CN111782625A - 芯智科技嵌入式远程文件系统软件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了芯智科技嵌入式远程文件系统软件，对文件系统进行安全加密，包括存储介质上四个不同的区域以及将存储空间划分为不同类型的簇；将文件系统在存储介质上划分为若干个加密块，每个加密块包含16*m字节+16字节的hmac，其中m大于等于1；运行过程中，以加密块为最小加解密单元，当需要读对应加密块数据的时候，先校验这个加密块的hmac，如果正确再对整个加密块解密，然后将解密后的数据返回给app。本发明对文件系统进行安全加密，当第三方试图直接读取存储介质中的数据，会发现全部是加密数据，不能获取到有用信息，安全性高，且本文件系统采用分散存储文件索引值的方式，逻辑复杂度低，文件访问效率高，逻辑简单，访问效率高。

Description

芯智科技嵌入式远程文件系统软件
技术领域
本发明涉及计算机数据存储技术，具体涉及芯智科技嵌入式远程文件系统软件。
背景技术
在计算机系统中，文件系统是在存储设备上组织数据的一种方法，该种方法采用文件的方式将存储设备上的客户数据抽象成一些互相关联的“对象”，然后以一定的数据结构将这些“对象”组织起来，并提供一定的方法对这些“对象”进行访问，从而实现对客户数据存储访问的管理。从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行检索的系统。
文件系统一般采用目录和文件的方式管理存储数据。目录结构通常采用“树状结构”，即目录由顶层开始，每一级目录下可以放置多个子目录，由此形成分层级的“树状”目录结构，而文件则被放置在分层级树状结构的某一处分支上。文件系统使用专门的数据结构记录，维护该树状结构；
主流文件系统一般将文件划分为多个长度较小的“分片”，称为“簇”。文件系统通过对多个簇的管理实现对文件内容的访问控制。一个文件包含多个簇，隶属于同一文件的簇一般通过链表数据结构来维护。记录目录树状结构的数据和记录文件链表关系的数据统称“元数据”。元数据同样存储在存储设备上，一般是存储在存储设备的特殊区域中；
但是主流文件系统的元数据需在上电时读取到系统RAM中缓冲起来，而某些小型嵌入式平台的RAM空间很小，无法容纳元数据，而且市面上的文件系统为了支持复杂的目录结构，一般会采用较为复杂的数据结构来维护“元数据”。而对小型嵌入式系统来说，并不需要支持复杂的目录结构，而且小型系统的处理器运算能力有限，采用复杂的数据结构反而降低了效率。
且随着物联网的发展，智能节点越来越多，同时也暴露出了越来越多的数据泄露问题。数据大都布置于文件系统中，不安全的文件系统无疑更容易泄露数据。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供芯智科技嵌入式远程文件系统软件，本发明对文件系统进行安全加密，当第三方试图直接读取存储介质中的数据，会发现全部是加密数据，不能获取到有用信息，且本文件系统采用元数据分散存储方式，降低了对系统RAM容量的需求，利用分散存储文件索引值的方式代替传统链表式文件维护方式，逻辑复杂度低，文件访问效率高，文件系统实现代码对系统程序存储器容量需求小，在小型嵌入式系统上实现小容量存储功能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：芯智科技嵌入式远程文件系统软件，对文件系统进行安全加密，包括存储介质上四个不同的区域以及将存储空间划分为不同类型的簇；
所述四个不同区域包括元数据区、位图区、文件id区以及数据区；所述元数据区记录块大小、数据区大小、文件id区大小以及整个文件系统存储大小；所述位图区中每个bit映射一个数据块，所述数据块的大小为2的n次方字节，n大于等于2，根据应用场景动态调整；所述件id区为文件id记录区；所述数据区为以块为最小存储单位来保存数据的区域；具体加密步骤如下：
S1：将文件系统在存储介质上划分为若干个加密块，每个加密块包含16*m字节+16字节的hmac，其中m大于等于1；
S2：运行过程中，以加密块为最小加解密单元，当需要读对应加密块数据的时候，先校验这个加密块的hmac，如果正确再对整个加密块解密，然后将解密后的数据返回给app；
S3：当需要写数据的时候，先将整个数据块解密，然后用新数据覆盖旧数据，再加密数据并运算出hmac，最后将加密块写入到存储介质；
通过初始创建文件系统时配置的元数据区、文件id区以及数据区三个参数来配置文件系统；
所述簇包括目录项簇和文件内容簇，所述目录项簇用于存储文件或目录的索引信息，所述文件内容簇用于存储文件数据，系统上电时，扫描并缓存每个簇的簇标识，通过读取簇标识判断簇类型，判断簇内容是否合法，完成上电流程；
