非易失性内存安全技术综述

大数据应用对内存容量的需求越来越大，而在大数据应用中，以动态随机存储器为内存介质的传统存储器所凸显出来的问题也越来越严重。计算机设计者们开始考虑用非易失性内存去替代传统的动态随机存储器内存。非易失性内存作为非易失的存储介质，不需要动态刷新，因此不会引起大量的能量消耗；此外，非易失性内存的读性能与动态随机存储器相近，且非易失性内存单个存储单元的容量具有较强的可扩展性。但将非易失性内存作为内存集成到现有的计算机系统中，需要解决其安全性问题。传统的动态随机存储器作为内存介质掉电后数据会自动丢失，即数据不会在存储介质中驻留较长时间，而当非易失性内存作为非易失性存储介质时，数据可以保留相对较久的时间。若攻击者获得了非易失性内存存储器的访问权，扫描存储内容，便可以获取内存中的数据，这一安全性问题被定义为数据的“恢复漏洞”。因此，在基于非易失性内存模组的数据中心环境中，如何充分有效地利用非易失性内存，并保证其安全性，成为迫切需要解决的问题。该文从非易失性内存的安全层面出发，对近年来的研究热点及进展进行介绍。首先，该文总结了非易失性内存所面临的主要安全问题，如数据窃取、完整性破坏、数据一致性与崩溃恢复，以及由加解密和完整性保护技术引入而导致的系统性能下降等问题。然后，针对上述各问题，对组合计数器模式加密技术、完整性保护技术扩展的默克尔树、数据一致性与崩溃恢复技术，以及相关优化方案作了详细介绍。最后，对全文进行了总结，并对非易失性内存未来需要进一步关注的问题进行了展望。     

持久化内存文件系统的磨损攻击与防御机制

近来出现诸多以非易失性存储器（non-volatile memory,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.     

Hypervisor中内存回收技术的改进

虚拟化是云计算的关键技术. Hypervisor在虚拟机与主机硬件之间提供了一个抽象层,允许用户为运行着的虚拟机分配的内存总值超过主机的可用内存,这种技术称为内存过量分配. 为了能够降低这个技术对虚拟机性能的影响,hypervisor必须提供高效率的内存回收机制. 在本论文中,作者提出了一种解决方案：使用非易失性内存作为hypervisor交换页面数据的缓存设备. 作者从系统内存中划分出空间模拟了非易失性内存设备,修改了KVM模块中的算法,并制定了五种测试环境. 通过实验数据证明,相比现有的Ballooning技术与Hypervisor swapping技术,使用非易失性内存并配合低优先级队列算法时,虚拟机性能可提高30%和50%左右.     

一种基于代数映射的相变内存矩阵磨损均衡方法

相变内存是一种新兴的存储技术.相对于动态随机访问内存,相变内存具有高可扩展性和低功耗等特点,因此被认为是最有潜力的下一代存储技术.相变内存面临的挑战之一是其存储单元只能经受有限次写操作.因此,如何提高相变内存的耐久性成为亟待解决的问题.提出了一种基于代数映射的相变内存矩阵磨损均衡方法.该方法在每一列和每一行分别进行磨损均衡.通过从行和列两个维度进行两级地址映射,任意逻辑块都可以既在某个列地址空间中进行地址重映射,而被映射到任意一个行中;同时又可以在某个行地址空间中进行地址重映射,而被映射到任意一个列中.设计并实现了一个仿真系统来验证该方法,并进行了详细的功能正确性和抗攻击性能测试.矩阵磨损均衡有效地实现了相变内存抗不均衡写访问、抗恶意写攻击和降低磨损均衡引起的额外写访问开销等目标.     

基于DRAM牺牲Cache的异构内存页迁移机制

当海量数据请求访问异构内存系统时,异构内存页在动态随机存储器(dynamic random access memory,DRAM)和非易失性存储器(non-volatile memory,NVM)之间进行频繁的往返迁移.然而,应用于传统内存页的迁移策略难以适应内存页"冷""热"度的快速动态变化,这使得从DRAM迁移至N...     

