# 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, trois autres systèmes de stockage versionnés ont été choisis comme base de comparaison : - **git diffs** - **git objects** - **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. #### 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. Cet 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 taille réelle
Déduplication Niveau chunk Niveau fichier (lors du renommage) Niveau fichier Aucune
Encodage delta Niveau chunk D'une version à l'autre Aucun Aucun
Compression Niveau chunk (pour le moment indépendamment) Niveau version Niveau fichier Aucune
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
### 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` : des diffs git minimales gzippées. - `nopack` : le dossier `objects` de Git, contenant l'ensemble des données des fichiers et dossiers d'un dépôt. - `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 real 66,403,731 60,453,345 47,304,239 63,594,887 202,628,603 21,779,553 24,378,156 9,902,241 43,580,981 214,273,512 339,032 230,797 9,905,079 35,489 202,628,471 650,649 778,139 252,846 4,717,317 202,453,713 174,127 91,398 253,535 3,432 202,628,093 561 485 552 45,292 202,628,344 2,987,849 2,736,896 9,911,248 72,885 214,276,336 4,768 4,696 1,175 26,967 214,278,164 347,636 247,112 9,912,728 76,073 202,636,078 7,641 10,974 3,307 56,203 202,639,214 2,914,343 2,716,445 9,911,148 41,606 214,283,553 347,449 257,531 9,910,361 139,913 202,641,133 2,923,844 2,746,697 9,912,341 69,243 214,285,297 1,330 7,476 214 9,792 214,285,426 404,258 242,004 9,914,620 13,702 202,641,398 415,937 359,261 266,905 130,934 202,455,083 207,470 291,050 142,110 1,976,823 202,272,761 ================================ TOTAL ================================ 99,910,178 95,552,462 127,504,649 114,591,539 3,513,935,179 ``` Commits hebdomadaires : ``` =============================== SUMMARY =============================== dna_4k dna_8k diffs nopack real 70,192,809 63,852,374 49,917,523 67,132,003 214,292,720 31,567 28,668 8,822 90,423 214,301,810 27,389 31,485 10,920 99,194 214,299,953 18,135,507 20,861,135 9,918,650 40,011,293 202,624,903 907,939 1,209,389 285,459 4,920,733 202,470,023 113,871 152,351 293,731 137,519 202,618,267 294,810 367,701 272,263 2,304,224 203,092,308 2,112,921 2,540,859 1,148,513 9,636,016 201,476,675 252,068 288,241 609,369 857,331 202,282,568 782,812 981,296 697,995 2,758,951 201,420,809 136,493 161,325 398,494 727,346 202,065,360 62,677 80,290 134,441 458,130 202,251,722 162,061 196,716 365,229 230,404 202,465,009 7,665 9,678 10,625 77,034 202,457,471 71,731 80,298 152,999 187,241 202,615,704 307,109 222,474 241,092 12,081 203,083,912 305,795 228,540 35,494 740,246 203,113,279 ================================ TOTAL ================================ 93,905,224 91,292,820 64,501,619 130,380,169 3,476,932,493 ``` Commits mensuels : ``` =============================== SUMMARY =============================== dna_4k dna_8k diffs nopack real 66,344,139 60,414,327 47,255,410 63,531,013 202,455,244 268,382 293,432 71,579 2,114,221 202,438,437 288,294 288,397 137,081 2,625,834 202,477,165 2,617,048 2,989,196 1,106,365 11,273,622 203,355,330 4,219,402 5,065,795 1,485,211 14,062,635 206,087,365 6,925,148 8,177,404 3,102,478 20,489,609 209,450,906 1,931,351 2,314,294 771,998 6,811,409 209,646,120 9,775,191 11,577,926 3,335,990 26,532,154 213,287,798 7,783,071 9,101,660 2,505,353 20,687,252 216,420,188 9,445,609 10,977,253 3,479,709 25,758,937 217,852,953 701,911 905,423 164,682 4,517,360 217,851,223 14,385,992 16,467,969 4,380,280 32,949,448 222,875,080 3,389,340 4,347,527 817,894 14,054,849 223,352,903 13,307,722 15,446,179 4,060,874 32,889,854 225,760,003 3,219,293 3,895,349 1,301,487 10,953,334 225,577,911 1,876,709 2,451,988 390,110 9,171,030 225,848,365 12,995,018 15,561,939 4,204,779 32,837,755 227,575,213 ================================ TOTAL ================================ 159,473,620 170,276,058 78,571,280 331,260,316 3,652,312,204 ``` ## 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