所述目录项簇存储的元数据内容包括父目录名、本目录名或文件名、本目录或文件所在层级，当目录项簇对应的是一个文件时，目录项簇还存储有文件索引值和文件属性区，用于完成对文件的索引；目录项簇还存储有冗余数据和整个簇的校验值，用于保证簇的正确性；
所述文件内容簇存储有文件索引值、文件内容簇序号和文件数据，文件索引值用于索引文件，文件内容簇序号用于确定本文件内容簇在所有隶属于本文件的簇中的排列序号，通过在每个文件内容簇中存储文件内容簇序号可以有效降低数据结构复杂度；
所述簇除目录项簇和文件内容簇外，还包括失效的目录项簇、失效的文件内容簇和空闲簇；存储设备每个簇的开头存储有簇标志，用于判断每个簇的簇类型；
通过读取簇标志判断簇为目录项簇时，根据目录项簇内部存储的校验值是否正确来判断簇内容是否合法；通过读取簇标志判断簇为文件内容簇时，通过检查该文件是否有对应的合法目录项簇来判断簇内容是否合法，当文件内容簇没有对应的合法目录项簇时，判断当文件内容簇非法，并将之置为失效状态。
当判断簇内容合法时，通过文件系统访问文件内容的具体步骤为：
X1：输入文件路径名和文件内部偏移量，生成各层级目录名及文件所在目录层级和文件内容簇序号；
X2：搜索匹配各层级目录名，找到文件对应的目录项簇；
X3：从文件对应的目录项簇中读取文件索引值；
X4：输入文件索引值和文件内容簇序号，搜索对应的文件内容簇，完成对文件内容的访问。
本发明的有益效果是：
(1)对文件系统进行安全加密，将文件系统在存储介质上划分为若干个加密块，每个加密块包含16*m字节+16字节的hmac，其中m大于等于1；运行过程中，以加密块为最小加解密单元，当需要读对应加密块数据的时候，先校验这个加密块的hmac，如果正确再对整个加密块解密，然后将解密后的数据返回给app；当需要写数据的时候，先将整个数据块解密，然后用新数据覆盖旧数据，再加密数据并运算出hmac，最后将加密块写入到存储介质；如果数据被篡改，hmac会异样，app可以感知到；
(2)当第三方试图直接读取存储介质中的数据，会发现全部是加密数据，不能获取到有用信息；
(3)该文件系统采用特殊元数据缓冲机制，与主流文件系统在上电时将大量元数据缓冲到系统RAM中的策略不同，本文件系统在上电时仅缓冲小部分元数据。系统上电时，本文件系统扫描存储设备每个簇的簇开头，读取每个簇的簇标志并把簇标志缓存到系统RAM中。相对传统文件系统通过备份一个元数据区来保证数据正确性的方法，本文件系统减少了元数据缓冲数量，降低了对RAM容量的要求，适用于资源严重受限的小型嵌入式系统。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中目录项簇的结构框图；
图2为本发明中文件内容簇的结构框图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1-2所示，芯智科技嵌入式远程文件系统软件，对文件系统进行安全加密，包括存储介质上四个不同的区域以及将存储空间划分为不同类型的簇；
所述四个不同区域包括元数据区、位图区、文件id区以及数据区；所述元数据区记录块大小、数据区大小、文件id区大小以及整个文件系统存储大小；所述位图区中每个bit映射一个数据块，所述数据块的大小为2的n次方字节，n大于等于2，根据应用场景动态调整；所述件id区为文件id记录区；所述数据区为以块为最小存储单位来保存数据的区域；具体加密步骤如下：
S1：将文件系统在存储介质上划分为若干个加密块，每个加密块包含16*m字节+16字节的hmac，其中m大于等于1；
S2：运行过程中，以加密块为最小加解密单元，当需要读对应加密块数据的时候，先校验这个加密块的hmac，如果正确再对整个加密块解密，然后将解密后的数据返回给app；
S3：当需要写数据的时候，先将整个数据块解密，然后用新数据覆盖旧数据，再加密数据并运算出hmac，最后将加密块写入到存储介质；
通过初始创建文件系统时配置的元数据区、文件id区以及数据区三个参数来配置文件系统；比如：配置元数据区为16字节、文件id区为16字节以及数据区为64字节，就创建了一个96字节的文件系统。其中，元数据：用于保存文件系统信息的数据；位图：通过用1bit映射一个块，来达到管理数据的目的；数据块：通常是2的n次幂个字节，存储数据的最小单位；加密块：通常是16的整数倍字节，加密数据的最小单位。
所述簇包括目录项簇和文件内容簇，所述目录项簇用于存储文件或目录的索引信息，所述文件内容簇用于存储文件数据，系统上电时，扫描并缓存每个簇的簇标识，通过读取簇标识判断簇类型，判断簇内容是否合法，完成上电流程；
所述目录项簇存储的元数据内容包括父目录名、本目录名或文件名、本目录或文件所在层级，当目录项簇对应的是一个文件时，目录项簇还存储有文件索引值和文件属性区，用于完成对文件的索引；目录项簇还存储有冗余数据和整个簇的校验值，用于保证簇的正确性；