相变存储器写寿命延长关键技术研究进展

随着大数据分析应用时效性提升和“存储墙”问题日益突出,存储系统已成为当前计算机系统整体性能的瓶颈。以相变存储器（PCM）为代表的新型非易失性存储器（NVM）具有集成度高、功耗低、读写访问速度高、非易失、体积小和抗震等优良特性,已成为最具潜力的下一代存储设备。然而,写寿命有限是PCM实用化的一道障碍,如何通过减少写操作和磨损均衡以提升PCM使用寿命是当前的研究热点。 从减少PCM写操作、均匀写操作分布以及在混合内存中的页面迁移等三个方面介绍了当前PCM写寿命延长技术的研究现状以及优缺点,最后探讨未来进一步改进PCM寿命可能的研究方向。     

基于持久性内存的单向移动B^+树

由新型非易失存储介质构成的持久性内存(persistent memory,PM)具有扩展性强、按字节访问与静态能耗低等特性,为未来主存与辅存融合提供了强大的契机.然而由于LLC(last level cache)具有易失性且与主存交互粒度通常为64B,而PM的原子持久化操作粒度为8B.因此,数据从LLC更新到PM的过程中,若发生故障,则可能破坏更新操作的失败原子性,进而影响原始数据的完整性.为了保证更新操作的失败原子性,目前研究主要采用显式调用持久化指令与内存屏障指令,将数据有序地持久化到PM上,但该操作会造成显著的开销,在索引更新中尤为明显.在对索引进行更新时,往往会涉及到索引结构的变化,该变化需要大量的有序持久化开销.研究旨在减少基于PM的B+树在更新过程中为保证失败原子性而引入的持久化开销.通过分析B+树节点利用率、不同更新模式下持久化开销以及更新操作之间的关系,提出了一种基于节点内数据真实分布的数据单向移动算法.通过原地删除的方式,减少删除带来的持久化开销.利用删除操作在节点内留下的空位,减少后续插入操作造成的数据移动,进而减少数据持久化开销.基于上述算法,对B+树的重均衡操作进行优化.最后通过实验证明,相较于最新基于PM的B+树,提出的单向移动B+树能够显著提高单一负载与混合负载性能.     

新型内存硬件环境中的事务管理系统综述

大数据爆发的时代产生了各种新的业务类型,业务数据驱动着事务管理系统创新性的迭代发展.由于传统持久化介质的制约,传统的事务管理系统无法高效执行事务.并且,解决事务冲突的额外开销仍然会限制事务管理系统的吞吐.新型硬件的商业化应用为事务管理系统注入了更多的可能性,在学术界和工业界均得到了广泛关注.硬件事务内存可以为事务管理系统提供硬件级别的事务冲突检测.而且,相对于固态硬盘,非易失性内存的字节寻址和持久化特性可以显著降低事务延迟并提升事务管理系统的性能.但是,现有的事务管理系统技术无法充分地利用硬件本身带来的性能提升,因此需要重构事务架构来解决这个问题.首先对新型硬件环境下的事务管理系统进行总结分析;之后总结了当前基于新型硬件事务管理系统的技术路线,明确了硬件事务内存和非易失性存储硬件下的事务管理系统的优势和不足;最后指明了新型硬件环境中事务管理系统未来可能的发展方向以及新的挑战.     

非易失性内存友好的线性哈希索引——NVM-LH

非易失性内存（NVM）因其大容量、持久化、按位存取和读延迟低等特性而受到人们的关注,但它同时也具有写次数有限、读写速度不均衡等缺点。针对传统线性哈希索引直接在NVM上实现时会导致大量的随机写操作这一问题,提出了一种新的NVM友好的线性哈希索引NVM-LH。NVM-LH通过存储数据时的缓存行对齐实现了缓存友好性,同时提出了无日志的数据一致性保证策略。此外,NVM-LH还通过优化分裂和删除操作来减少NVM写操作。实验结果表明,NVM-LH在空间利用率上比CCEH高30%,在NVM写次数上比CCEH减少了15%左右,表现了更好的NVM友好性。     

基于持久化内存的索引设计重新思考与优化

非易失性内存(non-volatile memory,NVM)是近几年来出现的一种新型存储介质.一方面,同传统的易失性内存一样,它有着低访问延迟、可字节寻址的特性;另一方面,与易失性内存不同的是,掉电后它存储的数据不会丢失,此外它还有着更高的密度以及更低的能耗开销这些特性使得非易失性内存有望被大规模应用在未来的计算机系...     

