1、重復數(shù)據(jù)刪除(De-duplication技術(shù)研究 1、Dedupe概述De-duplication，即重復數(shù)據(jù)刪除，它是一種目前主流且非常熱門的存儲技術(shù)，可對存儲容量進行有效優(yōu)化。它通過刪除數(shù)據(jù)集中重復的數(shù) 據(jù)，只保留其中一份，從而消除冗余數(shù)據(jù)。如下圖所示。這種技術(shù)可以很大程度上減少對物理存儲空間的需求，從而滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求。Dedupe技 術(shù)可以帶許多實際的利益，主要包括以下諸多方面：(1 滿足ROI(投資回報率，Return On Investment/TCO(總持有成本，Total Cost of Ownership需求；(2 可以有效控制數(shù)據(jù)的急劇增長； (3 增

2、加有效存儲空間，提高存儲效率；(4 節(jié)省存儲總成本和管理成本；(5 節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡帶寬；(6 節(jié)省空間、電力供應、冷卻等運維成本。Dedupe技術(shù)目前大量應用于數(shù)據(jù)備份與歸檔系統(tǒng)，因為對數(shù)據(jù)進行多次備份后，存在大量重復數(shù)據(jù)，非常適合這種技術(shù)。事實上，dedupe技術(shù) 可以用于很多場合，包括在線數(shù)據(jù)、近線數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，可以在文件系統(tǒng)、卷管理器、NAS、SAN中實施。Dedupe也可以用于數(shù)據(jù)容災、數(shù)據(jù) 傳輸與同步，作為一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可用于數(shù)據(jù)打包。Dedupe技術(shù)可以幫助眾多應用降低數(shù)據(jù)存儲量，節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，提高存儲效率、減小備份窗口，節(jié)省成 本。Dedupe的衡量維度主要有兩個

3、，即重復數(shù)據(jù)刪除率(deduplocation ratios和性能。Dedupe性能取決于具體實現(xiàn)技術(shù)，而重復數(shù)據(jù)刪除率則由數(shù)據(jù)自身的特征和應用模式所決定，影響因素如下表2所示。目前各存 儲廠商公布的重復數(shù)據(jù)刪除率從20:1到500:1不等。高重復數(shù)據(jù)刪除率低重復數(shù)據(jù)刪除率數(shù)據(jù)由用戶創(chuàng)建數(shù)據(jù)從自然世界獲取數(shù)據(jù)低變化率數(shù)據(jù)高變化率引用數(shù)據(jù)、非活動數(shù)據(jù)活動數(shù)據(jù)低數(shù)據(jù)變化率應用高數(shù)據(jù)變化率應用完全數(shù)據(jù)備份增量數(shù)據(jù)備份數(shù)據(jù)長期保存數(shù)據(jù)短期保存大范圍數(shù)據(jù)應用小范圍數(shù)據(jù)應用持續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務處理普通數(shù)據(jù)業(yè)務處理小數(shù)據(jù)分塊大數(shù)據(jù)分塊變長數(shù)據(jù)分塊定長數(shù)據(jù)分塊數(shù)據(jù)內(nèi)容可感知數(shù)據(jù)內(nèi)容不可知時間數(shù)據(jù)消重空間數(shù)據(jù)消重2、D

4、edupe實現(xiàn)要點研發(fā)或應用Dedupe技術(shù)時應該考慮各種因素，因為這些因素會直接影響其性能和效果。(1 What：對何種數(shù)據(jù)進行消重？對時間數(shù)據(jù)還是空間數(shù)據(jù)進行消重，對全局數(shù)據(jù)還是局部數(shù)據(jù) 進行消重？這是首先需要考慮的因素，這直接決定著Dedupe實現(xiàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)消重率。隨時間變化的數(shù)據(jù)，如周期性的備份、歸檔數(shù)據(jù)，比空間數(shù)據(jù)具有更高的 消重率，Dedupe技術(shù)在備份歸檔領域中被廣泛應用。不難想象，全局范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)重復率比局部范圍數(shù)據(jù)要高，會獲得更高的數(shù)據(jù)消重率。(2 When：何時進行消重？數(shù)據(jù)消重時機分為兩種情形：在線消重和離線消重。采用在線消重模 式，數(shù)據(jù)寫入存儲系統(tǒng)同時執(zhí)行消重，因此實際

