郭松輝，王玉龍，2，邵奇峰，牛小鵬，2

（1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州450000；2.信息工程大學(xué) 數(shù)學(xué)工程與先進(jìn)計(jì)算國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450000）

0 引 言

目前，基于Flash［1］的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備被人們廣泛使用。如何保護(hù)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)安全已成為一個(gè)重要課題，安全存儲(chǔ)器的概念應(yīng)運(yùn)而生。在安全存儲(chǔ)器的使用過程中，其數(shù)據(jù)殘留的徹底清除問題容易被忽視。這對(duì)于一些數(shù)據(jù)敏感領(lǐng)域極其重要，因?yàn)榧词故羌用艿臄?shù)據(jù)落在攻擊者手中也是不被允許的。目前，關(guān)于如何進(jìn)行數(shù)據(jù)銷毀的研究主要關(guān)注磁盤 （或陣列）中數(shù)據(jù)銷毀問題，如采用物理消磁、多次覆寫等手段［2－5］，而對(duì)基于閃存芯片的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中數(shù)據(jù)銷毀問題研究較少，現(xiàn)有的主要手段是通過主機(jī)對(duì)設(shè)備目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)填充的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的銷毀或清除。這種方法對(duì)于閃存型存儲(chǔ)器存在兩方面問題：①該方法需要通過寫操作來完成，而在閃存中寫操作過程繁瑣，耗時(shí)較長，時(shí)間開銷很大［6］；②出于對(duì)閃存壽命及磨損平衡的考慮，存儲(chǔ)器保留有用于備份的冗余塊，該方法在使用過程中會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)殘留在備份塊中。

為了避免上述問題，本文提出了一種基于硬件操作的由控制器完成的數(shù)據(jù)快速刪除方案。該方案通過在固件中植入數(shù)據(jù)刪除模塊，在特定條件下觸發(fā)，可自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)刪除操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方案，可在文件系統(tǒng)不被破壞的前提下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除操作，無論采取軟件技術(shù)還是硬件技術(shù)，被刪除的數(shù)據(jù)均不可恢復(fù)。

1 Flash型存儲(chǔ)系統(tǒng)原理

Flash芯片無法像磁盤一樣隨意讀寫，只能按照一定大小的地址塊進(jìn)行操作，因此，若想與傳統(tǒng)磁盤設(shè)備兼容，還需借助控制器來完成。有關(guān)Nand Flash特點(diǎn)及存儲(chǔ)管理方案將分別在本節(jié)的1.1、1.2小節(jié)進(jìn)行討論。

1.1 Nand Flash芯片操作特征分析

Nand Flash芯片［6］的物理結(jié)構(gòu)為陣列式結(jié)構(gòu)，依據(jù)其陳列的行列分布特點(diǎn)，在使用時(shí)劃分為頁 （Page）、塊（Block）、區(qū) （Zone）這3級(jí)。每64個(gè)頁組成一個(gè)物理塊，每1024個(gè)物理塊組成一個(gè)區(qū) （Zone）。

由于制造工藝與實(shí)現(xiàn)原理的特殊性，使得Flash芯片具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）在生產(chǎn)和使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)無法正常使用的壞塊。因此，Nand Flash 在使用時(shí)，需保留部分物理塊備用。

（2）只能按塊進(jìn)行擦除、按頁進(jìn)行讀寫，且只能對(duì)已擦除的頁進(jìn)行寫操作。因此，若要對(duì)物理塊X 的Page N 進(jìn)行修改，需先將待修改的頁讀入緩存修改，修改后寫入一個(gè)未被使用的塊中，然后再將原塊中未修改的頁搬移到新塊中，將原物理塊設(shè)置為未使用。具體過程如圖1所示。

圖1 修改物理頁操作

1.2 基于FTL的存儲(chǔ)管理機(jī)制

為了與傳統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)設(shè)備保持兼容，閃存控制器使用一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法建立一個(gè) “閃存轉(zhuǎn)換層 （flash translation layer，F(xiàn)TL）”，向上層提供塊設(shè)備接口，并對(duì)下層存儲(chǔ)器進(jìn)行有效管理。

FTL層關(guān)鍵作用是高效可靠地實(shí)現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的尋址。基于查找表 （look－up table）的地址映射方案實(shí)現(xiàn)FTL層是最常用的方法。下面是一個(gè)較為有效的實(shí)現(xiàn)方案。

