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计算机科学 2018年第7期45卷 53-60页

作者：李月王芳武汉光电国家研究中心信息存储系统教育部重点实验室(华中科技大学计算机科学与技术学院) 武汉430074 深圳华中科技大学研究院广东深圳518000

大数据时代的来临为存储系统提供了新的机遇,同时也提出了新的挑战。传统的基于动态随机存储(DRAM)的内存架构面临着容量、能耗、可靠性等方面的问题;新型非易失存储器件(Non-Volatile Memory,NVM)具有非易失、字节寻址、空闲能耗低等优... 详细信息

大数据时代的来临为存储系统提供了新的机遇,同时也提出了新的挑战。传统的基于动态随机存储(DRAM)的内存架构面临着容量、能耗、可靠性等方面的问题;新型非易失存储器件(Non-Volatile Memory,NVM)具有非易失、字节寻址、空闲能耗低等优势,可以作为外存、内存或存储级内存(Storage Class Memory,SCM),为未来存储系统的变革提供了新选择,但同时也存在一些安全问题。NVM器件本身的耐久性有限,频繁对某一位置进行写操作时会造成该位置磨损,从而缩短设备的寿命;同时,由于具有非易失性,NVM被用作内存时,断电后数据不会丢失,攻击者可以通过窃取数据来提取敏感信息或对数据进行篡改;当NVM与DRAM构成混合内存时,可能会产生指针指向不明等问题;NVM作为SCM时,应用程序通过存取(load/store)接口直接对其进行访问,绕过了文件系统等权限管理和一致性管理机制。针对这些问题,文中总结了磨损均衡、减少写操作、减少写入量、内存加密、设计一致性机制、设计权限管理机制等解决办法;最后从硬件、操作系统以及编程模型层面探讨了仍须关注的NVM安全问题。

关键词：非易失性存储安全磨损均衡加密一致性

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一种基于效用的个性化文章推荐方法

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计算机学报 2017年第12期40卷 2797-2811页

作者：尹祎冯丹施展华中科技大学计算机科学与技术学院武汉430074 华中科技大学武汉光电国家实验室武汉430074 华中科技大学信息存储系统教育部重点实验室武汉430074

近年来,个性化推荐方法逐渐成为推荐系统领域的研究热点,文章推荐就是其中的一个分支.然而目前大部分文章推荐方法还存在以下问题:首先,这些方法大多还是基于协同过滤或者基于内容的推荐,而这些方法无法满足用户因自身偏好带来的需求,... 详细信息

近年来,个性化推荐方法逐渐成为推荐系统领域的研究热点,文章推荐就是其中的一个分支.然而目前大部分文章推荐方法还存在以下问题:首先,这些方法大多还是基于协同过滤或者基于内容的推荐,而这些方法无法满足用户因自身偏好带来的需求,它们倾向于通过获取文章的各种不同属性来代表文章,这样的获取方式存在着对文章本身理解的偏差.其次,还存在一些文章推荐方法使用搜索代替推荐,这种方法仅仅以用户的偏好为基础,并不考虑文章的内在属性和联系,反馈回的数据依赖于用户做大量的判断.这些都为文章推荐方法的研究提出了挑战与机遇.该文主要聚焦的问题是:(1)已有的文章有多大的可能性成为用户的选择.对于推荐方法来说,过去的文章更多的是通过一些文章属性来获取.如研究领域、作者姓名、文章权威性、文章发表时间、引用数量等,这些属性的数据量庞大且没有量化标准,用户不容易通过这些信息来准确获取自己想要的文章;(2)什么样的推荐方法能将用户需要的文章更好的推荐出来.由于用户的偏好是一种理性和感性的共同选择,因此推荐方法不仅需要考虑文章自身的影响力,还要考虑用户需求的程度和方向.该文通过分析用户与文章的关系,提出一种个性化文章推荐方法,该方法基于效用理论,为了得到效用函数,该文将文章属性和用户偏好作为效用函数的元素,首先分析了文章属性和用户偏好之间的关系,其次通过最优化的效用函数得到用户对文章的评价值,最后通过对不同的评价值进行比较,将相关的文章推荐给用户.这样就可以通过效用函数最终获取用户所需的文章.该文的贡献主要包括以下几方面.(1)建立了一种关于论文属性和用户偏好的组合模型,该模型是通过效用函数建立的,目标是使用户的利益达到最大;(2)效用函数中的变量来自于论文属性和用户偏好的取值,将论文属性和用户偏好同时进行量化,比以往单一的通过文章属性建立的方法更灵活,也比单一通过用户的偏好建立的方法更全面.通过实验对比利用该方法推荐的文章相对于其他方法准确率平均提高了7.17%,召回率平均提高了4.55%,说明该方法推荐的文章质量是可以保证的.

