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标题	基于NAND闪存的安全U盘FTL算法研究
范文	赵啟鹏 摘要： 以闪存为存储介质的U盘因操作速度快、安全可靠性高、便于携带等优点，应用范围越来越广。随着闪存技术的不断发展，基于页级映射策略的FTL优良特性难以体现。在页级映射策略以及确保信息安全的基础上，以国产S261主控加密闪存盘为例，提出了一种混合映射算法，采用三级寻址方式实现逻辑地址到物理地址的转换，并对其进行优化，实现快速寻址。实验结果表明，采用该算法的安全U盘读写性能良好。 关键词：安全U盘；闪存转换层；混合映射；三级寻址DOI： 10.11907/rjdk.162648 中图分类号： TP312 文献标识码：文章编号：16727800（2017）004003803 0引言 移动存储设备应用广泛，但随之产生的信息安全问题也成为人们关注的焦点。安全闪存盘采用半导体技术以及硬件加密，具有容量大、耐高低温、防信息泄露等特性[1]。闪存盘的存储介质即闪存拥有的特性[2]，比如先擦后写特性、有限的使用寿命、操作系统无法直接对其进行读写操作等。为了隐藏这些特性并将其模仿成标准块设备，可使用闪存转换层（FTL）的中间软件层管理闪存。由于闪存先擦后写的特性，数据更新不能像机械盘一样覆盖写入，而是将更新过的数据写入一个空闲页，并将存储原先数据的页标记为无效页。因此，为了将一个主机逻辑地址转化为物理闪存地址，提出了地址映射，更确切地说，是将一个逻辑页号（LPN）转换为一个物理页号（PPN），这个过程称为地址转换。 为了快速实现地址转化，FTL将逻辑地址转化为物理地址（LPN-to-PPN）的映射表缓存在RAM里[3]。随着闪存盘容量的不断扩大，映射表越来越大，RAM缓存压力也越来越大，尤其是基于页级地址映射策略的FTL，虽然能够实现快速寻址，但也耗用了大量的RAM空间。一些基于页级地址映射的FTL为了降低RAM的使用需求，将大部分地址映射项存储在闪存上，将小部分频繁访问的地址映射项存储在RAM里。这样的策略是建立在最少使用算法（LRU）基础上的[4]，当采用直接映射缓存管理时，映射效率会变得很低。 本文在使用加密技术确保闪存盘数据安全的基础上[5]，为减少RAM的使用，采用混合映射策略，同时将逻辑地址划分为类似于物理地址的格式，并利用三级寻址方式将逻辑地址转换为物理地址。 1地址映射表设计 1.1映射策略 混合映射算法页级映射局限于逻辑块（Logic Block），一个逻辑块可以映射多个物理块（Physical Block），但一个物理块只能映射一个逻辑块[6]。一个逻辑块映射的物理块数量有一定限制，被映射的物理块数量称为Depth。为确保容量损失最小，本算法可支持的Depth为3～6，具体取值决定于逻辑块类型和页映射表类型。 1.2映射表设计 本算法逻辑块内的映射策略采用页级映射。为了表示映射关系，设计了页映射表PMT（Page Mapping Table ）。此外，为了实现快速寻址以及减少RAM的使用，在PMT基础上又设计了3种索引表，分别为簇索引表CIT（Cluster Index Table）、一级索引表PIT（Primary Index Table）、二级索引表SIT（Second Index Table）。 1.2.1PMT设计 PMT是整个算法的核心，包括逻辑页到物理页的映射（Logic Page to Physical Page Mapping）、块链单元位掩码域（Block Chain Unit X Bit Mask Field）、块链信息域（Block Chain Log Field）、页信息域（Page Log Field）、标记域（Flag Field）。图1是PMT设计框架。 （1）Logic Page To Physical Page。用内存地址表示逻辑页号，内存值表示物理页号，这样就可以根据逻辑页号获取到物理页号。如果1Physical Block=256 Physical Pages，那么就需要8bits来表示逻辑页号。可以使用1byte内存地址来表示逻辑页号，那么1个Physical Block就需要256 bytes的内存地址。（2）Block Chain Unit X Bit Mask Field。由于本算法是一个逻辑块对应多个物理块，所以将多个物理块组成一个块链（Block Chain），块链中的物理块也称之为单元块（Unit）。虽然一个逻辑页可以映射到多个物理块中的物理页，但最终只有一个物理页有效。为了确定哪个物理块中的物理页有效，逻辑页对应的位值“0”表示有效，值“1”表示无效。如果一个1Physical Block=256 Physical Pages，那么就需要256bits（16bytes）来表示一个物理块中所有物理页是否有效。（3）Block Chain Log Field。块链信息域保存的是物理块号，一般需要2bytes来表示物理块号。由于本算法中的Depth最大为6，需要12bytes的存储空间，所以分配16bytes即可。（4）Page Log Field。表示块链中每个物理块的物理页使用情况，其中UP（Used Pages）表示已经使用物理页数量，VP（Valid Pages）表示有效的物理页数量。如果1 Physical Block=256 Physical Pages，那么就需要12bytes来表示具体的物理页数量信息。（5）Flag Field。表示Depth信息、物理块被写次数、物理块总共擦除次数等。 1.2.2SIT设计 本算法的PMT大小为512 bytes，目前Flash最小的Page大小为2KB，为了提高Flash Page的使用效率，將4张PMT组成一个存储单元，然后放入Flash Page中。该单元称为二级索引表SIT（Second Index Table）。1张PMT表示的是一个Logic Block到多个Physical Block的映射关系，所以1张SIT可以表示4个Logic Block映射关系。将4个Logic Block称为4个SubBlock，同时将4个Logic Block统称为1个PrimBlock，即1PrimBlock = 4 SubBlocks。图2是SIT架构。
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