5、傳輸或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)量較少，適合通過LAN或WAN進行數(shù)據(jù)處理的存儲系統(tǒng)，如網(wǎng)絡備份歸檔和異地容災系統(tǒng)。由 于它需要實時進行文件切分、數(shù)據(jù)指紋計算、Hash查找，對系統(tǒng)資料消耗大。離線消重模式，先將數(shù)據(jù)寫入存儲系統(tǒng)，然后利用適當?shù)臅r間再進行消重處理。這 種模式與前面一種剛好相反，它對系統(tǒng)資料消耗少，但寫入了包含重復的數(shù)據(jù)，需要更多的額外存儲空間來預先存儲消重前數(shù)據(jù)。這種模式適合直連存儲DAS和存 儲區(qū)域網(wǎng)絡SAN存儲架構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸不占用網(wǎng)絡帶寬。另外，離線消重模式需要保證有足夠的時間窗口來進行數(shù)據(jù)去重操作。總之，在何時進行消重，要根據(jù)實際 存儲應用場景來確定。(3 Where：在何處進行消重？數(shù)據(jù)

6、消重可以在源端(Source或者目標端 (Target進行。源端消重在數(shù)據(jù)源進行，傳輸?shù)氖且呀?jīng)消重后的數(shù)據(jù)，能夠節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，但會占用大量源端系統(tǒng)資源。目標端消重發(fā)生在目標端，數(shù)據(jù)在 傳輸?shù)侥繕硕嗽龠M行消重，它不會占用源端系統(tǒng)資源，但占用大量網(wǎng)絡帶寬。目標端消重的優(yōu)勢在于它對應用程序透明，并具有良好的互操作性，不需要使用專門的 API，現(xiàn)有應用軟件不用作任何修改即可直接應用。(4 How：如何進行消重？重復數(shù)據(jù)刪除技術(shù)包含許多技術(shù)實現(xiàn)細節(jié)，包括文件如何進行切分？數(shù) 據(jù)塊指紋如何計算？如何進行數(shù)據(jù)塊檢索？采用相同數(shù)據(jù)檢測還是采用相似數(shù)據(jù)檢測和差異編碼技術(shù)？數(shù)據(jù)內(nèi)容是否可以感知，是否需要對內(nèi)容進行

7、解析？這些都是 Dedupe具體實現(xiàn)息息相關。本文主要研究相同數(shù)據(jù)檢測技術(shù)，基于二進制文件進行消重處理，具有更廣泛的適用性。3、Dedupe關鍵技術(shù)存儲系統(tǒng)的重復數(shù)據(jù)刪除過程一般是這樣的：首先將數(shù)據(jù)文件分割成一組數(shù)據(jù)塊，為每個數(shù)據(jù)塊計算指紋，然后以指紋為關鍵字進行Hash查找，匹配則 表示該數(shù)據(jù)塊為重復數(shù)據(jù)塊，僅存儲數(shù)據(jù)塊索引號，否則則表示該數(shù)據(jù)塊是一個新的唯一塊，對數(shù)據(jù)塊進行存儲并創(chuàng)建相關元信息。這樣，一個物理文件在存儲系統(tǒng) 就對應一個邏輯表示，由一組FP組成的元數(shù)據(jù)。當進行讀取文件時，先讀取邏輯文件，然后根據(jù)FP序列，從存儲系統(tǒng)中取出相應數(shù)據(jù)塊，還原物理文件副本。從 如上過程中可以看出，D

