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                    NAND Flash加密文件系統的設計與實現

                    添加時間:2018/11/01 來源:華東師范大學 作者:楊舟
                    Linux作為一款優秀的以GPL證書進行開源的操作系統,在嵌入式應用中得到了越來越廣泛的應用。NANDFlash以其低廉的每bit成本,更大的存儲密度,優秀的環境適應能力,被作為存儲介質廣泛應用于嵌入式系統中。
                    以下為本篇論文正文:

                    論文摘要

                      NANDFlash以其大容量,低成本,低功耗,抗震蕩在非易失存儲介質中占據重要地位,已經被廣泛應用于消費型電子,航空設備等領域。但是由于NANDFlash的物理特性不同于磁盤存儲設備,需要為其提供特別的存儲管理方案,F在主流的解決方案分為FTL+磁盤文件系統和Flash文件系統兩種。Flash文件系統一般采用日志結構,提供掉電保護,崩潰恢復機制和垃圾收集機制,在嵌入式應用中使用廣泛。NANDFlash作為非易失存儲介質大量應用于嵌入式系統,我們必須重視存儲信息的安全問題。由于嵌入式系統具有體積小,便于攜帶,多部署于公共場所等特性,一旦發生設備遺失、被竊或非法攻擊,這些敏感數據將會被非法分子獲取,給擁有者造成損失,甚至威脅到國家安全。加密文件系統是對抗物理攻擊的一種重要方式,具有以文件粒度加密,抗暴力分析能力強;使用簡單,對用戶層應用透明等特點。因此,設計并實現一款針對嵌入式應用的NANDFlash加密文件系統,具有現實意義與實用價值。

                      本文首先分析NANDFlash的物理特性與Li~中文件系統架構,研究EFS,CFS,eCryPtfs等加密文件系統的系統架構與加解密機制,為NFEFs文件系統的設計提供參考與借鑒。隨后深入研究YAFFsZ文件系統的源代碼,詳細分析了YAFFSZ中初始化掛載流程,讀寫機制,對象(ObjecO創建機制,垃圾收集機制,為NFEFS的實現打下了基礎。接著在文中提出了NFEFS文件系統的設計要求,總體架構,并且給出了在YAFFSZ文件系統的基礎上對文件內容加密,對文件結構信息加密,密鑰管理機制以及對不同Linux內核版本的支持的具體實現。最后設計測試方案,對NFEFS的讀寫性能指標進行測試與分析。

                      關鍵詞:嵌入式系統、加密、Linux、NANDFlash、YAFFSZ

                      隨著科學技術不斷發展,嵌入式系統的應用范圍越來越廣泛,對于大容量存儲的需求也越來越來大,NANDFlash以其大容量(已有64G的芯片投入實用),低成本,低功耗,高速讀寫,抗震蕩等諸多優勢在實際應用如消費型電子產品,移動多媒體終端(PMP),航天設備等中占據巨大份額[l]。由于NANDFLASH的物理特性與傳統的硬盤存儲介質不同,不能直接在其上使用原有的磁盤文件系統(FAT,ext3等),需要進行相應的轉換。由此,出現了很多的解決方案。解決方案主要分為兩類,一類是采用閃存轉換層(FTL),其主要原理是將FLASH模擬成為一個傳統磁盤器件,通過管理邏輯頁地址與物理頁地址之間的映射轉換,在其上直接應用FAT,ext3等磁盤文件系統:另一類則是使用特制的日志文件系統來實現對Flash的存儲管理,如:YAFFS,JFFS,ubifs。

                      認FFSm是專門針對NANDFlash進行設計,采用類似JFFS/JFFSZ的日志式文件系統。YAFFS擁有更快的啟動速度,占用內存更少,YAFFS可以工作在不同的操作系統下(如:LINUX,WINCE);并且提供direct模式,可以在無操作系統的情況下使用l3]。

                      在NANDFlash大量應用于嵌入式系統的同時,信息安全的問題日益凸顯。

                      一方面,在當今的信息社會,信息和數據具有越來越高的重要性;另一方面,由于嵌入式系統本來就具有體積小,便于攜帶,多部署于公共場所等特性,一旦發生設備的遺失、被竊或非法攻擊,這些敏感數據將會被非法分子獲取,給擁有者造成損失,甚至威脅到國家安全,由此對信息安全提出了極大的挑戰。

