แยกไฟล์ ZSTD

ZSTD หรือชื่อย่อของ Zstandard เป็นอัลกอริทึมการบีบอัดแบบไม่สูญเสียข้อมูลและรูปแบบไฟล์ที่มีประสิทธิภาพและรวดเร็ว พัฒนาโดย Yann Collet ที่ Facebook ออกแบบมาเพื่อให้มีอัตราการบีบอัดสูง ในขณะที่ยังคงความเร็วในการบีบอัดและการคลายการบีบอัดที่รวดเร็ว ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์การบีบอัดแบบเรียลไทม์และการบีบอัดชุดข้อมูลขนาดใหญ่

รูปแบบ ZSTD อิงตามการผสมผสานระหว่างขั้นตอนเอนโทรปีที่รวดเร็วและขั้นตอนการบีบอัดแบบไม่สูญเสียข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ ขั้นตอนเอนโทรปีใช้ Finite State Entropy (FSE) และการเข้ารหัส Huffman ในขณะที่ขั้นตอนการบีบอัดแบบไม่สูญเสียข้อมูลใช้ตัวแปรของอัลกอริทึม LZ77 ที่เรียกว่า Zstandard Dictionary Compression (ZDIC)

หนึ่งในคุณสมบัติหลักของ ZSTD คือความสามารถในการสร้างและใช้พจนานุกรมระหว่างการบีบอัด พจนานุกรมคือชุดข้อมูลที่แชร์ไว้ล่วงหน้า ซึ่งทั้งตัวบีบอัดและตัวคลายการบีบอัดใช้เพื่อปรับปรุงอัตราการบีบอัด ZSTD รองรับพจนานุกรมสองประเภท ได้แก่ พจนานุกรมที่กำหนดโดยเนื้อหาและพจนานุกรมที่ผู้ใช้จัดเตรียมไว้

พจนานุกรมที่กำหนดโดยเนื้อหาจะสร้างโดยตัวบีบอัด ZSTD โดยอัตโนมัติตามข้อมูลอินพุต ตัวบีบอัดจะวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อระบุรูปแบบที่เกิดซ้ำและสร้างพจนานุกรมที่แสดงรูปแบบเหล่านี้ จากนั้นจะใช้พจนานุกรมระหว่างการบีบอัดเพื่อแทนที่รูปแบบที่เกิดซ้ำด้วยการอ้างอิงถึงพจนานุกรม ซึ่งส่งผลให้อัตราการบีบอัดสูงขึ้น

ในทางกลับกัน พจนานุกรมที่ผู้ใช้จัดเตรียมไว้จะสร้างโดยผู้ใช้และสามารถแชร์ระหว่างไฟล์ที่บีบอัดหลายไฟล์ พจนานุกรมเหล่านี้มีประโยชน์เมื่อบีบอัดข้อมูลที่คล้ายกันหรือเกี่ยวข้องกัน เนื่องจากช่วยให้ตัวบีบอัดสามารถใช้ประโยชน์จากความรู้ที่มีอยู่ก่อนเกี่ยวกับรูปแบบข้อมูล พจนานุกรมที่ผู้ใช้จัดเตรียมไว้สามารถปรับปรุงอัตราการบีบอัดได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับไฟล์ขนาดเล็กหรือไฟล์ที่มีโครงสร้างข้อมูลทั่วไป

ZSTD รองรับระดับการบีบอัดหลายระดับ ตั้งแต่ 1 ถึง 22 โดยระดับที่สูงกว่าจะให้การบีบอัดที่ดีกว่าด้วยต้นทุนความเร็วในการบีบอัดที่ช้าลง ระดับการบีบอัดเริ่มต้นคือ 3 ซึ่งให้ความสมดุลที่ดีระหว่างอัตราการบีบอัดและความเร็ว ZSTD ยังมีระดับการบีบอัดพิเศษที่เรียกว่า "ultra" ซึ่งให้การบีบอัดสูงสุด แต่ใช้เวลามากขึ้นอย่างมาก

รูปแบบ ZSTD ประกอบด้วยส่วนหัวตามด้วยเฟรมที่บีบอัดแล้วหนึ่งเฟรมขึ้นไป ส่วนหัวมีเมตาดาต้าเกี่ยวกับข้อมูลที่บีบอัดแล้ว เช่น ID พจนานุกรม ขนาดหน้าต่าง และจำนวนเฟรม เฟรมที่บีบอัดแล้วแต่ละเฟรมเป็นอิสระและสามารถคลายการบีบอัดได้แยกกัน ช่วยให้สามารถคลายการบีบอัดแบบขนานและเข้าถึงข้อมูลที่บีบอัดแล้วแบบสุ่มได้

เฟรมที่บีบอัดแล้วใน ZSTD ใช้การรวมกันของบล็อกตามตัวอักษรและบล็อกลำดับ บล็อกตามตัวอักษรมีข้อมูลดิบที่ไม่ได้บีบอัด ในขณะที่บล็อกลำดับมีการอ้างอิงถึงพจนานุกรมหรือข้อมูลที่เคยเห็นมาก่อน บล็อกลำดับจะเข้ารหัสโดยใช้ FSE หรือการเข้ารหัส Huffman เพื่อลดขนาดของการอ้างอิง

