Was ist Delta-Codierung?

Von Interaktionen in sozialen Medien bis hin zu wissenschaftlichen Simulationen unterstützen Daten fast alle Facetten unseres Lebens. Mit der wachsenden Verbreitung digitaler Daten sind die effiziente Verwaltung, Speicherung und Übertragung von Informationen zu wichtigen Prioritäten für Unternehmen und Einzelpersonen geworden. Eine Schlüsseltechnik, die diese Herausforderungen angeht, ist die Delta-Codierung.

Delta-Codierung ist ein methodischer Ansatz für das Datenmanagement, der sich auf die Änderungen oder Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Datenteilen und nicht auf die Gesamtheit der Daten selbst konzentriert. Dieser Ansatz ermöglicht eine effizientere Nutzung von Storage-Ressourcen und eine schnellere Datenübertragung über Netzwerke.

In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit dem Konzept der Delta-Codierung, seiner Funktionsweise, seinen Anwendungen und den Vorteilen und Einschränkungen, die sich daraus ergeben.

Was ist Delta-Codierung?

Delta-Codierung, auch als Delta-Komprimierung oder Datendifferenzierung bezeichnet, ist eine Technik zum Speichern oder Übertragen von Daten. Anstatt den gesamten Datensatz direkt zu speichern, berechnet und speichert er die Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Datenpunkten. Der Name selbst spiegelt dieses Prinzip wider, da der griechische Buchstabe Delta (Δ) für Veränderung steht. Der Hauptzweck dieser Technik besteht darin, den Storage-Platz zu optimieren und die Bandbreitennutzung zu reduzieren, indem nur die Unterschiede (oder Deltas) zwischen sequenziellen Datenpunkten erfasst und dargestellt werden.

Um dieses Konzept zu veranschaulichen, betrachten wir eine einfache Reihenfolge von Zahlen: [10, 15, 20, 25]. Angenommen, ein System speichert die Sequenz; anstatt jeden Datenpunkt so zu speichern, wie er ist, würde die Delta-Codierung die Änderungen zwischen jeder Zahl und seinem Vorgänger erfassen und darstellen:

• Der Unterschied zwischen 15 und 10 beträgt +5.

• Der Unterschied zwischen 20 und 15 beträgt +5.

• Der Unterschied zwischen 25 und 20 beträgt +5.

Daher würden wir mit Delta-Codierung [10, +5, +5, +5] speichern oder übertragen. Diese Darstellung kommuniziert effizient die inkrementellen Änderungen innerhalb der Sequenz, anstatt die gesamte Zahlensequenz redundant zu übertragen.

Wie funktioniert Delta Encoding?

Delta-Codierung folgt einem einfachen, dreistufigen Prozess zur Erfassung und Darstellung der Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Datenpunkten:

1. Aufeinanderfolgende Datenpunkte identifizieren
   
   Der erste Schritt bei der Delta-Codierung besteht darin, die Reihenfolge der Datenpunkte zu identifizieren, die codiert werden müssen. Diese Datenpunkte können alles von numerischen Werten in einem Datensatz bis hin zu Pixeln in einem Bild oder Frames in einem Video darstellen.

2. Delta-Werte berechnen Sobald die Datenpunkte identifiziert sind, berechnet die Delta-Codierung die Differenz (Delta) zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Datenpunkten. Die mathematische Berechnung für den Delta-Wert lautet:
   
   Delta-Wert = aktueller Datenpunkt – früherer Datenpunkt
   
   Wenn der aktuelle Datenpunkt beispielsweise 25 und der vorherige Datenpunkt 20 ist, wäre der Deltawert +5. Das heißt, 25–20 = 5.

3. Delta-Werte speichern oder übertragen

Nach der Berechnung der Deltawerte für die gesamte Sequenz von Datenpunkten werden die resultierenden Deltawerte anstelle der ursprünglichen Datenpunkte gespeichert oder übertragen. Dies liegt daran, dass der Empfänger bereits den vorherigen Datenpunkt (20) basierend auf dem Übertragungsauftrag hat. Durch Hinzufügen des Delta-Werts (5) zum vorherigen Datenpunkt kann der Empfänger den ursprünglichen Datenpunkt (25 + 20 = 25) leicht rekonstruieren. Dieser Ansatz reduziert die Datenmenge, die gespeichert oder übertragen werden muss, erheblich, insbesondere in Szenarien, in denen die Änderungen zwischen Datenpunkten relativ klein oder inkrementell sind.