固件為每個(gè)區(qū) （zone）建立一個(gè)一表兩用的查找表gLog2Phy［］，每個(gè)gLog2Phy［］為1024項(xiàng)，項(xiàng)中各位的意義見表1。當(dāng)以邏輯塊地址作為索引進(jìn)行查找時(shí)，可通過bit0－bit9找到當(dāng)前邏輯塊對(duì)應(yīng)的物理塊地址，通過bit10查看對(duì)應(yīng)物理地址的初始化情況；當(dāng)以物理塊地址作為索引進(jìn)行查找時(shí)，可通過bit13、bit14、bit15，獲取當(dāng)前物理塊相關(guān)標(biāo)志信息。

表1 gLog2phy［］項(xiàng)中各位的意義

存儲(chǔ)空間數(shù)量的關(guān)系為：物理塊＝邏輯塊＋備用塊＋壞塊。因此，在gLog2Phy ［］中，只有0－999用于邏輯塊尋址，而物理塊標(biāo)志信息則在0－1023中都有記錄。圖2給出了一個(gè)gLog2phy［］的示例。

在物理塊的冗余區(qū)記錄著當(dāng)前塊對(duì)應(yīng)的邏輯塊地址，若物理塊未映射則地址默認(rèn)以 “0xFF”填充，通過查詢?cè)撔畔⒓纯色@知物理塊對(duì)應(yīng)的邏輯地址。本文采用動(dòng)態(tài)磨損平衡算法，邏輯塊地址與物理塊地址映射關(guān)系是動(dòng)態(tài)變化的。每次執(zhí)行寫操作，都會(huì)申請(qǐng)一個(gè)新物理塊，將修改內(nèi)容寫入到新的物理塊，再將原塊釋放為自由塊，這樣就保證了每個(gè)物理塊的使用次數(shù)趨于一致。

圖2 gLog2Phy［］示例

2 FAT32文件系統(tǒng)分析

FAT32文件系統(tǒng)［7，8］是在閃存中使用最普遍、適配性最好的文件系統(tǒng)。

在FAT32文件系統(tǒng)中，最小的數(shù)據(jù)單位為扇區(qū) （Sector），默認(rèn)大小為512 字節(jié)；若干連續(xù)扇區(qū)組成一個(gè)簇（Cluster），是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最小單位。FAT32文件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)DBR （dos boot record）及其保留區(qū)、FAT 表1、FAT 表2 （FAT 表1的備份）和數(shù)據(jù)區(qū)組成，如圖3所示。引導(dǎo)記錄區(qū)記錄著一些文件系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，如：根目錄首簇號(hào)、每個(gè)扇區(qū)大小、每個(gè)簇包含的扇區(qū)數(shù)等。FAT 表由FAT 表項(xiàng)組成，每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的一個(gè)簇，每個(gè)表項(xiàng)為8字節(jié)，且每個(gè)表項(xiàng)都有一個(gè)固定的編號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的一個(gè)簇，表項(xiàng)的值不同代表的含義不同。數(shù)據(jù)區(qū)主要存放數(shù)據(jù)信息，是文件系統(tǒng)的主要區(qū)域。將磁盤格式化為FAT32文件系統(tǒng)，其實(shí)就是在磁盤恰當(dāng)?shù)倪壿嬌葏^(qū)寫入一些數(shù)據(jù)，建立DBR 及其保留扇區(qū)、FAT 表1、FAT 表2。因此，我們稱這些頁為關(guān)鍵頁，其所在位置為關(guān)鍵位置。

圖3 FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 基于關(guān)鍵頁覆寫的數(shù)據(jù)刪除技術(shù)

依據(jù)對(duì)Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)及FAT32文件系統(tǒng)原理分析可知，要確保FAT32文件系統(tǒng)不被破壞，關(guān)鍵是與文件系統(tǒng)相關(guān)的頁要恢復(fù)到文件系統(tǒng)被格式化之初的狀態(tài)；要保證數(shù)據(jù)被徹底清除，則需要將數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的 “0”填充或“1”填充操作。本文提出的基于關(guān)鍵頁覆寫的數(shù)據(jù)刪除技術(shù) （data deleting technology based on key－pages overwriting，KPOW 技術(shù)），能夠有效的滿足上述兩點(diǎn)要求，既保證了文件系統(tǒng)不被破壞，又保證了數(shù)據(jù)被“0”全部覆蓋。

