基于大數據的高密度信息安全存儲系統設計

張青鳳

摘? 要： 傳統存儲系統的讀、寫性能差，無法安全存儲高密度信息。故設計基于大數據的高密度信息安全存儲系統。系統硬件由FPAG接口模塊和PCIE硬核模塊組成，主要負責安全存儲高密度信息。系統軟件使用NAND FLASH作為控制程序，主要負責壞塊管理。軟、硬件結合，完成基于大數據的高密度信息安全存儲系統的設計。最后通過仿真實驗，測試兩個系統的讀、寫功能是否符合設計需求。實驗結果表明，所提系統可以完成高密度數據的讀、寫請求操作。

關鍵詞： 高密度信息; 信息安全存儲; 系統設計; 數據讀寫; 系統測試; 仿真驗證

中圖分類號： TN915.08?34; TP368.5? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）14?0083?03

Design of high?density information security storage system based on big data

ZHANG Qingfeng

（Yuncheng University， Yuncheng 044000， China）

Abstract： As the traditional storage system has poor reading and writing performance and cannot safely store high?density information， a high?density information security storage system based on big data is designed. The hardware of the system is composed of FPAG interface module and PCIE hard core module， and is mainly responsible for the safe storage of high?density information. In the software of the system， the NAND Flash is used as the control program， which is mainly charge of the bad block management. The design of high?density information security storage system based on large data is completed in combination of hardware and software. The simulation experiment was performed to test whether the reading and writing functions of the two systems meet the design requirements. The experimental results show that the proposed system can complete the reading and writing requirements for high?density data.

Keywords： high?density information; information security storage; system design; data reading and writing; system testing; simulation verification

0? 引? 言

傳統的高密度信息安全存儲系統存在讀、寫性能差的缺陷，為此提出基于大數據的高密度信息安全存儲系統設計。利用大數據技術的高密度大容量存儲特性，來改變系統讀、寫請求操作步驟。因為大型數據集要向成百上千的電腦分配工作，所以需要利用大數據技術處理大量的容忍經過時間內的數據，使這些含有意義的數據“增值” [1]。

系統硬件設計配合多種功能需求，利用大數據技術，將采樣的高密度信息存儲至系統內存。為解決傳統硬件結構在對數據采樣時存在帶寬、數據存儲質量上的缺陷這一問題，硬件采用Xilinx Virtex6 FPGA內嵌 PCIE核的方式，完成高密度信息安全傳輸。

1? 硬件結構設計

硬件上搭建Virtex6 FPGA為控制中心，利用大數據技術作為高密度信息讀寫的基礎[2]。以DDES為高密度大容量緩存，以6路高密度收發器TLK為標準接口，來實現DDR3存儲接口和緩存模塊的設計?；诖髷祿母呙芏刃畔踩鎯ο到y硬件總體設計如圖1所示。

PICE接收控制板通過6路TLK2711實現與存儲器的接口連接，將接收的數據送入FPGA[3]。再通過FPGA 將接收數據存入DDR3模塊，再以DMA寫的方式上傳到系統內存，最后通過6路TLK2711將高密度信息安全存儲到DRR3[4]

FPAG接口模塊采用Xilinx Virtex6 FPGA，負責高密度DMA讀寫。以DDR3作為高密度信息安全存儲空間[5]，傳輸帶寬使用PCIE硬核，用Virtex6 FPGA簡化DDR3接口[6?7]。PCIE硬核模塊，采用Xilinx Virtex6 FPGA內嵌PCIE硬核模塊。

2? 軟件功能設計

利用大數據可變性的特征，處理 NAND FLASH 軟件控制程序中的壞塊。NAND FLASH可與數據和地址共用一條總線[8]。軟件控制結構框架如圖2所示。

圖2中ECC模塊主要負責校驗碼的生產、存儲和讀取等[9]。首先，需將輸入數據的位寬設置為64 bit，且每次讀取寫入的數據為64 KB;其次，將原本緩存的大小調整為原來寫入數據量的2倍;最后，通過編程操作將已經存儲的數據上傳到系統，系統將數據存入NAND FLASH陣列，而外部數據會被自動寫入輸入緩存[10]。為解決ECC模塊與兩個緩存模塊會打亂主控邏輯模塊產生操作時序這一問題，需連接NAND FLASH芯片，采用簡單的信號定義，調整模塊在主控邏輯操作中的步驟。控制程序接口信號定義如表1所示。

