负载感知的堆叠式加密文件系统空间管理研究

摘要

随着大数据等应用的不断深入，存储数据的需求也日益增加，存储在设备中的数据可能存在未经授权的访问，导致泄露、窃取和篡改等潜在的风险。为了避免未经授权的非法访问，使用堆叠式加密文件系统成为保证数据存储安全的解决方案之一。在堆叠式加密文件系统中会为加密层和文件系统层分别保留明文页缓存空间和密文页缓存空间，导致现有的堆叠式加密文件系统和非堆叠式文件系统的缓存框架之间存在较大的差异。然而堆叠式加密文件系统中使用的内存空间管理机制是针对非堆叠式文件系统进行设计和优化的，并不能高效地管理堆叠式加密文件系统中的堆叠式缓存；堆叠式加密文件系统利用两层页缓存分别保留不同形式的缓存页面，但实际上会导致相同的文件数据在两层页缓存中被重复缓存，从而造成内存空间资源的严重浪费。　　本文为优化堆叠式加密文件系统的性能，对堆叠式加密文件系统的内存空间管理机制进行了深入的研究。通过对比非堆叠式与堆叠式加密文件系统的各项性能指标，并分解完成任务所需的时间，发现引入加密层后导致的冗余缓存会使得系统开销增加、性能下降，同时也说明现有的内存空间管理机制中需要进一步地讨论和研究如何管理冗余的缓存。为了解决现有的内存空间管理机制导致的性能瓶颈，本文提出了适用于企业级堆叠式加密文件系统的负载感知的空间管理机制。该机制为堆叠式加密文件系统设计了一种负载感知的动态调度算法，以请求类型作为最佳页缓存的决策依据，将请求页面动态地缓存到最佳页缓存中，释放另一层页缓存中的该页面，从而实现消除系统中冗余缓存的目的。其次，本文提出的管理方法还设计了一种无冗余页面转换的功能机制管理明文页与密文页之间的转换，该功能机制根据工作负载和页面的状态自适应地转换，最终实现提升系统性能的目的。　　实验结果表明，与堆叠式加密文件系统中的原始内存管理方案相比，本文提出的机制减少了54.4%的页缺失，并且缩短了34.39%的系统延迟。实验证明，即使在实际的应用程序级工作负载下，同时为堆叠式加密文件系统带来了明显的性能提升。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 相关技术

1.2.1 堆叠式加密文件系统

1.2.2 内存管理机制

1.3 国内外研究现状

1.3.1 基于eCryptfs的优化

1.3.2冗余数据的优化技术

1.3.3内存管理机制的优化

1.4 研究动机

1.5.1 论文的特色工作

1.5.2 论文的组织结构

2 负载感知的空间管理机制整体设计方案

2.1 内存管理机制概述

2.2 系统总体设计

2.3 冗余页面消除策略

2.4 无冗余页面转换策略

2.5 缓存开销分析模型

2.6 本章小结

3 负载感知的空间管理机制的实现

3.1 页面记录结构体的实现

3.2 冗余页面消除策略的实现

3.2.1 写入请求的冗余页面消除

3.2.2 读取请求的冗余页面消除

3.3 无冗余页面转换策略的实现

3.3.1 写入请求的无冗余页面转换

3.3.2 读取请求的无冗余页面转换

3.4 缓存管理策略的实现

3.5 本章小结

4 负载感知的空间管理机制的实验与分析

4.1 实验概述

4.2.1 硬件环境

4.2.2 软件环境

4.3 实验方案

4.3.1 微基准测试方案

4.3.2 宏基准测试方案

4.3.3 应用级负载测试方案

4.4 实验结果与分析

4.4.1 性能指标

4.4.2 读写性能

4.4.3 应用级负载下的系统性能

4.4.4 实验结论

4.5 本章小结

5 总结与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间申请的专利

C. 作者在攻读学位期间获得的奖励

D. 学位论文数据集

致谢