固態存儲：原理、架構與數據安全 固态存储：原理、架构与数据安全

固態存儲發展極為迅速，目前已成為一個新興熱點領域。雲計算、物聯網、大數據時代的到來，為存儲技術的創新帶來了新的機遇和挑戰。隨著新型固態存儲介質的日漸成熟，延時越來越低，帶寬越來越高，以動態隨機存儲器為代表的易失型存儲設備在主存中的壟斷地位將可能被非易失型固態存儲設備所取代。而不斷增大的容量和不斷降低的價格，使固態存儲技術越來越適合於構建高性能的外部存儲設備。以磁盤為代表的機械驅動外部存儲設備的主流地位將逐步被固態存儲設備取代，使得存儲系統的訪問模式可能轉為利用電子設備的電氣特性而非機械轉動。總之，固態存儲已成為數據存儲發展的必然趨勢，其安全性、機密性、可靠性等值得關註。

夏魯寧，2008年畢業於中國科學院大學（原中國科學院研究生院），獲信息安全專業工學博士學位。現就職於中國科學院信息工程研究所，擔任高級工程師。研究領域為密碼工程、網絡與系統安全、嵌入式系統安全。研究興趣包括：密碼應用技術、固態存儲安全技術等。
賈世傑，2017年在中國科學院大學信息安全專業獲得工學博士學位。現就職於中國科學院信息工程研究所，擔任助理研究員。研究領域為網絡與系統安全、嵌入式系統安全。研究興趣包括：固態存儲安全、雲計算、惡意軟件分析等。
陳波，2014年在美國新澤西理工學院（NJIT）獲得博士學位。曾在紐約州立大學石溪分校和賓州州立大學從事博士後研究工作。現就職於美國密歇根理工大學（MTU），擔任助理教授。研究領域為網絡與信息系統安全。研究興趣包括：雲計算、移動設備、閃存等的安全和隱私。

前言

第一部分存儲技術基礎

第1章存儲技術概要

1.1存儲技術發展簡史
1.2存儲介質
1.2.1磁介質
1.2.2光介質
1.2.3半導體存儲器
1.3磁盤陣列
1.4網絡化存儲
1.4.1網絡存儲架構
1.4 .2分佈式存儲
1.5大數據時代下的新興存儲技術
1.6存儲系統的邏輯構成
1.6.1主機系統
1.6.2互連方式
1.6.3存儲器層次結構
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第2章文件系統

2.1fAT 
2.1.1FAT的發展概況
2.1.2FAT的重要概念
2.1.3FAT32的原理
2.1.4FAT的優缺點
2.2EXT 
2.2.1EXT的發展概況
2.2.2樹形目錄結構
2.2.3EXT的磁盤佈局
2.2.4數據塊尋址方法
2.2 .5日誌系統
2.2.6EXT4引入的新特性
2.3NTFS 
2.3.1NTFS的重要概念
2.3.2NTFS的元文件和總體佈局
2.3.3NTFS的引導扇區
2.3.4NTFS的文件存儲特性
2.4CDFS 
2.4.1邏輯存儲結構
2.4.2CD—ROM上數據的定位
2.4.3CDFS的改進
2.5其他文件系統
2.5.1BtrFS 
2.5.2ZFS 
2.5.3HFS 
2.5.4HFS+ 
2.5.5ReiserFS 
2.5. 6JFS 
2.5.7XFS 
2.5.8UFS 
2.5.9VMFS 
2.5.10VxFS 
2.5.11ReFS 
2.6常用文件系統的對比分析
本章參考文獻

第3章接口與協議

3.1IDE 
3.1.17種ATA物理接口規範
3.1.2IDE數據傳輸模式
3.2SCSI 
3.2.1SCSI電氣特徵
3.2.2SCSI接口協議
3.2.3SCSI接口的發展
3.2.4SCSI與IDE的比較
3.3SATA 
3.3.1SATA接口的組成
3.3.2SATA協議介紹
3.3.3SATA兼容性
3.3.4SATA的優點和不足
3.4其他接口
3.4.1PCI—E 
3.4.2FC
3.4.3SAS 
本章參考文獻

第二部分固態存儲的原理與架構

第4章固態存儲基本知識和工作原理

4.1基本知識
4.1.1半導體存儲器概述
4.1.2固態存儲器的分類
4.1.3固態存儲器的特點
4.2Flash存儲介質工作原理
4.2.1NORFlash 
4.2.2NANDFlash 
4.2.3NANDFlash陣列
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第5章固態存儲架構

5.1概述
5.2主機接口
5.3主控芯片
5.4緩存
5.5閃存接口
本章參考文獻

第6章固態存儲文件系統

6.1概述
6.2 JFFS2 
6.2.1主要節點
6.2.2掛載過程
6.2.3寫文件過程
6.2.4讀文件過程
6.2.5垃圾回收機制
6.3YAFFS 
6.3.1基本概念
6.3.2內存結構
6.3.3掃描掛載
6.3. 4垃圾回收
6.3.5使用均衡
6.4UBIFS 
6.4UBI 
6.4.2UBIFS分析
6.5eXFAT
6.5.1exFAT分區佈局
6.5.2目錄項
本章參考文獻

第7章容錯與寫平衡

7.1錯誤校驗碼
7.1.1概述
7.1.2漢明碼
7.1.3BCH碼
7.1.4里德·所羅門碼
7.2平衡機制
7.2 .1概述
7.2.2垃圾回收
7.2.3使用均衡
7.3壞塊管理
7.3.1概述
7.3.2壞塊管理的實現
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第三部分固態存儲安全技術

第8章數據安全刪除

8.1基於NANDFlash的存儲設備訪問層次模型
8.2控制器層方案
8.2.1Scrubbing方案
8.2.2基於修改典型FTL機制的數據安全刪除方案
8.2.3NFPS：不可檢測的數據安全刪除方案
8.2.4TedFlash：完備數據安全刪除方案
8.3文件系統層方案
8.3.1基於YAFFS的方案
8.3.2基於UBIFS的方案
8.4應用層方案
8.5跨層方案
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第9章存儲數據機密性保護

9.1XTS—AES 
9.1.1概述
9.1.2單個128位數據塊的XTS—AES加密
9.1.3數據單元的XTS—AES加密
9.1.4XTS—AES的工作模式
9.2可否認加密
9.2.1可否認加密與認證協議簡介
9.2.2面向桌面系統的可否認加密方案
9.2.3面向移動系統的可否認加密方案
9.2.4面向NANDFlash的可否認加密方案
本章參考文獻

第10章NANDFlash物理不可克隆技術

10.1NANDFlashPUF相關原理概述
10.1.1NANDFlash存儲單元的聞值電壓
10.1.2NANDFlash存儲單元之間的相互干擾
10.2 NANDFlashPUF應用
10.2.1提取設備指紋
10.2.2提取隨機數
10.2.3信息隱藏
10.2.4提取密鑰
本章參考文獻

第11章展望

11.13DNAND閃存
11.1.13DNAND閃存的優勢
11.1.2主要廠商的3DNAND閃存及其特色
11.2相變存儲器
11.3全息存儲技術
本章參考文獻