持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)的磨損攻擊與防御機制
發(fā)布時間：2021-01-12 05:45
近來出現(xiàn)諸多以非易失性存儲器（non-volatilememory,簡稱NVM）作為存儲設(shè)備的新型持久化內(nèi)存文件系統(tǒng),充分發(fā)掘NVM的低延遲和可按字節(jié)尋址等優(yōu)點,優(yōu)化文件訪問的I/O棧和一致性機制,極大提升文件系統(tǒng)的性能.然而,現(xiàn)有持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)都沒有考慮NVM寫耐受度低的缺陷,極易導(dǎo)致NVM被磨損穿（wear out）.針對NVM寫耐受度低的缺點,探索多種利用基本文件操作對NVM造成磨損攻擊的方式,并在真實持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)PMFS中以實驗證明磨損攻擊的嚴重性.為有效防御針對NVM的磨損攻擊,提出了持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)磨損防御機制（persistent in-memory file system wear defense technique,簡稱PFWD）,包括索引節(jié)點元數(shù)據(jù)虛擬化技術(shù)、超級塊遷移技術(shù)、文件數(shù)據(jù)頁磨損均衡技術(shù)和文件索引結(jié)構(gòu)遷移技術(shù),保護文件系統(tǒng)中所有可能被磨損攻擊利用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).實驗結(jié)果證明所提出的PFWD技術(shù)能有效地防御病毒發(fā)動對NVM的磨損攻擊,提高了存儲系統(tǒng)的穩(wěn)定性.
【文章來源】：軟件學(xué)報. 2020,31(06)北大核心
【文章頁數(shù)】：21 頁
【部分圖文】：
6 順序讀
5 隨機寫
在持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)實現(xiàn)PFWD,NVM的物理空間布局如圖1所示:(1)超級塊指針,指向超級塊的存儲區(qū).超級塊的存儲區(qū)可動態(tài)調(diào)整,當超級塊存儲區(qū)的磨損嚴重時,超級塊可遷移到磨損較低的物理區(qū)間;(2)物理頁寫次數(shù)表,記錄NVM每個物理頁的寫次數(shù),每次更新物理頁的數(shù)據(jù),都要在物理頁寫次數(shù)表增加相應(yīng)的寫次數(shù),因為PFWD機制能保證NVM物理空間的磨損均衡,所以物理頁寫次數(shù)表的存儲區(qū)間也是磨損均衡的;(3)索引節(jié)點映射表,記錄虛擬索引節(jié)點的寫次數(shù)和偏移量,實現(xiàn)索引節(jié)點的遷移;(4)超級塊、索引節(jié)點、文件索引結(jié)構(gòu)、文件數(shù)據(jù)、日志,分散在NVM整個物理空間,通過超級塊遷移技術(shù)、索引節(jié)點元數(shù)據(jù)虛擬化技術(shù)、文件索引結(jié)構(gòu)遷移技術(shù)、文件數(shù)據(jù)頁磨損均衡技術(shù)實現(xiàn)以上5種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)的磨損均衡.持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)實現(xiàn)PFWD,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表的空間開銷極小.例如,NVM的存儲空間大小為10GB,物理頁大小為4KB,每8字節(jié)記錄一個物理頁的寫次數(shù),則物理頁寫次數(shù)表占用的存儲空間是,僅占總存儲空間的0.2%.通常,所有文件索引節(jié)點總的存儲空間大小設(shè)計為持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)存儲空間的1%,索引節(jié)點的大小為128KB[9-11],4KB大小的物理頁能存儲32個索引節(jié)點.索引節(jié)點映射表中每個索引節(jié)點的寫次數(shù)和偏移量共占8字節(jié),即分別用4字節(jié)記錄寫次數(shù)和偏移量,則索引節(jié)點映射表所占存儲空間的大小是,僅占總存儲空間的0.06%.所以,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表的存儲空間開銷可以忽略不計.此外,為提高檢索效率,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表都使用數(shù)組結(jié)構(gòu),并且兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用修改DRAM副本的方式更新其寫次數(shù),只有在適當?shù)臅r機回寫NVM,以減少兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)物理存儲區(qū)的寫次數(shù).因此,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表所在存儲區(qū)的磨損極低.