根據表1確定命令轉移順序，從空閑狀態轉移到相應狀態，完成后開始擦除工作。在執行擦除任務時，需根據擦除指令狀態轉移圖擦除冗余數據，如圖3所示。

在執行擦除指令后，使用chipscope 完成編程指令。編程結束需通過讀狀態寄存器查詢編程是否創建成功。若不成功，記為壞塊。若在壞塊存取數據時發生錯誤，需使用NAND FLASH屏蔽壞塊。在此過程中，為防止讀取出現錯誤，利用矩陣的行信息檢驗ECC校驗碼檢驗錯誤。軟硬件結合，完成基于大數據的高密度信息安全存儲系統的設計。

3? 實驗分析

實驗重點測試基于大數據的高密度信息安全存儲系統的讀、寫請求操作是否符合設計需求，驗證DDR3存儲接口、PICE模塊、FPAG接口模塊和軟件控制程序設計的正確性。最后，給出傳統存儲系統和所提系統的讀、寫性能測試結果，再通過仿真分析，驗證所提系統設計的可行性。

3.1? 系統寫測試驗證

上行FIFO與DDR3交互，會向DDR3寫入命令和數據，完成DDR3寫請求操作。傳統系統與基于大數據的高密度信息安全存儲系統寫測試仿真驗證結果見圖4。

在完成整個初始化過程后，使用所提系統處理信號phy_init_done置為有效。當DDR3內存不滿，且DDR3上行FIFO 不空，可對應圖4中的ddr3_fifo_full信號。若命令與地址FIFO準備好接收命令，寫數據FIFO準備好接收數據，對應圖4中的app_rdy會向用戶發起寫命令操作，并降低app_rdy置為低。當使用傳統系統處理信號時，phy_init_done置為失效。在app_wdf_data上提交數據時，wr_bst_cnt會停止寫操作，導致FIFO不滿，出現壞塊，無法寫入高密度信息。分析圖4可知，使用基于大數據的高密度信息安全存儲系統符合功能設計的要求。

3.2? 系統讀測試驗證

DDR3讀請求與下行FIFO交互，向DDR3寫入命令，完成高密度數據的讀請求操作。傳統系統與本文系統讀測試仿真驗證結果見圖5。

由圖5可知，使用所提系統完成初始化過程后，信號phy_init_done置為有效。當DDR3內存不滿時，DDR3上行FIFO不滿，對應圖5中ddr3_fifo_full和fifo_prog_empty_ddr3_us信號會向用戶發起讀請求命令操作。而使用傳統系統在讀完一行后，rd?bst?cnt等于32時，會停止操作，出現壞塊，導致系統無法將寫入地址的高密度數據讀取出來驗證。由圖5可知，基于大數據的高密度信息安全存儲系統的讀功能符合設計需求。

4? 結? 語

針對傳統系統存在的讀、寫性能差問題，提出基于大數據的高密度信息安全存儲系統。在硬件的設計上，采用Xilinx Virtex6 FPGA，實現控制板之間的高密度數據傳輸。在軟件功能的設計上，采用NAND FLASH作為控制程序，完成整個系統的部分測試。最后，通過仿真實驗，測試兩個系統的讀功能和寫功能是否符合設計需求。實驗結果表明，所提系統方案設計的可行性更高。

參考文獻

[1] 曹明，遇炳杰.網絡數據傳輸高密度信息安全存儲仿真[J].計算機仿真，2017，34（12）：153?156.

[2] 阮燦華.互聯網絡安全防御對高密度信息優化存儲仿真[J].計算機仿真，2018，35（3）：349?352.

[3] 趙悅品.網絡信息安全防范與Web數據挖掘系統的設計與實現[J].現代電子技術，2017，40（4）：69?73.

[4] 尤波，于大孚.存儲式智能堵塞器設計研究[J].機械設計與制造，2018，21（1）：177?179.

[5] 張宏生.高安全性加密系統在智能電能表中的應用[J].電測與儀表，2017，54（23）：94?98.

[6] 岳敏，張瑋.基于Mongo DB的重離子加速器波形數據存儲系統構建[J].核電子學與探測技術，2017，37（10）：125?126.

[7] 胡豆豆，羅飛.對象存儲系統的自動化管理技術[J].電信科學，2017，33（11）：154?161.

[8] 李芹，蔡榮杰.基于云計算的醫學影像訪問系統的研究與設計[J].實用放射學雜志，2017，33（33）：1782?1783.

[9] 崔明勇，王楚通.獨立模式下微網多能存儲系統優化配置[J].電力系統自動化，2018，42（4）：30?38.

[10] 朱玉飛，戴紫彬.流體系結構密碼處理器存儲系統的研究與設計[J].電子學報，2017，45（12）：2957?2964.