Datasäkerhet och energimedvetenhet i ett filsystem för flashminnen

Miljön för inbyggda system i mobil utrustning karakteriseras av begränsade och ibland instabila energiresurser. I den här typen av system är därför viktigt att utnyttja energi så optimalt som möjligt. Genom att kontinuerligt nedgradera prestandan i systemets olika delar till vad som är absolut nödvändigt kan energi sparas. Flash är ett fysiskt tåligt och mycket kompakt lagringsmedia och lämpar sig därför bra som sekundärminne i mobil utrustning. Därav ligger ett givet syfte i att optimera energiförbrukningen i flash-baserade system. Datasäkerhet är en ytterligare viktig aspekt i lagringssystem där strömförsörjningen inte är tillförlitlig. Det här examensabetet utförs i samarbete med Enea och är en del av ITEA 1-projektet GEODES2, som syftar till att utveckla programvara och verktyg för att optimera energiförbrukningen i inbyggda system. Examensarbetet går främst ut på att förbättra energimedvetenheten i filsystemet JEFF 3, för flash-baserade lagringssystem, utan att påverka filsystemets säkerhetsvärde. JEFF är ett filsystem for OSE 4som med låg minnesanvändning och hög kraschsäkerhet är designat för inbyggda system. Alla metadatauppdateringar loggas i en journal vilket gör att filsystemets strukturer alltid hålls intakta och lätt kan återskapas. JEFF erbjuder även möjlighet att uppdatera fildata med samma garanti. För att minska antalet skrivningar till flashminnet har en cache för fildata har integrerats med metadatacachen som tidigare endast använts för att genomföra säkra metadatauppdateringar. Lagringssystemets energiförbrukning kan därmed minskas genom att låta cacha fildata i primärminnet. Säkerheten för filsystemets strukturer är intakt då metadata fortfarande hanteras som tidigare, och sättet att genomföra säkra filuppdateringar har anpassats för de nya omständigheterna. Resultatet är ett utbyte av större minnesanvändning och tidsförskjutning mellan permanenta uppdateringar av fildata mot en mindre energiförbrukning, utan att filsystemets säkerhet har påverkats. Nästa steg är att utveckla systemet till att bli dynamiskt kontrollerbart. Genom att möjliggöra en dynamisk cachestorlek kan utbytet ökas eller minskas i realtid och genom att dynamiskt även tidsförskjuta skrivning av metadata från cachen kan ett ännu större utbyte uppnås. 1 ITEA - Information Technology for European Advancement 2 GEODES - Global Energy Optimization for Distributed Embedded Systems (ITEA2 - 07013) 3 JEFF - Journaling Extensible File System Format, utvecklat av Enea, http://www.enea.com 4 OSE - Operating System Embedded, utvecklat av Enea, http://www.enea.com Embedded systems in mobile devices are characterized by limited energy resources. Therefore, it is important to utilize energy as efficiently as possible, and this can be done by trading off the performance quality of services within the system. Running a system with degraded performance might be preferable over not running it at all. By developing services that can adapt to different quality of service levels, the system wide power state can be controlled in run-time according to the current conditions. Because of their high storage density, flash memories are commonly used in mobile devices. When developing energy-aware embedded systems, flash-based storage systems hence become a natural target. Storage systems in embedded environments also need to be reliable as they may suffer from issues such as unexpected power loss. This master thesis work is part of the ITEA 5project GEODES6that aims to provide embedded software and tools for optimizing power consumption in embedded systems. This work aims mainly to improve energy-awareness in a flash-based storage system that employs JEFF 7, a file system format for OSE 8. It runs with a small main memory footprint, which makes it suitable for embedded devices. JEFF can not run directly on a flash memory, it needs a block device driver that hides the characteristics of flash and emulates a regular block device. JEFF is a crash safe file system, i.e. it is consistent and quickly restored after a crash. By journaling, all file system operations are done with transaction-level consistency of the file system metadata and data structures. JEFF also supports transactional updates to the file data. A file that is opened in transactional mode will be updated out-of place on disk, and the updates are not committed until the file is closed. A file data cache has been integrated with the metadata cache that is originally used only to achieve transactional updates. Metadata consistency is not affected and the transactional file updates have been adapted to the new circumstances. The energy consumption of the storage system can now be lowered by trading off file data update frequency and main memory footprint. Further improvements of the energy-awareness of the file system would be a dynamically resizable cache, for dynamic power management of the storage system, and dynamically controlled metadata flushes, which would enable trade-off of metadata update frequency as well. 5 ITEA - Information Technology for European Advancement 6 GEODES - Global Energy Optimization for Distributed Embedded Systems (ITEA2 - 07013) 7 JEFF - Journaling Extensible File System Format, developed by Enea, http://www.enea.com 8 OSE - Operating System Embedded, developed by Enea, http://www.enea.co