DNA Backup

Deduplicated versioned backups for DNA.

Details (FR)

Le système part du principe qu'on a une copie des données stockées en ADN sur un support de stockage classique : le repo.

 +----------------------------------+
 | +---------+          +---------+ |          +-----------+
 | |         |          |         | |          |           |
 | | Source  |--------->|  Repo   |----------->| DNA-Drive |
 | |         |  COMMIT  |         | | SYNTHESE |           |
 | +---------+          +---------+ |          +-----------+
 |                                  |
 | Ordinateur                       |
 +----------------------------------+

La structure du repo est la suivante :

repo/
├── 00000/
│   ├── chunks/
│   │   ├── 000000000000000
│   │   ├── 000000000000001
│   │   ├── 000000000000002
│   │   └── 000000000000003
│   ├── files
│   ├── hashes
│   └── recipe
└── 00001/
    ├── chunks/
    │   ├── 000000000000000
    │   └── 000000000000001
    ├── files
    ├── hashes
    └── recipe

Pour un repo d'une taille totale de 401 Mio :

/tmp/test-1/00000/recipe    5076011  (1.20%)
/tmp/test-1/00000/files       24664  (0.06%)
/tmp/test-1/00000/hashes    3923672  (0.93%)
/tmp/test-1/00000/chunks  412263137  (97.8%)
/tmp/test-1/00000         421287604  ( 100%)

• On considère que le repo est toujours présent lors d'une écriture (commit).
• Le repo peut être reconstruit à partir des données présentes dans le DNA-Drive.
• Les hashes ne sont pas écrits en ADN, car ils peuvent être reconstruits à partir des données des chunks.
• L'ensemble des données écrites en ADN sont compressées, pour le moment via ZLib.
• Les métadonnées sont stockées de manière incrémentale, chaque version stocke donc ses métadonnées sous la forme de delta par rapport à la version précédente.

On imagine le DNA-Drive comme un segment de pools :

     +---+---+---+---+---+---------+---+---+---+
     | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |-->   <--| 93| 94| 95|
     +---+---+---+---+---+---------+---+---+---+
|versions|    chunks     |         | metadata  |
                                   (recipe+files)

Algorithme du commit

1. Chargement des métadonnées du repo afin de reconstruire en mémoire l'état de la dernière version :
   • Reconstruction de la recipe à partir des deltas de chaque version.
   • Reconstruction du listage des fichiers à partir des deltas de chaque version (fichier files).
   • Reconstruction en mémoire des maps de fingerprints et de sketches à partir des fichiers hashes de chaque version.
2. Listage des fichiers de la source.
3. Concaténation de l'ensemble des fichiers de la source en un disque virtuel continu.
4. Lecture du stream de ce disque virtuel et découpage en chunk (de 8 Kio actuellement).
5. Pour chaque chunk du stream :
   1. Calculer sa fingerprint (hash classique), si elle est présente dans la map : le stocker de manière dé-dupliquée (sous la forme d'identifiant faisant référence au chunk trouvé dans la map).
   2. Sinon, calculer son sketch (hash de ressemblance), s'il est présent dans la map, le stocker sous la forme de delta (calcul de sa différence par rapport au chunk trouvé dans la map).
   3. Sinon, le stocker sous la forme de nouveau bloc (ajout de sa fingerprint et de son sketch dans les maps et stockage du contenu complet dans un nouveau chunk).
6. Calcul des différences entre la nouvelle version et la précédente pour les métadonnées (files et recipe) et stockage des deltas ainsi obtenus.

Algorithme du restore

1. Chargement des métadonnées du repo afin de reconstruire en mémoire l'état de la dernière version :
   • Reconstruction de la recipe à partir des deltas de chaque version.
   • Reconstruction du listage des fichiers à partir des deltas de chaque version.
2. À partir de la recipe, reconstruire le disque virtuel (sous la forme d'un stream).
3. Découper ce stream en fonction du listage des fichiers (files) et réécrire les données dans les fichiers correspondants dans le répertoire destination.

Restaurer sans le repo

Reconstruction complète du repo

Il est possible de reconstruire le repo en entier en lisant la totalité du DNA-Drive.

Restauration de la dernière version

Il est possible de ne restaurer que la dernière version en lisant dans un premier temps le pool de versions et les quelques pools de métadonnées (environ 2% de la totalité des données écrites), puis en lisant tous les pools contenant des chunks référencés par la recipe de cette version.