ZSTD ใช้เทคนิคหลายอย่างเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความเร็วในการบีบอัด เทคนิคหนึ่งคือการใช้ตารางแฮชเพื่อค้นหาลำดับที่ตรงกันในพจนานุกรมหรือข้อมูลที่เคยเห็นมาก่อนได้อย่างรวดเร็ว ตารางแฮชจะได้รับการอัปเดตอย่างต่อเนื่องเมื่อตัวบีบอัดประมวลผลข้อมูลอินพุต ช่วยให้ค้นหาการจับคู่ที่อาจเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อีกเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพที่ ZSTD ใช้คือกลยุทธ์การจับคู่แบบล่าช้า แทนที่จะเข้ารหัสการจับคู่ทันที ตัวบีบอัดจะค้นหาการจับคู่ที่ยาวกว่าต่อไป หากพบการจับคู่ที่ยาวกว่า ตัวบีบอัดสามารถเลือกเข้ารหัสการจับคู่ที่ยาวกว่าแทน ซึ่งส่งผลให้อัตราการบีบอัดดีขึ้น

ZSTD ยังมีโหมดที่รวดเร็วที่เรียกว่า "long distance matching" (LDM) ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจจับการจับคู่ระยะไกลได้ LDM ใช้ตารางแฮชรองเพื่อจัดเก็บการจับคู่ที่อยู่ห่างกันมากในข้อมูลอินพุต โดยการพิจารณาการจับคู่ระยะไกลเหล่านี้ ZSTD สามารถปรับปรุงอัตราการบีบอัดสำหรับข้อมูลบางประเภท เช่น ข้อมูลที่มีการทำซ้ำหรือเป็นระยะ

นอกเหนือจากความสามารถในการบีบอัดแล้ว ZSTD ยังให้การตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดโดยใช้ checksum เฟรมที่บีบอัดแล้วแต่ละเฟรมมี checksum ของข้อมูลที่ไม่ได้บีบอัด ซึ่งช่วยให้ตัวคลายการบีบอัดสามารถตรวจสอบความสมบูรณ์ของข้อมูลระหว่างการคลายการบีบอัด หากตรวจพบข้อผิดพลาด ZSTD สามารถพยายามกู้คืนได้โดยการละทิ้งเฟรมที่เสียหายและดำเนินการต่อด้วยเฟรมถัดไป

ZSTD ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเนื่องจากประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นที่น่าประทับใจ ใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ รวมถึงระบบจัดเก็บข้อมูล เอนจินฐานข้อมูล โซลูชันการสำรองข้อมูล และโปรโตคอลการถ่ายโอนข้อมูล รูปแบบไฟล์ยอดนิยมมากมาย เช่น Zstandard Archive (ZSTD), Zstandard Seekable Format (ZST) และ Zstandard Dictionary Format (ZDICT) อิงตามการบีบอัด ZSTD

ข้อดีอย่างหนึ่งของ ZSTD คือความเข้ากันได้กับแพลตฟอร์มและภาษาโปรแกรมที่หลากหลาย การใช้งานอ้างอิงของ ZSTD เขียนด้วย C และพกพาได้สูง ช่วยให้สามารถใช้ได้กับระบบปฏิบัติการและสถาปัตยกรรมต่างๆ นอกจากนี้ยังมีการผูกและพอร์ต ZSTD จำนวนมากสำหรับภาษาโปรแกรมต่างๆ ทำให้ง่ายต่อการรวมการบีบอัด ZSTD เข้ากับแอปพลิเคชันที่มีอยู่

ZSTD ยังมีเครื่องมืออินเทอร์เฟซบรรทัดคำสั่ง (CLI) ที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถบีบอัดและคลายการบีบอัดไฟล์โดยใช้ ZSTD เครื่องมือ CLI รองรับตัวเลือกและพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น การตั้งค่าระดับการบีบอัด การระบุพจนานุกรม และการปรับการใช้หน่วยความจำ เครื่องมือ CLI มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการบีบอัดและคลายการบีบอัดไฟล์ในแบบแบตช์หรือสคริปต์

โดยสรุป ZSTD เป็นอัลกอริทึมการบีบอัดและรูปแบบไฟล์ที่มีประสิทธิภาพและหลากหลายสูง ซึ่งให้ความเร็วในการบีบอัดและคลายการบีบอัดที่รวดเร็ว อัตราการบีบอัดสูง และความสามารถในการใช้พจนานุกรมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ การผสมผสานระหว่างความเร็วและประสิทธิภาพในการบีบอัดทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่หลากหลาย ตั้งแต่การบีบอัดแบบเรียลไทม์ไปจนถึงการบีบอัดชุดข้อมูลขนาดใหญ่ ด้วยชุดคุณสมบัติที่ครอบคลุม ความเข้ากันได้ของแพลตฟอร์ม และการนำไปใช้ที่เพิ่มขึ้น ZSTD จึงกลายเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการบีบอัดข้อมูลในโดเมนต่างๆ