8、edupe的關鍵技術(shù)主要包括文件數(shù)據(jù)塊切分、數(shù)據(jù)塊指紋計算和數(shù)據(jù)塊檢索。(1 文件數(shù)據(jù)塊切分Dedupe按照消重的粒度可以分為文件級和數(shù)據(jù)塊級。文件級的dedupe技術(shù)也稱為單一實例存儲(SIS, Single Instance Store，數(shù)據(jù)塊級的重復數(shù)據(jù)刪除其消重粒度更小，可以達到4-24KB之間。顯然，數(shù)據(jù)塊級的可以提供更高的數(shù)據(jù)消重率，因此目前主流的 dedupe產(chǎn)品都是數(shù)據(jù)塊級的。數(shù)據(jù)分塊算法主要有三種，即定長切分(fixed-size partition、CDC切分(content-defined chunking和滑動塊(sliding block切分。定長分塊算法采用預先義好

9、的塊大小對文件進行切分，并進行弱校驗值和md5強校驗值。弱校驗值主要是為了提升差異編碼的性能，先計算弱 校驗值并進行hash查找，如果發(fā)現(xiàn)則計算md5強校驗值并作進一步hash查找。由于弱校驗值計算量要比md5小很多，因此可以有效提高編碼性能。定長 分塊算法的優(yōu)點是簡單、性能高，但它對數(shù)據(jù)插入和刪除非常敏感，處理十分低效，不能根據(jù)內(nèi)容變化作調(diào)整和優(yōu)化。Deduputil中FSP分塊算法代碼如 下。  1. /* 2.  * fixed-sized file chunking  3.  */

10、60; 4. static int file_chunk_fsp(int fd, int fd_ldata, int fd_bdata, unsigned int *pos, unsigned int *block_num,   5.     block_id_t *metadata, hashtable *htable, char *l

11、ast_block_buf, unsigned int *last_block_len  6.   7.     int ret = 0;  8.     unsigned int rwsize;  9.     unsigned char md5_checksum16 + 1&

12、#160;= 0;  10.     char *buf = NULL;  11.   12.     buf = (char *malloc(g_block_size;  13.     if (buf = NULL  14.     &

13、#160; 15.         perror("malloc in file_chunk_fsp"  16.         return errno;  17.       18.   19.     while&

14、#160;(rwsize = read(fd, buf, g_block_size  20.           21.                 /* if the last block */  22.

15、                 if (rwsize != g_block_size  23.                         br

16、eak;  24.   25.                 /* calculate md5 */  26.                 md5(buf, rwsize,&

17、#160;md5_checksum;  27.         if (0 != (ret = dedup_regfile_block_process(buf, rwsize, md5_checksum, fd_ldata,   28.             fd_b

18、data, pos, block_num, metadata, htable  29.           30.             perror("dedup_regfile_block_process in file_chunk_fsp"  31.

19、            goto _FILE_CHUNK_FSP_EXIT;  32.           33.       34.     *last_block_len = (rwsize > 0&

20、#160;? rwsize : 0;  35.     if (*last_block_len memcpy(last_block_buf, buf, *last_block_len;  36.   37. _FILE_CHUNK_FSP_EXIT:  38.     if (buf free(buf;  39.  &

21、#160;  return ret;  40.   CDC(content-defined chunking算法是一種變長分塊算法，它應用數(shù)據(jù)指紋(如Rabin指紋將文件分割成長度大小不等的分塊策略。與定長分塊算法不同，它是基于文件 內(nèi)容進行數(shù)據(jù)塊切分的，因此數(shù)據(jù)塊大小是可變化的。算法執(zhí)行過程中，CDC使用一個固定大小(如48字節(jié)的滑動窗口對文件數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)指紋。如果指紋滿 足某個條件，如當它的值模特定的整數(shù)等于預先設定的數(shù)時，則把窗口位置作為塊的邊界。CDC算法可能會出現(xiàn)病態(tài)現(xiàn)象，即指紋條件不能滿足，塊邊界不能確 定，導致