                      特別是在器件丟失的情況下,我們平時所依靠的操作系統安全機制將受到威脅,非法分子完全可以繞過安全操作系統機制,簡單的使用另一個不同的操作系統來獲取存儲介質中的機密數據。要解決這種安全威脅,對存儲介質中的明文數據進行加密就成為了唯一有效的應對這種威脅的方法。存儲介質的加密方式一般分為3種,包括文件加密方式、存儲介質加密方式和加密文件系統。

                      .在應用層使用某種文件加密工具是最基本的加密方式,由于需要用戶的參與,可能會導致用戶忘記使用加密工具或誤操作的情況。另外,對于大文件的加密,由于需要讀出完整的文件內容,將會導致讀寫速度降低;.存儲介質加密在設備驅動層上實現,是使用驅動對對整個存儲介質進行加密,以這種方式實現的加密系統主要有BestcryPt,PGPDisk和Linuxe砂ptoloop等,較缺乏靈活性,無法實現文件粒度的加密;.加密文件系統在普通文件系統的功能的基礎上進行擴展,在文件系統中實現加解密,加密文件系統能夠實現文件粒度的加密工作,還能提供用戶粒度的文件加密管理。Linux中加密文件系統包括CFS,TCFS,以及最新的堆棧式架構的eCrytfs。

                      由于上述加密文件系統方案并不是針對NANDFlash所設計,所以并沒有針對NANDFlash的物理性質進行優化,也沒有針對嵌入式應用環境進行相應的優化。對于一些1/0性能要求較高的嵌入式設備,還必須在數據安全與加密算法復雜度之間找到一個平衡點。因此,本文在YAFFSZ文件系統的基礎上,設計并實現一個針對嵌入式應用的加密文件系統,提供對Flash中數據的安全性保護,具有一定的實用價值和現實意義。

                    樹形結構圖
                    樹形結構圖

                    NFEFS加解密流程圖
                    NFEFS加解密流程圖

                    文件系統讀性能吞吐率
                    文件系統讀性能吞吐率

                    文件系統寫性能吞吐率
                    文件系統寫性能吞吐率

                    目錄

                      第1章 引言
                        1.1 研究背景
                        1.2 論文主要研究工作
                        1.3 論文組織架構
                        1.4 小結
                      第2章 Linux文件系統框架與NANDFlash文件系統
                        2.1 NANDFlash的物理特性
                        2.2 Linux的文件系統架構分析
                        2.3 LINUX中的的NANDFLASH文件系統
                        2.4 小結
                      第3章 加密文件系統的研究
                        3.1 安全標準簡介
                        3.2 windows加密文件系統EFS
                        3.3 Linux中加密文件系統CFS及其擴展
                        3.4 eCryPtfs加密文件系統
                        3.5 小結
                      第4章 yAFFSZ文件系統研究
                        4.1 YAFFSZ文件系統主要數據結構
                        4.2 YAFFSZ文件系統的代碼架構
                        4.3 YAFFSZ文件系統的樹節點(Treenode,Tnode)結構
                        4.4 YAFFSZ文件系統的垃圾收集機制
                        4.5 小結
                      第5章 NFEFS文件系統的設計
                        5.1 NFEFS文件系統的設計要求
                        5.2 NFEFS文件系統的總體架構
                        5.3 NFEFS文件系統加密算法的選取
                        5.4 NFEFS文件系統密鑰管理機制的設計
                        5.5 設計的不足
                        5.6 小結
                      第6章 NFEFS文件系統的實現
                        6.1 NFEFS文件系統特有的數據結構
                        6.2 NFEFS文件系統對文件加解密的實現
                        6.3 NFEFs文件系統ObjectHeader結構加解密的實現
                        6.4 NFEFS文件系統對不同Linux內核版本的支持
                        6.5 NFEFS文件系統密鑰管理機制的實現
                        6.6 小結
                      第7章 測試與分析
                        7.1 測試環境與工具
                        7.2 測試方案設計
                        7.3 測試結果與分析
                        7.4 小結
                      第8章 總結與展望
                        8.1 總結
                      參考文獻
                      致謝
                      攻讀碩士學位期間發表的學術論文

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