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Android系统的目录自适应日志模式选择机制

在写磁盘的过程中如果意外掉电或系统崩溃很有可能导致文件系统中用户数据和元数据不一致,现有文件系统主要采取写前日志或写时拷贝等一致性技术来解决该问题,但均没有考虑目录对可靠性需求的差异性。针对现有的文件自适应日志模式存在的需要逐一修改应用程序的不足,提出了面向Android系统的目录自适应的日志模式选择机制,即针对不同的目录对可靠性需求的高低等级,选择相应的强弱程度不同的日志模式,同时分配可靠性不同的存储区域,这种机制对开发者完全透明,也符合Android系统的应用特征,在可靠性需求不变的前提下最大限度地减少了一致性保证引入的额外开销。实验结果表明,修改后的文件系统可以识别文件所在目录,并根据目录选择预先定义的日志模式。     

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。     

利用重复数据删除和增量编码有效利用基于闪存的SSD

为解决基于闪存的固态盘寿命有限及随容量被消耗可靠性也逐渐衰减的特性,基于两个重要的观察结果:a)存在大量的重复数据块;b)元数据块比数据块被更加频繁地访问或修改,但每次更新仅有微小变化,提出了flash saver,耦合EXT2/3文件系统,结合重复数据删除和增量编码来减少到SSD的写流量.Flash saver将重复数据删除用于文件系统数据块,将增量编码用于文件系统元数据块.实验结果表明,flash saver可减少高达63％的总写流量,从而使其具有更长的使用寿命、更大的有效flash空间和更高的可靠性.     

基于持久性内存和SSD的后端存储MixStore

持久性内存(persistent memory,PMEM)同时具备内存的低时延字节寻址和磁盘的持久化特性,将对现有软件架构体系产生革命性的变化和深远的影响.分布式存储在云计算和数据中心得到了广泛的应用,然而现有的以Ceph BlueStore为代表的后端存储引擎是面向传统机械盘和固态硬盘(solid state disk,SSD)设计的,其原有的优化设计机制不适合PMEM特性优势的发挥.提出了一种基于持久性内存和SSD的后端存储MixStore,通过易失区段标记和待删除列表技术实现了适用于持久性内存的并发跳表,用于替代RocksDB实现元数据管理机制,在保证事务一致性的同时,消除了BlueStore的compaction所引发的性能抖动等问题,同时提升元数据的并发访问性能;通过结合元数据管理机制的数据对象存储优化设计,把非对齐的小数据对象存放在PMEM中,把对齐的大块数据对象存储在SSD上,充分发挥了PMEM的字节寻址、持久性特性和SSD的大容量低成本优势,并结合延迟写入和CoW(copy-on-write)技术实现数据更新策略优化,消除了BlueStore的WAL日志引起的写放大,提升小数据写入性能.测试结果表明,在同样的硬件环境下,相比BlueStore,MixStore的写吞吐提升59%,写时延降低了37%,有效地提升了系统的性能.     

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%。     

Pmfs中目录项索引的实现

可字节寻址的非易失存储介质,如相变存储器等,使数据可以在内存级别持久化。由于非易失存储器（NVM）本身的读写延时非常低,系统软件开销成为了决定整个持久化内存系统性能的主要因素。Pmfs是一个专门为持久化内存所设计的文件系统,然而,Pmfs下的每个目录操作（打开、创建或删除）都会遍历目录下的所有目录项,导致了随文件数增长而线性增长的目录项查找开销。通过测试发现,在特定类型负载下这种开销成为了整个文件系统的瓶颈。针对该问题,在Pmfs中实现了持久化的目录项索引来加速目录操作。测试结果显示,基于单目录下100000文件的负载,该优化使得文件创建速度提高了12倍,带宽增加了27.3%。     

一种基于热数据识别技术的UBIFS优化方案

NAND Flash介质具有特殊的物理性质,传统文件系统不能直接对NAND Flash进行管理,容易造成NAND Flash设备性能下降、磨损不均衡等负面影响。闪存文件系统将FTL与文件系统功能有机地结合起来,可更好地发挥NAND Flash的高性能。无序区块镜像文件系统(Unsorted Block Image File System,UBIFS)是一种被广泛使用的闪存文件系统,但其存在着写放大和垃圾回收操作频繁触发等问题。针对UBIFS中存在的问题,提出利用多哈希函数的哈希表对热数据进行识别,以降低热数据识别开销,提高热数据识别的准确率;采用多日志技术,将不同热度的日志、数据分开存放,以减少垃圾回收触发频率;采用热数据日志延迟提交技术来减少UBIFS中日志提交带来的元数据修改,进而减少了写放大产生的次数。测试与分析表明, 与原UBIFS相比,优化后的UBIFS的系统内部写物理块的次数减少5%~10%,垃圾回收操作触发的次数减少了7%~13%,同时系统的IOPS提高了5%~18%,系统性能下降现象得到了有效缓解。     

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.     