22、數(shù)據(jù)塊過大。實現(xiàn)中可以對數(shù)據(jù)塊的大小進行限定，設定上下限，解決這種問題。CDC算法對文件內(nèi)容變化不敏感，插入或刪除數(shù)據(jù)只會影響到檢少的數(shù) 據(jù)塊，其余數(shù)據(jù)塊不受影響。CDC算法也是有缺陷的，數(shù)據(jù)塊大小的確定比較困難，粒度太細則開銷太大，粒度過粗則dedup效果不佳。如何兩者之間權(quán)衡折 衷，這是一個難點。Deduputil中CDC分塊算法代碼如下。 1. /* 2.  * content-defined chunking: 3.  * 1. BLOCK_MIN_SIZE <= blo

23、ck_size <= BLOCK_MAX_SIZE 4.  * 2. hash(block % d = r 5.  */  6. static int file_chunk_cdc(int fd, int fd_ldata, int fd_bdata, unsigned int *pos, unsigned int *bl

24、ock_num,  7.     block_id_t *metadata, hashtable *htable, char *last_block_buf, unsigned int *last_block_len  8.   9.     char bufBUF_MAX_SIZE = 0;  10.   

25、  char block_bufBLOCK_MAX_SIZE = 0;  11.     char win_bufBLOCK_WIN_SIZE + 1 = 0;  12.     char adler_pre_char;  13.     unsigned char md5_checksu

26、m16 + 1 = 0;  14.     unsigned int bpos = 0;  15.     unsigned int rwsize = 0;  16.     unsigned int exp_rwsize = BUF_MAX_SIZE;

27、60; 17.     unsigned int head, tail;  18.     unsigned int block_sz = 0, old_block_sz = 0;  19.     unsigned int hkey = 0;  20.  &

28、#160;  int ret = 0;  21.   22.     while(rwsize = read(fd, buf + bpos, exp_rwsize  23.       24.         /* last ch

29、unk */  25.         if (rwsize + bpos + block_sz < BLOCK_MIN_SIZE  26.             break;  27.   28.   

30、0;     head = 0;  29.         tail = bpos + rwsize;  30.         /* avoid unnecessary computation and comparsion */

31、  31.         if (block_sz < (BLOCK_MIN_SIZE - BLOCK_WIN_SIZE  32.           33.             old_block

32、_sz = block_sz;  34.             block_sz = (block_sz + tail - head > (BLOCK_MIN_SIZE - BLOCK_WIN_SIZE ?   35.       

33、              BLOCK_MIN_SIZE - BLOCK_WIN_SIZE : block_sz + tail -head;    36.             memcpy(block_buf +&#

34、160;old_block_sz, buf + head, block_sz - old_block_sz;  37.             head += (block_sz - old_block_sz;  38.           

35、;39.   40.         while (head + BLOCK_WIN_SIZE <= tail  41.           42.             memcpy(win_buf,

36、 buf + head, BLOCK_WIN_SIZE;  43.             /* 44.              * Firstly, i think rabinhash is the bes

37、t. However, it's performance is very bad. 45.              * After some testing, i found ELF_hash is better both on performance and 

38、;dedup rate. 46.              * So, EFL_hash is default. Now, adler_hash as default. 47.              */  

39、;48.             if (g_rolling_hash  49.               50.                 

40、hkey = (block_sz = (BLOCK_MIN_SIZE - BLOCK_WIN_SIZE ? adler32_checksum(win_buf, BLOCK_WIN_SIZE :  51.                     adler32_rolling_ch

41、ecksum(hkey, BLOCK_WIN_SIZE, adler_pre_char, bufhead+BLOCK_WIN_SIZE-1;  52.                53.             else   54.  &

42、#160;              hkey = g_cdc_chunk_hashfunc(win_buf;  55.   56.             /* get a normal chunk */  

43、p 57.             if (hkey % g_block_size = CHUNK_CDC_R   58.               p 59.          

44、;       memcpy(block_buf + block_sz, buf + head, BLOCK_WIN_SIZE;   60.                 head += BLOCK_WIN_SIZE;  p 61.  &

45、#160;              block_sz += BLOCK_WIN_SIZE;   62.                 if (block_sz >= BLOCK_MIN_SIZE  6

46、3.                   64.                     md5(block_buf, block_sz, md5_checksum;  65. &

47、#160;                   if (0 != (ret = dedup_regfile_block_process(block_buf, block_sz,   66.            

