# DNA Backup [![build][build-img]][build-url] _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
Feature\Système DNA-Backup Git diffs Git objects Targz Taille réelle
Déduplication Niveau chunk ❌ Niveau fichier ❌ ❌
Transversal aux versions Transversal aux versions
Encodage delta Niveau chunk Niveau version ❌ ❌ ❌
Transversal aux versions Par rapport à la précédente
Compression Niveau chunk Niveau version Niveau fichier Niveau version ❌
Restauration de la dernière version Lecture des metadonnées puis des chunks de cette version (répartis dans différents pools) Lecture de la totalité du DNA-Drive Lecture récursive des différents objets composant la version (répartis dans différents pools) Lecture de la zone correspondant à la dernière version Lecture de la zone correspondant à la dernière version
### 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 =============================== 4k_export 8k_export diffs nopack targz real 46,080,540 46,021,380 47,011,621 63,237,214 47,582,036 201,476,675 8,160 13,260 2,625 88,673 47,580,422 201,472,392 6,453,540 8,091,660 3,270,798 26,668,802 48,699,094 206,006,230 205,020 108,120 496 24,839 48,699,144 206,006,227 214,200 121,380 1,475 318,053 48,699,266 206,006,571 255,000 162,180 3,271,631 107,651 47,592,358 201,472,618 393,720 358,020 99,337 2,758,951 47,579,804 201,420,809 67,320 78,540 127,793 561,940 47,578,309 201,415,269 155,040 75,480 19,221 10,035 47,590,552 201,467,847 286,620 205,020 250,581 1,203,018 47,719,274 202,032,972 39,780 38,760 19,555 550,478 47,721,098 202,042,129 159,120 80,580 203 45,564 47,721,112 202,042,114 182,580 115,260 12,419 284,765 47,725,696 202,057,720 13,260 14,280 5,823 76,010 47,731,040 202,065,875 23,460 28,560 13,370 528,743 47,738,360 202,078,613 27,540 33,660 10,837 374,955 47,735,904 202,078,276 68,340 81,600 69,707 498,918 47,771,130 202,216,013 ================================ TOTAL ================================ 54,633,240 55,627,740 54,187,492 97,338,609 813,464,599 3,443,358,350 ``` Commits hebdomadaires : ``` =============================== SUMMARY =============================== 4k_export 8k_export diffs nopack targz real 46,086,660 46,003,020 47,003,541 63,221,563 47,569,933 201,420,809 701,760 820,080 395,080 6,358,050 47,723,749 202,065,875 6,293,400 7,983,540 2,994,599 25,581,925 48,700,415 206,003,757 206,040 109,140 407 50,815 48,700,637 206,003,795 225,420 142,800 8,679 401,381 48,698,820 206,005,265 1,299,480 1,707,480 579,422 6,943,222 48,733,791 206,098,060 952,680 1,248,480 360,710 4,799,958 48,840,759 206,648,359 1,425,960 1,831,920 738,359 4,983,831 48,892,096 206,834,840 1,770,720 2,091,000 1,389,502 7,767,439 49,297,747 209,328,856 479,400 727,260 146,129 2,899,286 49,331,055 209,479,362 168,300 235,620 47,436 1,385,568 49,333,845 209,503,564 134,640 236,640 37,183 1,808,603 49,338,373 209,509,777 90,780 122,400 23,924 1,555,868 49,336,559 209,515,352 3,088,560 3,953,520 1,404,256 11,037,484 49,933,159 211,878,380 4,987,800 6,165,900 2,326,692 17,577,030 50,214,110 212,941,025 993,480 1,378,020 304,617 6,594,520 50,293,382 213,254,405 684,420 900,660 258,512 4,016,395 50,398,489 213,650,745 ================================ TOTAL ================================ 69,589,500 75,657,480 58,019,048 166,982,938 835,336,919 3,540,142,226 ``` Commits mensuels : ``` =============================== SUMMARY =============================== 4k_export na_8k_export diffs nopack targz real 47,297,400 47,244,360 48,249,466 64,900,653 48,828,605 206,662,692 1,822,740 1,938,000 1,495,969 7,407,714 48,900,735 206,964,143 1,525,920 1,808,460 797,390 9,856,043 49,326,511 209,515,646 8,047,800 9,840,960 4,142,700 28,400,251 50,394,403 213,653,996 10,730,400 13,230,420 5,489,832 34,132,686 51,315,648 217,862,957 5,786,460 6,936,000 2,262,584 19,233,445 51,941,615 220,756,834 7,816,260 10,320,360 2,999,817 28,983,950 52,574,107 223,306,219 1,210,740 1,643,220 299,628 8,343,393 52,587,994 223,373,786 11,002,740 13,589,460 4,759,088 34,259,652 53,210,823 226,113,059 1,819,680 2,399,040 679,794 10,029,012 53,165,063 225,781,616 622,200 858,840 138,547 4,375,159 53,183,197 225,870,650 12,874,440 16,493,400 5,142,691 45,544,733 53,842,821 228,546,001 1,169,940 1,591,200 247,526 8,491,133 53,876,401 228,653,615 5,631,420 6,589,200 2,333,317 18,119,613 54,605,555 232,014,492 9,988,860 12,876,480 3,989,065 37,945,661 55,206,806 234,571,285 10,659,000 13,416,060 3,800,775 37,509,079 56,059,067 238,170,923 8,796,480 11,079,240 3,030,148 32,387,325 56,716,443 241,420,002 ================================ TOTAL ================================ 146,802,480 171,854,700 89,858,337 429,919,502 895,735,794 3,803,237,916 ``` ## Build instructions ### Requirements - Go >= 1.16 ### Instructions ```bash # Build make build # Test make test # Run ./dna-backup commit ``` [build-img]: https://github.com/n-peugnet/dna-backup/actions/workflows/build.yml/badge.svg [build-url]: https://github.com/n-peugnet/dna-backup/actions/workflows/build.yml