デルタ・エンコーディングとは？

ソーシャル・メディアのやり取りから科学的シミュレーションまで、データは私たちの生活のほぼ全ての側面を支えています。デジタルデータの急増に伴い、情報の効率的な管理、保存、送信は、企業や個人にとって重要な優先事項となっています。これらの課題に対処する重要な技術の 1 つが、デルタ・エンコーディングです。

デルタ・エンコーディングは、データ自体全体ではなく、データの連続部分間の変更や相違に焦点を当てたデータ管理のための体系的なアプローチです。このアプローチにより、ストレージ・リソースの効率的な使用が可能になり、ネットワーク上でのデータ伝送が高速化されます。

この記事では、デルタ・エンコーディングの概念、その仕組み、応用例、その利点と限界について解説します。

デルタ・エンコーディングとは？

デルタ・エンコーディングは、デルタ圧縮またはデータ差分とも呼ばれ、データを保存または転送するための技術です。データセット全体を直接格納する代わりに、連続するデータポイント間の差を計算して格納します。ギリシャ語の文字デルタ（Δ）は変化を意味するため、名前自体はこの原則を反映しています。この技術の主な目的は、連続するデータポイント間の差（デルタ）のみをキャプチャして表示することで、ストレージ・スペースを最適化し、帯域幅の使用を削減することです。

この概念を説明するために、[10、15、20、25]という単純な数列を考えてみましょう。システムがこの数列を保存する場合、各データポイントをそのまま保存するのではなく、デルタ・エンコーディングは各数値とその前の数値との差分をキャプチャして表します。

• 15 と 10 の差は +5 です。

• 20 と 15 の差は +5 です。

• 25 と 20 の差は +5 です。

したがって、デルタ・エンコーディングを使用して、[10、+5、+5、+5] を保存または伝送します。この表現は、数列全体を冗長に伝送するのではなく、数列内の増分変更を効率的に伝達します。

デルタ・エンコーディングの仕組み

デルタ・エンコーディングは、連続するデータポイント間の差をキャプチャして表現する、3 段階の簡単なプロセスに従います。

1. 連続するデータポイントの特定
   
   デルタ・エンコーディングの最初のステップは、エンコードする必要があるデータポイントのシーケンスを特定することです。これらのデータポイントは、データセットの数値から、画像のピクセルやビデオのフレームまで、あらゆるものを表すことができます。

2. デルタ値の計算： データポイントが特定されると、デルタ・エンコーディングは、データポイントの各連続ペア間の差（デルタ）を計算します。デルタ値の数学的計算は、以下のとおりです。
   
   デルタ値 = 現在のデータポイント - 前のデータポイント
   
   例えば、現在のデータポイントが 25 で、前のデータポイントが 20 の場合、デルタ値は +5 になります。つまり、25 - 20 = 5 です。

3. デルタ値を保存または送信する

データポイントのシーケンス全体のデルタ値を計算した後、元のデータポイントの代わりに、結果として得られるデルタ値が保存または送信されます。これは、受信側が既に送信順序に基づいて前のデータポイント（20）を持っているためです。デルタ値（5）を前のデータポイントに追加することで、受信側は元のデータポイントを簡単に再構成できます（5 + 20 = 25）。このアプローチは、特にデータポイント間の変化が比較的小さい場合や、増加する場合に、保存または送信する必要があるデータ量を大幅に削減します。

デルタ・エンコーディングの応用

デルタ・エンコーディングは、データサイズを縮小し、伝送効率を向上させることができるため、さまざまな業界におけるデータ・ストレージと伝送のための貴重な技術となっています。代表的な応用例をいくつかご紹介します。