关键词：文章推荐效用函数文章属性用户偏好评价值推荐系统

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异构Hadoop集群下的负载自适应反馈调度策略

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计算机工程与科学 2017年第3期39卷 413-423页

作者：潘佳艺王芳杨静怡谭支鹏华中科技大学武汉光电国家实验室湖北武汉430074 华中科技大学计算机科学与技术学院湖北武汉430074 华中科技大学信息存储系统教育部重点实验室湖北武汉430074

随着基于Hadoop平台的大数据技术的不断发展和实践的深入,Hadoop YARN资源调度策略在异构集群中的不适用性越发明显。一方面,节点资源无法动态分配,导致优势节点的计算资源浪费、系统性能没有充分发挥;另一方面,现有的静态资源分配策略... 详细信息

随着基于Hadoop平台的大数据技术的不断发展和实践的深入,Hadoop YARN资源调度策略在异构集群中的不适用性越发明显。一方面,节点资源无法动态分配,导致优势节点的计算资源浪费、系统性能没有充分发挥;另一方面,现有的静态资源分配策略未考虑作业在不同执行阶段的差异,易产生大量资源碎片。基于以上问题,提出了一种负载自适应调度策略。监控集群执行节点和提交作业的性能信息,利用实时监控数据建模、量化节点的综合计算能力,结合节点和作业的性能信息在调度器上启动基于相似度评估的动态资源调度方案。优化后的系统能够有效识别集群节点的执行能力差异,并根据作业任务的实时需求进行细粒度的动态资源调度,在完善YARN现有调度语义的同时,可作为子级资源调度方案架构在上层调度器下。在Hadoop 2.0上实现并测试该策略,实验结果表明,作业的自适应资源调度策略显著提高了资源利用率,集群并发度提高了2到3倍,时间性能提升了近10%。

关键词：异构集群监控计算能力动态调度负载自适应

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基于NVM的存储安全综述

基于NVM的存储安全综述

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第 23 届全国信息存储技术学术会议

作者：李月王芳武汉光电国家实验室信息存储系统教育部重点实验室(华中科技大学计算机科学与技术学院) 武汉430074 深圳华中科技大学研究院深圳 518000

随着信息技术的不断发展,各种电子设备也在不断的丰富着人们的生活,每个人都是海量数据的产生者,大数据时代悄然到来.大数据时代的来临向存储系统提出了新的机遇和挑战,传统的基于动态随机存储(DRAM)的内存架构面临着众多问题：DRAM制... 详细信息