48、;             md5_checksum, fd_ldata, fd_bdata, pos, block_num, metadata, htable  67.                   &

49、#160;   68.                         perror("dedup_reggile_block_process in file_chunk_cdc"  69.       

50、60;                 goto _FILE_CHUNK_CDC_EXIT;  70.                       71.   

51、                  block_sz = 0;  72.                   73.        

52、;       74.             else   75.               76.            &

53、#160;    block_bufblock_sz+ = bufhead+;  77.                 /* get an abnormal chunk */  78.         

54、60;       if (block_sz >= BLOCK_MAX_SIZE  79.                   80.              &

55、#160;      md5(block_buf, block_sz, md5_checksum;  81.                     if (0 != (ret = dedup_regfile_block_process(block_

56、buf, block_sz,   82.                         md5_checksum, fd_ldata, fd_bdata, pos, block_num, metadata, htable  83.

57、60;                     84.                         perror("dedup_regg

58、ile_block_process in file_chunk_cdc"  85.                         goto _FILE_CHUNK_CDC_EXIT;  86.        

59、               87.                     block_sz = 0;  88.         

60、;          89.               90.   91.             /* avoid unnecessary computation and

61、60;comparsion */  92.             if (block_sz = 0  93.               94.          &#

62、160;      block_sz = (tail - head > (BLOCK_MIN_SIZE - BLOCK_WIN_SIZE ?   95.                     BLOCK_MIN_

63、SIZE - BLOCK_WIN_SIZE : tail - head;  96.                 memcpy(block_buf, buf + head, block_sz;  97.         

64、;        head = (tail - head > (BLOCK_MIN_SIZE - BLOCK_WIN_SIZE ?   98.                     head&

65、#160;+ (BLOCK_MIN_SIZE - BLOCK_WIN_SIZE : tail;  99.               100.   101.             adler_pre_char = bufhead

66、 -1;  102.           103.   104.         /* read expected data from file to full up buf */  105.     

67、0;   bpos = tail - head;  106.         exp_rwsize = BUF_MAX_SIZE - bpos;  107.         adler_pre_char = bufhead -1;  108

68、.         memmove(buf, buf + head, bpos;  109.       110.     /* last chunk */  111.     *last_block_len = (rwsize +

69、0;bpos + block_sz >= 0 ? rwsize + bpos + block_sz : 0;  112.     if (*last_block_len > 0  113.       114.        &

70、#160;memcpy(last_block_buf, block_buf, block_sz;  115.         memcpy(last_block_buf + block_sz, buf, rwsize + bpos;  116.       117.   118. _FILE_CHUNK_CDC_EXI

71、T:  119.     return ret;  120.    滑動塊(sliding block算法結(jié)合了定長切分和CDC切分的優(yōu)點，塊大小固定。它對定長數(shù)據(jù)塊先計算弱校驗值，如果匹配則再計算md5強校驗值，兩者都匹配則認為是一 個數(shù)據(jù)塊邊界。該數(shù)據(jù)塊前面的數(shù)據(jù)碎片也是一個數(shù)據(jù)塊，它是不定長的。如果滑動窗口移過一個塊大小的距離仍無法匹配，則也認定為一個數(shù)據(jù)塊邊界。滑動塊算 法對插入和刪除問題處理非常高效，并且能夠檢測到比CDC更多的冗余數(shù)據(jù)，它的不足是容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)碎片。

72、Deduputil中SB分塊算法代碼如下。 1. /* 2.  * slideing block chunking, performance is a big issue due to too many hash lookup. 3.  */  4. static int file_chunk_sb(int fd, int fd_ldat

73、a, int fd_bdata, unsigned int *pos, unsigned int *block_num,  5.          block_id_t *metadata, hashtable *htable, char *last_block_buf, unsigned int *last_block_len

74、  6.   7.     char bufBUF_MAX_SIZE = 0;  8.     char win_bufBLOCK_MAX_SIZE + 1 = 0;  9.     char block_bufBLOCK_MAX_SIZE = 0;  10. 

