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.     

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.     

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.     

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.     

NVMMDS——一种面向非易失存储器的元数据管理方法

元数据管理方法是影响文件系统性能的重要因素.针对现有元数据管理方法存在的查找性能低、适应性差和丢失元数据等问题,设计了面向非易失存储器的元数据管理方法(NVMMDS).首先针对元数据的访问特性和管理要求,给出了NVMMDS的结构和元数据管理流程,混合使用非易失存储器和DRAM存储元数据,为提高元数据查找性能和避免丢失元数据奠定了基础;设计了基于NVBB树的元数据查找算法和基于主动写回的元数据缓存算法,提高了元数据的查找性能,增强了元数据管理方法的适应能力,避免了元数据丢失问题.与现有元数据管理方法进行了分析和比较,在单机文件系统ReiserFs和分布式文件系统pNFS中实现了NVMMDS原型,使用FileBench和多个标准数据集进行了测试与分析,验证了NVMMDS能提高文件系统最大35％的操作处理速度和I/O性能.     

新型非易失存储I/O栈综述

随着新型非易失存储介质的出现,软件I/O栈的开销已经成为存储系统的性能瓶颈.首先详述了基于磁盘的传统I/O栈的各个软件层次和请求经过I/O栈的一般流程.在分析了传统I/O栈在闪存(flash)、相变存储器(phase change memory,PCM)等新型非易失存储介质构成的存储系统中存在的问题后,对专门为PCIe固态硬盘(solid state drive,SSD)设计的高性能主机控制器接口——NVMe接口及基于该接口的I/O栈、请求流程进行了详细介绍.最后,针对相变存储器、阻变存储器(resistive randomaccess memory,RRAM)和自旋转移矩磁阻随机存储器(spin-transfer torque magnetic random access memory,STT-MRAM)等下一代存储介质,对I/O栈在中断使用、文件系统权限检查等方面带来的性能问题进行了详细分析,指出未来I/O栈设计要考虑的问题.     

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。     

纯用户态的网络文件系统——RUFS

针对在使用高速存储硬件时常规网络文件系统会被软件开销影响整体性能的问题,提出了利用存储性能开发套件（SPDK）搭建文件系统的方法,并在此基础上实现了一个网络文件系统RUFS的原型。该系统通过键值存储模拟文件系统的目录树结构以及对文件系统的元数据进行管理,通过SPDK存储文件的内容。另外,利用远程直接内存访问（RDMA）技术对外提供文件系统服务。RUFS相较于NFS+ext4,在4 KB随机访问上,读写吞吐性能分别提高了202.2%和738.9%,读写平均延迟分别降低了74.4%和97.2%;在4 MB顺序访问上,读写吞吐性能分别提高了153.1%和44.0%。在大部分元数据操作上,RUFS相比NFS+ext4也有显著优势,特别是文件夹创建操作,RUFS的吞吐性能提高了约5 693.8%。该系统能够充分发挥高速网络和高速存储设备的性能优势,为用户提供延时更低、吞吐性能更好的文件系统服务。     

纯用户态的网络文件系统——RUFS

针对在使用高速存储硬件时常规网络文件系统会被软件开销影响整体性能的问题，提出了利用存储性能开发套件（SPDK）搭建文件系统的方法，并在此基础上实现了一个网络文件系统RUFS的原型。该系统通过键值存储模拟文件系统的目录树结构以及对文件系统的元数据进行管理，通过SPDK存储文件的内容。另外，利用远程直接内存访问（RDMA）技术对外提供文件系统服务。RUFS相较于NFS+ext4，在4 KB随机访问上，读写吞吐性能分别提高了202.2%和738.9%，读写平均延迟分别降低了74.4%和97.2%；在4 MB顺序访问上，读写吞吐性能分别提高了153.1%和44.0%。在大部分元数据操作上，RUFS相比NFS+ext4也有显著优势，特别是文件夹创建操作，RUFS的吞吐性能提高了约5 693.8%。该系统能够充分发挥高速网络和高速存储设备的性能优势，为用户提供延时更低、吞吐性能更好的文件系统服务。     

利用相变存储器不对称性的写入优化方法

相变存储器具有集成度高、功耗低、非易失等优良特性,是作为非易失性内存最有潜力的存储介质之一。如何降低其写入延时和增加其使用寿命,是PCM作为非易失性内存时亟需解决的问题。为此,提出利用相变存储器擦除和写入时间不对称的特点擦写独立的写入方法,RSIW（Reset and Set Independently Write）。该方法不同于传统的写入方案,将写和擦的操作分离,让慢速的写操作在空闲时进行,使得相变存储器的写入速度获得显著提升。同时,RSIW还能结合磨损均衡的策略,有效地均衡各个块的写入频率。对擦写独立的写入方法和实施细节进行了描述,对比了同类使用相变存储器擦写不对称性进行优化的方案,最后使用gem5仿真器进行了实验,根据实验结果,该方法对比同类的技术能将系统的运行效率提高37.1%~69.1%。     