基于非易失性内存的持久化嵌入式内存数据库

随着近年来嵌入式应用的复杂化和多样化,工业界和学术界提出来用内存数据库满足嵌入式系统对数据处理性能不断提升的要求.然而,现有的内存数据库需要在磁盘或闪存等外存上持久化存储真实的数据库备份,并且以I/O操作的方式将数据库的更新操作同步回外存,有极大的性能开销.此外,这类数据库即便直接部署在新型非易失性内存（non-volatile memory,简称NVM)中,也因为缺乏内存中的持久化机制而不能脱离外存.针对现有内存数据库的不足,提出一套面向NVM的持久化内存数据库设计方案.该方案直接用数据库独立管理NVM,持久化存储NVM的空间信息以及内存数据库的元数据.依据该方案,在典型的内存数据库Redis的基础上实现了可在NVM上持久化的内存数据库.实验结果表明,该方案与既有Redis的持久化方案AOF相比,数据库的启动速度可提高2 400倍,关闭速度可提高5倍,set操作的速度可提高58倍,delete操作的速度可提升34倍.     

一种基于时间戳的高扩展性的持久性软件事务内存

新兴的非易失性内存(non-volatile memory,NVM)具有字节寻址、持久性、大容量和低功耗等优点,然而,在NVM上进行并发编程往往比较困难,用户既要保证数据的崩溃一致性又要保证并发的正确性.为了降低用户开发难度,研究人员提出持久性事务内存方案,但是现有持久性事务内存普遍存在扩展性较差问题.测试发现限制扩展性的关键因素在于全局逻辑时钟和冗余NVM写操作.针对这2个方面,提出了线程逻辑时钟方法,通过允许每个线程拥有一个独立时钟,消除全局逻辑时钟中心化问题;提出了缓存行感知的双版本方法,为数据维护2个版本,通过循环更新这2个版本来保证数据的崩溃一致性,从而消除冗余的NVM写操作.基于所提出的这2个方法,实现了一个基于时间戳的高扩展的持久性软件事务内存(scalable durable transactional memory,SDTM),对比测试显示,在YCSB负载下,与DudeTM和PMDK相比,SDTM的性能最多分别提高了2.8倍和29倍.     

面向非易失内存的异构索引

非易失内存(non-volatile memory,NVM)为数据存储与管理带来新的机遇,但同时也要求已有的索引结构针对NVM的特性进行重新设计.围绕NVM的存取特性,重点研究了树形索引在NVM上的访问、持久化、范围查询等操作的性能优化,并提出了一种上下两层结构的异构索引HART.该索引结合了B+树与Radix树的特点...     

NVRC:一种面向NVM的写限制日志方案

非易失性内存(Non-Volatile Memory,NVM)具有支持按字节寻址、持久性、存储密度高、读写延迟低等特点,因此成为解决DRAM(Dynamic Random Access Memory)容量有限问题的首选技术。随着数据库系统中NVM的引入,传统的日志技术需要考虑如何适应NVM特性。首先总结了已有的面向NVM的日志技术研究,进而提出了一种尽可能限制NVM写操作的数据库日志方案NVRC(Non-Volatile Record-updating with Cacheline)。文中提出了结合异地更新和原地更新的日志管理方案。具体而言,NVRC在异地更新的“影子记录”的基础上,引入了“缓存行原地更新”策略,并通过代价分析选择合理的日志更新策略,从而减少对NVM的写操作。采用DRAM模拟NVM的方式在YCSB测试负载上进行了实验,并对比了NVRC与传统的WAL(Write Ahead Log)以及NVM感知的PCMLx(PCMLoggingx)方法。结果表明,NVRC的NVM写次数在修改均匀的情况下比WAL和PCMLx分别减少了54%和17%,同时更新性能分别提升了59%和10%。     

