Deterministic Crash Recovery for NAND Flash based Storage System...

NAND闪存作为移动设备中的主导存储介质，其稳定性和可靠性对数据的保护至关重要。本文提出了针对NAND闪存存储系统的确定性崩溃恢复（DCR）方法，旨在解决系统崩溃后如何快速有效地恢复闪存转换层（FTL）元数据一致性的问题。 FTL是管理NAND闪存的核心组件，直接使用各种元数据管理底层的闪存。由于闪存具有有限的擦写次数，因此在设计FTL时必须采取措施来减轻写入放大效应。当系统崩溃时，如果未能妥善处理FTL元数据的一致性，可能会导致数据丢失或损坏。为了确保数据的安全性，FTL会在适当的时间点创建检查点（checkpoint），这样在发生崩溃时系统可以回滚到最近的一致状态。 本文提出的DCR方法基于FTL操作的确定性，通过复现崩溃前最后一个检查点到崩溃点之间发生的事件来进行恢复。与传统的需要扫描整个闪存芯片的方法不同，DCR方法通过检查有限数量的块来实现系统恢复，这是基于对FTL操作确定性的利用。该方法仅需检查那些在崩溃前进行过写入操作的块，从而显著减少了恢复所需的时间。 为了验证DCR方法的有效性，作者在基于ARM11的嵌入式评估板上实现了DCR，并与一种流行的基于版本的方案进行比较。实验结果显示，DCR在确保FTL元数据一致性的同时，能够大大减少恢复时间。 实验中所使用的块级FTL是一种常见的FTL实现方式，它将闪存划分为若干个块，并将这些块映射到逻辑块地址（LBA）。通过这种方式，块级FTL需要维护一个地址映射表来记录LBA到物理块的映射信息，同时也需要管理一些辅助元数据，如擦写计数、坏块信息等。 DCR方法的关键在于其确定性，它依赖于FTL操作的可预测性来快速定位需要检查的块。在执行恢复操作时，DCR方法首先回放最后一个检查点之后的写入操作，然后检查这些操作是否成功完成了。如果某个写入操作失败，DCR将根据FTL的确定性规则来确定必须回滚或重做的块。由于只需要检查有限数量的块，DCR方法能够在较短的时间内完成恢复，并确保FTL元数据的一致性。 此外，本文的研究表明，确定性恢复方法也可以用来提高存储系统的故障容忍能力。在发生故障时，确定性恢复方法允许存储系统快速地从崩溃状态恢复到正常运行状态，从而缩短系统的停机时间，并提高系统的整体可靠性。 确定性崩溃恢复（DCR）方法为NAND闪存存储系统提供了一种有效的崩溃恢复策略，能够有效减少恢复时间，同时确保恢复后元数据的一致性，对于提高NAND闪存存储系统的可靠性和性能具有重要意义。未来的研究可以进一步扩展DCR方法的应用范围，例如将其应用于分布式存储系统中，以及探索其他类型的存储介质，如SSD和3D NAND闪存，以实现更广泛的数据保护和恢复策略。