Anwendungen der Delta-Codierung

Delta Codierung kann die Datengröße reduzieren und die Übertragungseffizienz verbessern. Dies macht es zu einer wertvollen Technik für die Datenspeicherung und -übertragung in verschiedenen Branchen. Hier sind einige wichtige Anwendungen:

• Video-Streaming: Videosequenzen sind perfekte Kandidaten für Delta-Codierung. Wenn mehrere Frames eines Videos kurz sind und sich wenig im Hintergrund ändert, berücksichtigt Delta-Codierung nur die neuen sich ändernden Pixel im Video, die übertragen und dann zu einem vorherigen Frame hinzugefügt werden, um den vollen Frame zu erstellen. Dieser gezielte Ansatz reduziert die für das Streaming erforderliche Bandbreite erheblich und ermöglicht eine reibungslosere Wiedergabe und eine effiziente Nutzung von Netzwerkressourcen.
• Versionskontrollsysteme: Die Softwareentwicklung hängt stark von Versionskontrollsystemen wie Git ab. Diese Systeme verfolgen Änderungen, die im Laufe der Zeit an Dateien vorgenommen wurden. Delta-Codierung spielt hier eine entscheidende Rolle. Anstatt ganze neue Versionen einer Datei mit geringfügigen Änderungen zu speichern, werden nur die Unterschiede zwischen diesen Versionen gespeichert. Dies minimiert den Storage-Bedarf und ermöglicht es Entwicklern, die Entwicklung ihres Codes effizient zu verfolgen.
• Netzwerkprotokolle: Echtzeit-Kommunikationsprotokolle wie RTP (Real-time Transport Protocol) verwenden oft Delta-Codierung für die Audio- und Videoübertragung. Durch die Fokussierung auf die Änderungen zwischen Audio-Proben oder Video-Frames optimiert Delta-Codierung die Datenübertragung und sorgt für eine reibungslose und ununterbrochene Kommunikation während Anrufen oder Videokonferenzen.
• Datenbackup: Datenbackups sind für den Schutz wertvoller Informationen unerlässlich. Delta-Verschlüsselung kann verwendet werden, um nur die Änderungen zu speichern, die seit dem letzten Backup vorgenommen wurden. Dadurch wird die Datenmenge, die gesichert werden muss, erheblich reduziert, wodurch Speicherplatz eingespart und die Backup-Zeiten minimiert werden.
• Software-Updates: Die Verteilung von Software-Updates ist ein weiterer Bereich, in dem Delta-Codierung zum Vorschein kommt. Anstatt die gesamte neue Softwareversion herunterzuladen, können Benutzer nur die Unterschiede zwischen der vorhandenen Version und dem Update erhalten. Dies führt zu schnelleren Downloads und einem geringeren Bandbreitenverbrauch, was das gesamte Update-Erlebnis verbessert.

Vorteile von Delta Encoding

Delta Codierung bietet mehrere überzeugende Vorteile in Bezug auf Daten-Storage und Übertragungseffizienz, was es zu einer wertvollen Technik für verschiedene Anwendungen macht. Sehen wir uns die wichtigsten Vorteile der Verwendung von Delta-Codierung an:

• Reduzierung der Redundanz: Einer der Hauptvorteile von Delta-Codierung ist seine Fähigkeit, Redundanz bei Daten-Storage und -Übertragung zu reduzieren. Durch die Fokussierung auf die Erfassung und Darstellung nur der Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Datenpunkten entfällt durch Delta-Codierung die Notwendigkeit, unveränderte Daten wiederholt zu speichern oder zu übertragen. Dies minimiert den Storage-Bedarf und schont die Netzwerkbandbreite, insbesondere in Szenarien, in denen sich Daten im Laufe der Zeit schrittweise ändern.
• Optimierung der Datenübertragung: Delta Codierung optimiert die Datenübertragung, indem es nur die wesentlichen Änderungen zwischen Datenpunkten oder Versionen überträgt. Bei Anwendungen wie Versionskontrollsystemen und Dateisynchronisierung erleichtert Delta-Codierung die effiziente Übertragung von Dateiänderungen, ohne ganze Dateien zu übertragen. Dieser Ansatz reduziert die Menge der über Netzwerke übertragenen Daten erheblich, was zu höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und einer verbesserten Gesamt-Netzwerk-Performance führt.
• Effizienz des Storage-Platzes: Delta-Codierung ermöglicht eine effiziente Storage-Platznutzung, indem nur die Unterschiede (oder Deltas) zwischen Datenpunkten gespeichert werden. Anstatt mehrere Kopien ähnlicher Daten aufzubewahren, konzentriert sich Delta-Codierung auf die Erfassung inkrementeller Änderungen, was zu einem geringeren Storage-Overhead und einer wirtschaftlicheren Nutzung von Storage-Ressourcen führt. Diese Effizienz ist besonders in Umgebungen mit begrenzter Storage-Kapazität oder hohem Datenvolumen von Vorteil.
• Datenkomprimierung und Backup-Effizienz: Delta-Codierung trägt zu effektiven Datenkomprimierungs - und Backup-Strategien bei, indem inkrementelle Backups und Updates ermöglicht werden. In Daten-Backup-Szenarien ermöglicht Delta-Codierung eine effiziente Speicherung von Backup-Daten, indem nur die Änderungen erfasst werden, die seit dem letzten Backup vorgenommen wurden, wodurch die Backup-Zeit und die Storage-Anforderungen reduziert werden.
• Verbesserte Versionskontrolle: Bei Versionskontrollsystemen unterstützt Delta-Codierung ein effizientes Versionsmanagement, indem es eine selektive Speicherung und den Abruf von Dateiänderungen ermöglicht. Anstatt vollständige Kopien von Dateien für jede Version zu speichern, speichert und überträgt Delta-Codierung nur die Änderungen, sodass Benutzer den Versionsverlauf effektiv verfolgen und verwalten können. Dieser optimierte Ansatz zur Versionskontrolle vereinfacht die Zusammenarbeit und beschleunigt Softwareentwicklungsprozesse.
• Optimierte Datensynchronisierung: Delta-Codierung ermöglicht eine reibungslose und effiziente Datensynchronisierung, indem nur die Unterschiede zwischen Datensätzen oder Versionen übertragen werden. Dies ist besonders in verteilten Computing-Umgebungen wertvoll, in denen die Datensynchronisierung über mehrere Geräte oder Systeme hinweg unerlässlich ist. Delta Codierung optimiert Datensynchronisierungsprozesse und stellt Konsistenz und Kohärenz über verteilte Datenquellen hinweg sicher.