MacroTrend: A Write-Efficient Cache Algorithm for NVM-Based Read Cache

The future storage systems are expected to contain a wide variety of storage media and layers due to the rapid development of NVM(non-volatile memory)techniques.For NVM-based read caches,many kinds of NVM devices cannot stand frequent data updates due to limited write endurance or high energy consumption of writing.However,traditional cache algorithms have to update cached blocks frequently because it is difficult for them to predict long-term popularity according to such limited information about data blocks,such as only a single value or a queue that reflects frequency or recency.In this paper,we propose a new MacroTrend(macroscopic trend)prediction method to discover long-term hot blocks through blocks'macro trends illustrated by their access count histograms.And then a new cache replacement algorithm is designed based on the MacroTrend prediction to greatly reduce the write amount while improving the hit ratio.We conduct extensive experiments driven by a series of real-world traces and find that compared with LRU,MacroTrend can reduce the write amounts of NVM cache devices significantly with similar hit ratios,leading to longer NVM lifetime or less energy consumption.     

面向新型非易失存储的文件系统研究综述

新型非易失存储(NVM)可字节寻址,具有近似内存的低延迟特性以及外存的非易失性,受限于软硬件技术成熟度,目前首先被用于外存.讨论了NVM用于持久性外存所面临的一系列问题,以及管理上的一些挑战;对现有的典型NVM文件系统及其主要特性进行了梳理.归纳起来,这些特性主要围绕降低一致性开销、降低软件栈开销、内存与外存的融合、分布式文件系统、NVM文件系统安全、容错、空间管理几个方面展开.最后,展望了NVM文件系统仍然有待探讨的几个研究方向,包括扩展性问题、虚拟内存与文件系统的有机融合以及分布式文件系统等.     

Unimem: Runtime Data Management on Non-Volatile Memory-Based Heterogeneous Main Memory for High Performance Computing

Non-volatile memory(NVM)provides a scalable and power-efficient solution to replace dynamic random access memory(DRAM)as main memory.However,because of the relatively high latency and low bandwidth of NVM,NVM is often paired with DRAM to build a heterogeneous memory system(HMS).As a result,data objects of the application must be carefully placed to NVM and DRAM for the best performance.In this paper,we introduce a lightweight runtime solution that automatically and transparently manages data placement on HMS without the requirement of hardware modifications and disruptive change to applications.Leveraging online profiling and performance models,the runtime solution characterizes memory access patterns associated with data objects,and minimizes unnecessary data movement.Our runtime solution effectively bridges the performance gap between NVM and DRAM.We demonstrate that using NVM to replace the majority of DRAM can be a feasible solution for future HPC systems with the assistance of a software-based data management.     

NVMRA: utilizing NVM to improve the random write operations for NAND‐flash‐based mobile devices

NAND flash memory has become the major storage media in mobile devices, such as smartphones. However, the random write operations of NAND flash memory heavily affect the I/O performance, thus seriously degrading the application performance in mobile devices. The main reason for slow random write operations is the out‐of‐place update feature of NAND flash memory. Newly emerged non‐volatile memory, such as phase‐change memory, spin transfer torque, supports in‐place updates and presents much better I/O performance than that of flash memory. All these good features make non‐volatile memory (NVM) as a promising solution to improve the random write performance for NAND flash memory. In this paper, we propose a non‐volatile memory for random access (NVMRA) scheme to utilize NVM to improve the I/O performance in mobile devices. NVMRA exploits the I/O behaviors of applications to improve the random write performance for each application. Based on different I/O behaviors, such as random write‐dominant I/O behavior, NVMRA adopts different storing decisions. The scheme is evaluated on a real Android 4.2 platform. The experimental results show that the proposed scheme can effectively improve the I/O performance and reduce the I/O energy consumption for mobile devices. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.