安全非易失内存系统中高性能一致性方法研究

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新型非易失内存存储器(Non-Volatile Memory,NVM)具有持久性和与动态随机存取存储器相近的性能,它的存储密度高、能耗低,有望成为下一代内存。由于具有非易失性,非易失内存的有效部署面临数据安全性和崩溃一致性两大挑战,这两大挑战一般分别通过使用安全机制和事务技术来解决。在安全机制方面,计数器模式加密和盆景默克尔树验证经常被非易失内存系统用于安全性保证,这包括内存加密和完整性验证。由于安全机制引入了安全元数据,在保证安全非易失内存中数据的崩溃一致性时,不仅需要采用事务技术来保证数据的一致性,还需要将数据和安全元数据原子地持久化到内存,这会导致高性能开销和有限的系统寿命,主要原因是默克尔树的长延时更新加剧了事务的持久化顺序开销,而安全元数据的持久化进一步加重了非易失内存的写放大。为了减轻事务的持久化顺序开销并减小由安全元数据引起的写放大,提出了一种保证安全非易失内存系统中数据崩溃一致性的方法,称为COSET(COnsistency for SEcure NVM with Transaction)。COSET提供了可扩展的直写式安全元数据缓存,通过预先持久化数据和安全元数据并将昂贵的默克尔树更新转移至后台执行,该直写式缓存在确保数据和安全元数据的原子持久化的同时提高了系统的吞吐量。为了降低软件事务的持久化顺序开销,COSET利用了基于事务的时期(epoch)持久性模型,通过并行持久化事务中的日志-原地更新序列来允许事务的执行过程仅包括对持久化排序的最小约束,从而显著减少了事务的执行延迟。另外,COSET将计数器与日志条目并置且在写队列中对相同默克尔树节点写入进行合并,以减少安全元数据的内存写入次数,从而提升系统的性能和写寿命。实验结果表明,与标准直写式缓存方法相比,COSET显著降低了事务执行延迟和内存写入次数;与现有的应用透明的一致性方法相比,COSET实现了更好的事务性能和更少的内存写入。
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