随着信息技术的不断发展,各种电子设备也在不断的丰富着人们的生活,每个人都是海量数据的产生者,大数据时代悄然到来.大数据时代的来临向存储系统提出了新的机遇和挑战,传统的基于动态随机存储(DRAM)的内存架构面临着众多问题：DRAM制造工艺已达到极限,不断扩大的容量使得能量消耗愈发严重;新型非易失存储器件(NVM)具有非易失、字节寻址、空闲能耗低等优势,可以作为外存、内存或存储级内存(SCM),为未来存储系统的变革提供了新选择,但同时也引入了一些安全问题.①对于NVM器件本身,其耐久性有限,频繁对某一位置进行写操作会造成该位置磨损,设备寿命降低,采用磨损均衡算法,改变写操作的执行过程,或减少写入量、写入次数的方法能够有效提升NVM寿命,降低因频繁写入攻击造成的损失.②由于NVM具有非易失性,当NVM作为内存时,会产生众多问题.断电后NVM中的数据不会丢失,采用内存加密、完整性保证机制可以防止攻击者窃取数据提取敏感信息或对数据进行篡改;加密技术具有扩散性,即使仅修改明文的小部分数据,密文都会产生雪崩式变化,大大增加了写操作的数量,且对已有的磨损均衡技术产生影响,采用加入磨损均衡等提升NVM寿命办法的加密技术框架可缓解该问题.当NVM与DRAM构成混合内存时,由于两者分别为非易失和易失性设备,指针与指针指向位置可分别位于两种介质中,发生断电或程序故障时,可能产生指针指向不明等问题.不论NVM是作为直接内存还是与DRAM构成混合内存,若原子操作的写流程只写了部分内容,则产生部分写问题.又有CPU输出到内存的数据是乱序的,系统故障或断电会产生乱序写问题.对乱序写问题,DRAM只需重启进行内存重建即可解决该问题,由于NVM的非易失特性,重启无法解决该问题,可能产生更严重的后果.针对部分写与乱序写问题,需要设计内存一致性方案提供一致性保证.③由于NVM像DRAM一样可字节寻址,可作为内存,又具有非易失性,可作为持久化存储,因此可将NVM视为SCM.然而,应用程序通常通过存取(load/store)接口直接访问NVM,不使用耗时的基于块的磁盘I/O进行访问,以此达到较高的性能,但绕过了文件系统等权限管理、一致性管理机制,若应用或驱动程序存在缺陷,可能导致杂散写入(stray writes),文件管理权限失效,需要设计新的权限管理机制.④除以上安全问题外,其他常见的如冷启动攻击、侧信道攻击等安全问题也亟待解决.最后对NVM存储安全未来的研究方向进行探讨,从硬件层面上,可针对目前的NVM耐久性提升方案进行优化,降低时间空间或计算开销,或设计新方案.从操作系统层面上,针对内存的加密方案有直接加密和计数器加密,可对加密方案进行改进或设计更为合理的新加密方案.常见的内存攻击,如代码破坏攻击、信息泄露、数据攻击、控制流劫持攻击等在NVM环境下的解决方案需要考虑NVM的特性进行改进.从编程模型层面上,需要将传统的内存一致性模型延伸到持久化存储中.此外,NVM在其他设备使用过程中存在的安全问题也值得关注.尽管NVM在实际使用过程中仍存在众多问题亟待解决,但其优越的性能仍使未来研究充满希望.

关键词：非易失性存储安全磨损均衡加密一致性

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纠删码存储系统中基于网络中计算的高效故障重建

纠删码存储系统中基于网络中计算的高效故障重建

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第 23 届全国信息存储技术学术会议

作者：唐英杰王芳谢燕文武汉光电国家实验室信息存储系统教育部重点实验室(华中科技大学计算机科学与技术学院) 武汉430074 深圳华中科技大学研究院深圳 518000

现在,分布式存储系统存储数PB字节的数据变得越来越常见。这些系统不得不忍受由软件失效,硬件损坏和机器重启等引起的各种不同的系统故障。为了保证系统可靠性和数据完整性,传统的分布式存储系统大多数采用基于多副本的高可靠性技术,多... 详细信息