Restauration d'un seul fichier

Il pourrait être possible (pas pour le moment) de ne restaurer qu'un seul fichier d'une version en ayant moins de données à lire que pour restaurer la version complète.

Pour cela, il faudrait en plus stocker en ADN un mapping chunk décompressé → pool contenant ce chunk et ainsi n'avoir à lire que les pools contenant des chunks de ce fichier.

Évaluation de performances

Le dossier exp contient les scripts permettant de reproduire les expériences. Les scripts ne sont prévus pour fonctionner que sur Linux.

On utilise le dépôt Git du noyau Linux comme base de donnée de test. Il s'agit en effet d'une bonne simulation de modification de dossiers, car l'historique contient toutes les modifications qui ont été apportées petit à petit à l'ensemble des fichiers.

Bases de comparaison

Pour évaluer les performances du système DNA-Backup, quatre autres systèmes de stockage versionnés ont été choisis comme base de comparaison :

• Git diffs
• Git objects
• Targz
• Taille réelle

Git diffs

Ce système utilise le delta généré par la commande git diff pour sauvegarder une nouvelle version. Les données à stocker consistent donc en une somme de deltas. Pour restaurer les données, il faut appliquer séquentiellement l'ensemble des deltas jusqu'à obtenir l'état de la version voulue.

Git objects

Ce système nous permet de simuler un système de fichier qui ne serait pas autorisé à modifier des données sur le support tout en gardant la possibilité de modifier les données. Il s'agit de la manière dont Git sauvegarde les données des fichiers d'un dépôt. Le contenu de chaque fichier et de chaque dossier est hashé afin d'en obtenir une signature. Il est ensuite compressé et stocké sous la forme d'object immuable, référencé par la signature obtenue. Si un fichier est modifié, il produira une signature différente et sera donc stocké sous la forme d'un nouvel object. Par contre, si deux fichiers ont un contenu strictement identique, ils produiront alors la même signature et seront donc automatiquement dé-dupliqués. Les dossiers sont également stockés en tant qu'objects, mais les fichiers qu'ils contiennent sont référencés non pas par leur nom, mais par leur signature. La modification d'un fichier entrainera donc l'ajout de nouveaux objects pour l'ensemble des dossiers de la branche contenant ce fichier. C'est de cette manière que Git est capable de créer un système de fichiers modifiable à partir d'objets immuables.

Targz

Une technique d'archivage assez classique à laquelle il peut être intéressant de nous comparer est de stocker chaque version en tant qu'une nouvelle archive Tar elle-même compressée à l'aide de Gzip. Cette technique produit des archives d'une taille très réduite, car la compression est appliquée à l'ensemble des fichiers d'un seul coup, contrairement à une compression fichier par fichier.

Elle a cependant l'inconvénient de ne pas faire de dé-duplication ni d'encodage delta, et ne tire donc pas du tout parti des données déjà écrites sur le support.

Taille réelle

Cette base de comparaison n'est en réalité pas un système viable. Elle correspond à la taille que prend en réalité le dossier source au moment de la sauvegarde. C'est un indicateur qui permet de se rendre compte du poids que prendrait la sauvegarde de multiples versions sans aucune déduplication ou compression.

Tableau récapitulatif

Nombre d'octets par version

Légende

• dna_4K : le système DNA-Backup avec des blocs de 4 Kio.
• dna_8K : le système DNA-Backup avec des blocs de 8 Kio.
• diffs : une somme de diffs Git minimales Gzippées.
• nopack : le dossier `objects de Git, contenant l'ensemble des données des fichiers et dossiers d'un dépôt.
• targz : une somme d'archives Tar Gzippées.
• real : le poids réel de chaque version et donc l'espace nécessaire à stocker l'ensemble des versions de manière non-dé-dupliquées.

Résultats

Commits journaliers :

