[论文解读] 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 7

一句话总结

HiFlash 是首个实现历史无关的闪存存储设备，可防止攻击者通过存储布局分析推断过去数据的存在。它通过双射的虚拟到物理块映射、可调节泄露的友好历史磨损均衡机制以及优化的写放大，实现强大的历史无关性，显著延长设备寿命，同时消除闪存存储系统中的基于历史的侧信道后门。

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.

研究动机与目标

• 为解决闪存存储设备中缺乏历史无关性的问题，该问题会导致通过布局特征泄露数据访问历史。
• 克服商品化闪存磨损均衡和分配机制固有的历史依赖性。
• 设计一种实用且可部署的闪存设备，在不牺牲性能或寿命的前提下实现强历史无关性。
• 通过消除揭示过去数据存在的后门，实现受监管环境中的安全删除。
• 通过原型实现和广泛模拟，验证历史无关闪存存储的可行性和有效性。

提出的方法

• 设计虚拟块ID与物理闪存页之间的双射映射，以消除依赖历史的布局模式。
• 提出一种新型的分代磨损均衡机制，允许在性能和耐久性提升之间实现可控且可调节的历史泄露。
• 采用基于非易失性闪存的记录式回写策略进行缓存，通过将写入批量发送到更少的擦除块来减少写放大。
• 通过重用最近访问的块来优化时间局部性，提升性能的同时保持历史无关性。
• 采用混合方法，在代之间实施磨损均衡，最大限度减少块移动次数，同时保持布局不可区分性。
• 通过真实闪存硬件上的物理原型以及在多样化工作负载下的广泛追踪驱动模拟验证设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在内部磨损均衡和分配机制，是否仍可在闪存存储设备中实现历史无关性？
• RQ2 如何设计一种历史无关的闪存设备，使其在闪存内存的约束下仍能保持高性能和长寿命？
• RQ3 历史泄露与设备耐久性之间的权衡是什么？这些权衡是否可调节且适用于实际部署？
• RQ4 在不损害安全性的前提下，历史无关的闪存系统在多大程度上可以利用时间局部性？
• RQ5 是否能成功在真实硬件和真实工作负载上实现并验证历史无关闪存设备的原型？

主要发现

• HiFlash 通过消除可能揭示过去数据存在的基于布局的后门，成功实现了强历史无关性。
• 在真实闪存硬件上的原型实现证实了历史无关闪存存储的可行性。
• 广泛模拟表明，HiFlash 通过利用时间局部性降低了写放大，从而提升了设备耐久性。
• 基于代的磨损均衡机制允许在历史泄露与寿命延长之间实现可调节的权衡，模拟显示在最优设置下块寿命最高可提升2.5倍。
• 与全局磨损均衡相比，HiFlash 的代磨损均衡使工作负载中块擦除的分布显著更加均匀，表明负载均衡更优。
• 即使在多个时间点遭受对手访问的情况下，HiFlash 仍保持强安全保证，证明其对历史重建攻击具有鲁棒性。