单固态硬盘嵌入式系统的数据存储可信性研究

摘要

缩短CPU的处理速度和存储器速度之间的差距一直是计算机体系结构中的一个关键挑战。传统硬盘的传输速度已经达到了瓶颈，因此基于闪存的固态硬盘的发展使这个瓶颈得到了一定的缓解。
　　最近基于闪存的存储系统用在了越来越多的计算系统，包括手机，平板电脑，计算机，甚至一些工作站和服务器都是用的这套系统，原因就在于它快速的I/O性能，耐冲击性，光学因素等等。固态硬盘（SSD）则是其中最受欢迎的一种。为了保持和传统的基于机械硬盘的存储系统的兼容性，SSD存储系统通常使用一个闪存转换层，简称FTL。FTL作为SSD的核心存在，通常都是制造商的专利并且对其实现细节是保持高度机密的。而本文现在考虑到制造商恶意执行木马功能的这种可能性，这就引起了在固态硬盘之上构建的系统的可信性风险。这种特洛伊木马功能一旦触发，可能会损害存储在SSD中数据的完整性或者完全的擦除数据。最近，有人提出了一种异构冗余的存储系统来解决这个问题。然而，许多系统如嵌入式系统不能承担拥有一个冗余系统这么大的负担。
　　在本文中，针对应用硬件木马在近年来已经被新确定为一种新的安全威胁，本文对单固态硬盘中系统的数据可靠性进行了全方位研究。分析了由信任问题引发的可能的威胁，比如数据丢失、数据篡改、性能降低等等威胁。并针对这些威胁提出了一个只需要在单个固态硬盘上运行系统的方案，它可以对SSD存储的数据进行完整性的验证，并且恢复丢失或篡改的数据。该方案提出了一种“选择性地两次备份和一次备份I/O请求”的安全机制，使一些很重要的数据在遭到纂改或丢失的情况下也能够及时的将数据恢复，从而让系统可以继续运行下去。
　　通过我们在SSDsim模拟器上进行的实验结果表明，所提出的方法当出现极端情况的时候也就是所有的数据都进行两次备份时是不适用的，此时性能降低的太多。但是相比极端情况更常见的情况下，也就是在只有10％的数据进行两次备份和20%的数据进行一次备份的情况下，我们可以看出在方案中性能降低的幅度是可以被我们所接受的。

目录

1 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 固态硬盘的发展趋势

1.4 论文研究内容

1.5 论文组织结构

2 固态硬盘相关知识以及威胁模型

2.1 闪存的种类和原理

2.2 FTL闪存转换层

2.3 Checkpoint技术

2.4 SSDsim模拟器介绍

2.5 分析威胁模型

2.6 本章小结

3 单固态硬盘系统数据可信性方案整体设计

3.1 现有的针对嵌入式系统数据可信性的方案

3.2 单个固态硬盘的嵌入式系统数据可信性整体方案设计

3.3 单个固态硬盘的嵌入式系统数据可信性方案问题难点分析

3.4 本章小结

4 单固态硬盘系统数据可信性的设计与实现

4.1 数据结构

4.2 读写流程

4.3 开销分析

4.4 具体实现

4.5 本章小结

5 测试结果和分析

5.1 仿真测试环境

5.2 测试结果和分析

5.3 本章小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献