3.1 KPOW 原理

KPOW 的基本實(shí)現(xiàn)思路是，對(duì)FAT32文件系統(tǒng)的起始扇區(qū)等關(guān)鍵頁進(jìn)行保存，在執(zhí)行數(shù)據(jù)刪除操作時(shí)，對(duì)Flash全部物理塊進(jìn)行擦除 （所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置為1）操作，然后將關(guān)鍵頁寫回對(duì)應(yīng)的邏輯塊中重新建立文件系統(tǒng)。這樣就保證了在文件系統(tǒng)不被破壞的情況下，數(shù)據(jù)得到徹底清除。

為完整重建FAT32文件系統(tǒng)，首先要對(duì)文件系統(tǒng)的關(guān)鍵頁進(jìn)行保存。KPOW 將這些關(guān)鍵頁保存在一個(gè)特定的物理塊中，并將該物理塊置為已占用、且為配置塊，這樣就可保證該物理塊既不被邏輯塊映射，又不會(huì)被加入到備用塊隊(duì)列。該工作實(shí)際為KPOW 的準(zhǔn)備工作，需要在格式化存儲(chǔ)器之后、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前完成。

KPOW 通過對(duì)除配置塊之外的物理塊進(jìn)行擦除操作以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的徹底清除。對(duì)全部物理塊進(jìn)行擦除操作可以有效的對(duì)原物理塊上的信息進(jìn)行掩蓋，且Flash執(zhí)行擦除操作的速度比對(duì)物理塊執(zhí)行寫操作快得多。

數(shù)據(jù)被徹底刪除后，文件系統(tǒng)也被破壞，因此，需要重建文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)重建主要依賴于之前保存的關(guān)鍵頁。通過將關(guān)鍵頁覆寫回對(duì)應(yīng)邏輯地址處，完成對(duì)FAT32文件系統(tǒng)的重建。寫回原邏輯地址并不是寫回原關(guān)鍵頁所在物理地址處，在1.2節(jié)處已討論過，出于磨損平衡考慮，關(guān)鍵頁覆寫實(shí)際是將關(guān)鍵頁寫入新申請(qǐng)的物理塊中，再將該物理塊映射到關(guān)鍵頁對(duì)應(yīng)的邏輯塊中。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

在算法實(shí)現(xiàn)上可分為兩個(gè)部分：①FAT32文件系統(tǒng)關(guān)鍵頁的提取與保存；②數(shù)據(jù)無痕清除及基于關(guān)鍵頁覆寫的文件系統(tǒng)重建。

3.2.1 FAT32文件系統(tǒng)關(guān)鍵頁的提取與保存

關(guān)鍵頁的提取與保存由關(guān)鍵頁提取模塊來完成，提取算法如見表2。該模塊在FAT32文件系統(tǒng)建立之初、還未被使用之前執(zhí)行一次。

表2 關(guān)鍵頁提取算法描述

由于有些關(guān)鍵頁在同一塊中，甚至在同一物理頁中，故在保存這些關(guān)鍵頁時(shí)需注意這些頁的相互位置關(guān)系。由于在存儲(chǔ)器未被使用的初始階段，F(xiàn)AT 表只在第一個(gè)扇區(qū)起始處有 “F8FF FF 0FFF FF FF FF”8字節(jié)的內(nèi)容，其余扇區(qū)都為 “0x00”（稱之為0－扇區(qū)），同樣的在保留扇區(qū)中也存在大量的0－扇區(qū)。因此，只需保留有內(nèi)容的物理頁及由 “0x00”填充的0－頁即可。

3.2.2 數(shù)據(jù)刪除與基于KPOW 的文件系統(tǒng)重建

通過對(duì)用于存放數(shù)據(jù)的物理塊逐塊擦除操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的清除。對(duì)于已執(zhí)行了清除操作的物理塊，在gLog2Phy［］中對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位信息也要做同步修改，該物理塊對(duì)應(yīng)的邏輯地址標(biāo)志信息也需修改。當(dāng)所有數(shù)據(jù)物理塊都被釋放后，才能夠重建文件系統(tǒng)。通過關(guān)鍵頁覆寫重建文件系統(tǒng)時(shí)，冗余區(qū)信息也需要隨覆寫進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。

