基于NAND閃存的安全U盤FTL算法研究

趙啟鵬

摘要： 以閃存為存儲介質的U盤因操作速度快、安全可靠性高、便于攜帶等優點，應用范圍越來越廣。隨著閃存技術的不斷發展，基于頁級映射策略的FTL優良特性難以體現。在頁級映射策略以及確保信息安全的基礎上，以國產S261主控加密閃存盤為例，提出了一種混合映射算法，采用三級尋址方式實現邏輯地址到物理地址的轉換，并對其進行優化，實現快速尋址。實驗結果表明，采用該算法的安全U盤讀寫性能良好。

關鍵詞：安全U盤；閃存轉換層；混合映射；三級尋址DOI： 10.11907/rjdk.162648 中圖分類號： TP312 文獻標識碼：文章編號：16727800（2017）004003803

0引言 移動存儲設備應用廣泛，但隨之產生的信息安全問題也成為人們關注的焦點。安全閃存盤采用半導體技術以及硬件加密，具有容量大、耐高低溫、防信息泄露等特性[1]。閃存盤的存儲介質即閃存擁有的特性[2]，比如先擦后寫特性、有限的使用壽命、操作系統無法直接對其進行讀寫操作等。為了隱藏這些特性并將其模仿成標準塊設備，可使用閃存轉換層（FTL）的中間軟件層管理閃存。由于閃存先擦后寫的特性，數據更新不能像機械盤一樣覆蓋寫入，而是將更新過的數據寫入一個空閑頁，并將存儲原先數據的頁標記為無效頁。因此，為了將一個主機邏輯地址轉化為物理閃存地址，提出了地址映射，更確切地說，是將一個邏輯頁號（LPN）轉換為一個物理頁號（PPN），這個過程稱為地址轉換。 為了快速實現地址轉化，FTL將邏輯地址轉化為物理地址（LPN-to-PPN）的映射表緩存在RAM里[3]。隨著閃存盤容量的不斷擴大，映射表越來越大，RAM緩存壓力也越來越大，尤其是基于頁級地址映射策略的FTL，雖然能夠實現快速尋址，但也耗用了大量的RAM空間。一些基于頁級地址映射的FTL為了降低RAM的使用需求，將大部分地址映射項存儲在閃存上，將小部分頻繁訪問的地址映射項存儲在RAM里。這樣的策略是建立在最少使用算法（LRU）基礎上的[4]，當采用直接映射緩存管理時，映射效率會變得很低。 本文在使用加密技術確保閃存盤數據安全的基礎上[5]，為減少RAM的使用，采用混合映射策略，同時將邏輯地址劃分為類似于物理地址的格式，并利用三級尋址方式將邏輯地址轉換為物理地址。

1地址映射表設計

1.1映射策略 混合映射算法頁級映射局限于邏輯塊（Logic Block），一個邏輯塊可以映射多個物理塊（Physical Block），但一個物理塊只能映射一個邏輯塊[6]。一個邏輯塊映射的物理塊數量有一定限制，被映射的物理塊數量稱為Depth。為確保容量損失最小，本算法可支持的Depth為3～6，具體取值決定于邏輯塊類型和頁映射表類型。

1.2映射表設計 本算法邏輯塊內的映射策略采用頁級映射。為了表示映射關系，設計了頁映射表PMT（Page Mapping Table ）。此外，為了實現快速尋址以及減少RAM的使用，在PMT基礎上又設計了3種索引表，分別為簇索引表CIT（Cluster Index Table）、一級索引表PIT（Primary Index Table）、二級索引表SIT（Second Index Table）。 1.2.1PMT設計 PMT是整個算法的核心，包括邏輯頁到物理頁的映射（Logic Page to Physical Page Mapping）、塊鏈單元位掩碼域（Block Chain Unit X Bit Mask Field）、塊鏈信息域（Block Chain Log Field）、頁信息域（Page Log Field）、標記域（Flag Field）。圖1是PMT設計框架。

（1）Logic Page To Physical Page。用內存地址表示邏輯頁號，內存值表示物理頁號，這樣就可以根據邏輯頁號獲取到物理頁號。如果1Physical Block=256 Physical Pages，那么就需要8bits來表示邏輯頁號。可以使用1byte內存地址來表示邏輯頁號，那么1個Physical Block就需要256 bytes的內存地址。（2）Block Chain Unit X Bit Mask Field。由于本算法是一個邏輯塊對應多個物理塊，所以將多個物理塊組成一個塊鏈（Block Chain），塊鏈中的物理塊也稱之為單元塊（Unit）。雖然一個邏輯頁可以映射到多個物理塊中的物理頁，但最終只有一個物理頁有效。為了確定哪個物理塊中的物理頁有效，邏輯頁對應的位值“0”表示有效，值“1”表示無效。如果一個1Physical Block=256 Physical Pages，那么就需要256bits（16bytes）來表示一個物理塊中所有物理頁是否有效。（3）Block Chain Log Field。塊鏈信息域保存的是物理塊號，一般需要2bytes來表示物理塊號。由于本算法中的Depth最大為6，需要12bytes的存儲空間，所以分配16bytes即可。（4）Page Log Field。表示塊鏈中每個物理塊的物理頁使用情況，其中UP（Used Pages）表示已經使用物理頁數量，VP（Valid Pages）表示有效的物理頁數量。如果1 Physical Block=256 Physical Pages，那么就需要12bytes來表示具體的物理頁數量信息。（5）Flag Field。表示Depth信息、物理塊被寫次數、物理塊總共擦除次數等。 1.2.2SIT設計 本算法的PMT大小為512 bytes，目前Flash最小的Page大小為2KB，為了提高Flash Page的使用效率，將4張PMT組成一個存儲單元，然后放入Flash Page中。該單元稱為二級索引表SIT（Second Index Table）。1張PMT表示的是一個Logic Block到多個Physical Block的映射關系，所以1張SIT可以表示4個Logic Block映射關系。將4個Logic Block稱為4個SubBlock，同時將4個Logic Block統稱為1個PrimBlock，即1PrimBlock = 4 SubBlocks。圖2是SIT架構。