Based on AWTC-TT Algorithm Optimization. In: Wireless Communications and Mobile Computing. 20. Mai 2022, ISSN 1530-8677, S. 1–17, doi:10.1155/2022/7522174 (englisch).
  13. David S. H. Rosenthal: Keeping Bits safe: how hard can it Be? In: Communications of the ACM. Band 53, Nr. 11, November 2010, doi:10.1145/1839676.1839692 (englisch).
    1. ↑ S. 50
    2. ↑ S. 47
    3. ↑ S. 51
  14. ↑ Li Sheng Lance: What is data decay? In: Tech in Asia. 22. Juli 2015, abgerufen am 10. April 2024 (englisch).
  15. ↑ Definition of data degradation. In: PC Magazine. Abgerufen am 10. April 2024 (englisch).
  16. ↑ Mike Hakob: Data Decay: What are the Causes? In: FormStory. 27. Dezember 2023, abgerufen am 10. April 2024 (englisch).
  17. ↑ Robert Triches: Forskare: Billiga cd-skivor håller bara i två år. In: Aftonbladet. 16. März 2006, abgerufen am 10. April 2024 (englisch).
  18. ↑ Jim Gray, Catharine van Ingen: Empirical Measurements of Disk Failure Rates and Error Rates. In: Microsoft Research Technical Report MSR-TR-2005-166. Dezember 2005 (englisch, microsoft.com [PDF; abgerufen am 4. März 2013]).
  19. ↑ ECC and Spare Blocks help to keep Kingston SSD data protected from errors. In: Kingston Technology Company. Abgerufen am 30. März 2021 (englisch).
  20. ↑ Jim Salter: Bitrot and atomic COWs: Inside "next-gen" filesystems. Ars Technica, 15. Januar 2014, archiviert vom Original am 6. März 2015; abgerufen am 15. Januar 2014 (englisch).
  21. ↑ Jeff Bonwick: ZFS: The Last Word in File Systems. Storage Networking Industry Association (SNIA), 2009, archiviert vom Original am 21. September 2013; abgerufen am 4. März 2013 (englisch).
  22. ↑ btrfs Wiki: Features. The btrfs Project, abgerufen am 19. September 2013 (englisch).
  23. ↑ Derrick Wlodarz: Windows Storage Spaces and ReFS: is it time to ditch RAID for good? Betanews, 15. Januar 2014, abgerufen am 9. Februar 2014 (englisch).
  24. Mary Baker et al.: A fresh look at the reliability of long-term digital storage. In: EuroSys '06: Proceedings of the 1st ACM SIGOPS/EuroSys European Conference on Computer Systems 2006. Association for Computing Machinery, 18. April 2006, doi:10.1145/1217935.1217957 (englisch).
    1. ↑ S. 229
    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.“
  25. ↑ Mary Baker, Kimberly Keeton, Sean Martin: Why Traditional Storage Systems Don't Help Us Save Stuff Forever. In: HotDep'05: Proceedings of the First conference on Hot topics in system dependability. USENIX, 30. Juni 2005, S. 5 (englisch, archive.org [PDF]).
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