當(dāng)完成數(shù)據(jù)清除工作之后，才能夠重建文件系統(tǒng)。通過關(guān)鍵頁覆寫重建文件系統(tǒng)時(shí)，冗余區(qū)信息也需要隨覆寫進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。除關(guān)鍵頁外，根目錄前的其它邏輯頁也需用0－頁填充，實(shí)現(xiàn)原理與關(guān)鍵頁覆寫過程類似，由于篇幅關(guān)系，該部分內(nèi)容在下面算法中略去。表3以偽代碼的形式給出文件系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)。

表3 基于KPOW 的文件系統(tǒng)重建算法描述

4 測(cè)試與分析

本節(jié)將KPOW 與文件普通刪除、文件強(qiáng)力刪除、存儲(chǔ)器格式化3種操作，在數(shù)據(jù)殘留、執(zhí)行效率兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上進(jìn)行對(duì)比，對(duì)實(shí)際效果進(jìn)行比較，并從實(shí)現(xiàn)原理上進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境如下：硬件平臺(tái)為自制高速U 盤方案板卡，控制芯片為Cypress公司的EZ－USB FX2CY68013A通用型USB 接口控制芯片［9］，存儲(chǔ)器為三星公司的K9F1G08Nand型Flash芯片 （可用存儲(chǔ)空間為125 MB）。軟件開發(fā)平臺(tái)的開發(fā)語言為擴(kuò)展51C，采用Keil uv2作為編譯環(huán)境。操作系統(tǒng)為Window XP SP2。采用360安全衛(wèi)士8.1提供的 “文件強(qiáng)力粉碎機(jī)”作為文件強(qiáng)力刪除工具。

4.1 數(shù)據(jù)殘余測(cè)試與分析

被執(zhí)行刪除操作的文件在存儲(chǔ)器中是否有殘余直接表征了刪除操作效果好壞。本節(jié)采用分別測(cè)試的方法對(duì)目標(biāo)磁盤 （或存儲(chǔ)在磁盤中的全部文件）進(jìn)行操作，并采用多種手段查看數(shù)據(jù)殘余效果。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①對(duì)文件普通刪除、磁盤格式化、文件強(qiáng)力粉碎3種操作進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先，在開發(fā)板內(nèi)刷入不含KPOW 模塊的原始固件（具有完整的U 盤功能）。每次操作前都利用Cypress公司提供的Flash格式化工具Nand Programmer，將開發(fā)板上的Flash刷寫為格式一致的FAT32文件系統(tǒng)。每次在開發(fā)板中拷入相同的測(cè)試文件，分別進(jìn)行5次上述操作，查看數(shù)據(jù)殘留結(jié)果。②對(duì)KPOW 方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先刷入原始固件；再使用Nand Programmer，將固件刷寫為與對(duì)比方法一致的FAT32文件系統(tǒng)，然后拷入相同的測(cè)試文件，重新刷入包含KPOW 的固件，查看數(shù)據(jù)殘留結(jié)果。

查看數(shù)據(jù)殘留的方式包括：①采用360 安全衛(wèi)士中的文件恢復(fù)工具對(duì)文件進(jìn)行恢復(fù)，并查看恢復(fù)結(jié)果；②采用Winhex14.2 專業(yè)版直接查看目標(biāo)存儲(chǔ)器［10］；③利用與EZUSB FX2 68013A 配套的在線調(diào)試工具，直接讀取目標(biāo)存儲(chǔ)器中物理塊，查看數(shù)據(jù)殘留情況。表4為執(zhí)行刪除操作后數(shù)據(jù)殘余的可恢復(fù)性測(cè)試結(jié)果。