现在,分布式存储系统存储数PB字节的数据变得越来越常见。这些系统不得不忍受由软件失效,硬件损坏和机器重启等引起的各种不同的系统故障。为了保证系统可靠性和数据完整性,传统的分布式存储系统大多数采用基于多副本的高可靠性技术,多副本不仅可以多节点提供服务分担负载,而且当数据丢失时只需要从另外的可用副本拷贝数据即可完成恢复,恢复开销较小,但是因为需要对数据存储多份,导致其存储开销太大。而纠删码技术作为另外一种冗余策略部署在分布式存储系统中,能够以较低的存储开销为系统提供高可靠性。但是纠删码也存在一个明显的缺点,纠删码系统中所有的数据只存储一份,所以当发生数据丢失时,需要通过读取多个磁盘,进行解码计算才能恢复数据,这个过程会产生大量的网络传输和存储I/O操作,导致系统恢复开销大。目前,国内外针对纠删码存储系统的恢复性能优化做了大量的研究,其中大部分工作是通过设计一种新型编码结构来提高恢复性能,但是或多或少都会牺牲一些其他方面的性能。为了能够在不损失其他性能的同时降低恢复开销,本文着眼于纠删码系统的修复路径,针对传统纠删码系统在恢复数据过程中产生的网络瓶颈,利用软件定义网络(software define network,SDN)的技术,提出一种在网络中进行计算的高效故障重建方案INP(In-network Pipeline),其中SDN控制器根据网络的全局拓扑信息以及交换机的负载情况,选择出合适的交换机用于计算,并将交换机和数据节点之间的连接方式以一种树型结构进行表示,系统根据该树型结构让交换机和数据节点建立连接,进行数据传输,并在交换机上完成部分计算,减少向后传输的网络流量,从而消除网络瓶颈,提升恢复性能。本文在HDFS(Hadoop Distributed File System)系统上部署RS(Reed-Solomon)编码实现了INP方案,并通过理论分析说明INP方案可以适用于多种编码结构。在测试部分,以降级读为例,评估了不同网络带宽下INP方案的恢复效率。实验结果表明,与传统纠删码系统相比,INP方案总是能大幅减少网络流量,并且在一定带宽条件下,能够接近和正常读取数据一样的时间开销。

关键词：分布式存储系统多副本纠删码恢复开销软件定义网络交换机

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面向数据去重的基于二次哈希的收敛加密策略

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计算机工程与科学 2016年第9期38卷 1755-1762页

作者：周玉坤冯丹夏文付忞武汉光电国家实验室湖北武汉430074 华中科技大学计算机科学与技术学院信息存储系统教育部重点实验室湖北武汉430074

在云存储和备份系统等领域,数据去重被广泛地用来消除冗余数据及节约传输带宽,数据去重的安全问题受到越来越多的关注。现有收敛加密（CE）存在两大挑战：（1）由于密钥确定化导致的线下暴力破解问题;（2）对重复数据的无用加密操作使... 详细信息

在云存储和备份系统等领域,数据去重被广泛地用来消除冗余数据及节约传输带宽,数据去重的安全问题受到越来越多的关注。现有收敛加密（CE）存在两大挑战：（1）由于密钥确定化导致的线下暴力破解问题;（2）对重复数据的无用加密操作使得计算开销随着数据负载去重率的提高而增加。针对上述两个问题,提出了基于二次哈希的收敛加密策略（TCE）。具体而言,TCE首先计算数据块的哈希生成密钥,密钥经过可信第三方添加秘密信息后增加随机化程度;然后针对该哈希值再次哈希得到数据块指纹。TCE增加了线下暴力破解的难度,消除了对重复数据的加密操作。实验测试结果表明,TCE比CE的备份窗口减少了30%～50%。

关键词：数据去重收敛加密暴力破解攻击备份窗口

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可配置及历史信息感知的多级缓存策略

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计算机研究与发展 2015年第S2期52卷 163-170页

作者：祖文强王芳李焱万进武汉光电国家实验室(华中科技大学) 武汉430074 信息存储系统教育部重点实验室(华中科技大学) 武汉430074 华中科技大学计算机科学与技术学院武汉430074

传统磁盘存储设备因其固有的机械特性,已不能满足当前的数据密集型应用程序的需求。基于闪存的固态存储设备(solid state drive,SSD)的出现改善了这种情况,并被广泛用作缓存以降低内存与磁盘之间的性能差距。针对由DRAM和SSD构成的多级... 详细信息

传统磁盘存储设备因其固有的机械特性,已不能满足当前的数据密集型应用程序的需求。基于闪存的固态存储设备(solid state drive,SSD)的出现改善了这种情况,并被广泛用作缓存以降低内存与磁盘之间的性能差距。针对由DRAM和SSD构成的多级缓存,提出了一种可配置的历史信息感知的多级缓存替换策略***允许用户配置应用的访问模式、读写模式等多项内容,并且还可以根据应用对文件的历史访问信息来判断访问模式,从而能够适应访问模式的变化.此外,Charm过滤掉那些只访问一次的数据,将多次访问的热数据缓存至SSD,减少对SSD的写入次数,提升SSD寿命.使用MCsim对Charm与现有的多级缓存替换算法进行了对比测试,在实际的工作负载下,Charm优于其它多级缓存算法.

