基于免疫安全存储设备IBSSD的研究与实现

基于智能磁盘的安全存储设备是当前安全存储系统研究的热点问题.为解决现有安全存储设备I/O性能低的问题,引入人工免疫算法,实现高效的访问控制模块.首先给出基于免疫安全存储设备的结构,以及基于免疫访问控制模块中主要元素的定义,针对存储设备的特点,设计了差异选择算法和混合检测算法.实现了基于免疫访问控制的原型系统,验证了系统能高效地识别非法数据访问请求.修改开源存储区域网系统-Lustre中智能磁盘模块的代码,构建基于免疫安全存储设备的原型系统,测试了I/O性能.结果验证了基于免疫安全存储设备的I/O损失较小,能构成较高性能的安全存储系统.     

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。     

面向新型非易失存储器的文件级磨损均衡机制

自旋转移力矩磁存储器（spin transfer torque random access memory ,ST TRAM ）和磁阻式随机存储器（magnetic random access memory ,MRAM ）等新型存储器具有接近于 DRAM 的访问速度,是构建高性能外存系统和提高计算机系统性能的重要手段,但有限的写次数是其重要局限之一．设计了文件系统级磨损均衡机制,使用 Hash 函数分散文件在外存中的存储,避免在创建和删除文件时反复分配某些存储块,通过分配文件空间时选择写次数较低的存储块,避免写操作的集中;使用主动迁移策略,在外存系统 I/O 负载较低时主动迁移写次数较高的数据块,减少磨损均衡机制对 I/O 性能的影响．最后在开源的基于对象存储设备 Open‐osd 上实现了面向新型存储器文件系统级磨损均衡机制的原型,使用存储系统通用测试工具 filebench 和 postmark 的多个通用数据集进行了测试与分析,验证了基于新型存储器的文件系统级磨损均衡机制能稳定地将存储块写次数差减少到原来的1/20左右,同时最高仅损失了6％的 I/O 性能和增加了0．5％的额外写操作,具有高效和稳定的特性．     

面向云应用的存储缓存子系统

性能是云应用的重要指标,云应用与现有应用在数据存储与管理方式和访问模式等方面存在较大差异,这使得传统的缓存管理算法难以适应云应用的要求。针对云应用的特性,设计了基于影响因子的缓存策略,亦即将元数据和数据缓存分开管理,使用影响因子综合管理影响缓存被再次访问的几率的多种因素,区别创建、打开、读取和修改等操作对缓存再次访问的几率的影响;设计了缓存关联管理策略,即利用元数据和数据之间的关联提高缓存管理的性能;设计了缓存主动调度策略,即通过主动淘汰较低影响因子的缓存项和动态调整元数据与数据缓存的大小来提高缓存子系统的适应能力和性能。最后实现了原型系统,并使用Filebench和Postmark进行了测试和分析,验证了面向云应用缓存子系统原型能提高1%~120%的I/O性能以及2%~87%的操作处理速度。     

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。     

基于属性分频的元数据索引算法

高效的元数据索引是提高海量存储系统性能的重要手段.针对现有元数据管理方法存在的时间与空间开销大和性能不稳定等问题,我们设计了基于属性分频的元数据索引算法.依据元数据中属性被访问的频率等因素,分解元数据分别存储到高频元数据属性集和低频元数据属性集中,使用KD-tree建立高频元数据属性集的索引,满足多条件混合查询高频元数据属性的要求;使用人工免疫算法建立低频元数据属性集的索引,在保持较高查询性能的同时,避免大量额外的存储空间.实现了算法的原型系统,使用两个真实数据集进行了测试与分析,结果表明基于属性分频元数据索引算法具有时间与空间开销小、适应能力强的特性.     

开放式安全存储区域网模拟平台

模拟系统是研究与测试系统功能的重要方法,分析了现有存储区域网模拟系统,针对测试各类应用于保护存储区域网系统的安全机制,设计了开放式安全存储区域网模拟平台.使用线程模拟存储区域网系统中的主机、元数据服务器和存储设备,使用缓冲区模拟存储区域网系统中的通信,实现了接收访问请求和主机模块,构建了元数据和存储设备模块的框架,提供了实现元数据管理和存储设备中数据管理功能的功能接口,能模拟存储区域网的各项功能;在元数据和存储设备模块中提供了增加安全保护机制的安全接口,通过实现的不同安全保护机制,能模拟各类安全存储区域网系统,从而为测试各类应用于保护存储区域网系统的安全机制提供良好的平台;最后在元数据和存储设备模块中,通过功能接口实现了基本的元数据管理和存储设备中的数据管理功能,测试系统是否能正确地处理访问请求,完成存储区域网的功能.测试结果表明:开放式安全存储区域网模拟平台能模拟存储区域网处理访问请求的流程,为测试各类应用于保护存储区域网系统的安全机制提供了良好的基础.     

实时视频图像中的人脸检测与跟踪

视频图像目标检测与跟踪是远程协作系统中感兴趣的研究课题之一。文中提出了一种协同系统中视频序列图像人脸检测及实时跟踪的方法。该方法根据用户选定的目标(如人脸)的颜色分布特点，用多幅训练样本图像建立人脸肤色模型，然后根据该模型和人脸特征对待检测的彩色图像进行分割与匹配，从而确定候选区域是否人脸。在视频图像跟踪中用此方法可实现人脸的实时检测跟踪，为了提高跟踪速度，提出了改进的基于运动预测的快速跟踪法。该方法充分利用运动连续性规律，能较好地处理多干扰目标同时出现的情形。实验表明所提出的方法执行效率高，检测跟踪正确率高．对有旋转的非正面人脸图像也有较好的适应性。     

实时视频图像快速唇部检测方法的研究与实现

在视频图像中快速提取完整的嘴唇外形是计算机唇读系统的首要任务之一，文中提出了一种综合采用Red Exclusion和Fisher变换的唇部检测方法，根据肤色模型和运动相关性在视频图像中检测人脸，然后在RGB空间内排除红色，用(G，B)分量作为Fisher变换矢量，对人脸下三分之一区域进行唇部图像增强，并利用增强后的灰度图像的灰度值呈正态分布这一特性，自适应确定肤色和唇色阈值，将唇部从背景图像中分割出来。该方法能检测出完整的嘴唇外形，且检测速度高，对光照、胡须及说话人不敏感。