重复数据删除(De-duplication)技术研究

1、Dedupe概述

 De-duplication,即重复数据删除,它是一种目前主流且非常热门的存储技术,可对存储容量进行有效优化。它通过删除数据集中重复的数据,只保留其中一份,从而消除冗余数据。如下图所示。这种技术可以很大程度上减少对物理存储空间的需求,从而满足日益增长的数据存储需求。Dedupe技术可以带许多实际的利益,主要包括以下诸多方面:
 (1) 满足ROI(投资回报率,Return On Investment)/TCO(总持有成本,Total Cost of Ownership)需求;
 (2) 可以有效控制数据的急剧增长;
 (3) 增加有效存储空间,提高存储效率;
 (4) 节省存储总成本和管理成本;
 (5) 节省数据传输的网络带宽;
 (6) 节省空间、电力供应、冷却等运维成本。

Dedupe原理

 Dedupe技术目前大量应用于数据备份与归档系统,因为对数据进行多次备份后,存在大量重复数据,非常适合这种技术。事实上,dedupe技术可以用于很多场合,包括在线数据、近线数据、离线数据存储系统,可以在文件系统、卷管理器、NAS、SAN中实施。Dedupe也可以用于数据容灾、数据传输与同步,作为一种数据压缩技术可用于数据打包。Dedupe技术可以帮助众多应用降低数据存储量,节省网络带宽,提高存储效率、减小备份窗口,节省成本。

 Dedupe的衡量维度主要有两个,即重复数据删除率(deduplocation ratios)和性能。Dedupe性能取决于具体实现技术,而重复数据删除率则由数据自身的特征和应用模式所决定,影响因素如下表[2]所示。目前各存储厂商公布的重复数据删除率从20:1到500:1不等。

高重复数据删除率

低重复数据删除率

数据由用户创建

数据从自然世界获取

数据低变化率

数据高变化率

引用数据、非活动数据

活动数据

低数据变化率应用

高数据变化率应用

完全数据备份

增量数据备份

数据长期保存

数据短期保存

大范围数据应用

小范围数据应用

持续数据业务处理

普通数据业务处理

小数据分块

大数据分块

变长数据分块

定长数据分块

数据内容可感知

数据内容不可知

时间数据消重

空间数据消重

2、Dedupe实现要点

 研发或应用Dedupe技术时应该考虑各种因素,因为这些因素会直接影响其性能和效果。

 (1) What:对何种数据进行消重?
 对时间数据还是空间数据进行消重,对全局数据还是局部数据进行消重?这是首先需要考虑的因素,这直接决定着Dedupe实现技术和数据消重率。随时间变化的数据,如周期性的备份、归档数据,比空间数据具有更高的消重率,Dedupe技术在备份归档领域中被广泛应用。不难想象,全局范围内的数据重复率比局部范围数据要高,会获得更高的数据消重率。

 (2) When:何时进行消重?
 数据消重时机分为两种情形:在线消重和离线消重。采用在线消重模式,数据写入存储系统同时执行消重,因此实际传输或写入的数据量较少,适合通过LAN或WAN进行数据处理的存储系统,如网络备份归档和异地容灾系统。由于它需要实时进行文件切分、数据指纹计算、Hash查找,对系统资料消耗大。离线消重模式,先将数据写入存储系统,然后利用适当的时间再进行消重处理。这种模式与前面一种刚好相反,它对系统资料消耗少,但写入了包含重复的数据,需要更多的额外存储空间来预先存储消重前数据。这种模式适合直连存储DAS和存储区域网络SAN存储架构,数据传输不占用网络带宽。另外,离线消重模式需要保证有足够的时间窗口来进行数据去重操作。总之,在何时进行消重,要根据实际存储应用场景来确定。

 (3) Where:在何处进行消重?
 数据消重可以在源端(Source)或者目标端(Target)进行。源端消重在数据源进行,传输的是已经消重后的数据,能够节省网络带宽,但会占用大量源端系统资源。目标端消重发生在目标端,数据在传输到目标端再进行消重,它不会占用源端系统资源,但占用大量网络带宽。目标端消重的优势在于它对应用程序透明,并具有良好的互操作性,不需要使用专门的API,现有应用软件不用作任何修改即可直接应用。

 (4) How:如何进行消重?
 重复数据删除技术包含许多技术实现细节,包括文件如何进行切分?数据块指纹如何计算?如何进行数据块检索?采用相同数据检测还是采用相似数据检测和差异编码技术?数据内容是否可以感知,是否需要对内容进行解析?这些都是Dedupe具体实现息息相关。本文主要研究相同数据检测技术,基于二进制文件进行消重处理,具有更广泛的适用性。