关键词：多级缓存动态随机存取存储器固态盘缓存替换算法历史信息感知

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基于FPGA的MRAM特性测试系统

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计算机研究与发展 2015年第S2期52卷 103-110页

作者：胡迪青管希东吴非朱铭华中科技大学计算机科学与技术学院武汉430074 武汉光电国家实验室(华中科技大学) 武汉430074 信息存储教育部重点实验室(华中科技大学) 武汉430074

由于传统的磁盘甚至已广泛应用的Flash固态盘已无法很好地满足当前对存储器在集成度、读写速度、可靠性方面的需求,故须积极寻找新一代存储介质尝试与当前存储器混合使用甚至替代之.而磁阻随机存储器(magnetic random access memory,MR... 详细信息

由于传统的磁盘甚至已广泛应用的Flash固态盘已无法很好地满足当前对存储器在集成度、读写速度、可靠性方面的需求,故须积极寻找新一代存储介质尝试与当前存储器混合使用甚至替代之.而磁阻随机存储器(magnetic random access memory,MRAM)作为一种非易失性存储器,拥有静态随机存储器(satic random access memory,SRAM)的高速读取写入能力,以及动态随机存储器(dynamic random access memory,DRAM)的高集成度,同时比DRAM更低的能耗,并具有无限的读写次数,这些优秀的特性使得MRAM拥有很好的潜力成为下一代主流存储介质.为了对MRAM的读写性能、功耗等有深入的理解,设计并实现了一个MRAM测试平台,完成对MRAM读写性能测试和特性数据采集.该测试平台主要由MRAM控制器设计、MRAM特性数据采集、读写性能测试3个方面组成,由MRAM控制器对MRAM芯片进行读写完成读写性能测试,采集MRAM在读、写、空闲等状态下的特性数据.实验表明,MRAM具有良好的读写性能和低功耗,有条件成为下一代主流存储介质.

关键词：磁阻随机存储器特性数据采集 MRAM控制器测试平台

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可配置及历史信息感知的多级缓存策略

可配置及历史信息感知的多级缓存策略

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NCIS2015第21届全国信息存储技术学术会议

传统磁盘存储设备因其固有的机械特性,已不能满足当前的数据密集型应用程序的需求.基于闪存的固态存储设备(solid state drive,SSD)的出现改善了这种情况,并被广泛用作缓存以降低内存与磁盘之间的性能差距.针对由DRAM和SSD构成的多级缓... 详细信息

传统磁盘存储设备因其固有的机械特性,已不能满足当前的数据密集型应用程序的需求.基于闪存的固态存储设备(solid state drive,SSD)的出现改善了这种情况,并被广泛用作缓存以降低内存与磁盘之间的性能差距.针对由DRAM和SSD构成的多级缓存,提出了一种可配置的历史信息感知的多级缓存替换策略***允许用户配置应用的访问模式、读写模式等多项内容,并且还可以根据应用对文件的历史访问信息来判断访问模式,从而能够适应访问模式的变化.此外,Charm过滤掉那些只访问一次的数据,将多次访问的热数据缓存至SSD,减少对SSD的写入次数,提升SSD寿命.使用MCsim对Charm与现有的多级缓存替换算法进行了对比测试,在实际的工作负载下,Charm优于其它多级缓存算法。

关键词：固态存储设备多级缓存策略历史信息感知访问模式

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基于FPGA的MRAM特性测试系统

基于FPGA的MRAM特性测试系统

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NCIS2015第21届全国信息存储技术学术会议

作者：胡迪青管希东吴非朱铭华中科技大学计算机科学与技术学院武汉430074 武汉光电国家实验室(华中科技大学) 武汉430074 信息存储教育部重点实验室(华中科技大学) 武汉430074 华中科技大学计算机科学与技术学院武汉430074 信息存储教育部重点实验室(华中科技大学) 武汉430074 武汉光电国家实验室(华中科技大学) 武汉430074 信息存储教育部重点实验室(华中科技大学) 武汉430074

关键词：磁阻随机存储器测试平台读写性能低功耗设计现场可编程门列阵

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