持久化内存文件系统的磨损攻击与防御机制

发布时间：2021-01-12 05:45

　　近来出现诸多以非易失性存储器（non-volatilememory,简称NVM）作为存储设备的新型持久化内存文件系统,充分发掘NVM的低延迟和可按字节寻址等优点,优化文件访问的I/O栈和一致性机制,极大提升文件系统的性能.然而,现有持久化内存文件系统都没有考虑NVM写耐受度低的缺陷,极易导致NVM被磨损穿（wear out）.针对NVM写耐受度低的缺点,探索多种利用基本文件操作对NVM造成磨损攻击的方式,并在真实持久化内存文件系统PMFS中以实验证明磨损攻击的严重性.为有效防御针对NVM的磨损攻击,提出了持久化内存文件系统磨损防御机制（persistent in-memory file system wear defense technique,简称PFWD）,包括索引节点元数据虚拟化技术、超级块迁移技术、文件数据页磨损均衡技术和文件索引结构迁移技术,保护文件系统中所有可能被磨损攻击利用的数据结构.实验结果证明所提出的PFWD技术能有效地防御病毒发动对NVM的磨损攻击,提高了存储系统的稳定性. 

【文章来源】：软件学报. 2020,31(06)北大核心

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【部分图文】：

6 顺序读

5 随机写

在持久化内存文件系统实现PFWD,NVM的物理空间布局如图1所示:(1)超级块指针,指向超级块的存储区.超级块的存储区可动态调整,当超级块存储区的磨损严重时,超级块可迁移到磨损较低的物理区间;(2)物理页写次数表,记录NVM每个物理页的写次数,每次更新物理页的数据,都要在物理页写次数表增加相应的写次数,因为PFWD机制能保证NVM物理空间的磨损均衡,所以物理页写次数表的存储区间也是磨损均衡的;(3)索引节点映射表,记录虚拟索引节点的写次数和偏移量,实现索引节点的迁移;(4)超级块、索引节点、文件索引结构、文件数据、日志,分散在NVM整个物理空间,通过超级块迁移技术、索引节点元数据虚拟化技术、文件索引结构迁移技术、文件数据页磨损均衡技术实现以上5种数据结构的存储区的磨损均衡.持久化内存文件系统实现PFWD,物理页写次数表和索引节点映射表的空间开销极小.例如,NVM的存储空间大小为10GB,物理页大小为4KB,每8字节记录一个物理页的写次数,则物理页写次数表占用的存储空间是,仅占总存储空间的0.2%.通常,所有文件索引节点总的存储空间大小设计为持久化内存文件系统存储空间的1%,索引节点的大小为128KB[9-11],4KB大小的物理页能存储32个索引节点.索引节点映射表中每个索引节点的写次数和偏移量共占8字节,即分别用4字节记录写次数和偏移量,则索引节点映射表所占存储空间的大小是,仅占总存储空间的0.06%.所以,物理页写次数表和索引节点映射表的存储空间开销可以忽略不计.此外,为提高检索效率,物理页写次数表和索引节点映射表都使用数组结构,并且两种数据结构采用修改DRAM副本的方式更新其写次数,只有在适当的时机回写NVM,以减少两个数据结构物理存储区的写次数.因此,物理页写次数表和索引节点映射表所在存储区的磨损极低.

【参考文献】：
期刊论文
[1]新型非易失存储环境下事务型数据管理技术研究[J]. 潘巍,李战怀,杜洪涛,周陈超,苏静.  软件学报. 2017(01)
[2]内存计算技术研究综述[J]. 罗乐,刘轶,钱德沛.  软件学报. 2016(08)
[3]新型非易失存储研究[J]. 沈志荣,薛巍,舒继武.  计算机研究与发展. 2014(02)



本文编号：2972275