3、Dedupe关键技术

 存储系统的重复数据删除过程一般是这样的:首先将数据文件分割成一组数据块,为每个数据块计算指纹,然后以指纹为关键字进行Hash查找,匹配则表示该数据块为重复数据块,仅存储数据块索引号,否则则表示该数据块是一个新的唯一块,对数据块进行存储并创建相关元信息。这样,一个物理文件在存储系统就对应一个逻辑表示,由一组FP组成的元数据。当进行读取文件时,先读取逻辑文件,然后根据FP序列,从存储系统中取出相应数据块,还原物理文件副本。从如上过程中可以看出,Dedupe的关键技术主要包括文件数据块切分、数据块指纹计算和数据块检索。

 (1) 文件数据块切分

 Dedupe按照消重的粒度可以分为文件级和数据块级。文件级的dedupe技术也称为单一实例存储(SIS, Single Instance Store),数据块级的重复数据删除其消重粒度更小,可以达到4-24KB之间。显然,数据块级的可以提供更高的数据消重率,因此目前主流的dedupe产品都是数据块级的。数据分块算法主要有三种,即定长切分(fixed-size partition)、CDC切分(content-defined chunking)和滑动块(sliding block)切分。定长分块算法采用预先义好的块大小对文件进行切分,并进行弱校验值和md5强校验值。弱校验值主要是为了提升差异编码的性能,先计算弱校验值并进行hash查找,如果发现则计算md5强校验值并作进一步hash查找。由于弱校验值计算量要比md5小很多,因此可以有效提高编码性能。定长分块算法的优点是简单、性能高,但它对数据插入和删除非常敏感,处理十分低效,不能根据内容变化作调整和优化。Deduputil中FSP分块算法代码如下。

 CDC(content-defined chunking)算法是一种变长分块算法,它应用数据指纹(如Rabin指纹)将文件分割成长度大小不等的分块策略。与定长分块算法不同,它是基于文件内容进行数据块切分的,因此数据块大小是可变化的。算法执行过程中,CDC使用一个固定大小(如48字节)的滑动窗口对文件数据计算数据指纹。如果指纹满足某个条件,如当它的值模特定的整数等于预先设定的数时,则把窗口位置作为块的边界。CDC算法可能会出现病态现象,即指纹条件不能满足,块边界不能确定,导致数据块过大。实现中可以对数据块的大小进行限定,设定上下限,解决这种问题。CDC算法对文件内容变化不敏感,插入或删除数据只会影响到检少的数据块,其余数据块不受影响。CDC算法也是有缺陷的,数据块大小的确定比较困难,粒度太细则开销太大,粒度过粗则dedup效果不佳。如何两者之间权衡折衷,这是一个难点。Deduputil中CDC分块算法代码如下。

 滑动块(sliding block)算法结合了定长切分和CDC切分的优点,块大小固定。它对定长数据块先计算弱校验值,如果匹配则再计算md5强校验值,两者都匹配则认为是一个数据块边界。该数据块前面的数据碎片也是一个数据块,它是不定长的。如果滑动窗口移过一个块大小的距离仍无法匹配,则也认定为一个数据块边界。滑动块算法对插入和删除问题处理非常高效,并且能够检测到比CDC更多的冗余数据,它的不足是容易产生数据碎片。Deduputil中SB分块算法代码如下。

 (2) 数据块指纹计算

 数据指纹是数据块的本质特征,理想状态是每个唯一数据块具有唯一的数据指纹,不同的数据块具有不同的数据指纹。数据块本身往往较大,因此数据指纹的目标是期望以较小的数据表示(如16、32、64、128字节)来区别不同数据块。数据指纹通常是对数据块内容进行相关数学运算获得,从当前研究成果来看Hash函数比较接近与理想目标,比如MD5、SHA1、SHA-256、SHA-512、为one-Way、RabinHash等。另外,还有许多字符串Hash函数也可以用来计算数据块指纹。然而,遗憾的是这些指纹函数都存在碰撞问题,即不同数据块可能会产生相同的数据指纹。相对来说,MD5和SHA系列HASH函数具有非常低的碰撞发生概率,因此通常被采用作为指纹计算方法。其中,MD5和SHA1是128位的,SHA-X(X表示位数)具有更低的碰撞发生概率,但同时计算量也会大大增加。实际应用中,需要在性能和数据安全性方面作权衡。另外,还可以同时使用多种Hash算法来为数据块计算指纹。

