[論文レビュー] HiFlash: A History Independent Flash Device

Bo Chen, Radu Sion|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2015

Advanced Data Storage Technologies参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

HiFlash は、ストレージレイアウト解析を通じて過去のデータ存在を推測されるのを防ぐ、歴史に依存しないフラッシュストレージデバイスの最初の実装である。双射的な仮想ブロックIDから物理的フラッシュページへのマッピング、調整可能な漏洩を許容する歴史に配慮したウェアレベリング機構、最適化されたライトアンプリフィケーションを採用することで、強力な歴史的独立性を達成し、デバイスの寿命を著しく延長するとともに、フラッシュメモリシステムにおける履歴に基づく側面からの攻撃を排除する。

ABSTRACT

Retention regulations require timely and irrecoverable disposal of data, a challenging task, as data and its side effects are stored and maintained at all layers of a computing system. Those side effects can be used as an oracle to derive the past existence of deleted data. Fortunately, history independence can be utilized to eliminate such history-related oracles. HIFS can provide history independence for file storage over mechanical disk drives. However, HIFS cannot provide history independence when deployed on top of flash devices, as flash memory manages its own internal block placement, which is often inherently history dependent. In this work, we initiate research on history independent flash devices. We design HiFlash, which achieves a strong notion of history independence by defending against an adversary allowed access to the flash at multiple different points in time. In addition, we design a simple, yet history independence friendly wear-leveling mechanism that allows HiFlash to smartly and advantageously trade off a tunable small amount of history leakage for a significant increase in the device's lifetime. Our prototype built in an actual flash device as well as extensive simulations validate the effectiveness of HiFlash.

研究の動機と目的

• ストレージレイアウトのアーティファクトを通じてデータアクセス履歴が漏洩するという、フラッシュストレージデバイスにおける歴史的独立性の欠如を解消すること。
• 商品用フラッシュウェアレベリングおよび割り当てメカニズムに内在する歴史的依存性を克服すること。
• 性能や耐久性を犠牲にすることなく、強力な歴史的独立性を達成する実用的で展開可能なフラッシュデバイスを設計すること。
• 規制環境における安全な削除を可能にするために、過去のデータ存在を示すオリクルを排除すること。
• プロトタイプ実装と広範なシミュレーションを通じて、歴史的独立性を持つフラッシュストレージの実現可能性と有効性を検証すること。

提案手法

• 仮想ブロックIDと物理的フラッシュページの間で双射的マッピングを設計し、履歴依存のレイアウトパターンを完全に排除する。
• エポック単位で動作する新しいウェアレベリング機構を導入し、パフォーマンスと耐久性の向上を図るための制御可能で調整可能な履歴漏洩を許容する。
• 非揮発性フラッシュをキャッシュとして使用するジャーナリングライトバック戦略を採用し、より少ないエラーストロングに書き込みをバッチ処理することで、ライトアンプリフィケーションを低減する。
• 最近アクセスされたブロックを再利用することで時間的局所性を最適化し、パフォーマンスを向上させつつも、歴史的独立性を保持する。
• エポック単位でウェアレベリングを適用するハイブリッドアプローチを採用し、ブロック移動回数を最小限に抑えつつ、レイアウトの区別不能性を維持する。
• 実際のフラッシュハードウェア上で物理的プロトタイプを構築し、多様なワークロードを対象とした広範なトレース駆動型シミュレーションを通じて設計を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラッシュストレージデバイスにおいて、内部のウェアレベリングおよび割り当てメカニズムが存在する中で、歴史的独立性を達成できるか？
• RQ2 フラッシュメモリの制約を考慮しても、高いパフォーマンスと長寿命を維持しつつ、歴史的独立性を持つフラッシュデバイスをどのように設計できるか？
• RQ3 履歴漏洩とデバイス耐久性の間にはどのようなトレードオフがあり、それが実用的展開に耐えるように調整可能かつ許容可能なものとできるか？
• RQ4 歴史的独立性を損なわず、時間的局所性をどの程度活用できるか？
• RQ5 歴史的独立性を持つフラッシュデバイスのプロトタイプは、実ハードウェアおよび現実的なワークロード上で成功裏に実装・検証できるか？

主な発見

• HiFlash は、過去のデータ存在を示すレイアウトベースのオリクルを完全に排除することで、強力な歴史的独立性を達成した。
• 実際のフラッシュハードウェア上でのプロトタイプ実装により、歴史的独立性を持つフラッシュストレージの実現可能性が確認された。
• 広範なシミュレーションにより、HiFlash は時間的局所性を活用することでライトアンプリフィケーションを低減し、デバイス耐久性を向上させた。
• エポックベースのウェアレベリング機構により、履歴漏洩と寿命延長の間で調整可能なトレードオフが実現可能であり、最適設定下でブロック寿命が最大2.5倍向上することがシミュレーションで示された。
• HiFlash のエポックウェアレベリングでは、グローバルウェアレベリングと比較して、ワークロード全体にわたるブロック消去の分布がはるかに均等になった。これは、より良い負荷分散を示している。
• 敵対的アクセスが複数の時刻にわたっても、HiFlash は強力なセキュリティ保証を維持しており、履歴再構築攻撃に対して耐性があることが示された。