• 動画ストリーミング：ビデオ・シーケンスは、デルタ・エンコーディングの候補として最適です。ビデオの複数のフレームが短く、背景の変化が少ない場合、デルタ・エンコーディングは、ビデオ内の新しいピクセルの変化のみを考慮に入れます。ピクセルは、送信され、前のフレームに追加されてフルフレームになります。この的を絞ったアプローチは、ストリーミングに必要な帯域幅を大幅に削減し、よりスムーズな再生とネットワーク・リソースの効率的な使用を可能にします。
• バージョン管理システム：ソフトウェア開発は、Git のようなバージョン管理システムに大きく依存しています。これらのシステムは、ファイルに対する経時的な変更を追跡します。デルタ・エンコーディングは、ここで重要な役割を果たします。ファイルの新しいバージョン全体を保存する代わりに、それらのバージョン間の違いのみが保存されます。これにより、ストレージ要件が最小限に抑えられ、開発者はコードの進化を効率的に追跡できます。
• ネットワーク・プロトコル：RTP（Real-time Transport Protocol）のようなリアルタイム通信プロトコルは、多くの場合、音声やビデオの送信にデルタ・エンコーディングを使用します。オーディオ・サンプルやビデオ・フレーム間の変更に焦点を当てることで、デルタ・エンコーディングはデータ転送を最適化し、通話中やビデオ会議中にスムーズで中断のない通信を可能にします。
• データのバックアップ：データのバックアップは、貴重な情報を保護するために不可欠です。デルタ・エンコーディングは、前回のバックアップ以降に行われたデータの変更のみを保存するために使用できます。これにより、バックアップが必要なデータ量が大幅に削減され、ストレージ・スペースを節約し、バックアップ時間を最小限に抑えることができます。
• ソフトウェアのアップデート：ソフトウェアのアップデートを配布することも、デルタ・エンコーディングが機能する分野です。新しいソフトウェア・バージョン全体をダウンロードする代わりに、既存のバージョンとアップデートの違いのみを受け取ることができます。これにより、ダウンロードの高速化と帯域幅消費の削減が可能になり、全体的な更新エクスペリエンスが向上します。

デルタ・エンコーディングのメリット

デルタ・エンコーディングは、データ・ストレージと伝送効率の点で、いくつかの説得力のある利点を提供し、さまざまなアプリケーションにおいて貴重な技術となっています。デルタ・エンコーディングの主なメリットを詳しく見てみましょう。

• 冗長性の削減：デルタ・エンコーディングの主なメリットの 1 つは、データ・ストレージと伝送の冗長性を低減できることです。デルタ・エンコーディングは、連続するデータポイント間の差のみをキャプチャして表示することに集中することで、変更されていないデータを繰り返し保存または送信する必要性を排除します。これにより、ストレージ要件を最小限に抑え、ネットワーク帯域幅を節約できます。特に、データが時間の経過とともに徐々に変化するシナリオでは、この傾向が顕著です。
• データ転送の最適化：デルタ・エンコーディングは、データポイントやバージョン間の重要な変更のみを送信することで、データ転送を最適化します。バージョン管理システムやファイル同期などのアプリケーションでは、デルタ・エンコーディングにより、ファイル全体を転送することなく、ファイル変更の効率的な転送を容易にします。このアプローチは、ネットワークを介して送信されるデータ量を大幅に削減し、転送速度を高速化し、全体的なネットワーク性能を向上させます。
• ストレージ・スペースの効率性：デルタ・エンコーディングは、データポイント間の差分（デルタ）のみを保存することで、効率的なストレージ・スペースの利用を可能にします。デルタ・エンコーディングは、同様のデータの複数のコピーを維持するのではなく、増分変更の取得に焦点を当てており、ストレージのオーバーヘッドを削減し、ストレージ・リソースをより経済的に利用することができます。この効率性は、ストレージ容量が限られている環境やデータ量が多い環境において特に有益です。
• データ圧縮とバックアップの効率性：デルタ・エンコーディングは、増分バックアップと更新を可能にすることで、効果的なデータ圧縮とバックアップ戦略に貢献します。データ・バックアップのシナリオでは、デルタ・エンコーディングにより、前回のバックアップ以降に行われた変更のみをキャプチャすることで、バックアップ・データの効率的な保存が可能になり、バックアップ時間とストレージ要件が削減されます。
• 強化されたバージョン管理：バージョン管理システムでは、デルタ・エンコーディングは、ファイル変更の選択的なストレージと取得を可能にすることで、効率的なバージョン管理をサポートします。デルタ・エンコーディングは、各バージョンのファイルの完全なコピーを保存するのではなく、変更のみを保存・送信するため、ユーザーはバージョン履歴を効果的に追跡・管理できます。この合理化されたバージョン管理のアプローチは、コラボレーションを簡素化し、ソフトウェア開発プロセスを加速します。
• 合理化されたデータ同期：デルタ・エンコーディングは、データセットやバージョン間の違いのみを送信することで、スムーズで効率的なデータ同期を促進します。これは、複数のデバイスやシステム間でのデータ同期が不可欠な分散コンピューティング環境において特に重要です。デルタ・エンコーディングは、データ同期プロセスを最適化し、分散データソース間の一貫性と整合性を確保します。