面向NVM存储系统的快速文件访问系统

NVM存储设备系统具备提供高吞吐的潜质,包括接近内存的读写速度、字节寻址特性和支持多路转发等优势。但现有的系统软件栈并没有针对NVM去设计,使得系统软件栈存在许多影响系统访问性能的因素。通过分析发现文件系统的锁机制具有较大的开销,这使得数据的并发访问在多核心环境下成为一个难题。为了缓解这些问题,设计了无锁的文件读写机制以及基于字节的读写接口。通过取消基于文件的锁机制改变了粗粒度的访问控制,利用自主管理请求提高了进程的并发度;在设计能够利用字节寻址的新的文件访问接口时,不仅考虑了NVM存储设备的读写非对称,还考虑了其读写操作的不同特性。这些设计减少了软件栈的开销,有利于发挥NVM特性来提供一个高并发、高吞吐和耐久的存储系统。最后利用开源NVM模拟器PMEM实现了FPMRW原型系统,使用Filebench通用测试工具对FPMRW进行测试与分析,结果显示,FPMRW相对EXT+PMEM和XFS+PMEM能提高3%~40%的系统吞吐率。     

一种基于RDMA多播机制的分布式持久性内存文件系统

持久性内存技术与远程直接内存访问(remote direct memory access,RDMA)技术的发展,为高效分布式系统的设计提供了新的思路.然而,现有的基于RDMA的分布式系统没有充分利用RDMA的多播能力,难以解决1对多传输场景下的多拷贝文件数据传输问题,严重影响了系统性能.针对此问题,提出一种基于RDMA多播机制的分布式持久性内存文件系统(RDMA multicast transmission based distributed persistent memory file system,MTFS),通过低延迟多播通信机制充分利用RDMA多播能力,将数据高效传输到多个数据节点,从而避免了多拷贝传输操作带来的高延迟.为提升传输操作灵活性,MTFS设计了多模式多播远程过程调用(remote procedure call,RPC)机制,实现了RPC请求自适应识别,并通过优化返回机制将部分传输操作移出关键路径,进一步提升传输效率.同时MTFS提供了轻量级一致性保障机制,通过设计故障恢复功能、数据校验系统、重传策略与窗口机制,当节点出现崩溃时进行快速恢复,并在传输出现错误时实现数据精准检测与纠正,保证了数据的可靠性和一致性.实验证明,MTFS在各测试集上相比现有系统GlusterFS吞吐量提升了10.2~219倍.在Redis数据库的工作负载下,MTFS相比于NOVA取得了最高10.7%的性能提升,并在多线程测试中取得了良好的可扩展性.     

集群下Cholesky分解的数据重用算法

核外计算中,由于磁盘I/O操作特点是启动开销大,所以对文件的访问时间占的比例较大。如果能减少读取文件操作的次数则可以大幅度地提高运行效率。数据重用是一种有效的减少I/O操作次数的技术。本文将数据分成几个文件,然后将本次Cholesky分解完毕的文件继续的留在内存缓冲区中。当对下一个文件进行分解时,可用上一个刚分解完的文件进行数据的更新。这样就减少了读取数据的I/O操作次数,从而提高了分解效率。     

有源RFID标签安全文件系统的设计

针对有源RFID标签应用中对微型文件系统的需求,围绕标签内存小和大量标签盘点过程中要求文件读写速度快的特点,展开对有源RFID标签安全文件系统的研究。最终通过选用高速存储器件和对FAT文件系统进行改进（实现灵活的数据缓冲层、精简文件目录项、增加文件访问控制）,实现了简洁高效安全的文件系统设计,并在实验中展现了文件系统良好的性能。     

支持高并发访问的新型NVM存储系统

I/O系统软件栈是影响NVM存储系统性能的重要因素。针对NVM存储系统的读写速度不均衡、写寿命有限等问题，设计了同异步融合的访问请求管理策略；在使用异步策略管理数据量较大的写操作的同时，仍然使用同步策略管理读请求和少量数据的写请求。针对多核处理器环境下不同计算核心访问存储系统时地址转换开销大的问题，设计了面向多核处理器地址转换缓存策略，减少地址转换的时间开销。最后实现了支持高并发访问NVM存储系统（CNVMS）的原型，并使用通用测试工具进行了随机读写、顺序读写、混合读写和实际应用负载的测试。实验结果表明，与PMBD相比，所提策略能提高1%~22%的读写速度和9%~15%的IOPS，验证了CNVMS策略能有效提高NVM存储系统的I/O性能和访问请求处理速度。     

基于NVM和HTM的低时延事务处理

硬件事务内存(hardware transactional memory,HTM)能够极大地提升多核内存事务处理的吞吐.然而,为了避免慢速持久化设备对事务吞吐的影响,现有系统以批量的方式提交事务,这使得事务提交有极高的延迟.低时延非易失性内存(non-volatile memory,NVM)的出现,给降低基于HTM的内...