表4 刪除操作后數(shù)據(jù)殘余測(cè)試結(jié)果

普通刪除操作只是將文件目錄的屬性設(shè)置為刪除狀態(tài)，數(shù)據(jù)仍然存在于數(shù)據(jù)區(qū)，因此3種數(shù)據(jù)殘留測(cè)試方法都可以查看到文件內(nèi)容。格式化操作只會(huì)覆蓋掉原文件系統(tǒng)的FAT 表、根目錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)區(qū)仍會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)殘余，一些結(jié)構(gòu)緊湊的小文件仍能被恢復(fù)軟件恢復(fù)，Winhex查看數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)現(xiàn)有大量的殘余數(shù)據(jù)存在，檢查物理塊數(shù)據(jù)殘余的結(jié)果與Winhex一致。強(qiáng)力刪除操作能夠完美刪除數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)，通過文件恢復(fù)工具無法恢復(fù)，Winhex也無法檢查到有數(shù)據(jù)殘余，但是，由于寫操作通常會(huì)在新的空閑塊中進(jìn)行，將原物理塊從邏輯地址空間移除后不會(huì)馬上擦除，因此通過在線調(diào)試工具查看可以發(fā)現(xiàn)，會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)殘留在被替換塊中。采用3種方法對(duì)KPOW 進(jìn)行檢測(cè)都未發(fā)現(xiàn)有殘余數(shù)據(jù)存在，這是因?yàn)镵POW 會(huì)對(duì)所有數(shù)據(jù)塊進(jìn)行擦除操作，避免了數(shù)據(jù)清除不徹底的情形。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，KPOW 在數(shù)據(jù)殘余方面有更為突出的表現(xiàn)。

4.2 執(zhí)行效率測(cè)試與分析

執(zhí)行效率的高低直接影響易用性，執(zhí)行效率通過操作耗時(shí)長短體現(xiàn)出來。本節(jié)實(shí)驗(yàn)主要通過對(duì)比4種方法對(duì)存儲(chǔ)相同文件的目標(biāo)磁盤的操作時(shí)間，來比較各方法執(zhí)行效率。

測(cè)試文件有兩種，分別是：①由2103個(gè)小文件組成的大小為101 M 的文件組；②大小為101 M 的單個(gè)大文件。因此，測(cè)試相應(yīng)分為不同兩組：①多個(gè)小文件測(cè)試；②單個(gè)大文件測(cè)試。圖4以柱形圖的方式給出了測(cè)試結(jié)果。

圖4 4種數(shù)據(jù)清除方法用時(shí)比較

從圖4耗時(shí)結(jié)果分析看出：清除多個(gè)小文件數(shù)據(jù)時(shí)，格式化耗時(shí)最短；清除單個(gè)大文件時(shí)，普通刪除耗時(shí)最短。無論單個(gè)大文件還是多個(gè)小文件，強(qiáng)力刪除耗時(shí)最長。普通刪除和強(qiáng)力刪除的數(shù)據(jù)規(guī)模一致時(shí)，多個(gè)小文件耗時(shí)遠(yuǎn)比單個(gè)大文件耗時(shí)要長；而KPOW 和格式化的耗時(shí)與文件數(shù)量無關(guān)，基本是固定的。普通刪除只修改文件目錄屬性及Fat表，因此耗時(shí)與文件數(shù)量有關(guān)；而強(qiáng)力刪除除了要修改文件目錄，還要用 “00”填充文件數(shù)據(jù)區(qū)，因此與文件數(shù)量有關(guān)。格式化和KPOW 與存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)類型、大小、數(shù)量都無關(guān)，耗時(shí)相對(duì)固定。KPOW 和格式化耗時(shí)較長，主要是由于KPOW 在重建文件系統(tǒng)之前還需逐塊執(zhí)行數(shù)據(jù)清除操作。

擦除Nand Flash的一個(gè)物理塊耗時(shí)不超過4ms，擦除1000個(gè)數(shù)據(jù)塊用時(shí)大約在4～5s。因此，就數(shù)據(jù)清除操作而言，KPOW 的耗時(shí)較短，與其它方法相比具有一定優(yōu)勢(shì)。理論上，隨著存儲(chǔ)器規(guī)模增大，數(shù)據(jù)清除操作耗時(shí)也會(huì)增加。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)安全存儲(chǔ)存儲(chǔ)器中敏感數(shù)據(jù)需要及時(shí)、徹底清除的問題，提出了一種先逐塊清除數(shù)據(jù)，再通過關(guān)鍵頁覆寫重建文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)清除方法。本文著重介紹了該方法的原理及算法實(shí)現(xiàn)，并與其它方法在數(shù)據(jù)殘余、執(zhí)行效率兩個(gè)方面進(jìn)行了比較。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的KPOW 數(shù)據(jù)清除方案，是一種徹底的數(shù)據(jù)清除方案，執(zhí)行效率相對(duì)較高，具有一定實(shí)用性。

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