煤矿井下安全监控分站的设计及其仿真实现

为了设计一种具有低成本、低功耗、易操作、功能强且可靠性高的煤矿井下安全分站,针对煤矿安全生产实际,文章提出了采用MCS-51系列单片机为核心、具有CAN总线通信接口的煤矿井下安全监控分站的设计方案;首先给出煤矿井下安全监控分站的整体构架设计,然后着重阐述模拟量输入信号处理系统的设计过程,最后说明单片机最小系统及其键盘、显示、报警、通信等各个组成部分的设计;为验证设计方案的可行性与有效性,使用Proteus软件对设计内容进行仿真验证,设计的煤矿井下安全监控分站具有瓦斯、温度等模拟量参数超标报警功能和电机开停、风门开闭等开关量指示功能;仿真结果表明:设计的煤矿井下安全监控分站具有一定的实际应用价值.     

View-based model-driven architecture for enhancing maintainability of data access services

In modern service-oriented architectures, database access is done by a special type of services, the so-called data access services (DAS). Though, particularly in data-intensive applications, using and developing DAS are very common today, the link between the DAS and their implementation, e.g. a layer of data access objects (DAOs) encapsulating the database queries, still is not sufficiently elaborated, yet. As a result, as the number of DAS grows, finding the desired DAS for reuse and/or associated documentation can become an impossible task. In this paper we focus on bridging this gap between the DAS and their implementation by presenting a view-based, model-driven data access architecture (VMDA) managing models of the DAS, DAOs and database queries in a queryable manner. Our models support tailored views of different stakeholders and are scalable with all types of DAS implementations. In this paper we show that our view-based and model driven architecture approach can enhance software development productivity and maintainability by improving DAS documentation. Moreover, our VMDA opens a wide range of applications such as evaluating DAS usage for DAS performance optimization. Furthermore, we provide tool support and illustrate the applicability of our VMDA in a large-scale case study. Finally, we quantitatively prove that our approach performs with acceptable response times.     

A pragmatic multi-method investigation of discrepant technological events: Coping,attributions, and ‘accidental’ learning

Discrepant technological events or situations that entail a problem, a misunderstanding or a difficulty with the Information Technology (IT) being employed, are common in the workplace, and can lead to frustration and avoidance behaviors. Little is known, however, about how individuals cope with these events. This paper examines these events by using a multi-method pragmatic approach informed by coping theory. The results of two studies – a critical incident study and an experiment – serve to build and test, respectively, a theoretical model that posits that individuals use a variety of strategies when dealing with these events: they experience negative emotions, make external attributions, and adopt engagement coping strategies directed at solving the event, eventually switching to a disengagement coping strategy when they feel they have no control over the situation. Furthermore, users’ efforts may result in ‘accidental’ learning as they try to overcome the discrepant IT events through engagement coping. The paper ends with a discussion of the results in light of existing literature, future opportunities for research, and implications for practice.     

The Distributed Time-Triggered Simulation Scheme: Core Principles and Supporting Execution Engine

Distributed real-time simulation is a young technology field but its practice is under increasing demands. In recent years the author and his collaborators have been establishing a new approach called the distributed time-triggered simulation (DTS) scheme which is conceptually simple and easy to use but widely applicable. The concept was initiated in the course of developing a new-generation object-oriented real-time programming scheme called the time-triggered message-triggered object (TMO) programming scheme. Some fundamental issues inherent in distributed real-time simulation that were learned during recent experimental studies are discussed along with some approaches for resolving the issues. An execution engine developed to support both the TMOs engaged in control computation and the TMOs engaged in DTS is also discussed along with its possible extensions that will enable significantly larger-scale DTSs.     

Software-Konfigurationsmanagement in großen Softwareprojekten

Zusammenfassung Mit zunehmender Größe der Softwaresysteme verschärfen sich die für die Software-Herstellung typischen Probleme: Beherrschen großer Objektmengen, Erhalten der Systemkonsistenz, Kontrolle der ständigen Änderungseinflüsse und Gewährleisten einer langen Lebensdauer. Die Disziplin Konfigurationsmanagement bildet den methodischen Ansatz, diese Probleme besser zu beherrschen. Software-Konfigurationsmanagement faßt die Herstellung von Softwaresystemen als eine Abfolge von kontrollierten Änderungen an gesicherten Zwischen- und Endergebnissen auf. Dargestellt werden die Objekte und Funktionen des Software-Konfigurationsmanagements sowie die hierfür in großen Software-Projekten benötigten Methoden, Instanzen und Hilfsmittel.     

Information for Authors

正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and     

Editorial:Brain-machine interface(BMI) and cyborg intelligence

正Brain-machine interfaces(BMIs)aim at building a direct communication pathway between the brain and an external device,and represent an area of research where significant progress has been made during the past decade.Based on BMIs,mind information can be read out by neural signals to control     

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正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and overseas to the world’s scientific circles,especially to stimulate     

SCIENCE CHINA Information Sciences SUBJECT INDEX TO VOLUME 57(2014)

正~~     

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正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and overseas to the world’s scientific circles,especially to stimulate