75、0;   char adler_pre_char;  11.     unsigned char md5_checksum16 + 1 = 0;  12.     unsigned char md5_checksum116 + 1 = 0;  13.     

76、unsigned char crc_checksum16 = 0;  14.     unsigned int bpos = 0;  15.     unsigned int slide_sz = 0;  16.     unsigned int rwsize =

77、60;0;  17.     unsigned int exp_rwsize = BUF_MAX_SIZE;  18.     unsigned int head, tail;  19.     unsigned int hkey = 0;  20.    &

78、#160;unsigned int bflag = 0;  21.     int ret = 0;  22.   23.     while(rwsize = read(fd, buf + bpos, exp_rwsize  24.       2

79、5.         /* last chunk */  26.         if (rwsize + bpos + slide_sz < g_block_size  27.          

80、60;  break;  28.   29.         head = 0;  30.         tail = bpos + rwsize;  31.         while 

81、(head + g_block_size <= tail  32.           33.             memcpy(win_buf, buf + head, g_block_size;  34.    &#

82、160;        hkey = (slide_sz = 0 ? adler32_checksum(win_buf, g_block_size :   35.                 adler32_rolling_checksum(hk

83、ey, g_block_size, adler_pre_char, bufhead+g_block_size-1;  36.             uint_2_str(hkey, crc_checksum;  37.             bflag = 

84、;0;  38.   39.             /* this block maybe is duplicate */  40.             if (hash_exist(g_sb_htable_crc,

85、0;crc_checksum  41.                  42.                 bflag = 2;  43.      &#

86、160;          md5(win_buf, g_block_size, md5_checksum;  44.                 if (hash_exist(htable, md5_checksum  45.   &

87、#160;               46.                     /* insert fragment */  47.      

88、;               if (slide_sz != 0  48.                       49.     &

89、#160;                   md5(block_buf, slide_sz, md5_checksum1;  50.                    &#

90、160;    if (0 != (ret = dedup_regfile_block_process(block_buf, slide_sz, md5_checksum1,   51.                       

91、0;     fd_ldata, fd_bdata, pos, block_num, metadata, htable  52.                           53.   

92、60;                         perror("dedup_regfile_block_process in file_chunk_sb"  54.          

93、0;                  goto _FILE_CHUNK_SB_EXIT;  55.                         

94、  56.                       57.                     /* insert fixed-si

95、ze block */  58.                     if (0 != (ret = dedup_regfile_block_process(win_buf, g_block_size, md5_checksum,   59.  

96、                       fd_ldata, fd_bdata, pos, block_num, metadata, htable  60.            

97、60;          61.                         perror("dedup_regfile_block_process in file_chunk_sb"  62.

98、                        goto _FILE_CHUNK_SB_EXIT;  63.                   &#

99、160;   64.   65.                     head += g_block_size;  66.                &

100、#160;    slide_sz = 0;  67.                     bflag = 1;  68.             

101、0;     69.               70.   71.             /* this block is not duplicate */  72.  

102、60;          if (bflag != 1  73.               74.                 block_bu

103、fslide_sz = bufhead;  75.                 head+;  76.                 slide_sz+;  77.   &#

104、160;             if (slide_sz = g_block_size  78.                   79.         

105、            if (bflag != 2 md5(block_buf, g_block_size, md5_checksum;  80.                     if

106、60;(0 != (ret = dedup_regfile_block_process(block_buf, g_block_size, md5_checksum,   81.                         fd_ldata, fd_bdat

107、a, pos, block_num, metadata, htable  82.                       83.                

108、60;        perror("dedup_regfile_block_process in file_chunk_sb"  84.                         goto _FILE_

109、CHUNK_SB_EXIT;  85.                       86.                     hash_checkin(g

110、_sb_htable_crc, crc_checksum;  87.                     slide_sz = 0;  88.                   89.               90.