 (3) 数据块检索

 对于大存储容量的Dedupe系统来说,数据块数量非常庞大,尤其是数据块粒度细的情况下。因此,在这样一个大的数据指纹库中检索,性能就会成为瓶颈。信息检索方法有很多种,如动态数组、数据库、RB/B/B+/B*树、Hashtable等。Hash查找因为其O(1)的查找性能而著称,被对查找性能要求高的应用所广泛采用,Dedupe技术中也采用它。Hashtable处于内存中,会消耗大量内存资源,在设计Dedupe前需要对内存需求作合理规划。根据数据块指纹长度、数据块数量(可以由存储容量和平均数据块大小估算)可以估算出内存需求量。

 散列表(Hashtable,也叫哈希表),是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。也就是说,它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录,以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数,存放记录的数组叫做散列表。散列表的查找过程基本上和造表过程相同,一些关键码可通过散列函数转换的地址直接找到,另一些关键码在散列函数得到的地址上产生了冲突,需要按处理冲突的方法进行查找。详细请参考散列表设计

4、Dedupe数据安全

 这里的数据安全包含两个层面的含义:一是数据块碰撞,二是数据可用性。这两种安全性对用户来说都是至关重要的,必须事先考虑。

 数据块指纹FP(FingerPrinter)通常使用Hash函数来计算获得,如MD5、SHA1、SHA-256、SHA-512等。从纯数学角度看,如果两个数据块指纹不同,则这两个数据块肯定不同。然而,如果两个数据块指纹相同,我们则不能断定这两个数据块是相同的。因为Hash函数会产生碰撞,山东大学的王小云教授所带领的团队已经找到快速产生碰撞的方法。但是,这种碰撞的概率是非常非常小的,小到甚至低于磁盘发生损坏的概率,因此通常近似认为:如果数据块指纹相同,则数据块相同。由于数据产生碰撞可能性的存在,Dedupe技术很少被用于关键数据存储的应用场合,一旦发生碰撞将产生巨大的经济损失。针对这种问题,目前主要有两种解决路径:一是对数据指纹相同的块进行字节级完全比较,它的难点在于数据块原始数据有时难以方便获得,另外性能会产生一定损失。本人开发的开源软件deduputil采用就是这种策略,详见deduputil数据块零碰撞算法。二是最大可能降低碰撞产生的概率,即采用更优的Hash函数(如SHA-512, SHA-1024),或者采用两种以上hash算法组合方式,这显然会对性能造成影响。本人在"数据同步算法研究"中采用的是该种方法,为每个数据块计算两个指纹,一个类似Rsync算法中的弱校验值(Rsync滚动校验算法)和一个强校验值MD5。弱校验值计算消耗远小于MD5计算量,先计算目标数据块的弱校验值,如果与源数据块不同则不必再计算其MD5校验值,相同则计算MD5并作比较。这种方式以较小的性能代价极大地降低了碰撞产生的概率,而且通过优化,性能损失无几。

 Dedupe仅保存唯一的数据副本,如果该副本发生损坏将造成所有相关数据文件不可访问,数据可用性压力要高于不作Dedupe许多。数据可用性问题可以采用传统数据保护方法来解决,常用的方式包括数据冗余(RAID1,RAID5, RAID6)、本地备份与复制、远程备份与复制、纠错数据编码技术(如海明码、信息分散算法IDA)、分布式存储技术。这些技术均可以有效消除单点故障,从而提高数据可用性。当然,这需要付出一定代价,以空间换取安全性。

5、开源软件Deduputil

 Dedup util是本人开发的一款开源的轻量级文件打包工具,它基于块级的重复数据删除技术,可以有效缩减数据存储容量,节省用户存储空间。它的主要特征如下:
 (1) 支持FSP定长分块、CDC变长分块和SB滑动块分块三种文件切分技术;
 (2) 零数据块碰撞,但损失部分性能;
 (3) 全局、源端、在线数据消重实现;
 (4) 支持数据包文件追加、删除、数据消重率统计功能;
 (5) 支持消重后数据压缩。

 Deduputil项目相关信息如下:
 (1) Soureforge项目信息:http://sourceforge.net/projects/deduputil
 (2) 介绍与使用方法:http://blog.csdn.net/liuben/archive/2010/06/02/5641891.aspx

6、扩展阅读

[1] SNIA DDSR SIG. http://www.snia.org/forums/dmf/programs/data_protect_init/ddsrsig
[2] The business value of data deduplication. http://www.snia.org/forums/dpco/knowledge/pres_tutorials/Dedupe_Business_Value_V5.pdf
[3] Evaluation criteria for data de-dupe. http://www.snia.org/forums/dmf/news/articles/DMF_DeDupe.PDF
[4] 敖莉,舒继武,李明强. 重复数据删除技术. 软件学报, 2010,5(21):pp916-929.
[5] 程菊生. 重复数据删除技术的研究. 华赛科技, 2008,4:p8-11.

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