[發明專利]針對用戶態非易失性內存文件系統的保護方法及系統

有效

• 申請號: 201910837471.0
• 申請日: 2019-09-05
• 公開（公告）號: CN110647764B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 董明凱;卜衡;易紀非;董本超;陳海波
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F21/62
• 分類號: G06F21/62
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種針對用戶態非易失性內存文件系統的保護方法及系統，包括：一，利用內存保護鍵機制在用戶態隔離非易失性內存文件系統與應用程序代碼；二，將用戶態文件系統非易失性內存劃分成多區域，在區域之間進行隔離；三，在用戶態處理文件系統錯誤和異常，防止應用程序因文件系統內數據錯誤而異常終止。本發明提供了一種針對用戶態非易失性內存文件系統的保護和隔離機制，保證用戶態非易失性內存文件系統不會因應用程序缺陷和錯誤而造成數據和元數據被肆意破壞，能將元數據錯誤隔離在一定區域之內，防止錯誤散落到整個文件系統，并能防止應用程序因用戶態文件系統中的錯誤而異常終止，提升了整個系統的可靠性、魯棒性和可用性。

技術領域

本發明涉及存儲技術領域，具體地，涉及一種針對用戶態非易失性內存文件系統的保護方法及系統。

背景技術

非易失性內存具有和普通內存相近的低延遲和高吞吐，同時具有存儲設備的非易失性和高密度。同時，非易失性內存可以以字節粒度尋址，可以使用處理器的load/store指令像訪問普通內存一樣進行訪問。因此，非易失性內存可以直接在用戶態被管理。

非易失性內存的出現，使得用戶態文件系統變得更加高效。傳統的用戶態文件系統均需要的內核的緊密配合。如使用FUSE的用戶態文件系統，當應用程序發出系統調用之后，系統調用的信息以及數據會先被傳送到內核，內核再將所有的信息轉發給用戶態的FUSE文件系統進程，文件系統可能依然需要陷入內核進行各種操作。最后請求的處理結果會按照順序層層傳遞回應用程序。這過程中有大量是數據拷貝操作以及上下文切換操作，嚴重影響的用戶態文件系統的性能。非易失性內存，由于其高性能和可字節尋址性，可以大大簡化這個過程。新型用戶態非易失性內存文件系統，可以將部分或者全部非易失性內存映射(mmap)到用戶態內存空間，之后對于用戶發出的文件系統調用進行攔截，若發現可以在用戶態直接處理，則無需進入內核。相對于傳統方案，新型用戶態非易失性內存文件系統顯著減少了上下文切換和數據拷貝帶來的性能開銷。專利文獻CN109445685A公開了一種用戶態文件系統請求的處理方法，包括：若為實際文件寫請求，則先向內核守護進程發送數據寫請求，以使得內核守護進程直接將待寫入的數據寫入數據文件中，并根據被訪問實際文件與數據文件之間的映射關系建立映射表；然后向內核守護進程發送元數據寫請求，以使得內核守護進程將所建立的映射表寫入元數據文件中；若為實際文件讀請求，則先向內核守護進程發送元數據讀請求，以使得內核守護進程從元數據文件中讀取映射表；然后向內核守護進程發送數據讀請求，以使得內核守護進程根據所讀取的映射表直接從數據文件中讀取所請求的數據。

雖然新型用戶態非易失性內存文件系統提供了更高的性能，但是其也帶來了一些問題。用戶態文件系統及其管理的非易失性內存與應用程序處于同一內存空間中。應用程序中的缺陷很容易覆寫非易失性內存中數據和元數據，造成用戶態文件系統的損壞。同時，由于用戶態文件系統可以訪問所有非易失性內存，當非易失性內存中存儲的某個元數據發生錯誤，文件系統的代碼將錯誤的修改非易失性內存，從而造成錯誤在文件系統中蔓延，整個文件系統被損壞。最后，由于用戶態文件系統與應用程序處于用戶態，若某線程在用戶態文件系統代碼中出現了內存訪問異常等，會導致整個應用程序被終止。其中包括其他正在操作非易失性內存的線程，會造成文件系統數據的損壞。

因此，如何在不過多影響整體性能的情況下，針對用戶態非易失性內存文件系統設計高效的保護和隔離機制，對于完善高性能用戶態非易失性內存系統，提升整個系統的可靠性、魯棒性和可用性至關重要。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種針對用戶態非易失性內存文件系統的保護方法及系統。

根據本發明提供的一種針對用戶態非易失性內存文件系統的保護方法，包括：

文件系統與應用程序隔離步驟：利用內存保護鍵機制在用戶態隔離非易失性內存文件系統與應用程序代碼；

文件系統區域數據隔離步驟：將用戶態文件系統管理的非易失性內存劃分成多區域，將不同的區域映射到不同的內存保存組中，將元數據錯誤限定在一個區域內；