=============================== SUMMARY ===============================
     dna_4k       dna_8k        diffs       nopack         targz           real
 66,026,534   60,083,471   47,011,621   63,237,214    47,582,036    201,476,675
      8,010       12,882        2,625       88,673    47,580,422    201,472,392
  8,368,117    9,854,802    3,270,798   26,668,802    48,699,094    206,006,230
    203,941      107,870          496       24,839    48,699,144    206,006,227
    214,572      121,041        1,475      318,053    48,699,266    206,006,571
    254,132      161,759    3,271,631      107,651    47,592,358    201,472,618
    419,776      395,453       99,337    2,758,951    47,579,804    201,420,809
     72,677       86,780      127,793      561,940    47,578,309    201,415,269
    153,987       75,273       19,221       10,035    47,590,552    201,467,847
    299,196      224,155      250,581    1,203,018    47,719,274    202,032,972
     40,413       39,673       19,555      550,478    47,721,098    202,042,129
    158,232       79,739          203       45,564    47,721,112    202,042,114
    182,559      116,565       12,419      284,765    47,725,696    202,057,720
     12,368       13,040        5,823       76,010    47,731,040    202,065,875
     23,134       28,412       13,370      528,743    47,738,360    202,078,613
     26,724       33,395       10,837      374,955    47,735,904    202,078,276
     71,352       84,410       69,707      498,918    47,771,130    202,216,013
================================ TOTAL ================================
 76,535,724   71,518,720   54,187,492   97,338,609   813,464,599  3,443,358,350

Commits hebdomadaires :

=============================== SUMMARY ===============================
     dna_4k       dna_8k        diffs       nopack         targz           real
 65,996,508   60,066,667   47,003,541   63,221,563    47,569,933    201,420,809
    889,756      985,651      395,080    6,358,050    47,723,749    202,065,875
  8,109,685    9,714,907    2,994,599   25,581,925    48,700,415    206,003,757
    205,101      108,968          407       50,815    48,700,637    206,003,795
    225,841      144,120        8,679      401,381    48,698,820    206,005,265
  1,657,786    2,050,048      579,422    6,943,222    48,733,791    206,098,060
  1,206,672    1,495,828      360,710    4,799,958    48,840,759    206,648,359
  1,926,509    2,385,637      738,359    4,983,831    48,892,096    206,834,840
  2,263,134    2,498,842    1,389,502    7,767,439    49,297,747    209,328,856
    592,440      861,038      146,129    2,899,286    49,331,055    209,479,362
    198,407      264,136       47,436    1,385,568    49,333,845    209,503,564
    155,538      266,689       37,183    1,808,603    49,338,373    209,509,777
    102,087      136,482       23,924    1,555,868    49,336,559    209,515,352
  4,044,866    4,845,345    1,404,256   11,037,484    49,933,159    211,878,380
  6,529,456    7,605,526    2,326,692   17,577,030    50,214,110    212,941,025
  1,258,880    1,658,700      304,617    6,594,520    50,293,382    213,254,405
    840,200    1,051,378      258,512    4,016,395    50,398,489    213,650,745
================================ TOTAL ================================
 96,202,866   96,139,962   58,019,048  166,982,938   835,336,919  3,540,142,226 

Commits mensuels :

=============================== SUMMARY ===============================
     dna_4k       dna_8k        diffs       nopack         targz           real
 67,749,414   61,662,329   48,249,466   64,900,653    48,828,605    206,662,692
  2,396,108    2,454,980    1,495,969    7,407,714    48,900,735    206,964,143
  1,953,606    2,180,048      797,390    9,856,043    49,326,511    209,515,646
 10,598,329   12,226,656    4,142,700   28,400,251    50,394,403    213,653,996
 14,285,731   16,520,326    5,489,832   34,132,686    51,315,648    217,862,957
  7,761,827    8,683,938    2,262,584   19,233,445    51,941,615    220,756,834
 10,116,837   12,628,400    2,999,817   28,983,950    52,574,107    223,306,219
  1,457,911    1,901,545      299,628    8,343,393    52,587,994    223,373,786
 14,563,753   16,805,176    4,759,088   34,259,652    53,210,823    226,113,059
  2,313,331    2,886,878      679,794   10,029,012    53,165,063    225,781,616
    765,371    1,003,047      138,547    4,375,159    53,183,197    225,870,650
 17,011,965   20,527,210    5,142,691   45,544,733    53,842,821    228,546,001
  1,415,857    1,831,671      247,526    8,491,133    53,876,401    228,653,615
  7,445,399    8,214,306    2,333,317   18,119,613    54,605,555    232,014,492
 13,079,884   15,834,194    3,989,065   37,945,661    55,206,806    234,571,285
 13,890,556   16,436,758    3,800,775   37,509,079    56,059,067    238,170,923
 11,523,815   13,696,636    3,030,148   32,387,325    56,716,443    241,420,002
================================ TOTAL ================================
198,329,694  215,494,098   89,858,337  429,919,502   895,735,794  3,803,237,916

Build instructions

Requirements

• Go >= 1.16

Instructions

# Build
make build

# Test
make test

# Run
./dna-backup commit <source-dir> <repository>