課題と限界

デルタ・エンコーディングには多くの利点がありますが、その限界を認識することが重要です。この技術の使用におけるいくつかの重要な課題は、次のとおりです。

• 高処理オーバーヘッド：デルタ・エンコーディングでは、連続するデータポイント間でデルタ値を計算して適用するために、追加の処理が必要です。頻繁な更新や変更が発生する状況では、デルタ・エンコーディングの計算オーバーヘッドが大きくなり、システムの性能や応答性に影響が及びます。複雑なデータ構造や大規模なデータセットは、処理の負担を増大させる可能性があります。
• ベースライン依存：デルタ・エンコーディングの有効性は、初期ベースライン値に大きく依存します。データが最初から大きく変化した場合、デルタ値が大きくなる可能性があります。これにより、大きなデルタ値が元のデータポイントと同じ数のビットを必要とするため、圧縮のメリットがなくなります。10 ℃ から 50 ℃ に急激に上昇する温度の読み取り値を想像してみてください。 デルタ値（40 ℃）はかなり大きく、このシナリオでは最小限の圧縮しかできません。
• ランダム・データには適さない：デルタ・エンコーディングは、連続するデータポイント間の予測可能な変化に対応します。明確なパターンや相関関係のないランダムデータの場合、デルタ値は元のデータポイントとサイズが似ている可能性があります。このシナリオでは、圧縮のメリットは最小限です。識別可能なパターンのない乱数を想像してみてください。各数値間の差分はランダムなものとなり、デルタ・エンコーディングは効果的ではありません。
• デコード要件：エンコーディングは簡単ですが、受信側は、デルタ・エンコーディングされたデータをデコードするために元のベースライン値を保持する必要があります。これは、特定のシナリオでは困難な場合があります。例えば、デルタ・エンコーディングされたビデオ・ストリームが最初のフレーム（ベースライン）を含めずに送信される場合、受信側は後続のフレームを正確に再構成できません。
• 似たようなデータの圧縮に制限がある：デルタ・エンコーディングは、連続する値が非常に類似するデータセットを処理するときに、大きな圧縮を提供しない可能性があります。同じ数の長いシーケンスを想像してみてください。これら間のデルタ値は全てゼロになり、元のデータと同様にストレージ・スペースが必要になります。
• エラー処理とリカバリの複雑さ：デルタ・エンコーディングは、特にデータの整合性と一貫性が重要な環境において、エラー処理とリカバリの複雑さをもたらします。データ破損や送信エラーが発生した場合、デルタ・エンコーディングされた表現から元のデータを復元するには、高度なエラー検出と修正メカニズムが必要となり、データ・リカバリ・プロセスが複雑になることがあります。

まとめ

デルタ・エンコーディングは、近代的なデータ管理と伝送において重要な役割を果たしています。完全なデータセットではなく変更に焦点を当てることで、ストレージ効率を最適化し、データ転送速度を加速します。デルタ・エンコーディングを、ピュア・ストレージの FlashArray や FlashBlade のソリューションが提供する他のデータ削減技術とあわせて活用することで、ストレージ・コストを大幅に削減し、データ処理を最適化することができます。