Herausforderungen und Einschränkungen

Während Delta-Codierung zahlreiche Vorteile bietet, ist es wichtig, seine Einschränkungen zu erkennen. Hier sind einige der wichtigsten Herausforderungen  bei der Anwendung dieser Technik:

• Hoher Verarbeitungs-Overhead: Delta-Codierung erfordert eine zusätzliche Verarbeitung, um Delta-Werte zwischen aufeinanderfolgenden Datenpunkten zu berechnen und anzuwenden. In Szenarien, in denen häufige Updates oder Änderungen auftreten, kann der Rechenaufwand der Delta-Codierung erheblich werden, was sich auf die Systemleistung und die Reaktionsfähigkeit auswirkt. Komplexe Datenstrukturen oder große Datensätze können diese Verarbeitungsbelastung noch verstärken.
• Baseline-Abhängigkeit: Die Effektivität der Delta-Codierung hängt stark vom anfänglichen Baseline-Wert ab. Wenn die Daten zu Beginn erhebliche Veränderungen aufweisen, können die Deltawerte groß werden. Dadurch wird der Komprimierungsvorteil verneint, da große Delta-Werte genauso viele Bits zum Speichern benötigen wie die ursprünglichen Datenpunkte. Stellen Sie sich einen Temperaturmesswert vor, der plötzlich von 10 °C auf 50 °C springt. Der Delta-Wert (40 °C) wäre recht groß, was in diesem Szenario eine minimale Komprimierung ermöglicht.
• Ungeeignet für zufällige Daten: Delta-Codierung profitiert von vorhersehbaren Änderungen zwischen aufeinanderfolgenden Datenpunkten. Bei zufälligen Daten ohne klares Muster oder Korrelation können die Deltawerte in der Größe den ursprünglichen Datenpunkten ähnlich sein. Dieses Szenario bietet einen minimalen Kompressionsvorteil. Stellen Sie sich eine Folge von Zufallszahlen ohne erkennbares Muster vor. Das Delta zwischen jeder Zahl kann genauso zufällig sein, was die Deltacodierung unwirksam macht.
• Dekodierungsanforderungen: Während die Codierung unkompliziert ist, muss das empfangende Ende den ursprünglichen Basiswert besitzen, um die deltacodierten Daten zu decodieren. Dies kann in bestimmten Szenarien eine Herausforderung darstellen. Wenn beispielsweise ein deltakodierter Videostream übertragen wird, ohne den ersten Frame (die Baseline) einzubeziehen, wäre der Empfänger nicht in der Lage, die nachfolgenden Frames genau zu rekonstruieren.
• Begrenzte Komprimierung für ähnliche Daten: Delta-Codierung bietet möglicherweise keine signifikante Komprimierung bei Datensätzen, bei denen aufeinanderfolgende Werte sehr ähnlich sind. Stellen Sie sich eine lange Sequenz identischer Zahlen vor. Die Delta-Werte zwischen ihnen wären alle null, was Storage-Platz wie die ursprünglichen Daten erfordert.
• Komplexität bei der Fehlerbehandlung und -wiederherstellung: Delta-Codierung bringt Komplexität bei der Fehlerbehandlung und -wiederherstellung mit sich, insbesondere in Umgebungen, in denen Datenintegrität und -konsistenz entscheidend sind. In Fällen von Datenbeschädigung oder Übertragungsfehlern kann die Wiederherstellung der ursprünglichen Daten aus Delta-codierten Darstellungen ausgeklügelte Fehlererkennungs- und Korrekturmechanismen erfordern, was die Datenwiederherstellungsprozesse komplexer macht.

Fazit

Delta-Codierung spielt eine wichtige Rolle bei modernem Datenmanagement und -übertragung. Indem es sich auf Änderungen statt auf vollständige Datensätze konzentriert, optimiert es die Storage-Effizienz und beschleunigt die Datenübertragungsgeschwindigkeit. Durch den Einsatz von Delta-Codierung zusammen mit anderen Datenreduktionstechniken, die von Lösungen wie Pure Storage ® FlashArray™ und FlashBlade® angeboten werden, können Unternehmen die Storage-Kosten erheblich senken und die Datenverarbeitung optimieren.