【參考文獻】：
期刊論文
[1]新型非易失存儲環(huán)境下事務(wù)型數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究[J]. 潘巍,李戰(zhàn)懷,杜洪濤,周陳超,蘇靜. 軟件學(xué)報. 2017(01)
[2]內(nèi)存計算技術(shù)研究綜述[J]. 羅樂,劉軼,錢德沛. 軟件學(xué)報. 2016(08)
[3]新型非易失存儲研究[J]. 沈志榮,薛巍,舒繼武. 計算機研究與發(fā)展. 2014(02)
本文編號：2972275
【文章來源】：軟件學(xué)報. 2020,31(06)北大核心
【文章頁數(shù)】：21 頁
【部分圖文】：
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5 隨機寫
在持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)實現(xiàn)PFWD,NVM的物理空間布局如圖1所示:(1)超級塊指針,指向超級塊的存儲區(qū).超級塊的存儲區(qū)可動態(tài)調(diào)整,當超級塊存儲區(qū)的磨損嚴重時,超級塊可遷移到磨損較低的物理區(qū)間;(2)物理頁寫次數(shù)表,記錄NVM每個物理頁的寫次數(shù),每次更新物理頁的數(shù)據(jù),都要在物理頁寫次數(shù)表增加相應(yīng)的寫次數(shù),因為PFWD機制能保證NVM物理空間的磨損均衡,所以物理頁寫次數(shù)表的存儲區(qū)間也是磨損均衡的;(3)索引節(jié)點映射表,記錄虛擬索引節(jié)點的寫次數(shù)和偏移量,實現(xiàn)索引節(jié)點的遷移;(4)超級塊、索引節(jié)點、文件索引結(jié)構(gòu)、文件數(shù)據(jù)、日志,分散在NVM整個物理空間,通過超級塊遷移技術(shù)、索引節(jié)點元數(shù)據(jù)虛擬化技術(shù)、文件索引結(jié)構(gòu)遷移技術(shù)、文件數(shù)據(jù)頁磨損均衡技術(shù)實現(xiàn)以上5種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)的磨損均衡.持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)實現(xiàn)PFWD,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表的空間開銷極小.例如,NVM的存儲空間大小為10GB,物理頁大小為4KB,每8字節(jié)記錄一個物理頁的寫次數(shù),則物理頁寫次數(shù)表占用的存儲空間是,僅占總存儲空間的0.2%.通常,所有文件索引節(jié)點總的存儲空間大小設(shè)計為持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)存儲空間的1%,索引節(jié)點的大小為128KB[9-11],4KB大小的物理頁能存儲32個索引節(jié)點.索引節(jié)點映射表中每個索引節(jié)點的寫次數(shù)和偏移量共占8字節(jié),即分別用4字節(jié)記錄寫次數(shù)和偏移量,則索引節(jié)點映射表所占存儲空間的大小是,僅占總存儲空間的0.06%.所以,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表的存儲空間開銷可以忽略不計.此外,為提高檢索效率,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表都使用數(shù)組結(jié)構(gòu),并且兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用修改DRAM副本的方式更新其寫次數(shù),只有在適當?shù)臅r機回寫NVM,以減少兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)物理存儲區(qū)的寫次數(shù).因此,物理頁寫次數(shù)表和索引節(jié)點映射表所在存儲區(qū)的磨損極低.
【參考文獻】：
期刊論文
[1]新型非易失存儲環(huán)境下事務(wù)型數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究[J]. 潘巍,李戰(zhàn)懷,杜洪濤,周陳超,蘇靜. 軟件學(xué)報. 2017(01)
[2]內(nèi)存計算技術(shù)研究綜述[J]. 羅樂,劉軼,錢德沛. 軟件學(xué)報. 2016(08)
[3]新型非易失存儲研究[J]. 沈志榮,薛巍,舒繼武. 計算機研究與發(fā)展. 2014(02)
本文編號：2972275
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