所述文件内容簇存储有文件索引值、文件内容簇序号和文件数据，文件索引值用于索引文件，文件内容簇序号用于确定本文件内容簇在所有隶属于本文件的簇中的排列序号，通过在每个文件内容簇中存储文件内容簇序号可以有效降低数据结构复杂度；
所述簇除目录项簇和文件内容簇外，还包括失效的目录项簇、失效的文件内容簇和空闲簇；存储设备每个簇的开头存储有簇标志，用于判断每个簇的簇类型；
通过读取簇标志判断簇为目录项簇时，根据目录项簇内部存储的校验值是否正确来判断簇内容是否合法；通过读取簇标志判断簇为文件内容簇时，通过检查该文件是否有对应的合法目录项簇来判断簇内容是否合法，当文件内容簇没有对应的合法目录项簇时，判断当文件内容簇非法，并将之置为失效状态。
当判断簇内容合法时，通过文件系统访问文件内容的具体步骤为：
X1：输入文件路径名和文件内部偏移量，生成各层级目录名及文件所在目录层级和文件内容簇序号；
X2：搜索匹配各层级目录名，找到文件对应的目录项簇；
X3：从文件对应的目录项簇中读取文件索引值；
X4：输入文件索引值和文件内容簇序号，搜索对应的文件内容簇，完成对文件内容的访问；
芯智科技嵌入式远程文件系统软件，在工作时，首先对文件系统进行安全加密，将文件系统在存储介质上划分为若干个加密块，每个加密块包含16*m字节+16字节的hmac，其中m大于等于1；运行过程中，以加密块为最小加解密单元，当需要读对应加密块数据的时候，先校验这个加密块的hmac，如果正确再对整个加密块解密，然后将解密后的数据返回给app；当需要写数据的时候，先将整个数据块解密，然后用新数据覆盖旧数据，再加密数据并运算出hmac，最后将加密块写入到存储介质；
系统上电时，扫描并缓存每个簇的簇标志，通过读取簇标志判断簇类型，判断簇内容是否合法，完成上电流程，通过读取簇标志判断簇为目录项簇时，根据目录项簇内部存储的校验值是否正确来判断簇内容是否合法；通过读取簇标志判断簇为文件内容簇时，通过检查该文件是否有对应的合法目录项簇来判断簇内容是否合法，当文件内容簇没有对应的合法目录项簇时，判断当文件内容簇非法，并将之置为失效状态；当判断簇内容合法时，通过相应步骤在文件系统中访问文件内容；
该文件系统采用特殊元数据缓冲机制，与主流文件系统在上电时将大量元数据缓冲到系统RAM中的策略不同，本文件系统在上电时仅缓冲小部分元数据。系统上电时，本文件系统扫描存储设备每个簇的簇开头，读取每个簇的簇标志并把簇标志缓存到系统RAM中。相对传统文件系统通过备份一个元数据区来保证数据正确性的方法，本文件系统减少了元数据缓冲数量，降低了对RAM容量的要求，适用于资源严重受限的小型嵌入式系统。
本发明的工作原理：
首先对文件系统进行安全加密，将文件系统在存储介质上划分为若干个加密块，每个加密块包含16*m字节+16字节的hmac，其中m大于等于1；运行过程中，以加密块为最小加解密单元，当需要读对应加密块数据的时候，先校验这个加密块的hmac，如果正确再对整个加密块解密，然后将解密后的数据返回给app；当需要写数据的时候，先将整个数据块解密，然后用新数据覆盖旧数据，再加密数据并运算出hmac，最后将加密块写入到存储介质；如果数据被篡改，hmac会异样，app可以感知到；当第三方试图直接读取存储介质中的数据，会发现全部是加密数据，不能获取到有用信息；
系统上电时，扫描并缓存每个簇的簇标志，通过读取簇标志判断簇类型，判断簇内容是否合法，完成上电流程，通过读取簇标志判断簇为目录项簇时，根据目录项簇内部存储的校验值是否正确来判断簇内容是否合法；通过读取簇标志判断簇为文件内容簇时，通过检查该文件是否有对应的合法目录项簇来判断簇内容是否合法，当文件内容簇没有对应的合法目录项簇时，判断当文件内容簇非法，并将之置为失效状态；
当判断簇内容合法时，输入文件路径名和文件内部偏移量，生成各层级目录名及文件所在目录层级和文件内容簇序号，再搜索匹配各层级目录名，找到文件对应的目录项簇，从文件对应的目录项簇中读取文件索引值，最后输入文件索引值和文件内容簇序号，搜索对应的文件内容簇，完成对文件内容的访问。
本文件系统采用分散存储文件索引值的方式代替传统链表式文件维护方式，逻辑复杂度低，文件访问效率高，逻辑简单，访问效率高，是一种轻量级的文件访问方式。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.芯智科技嵌入式远程文件系统软件，其特征在于，包括存储介质上四个不同的区域以及将存储空间划分为不同类型的簇；
所述四个不同区域包括元数据区、位图区、文件id区以及数据区；所述元数据区记录块大小、数据区大小、文件id区大小以及整个文件系统存储大小；所述位图区中每个bit映射一个数据块，所述数据块的大小为2的n次方字节，n大于等于2，根据应用场景动态调整；所述件id区为文件id记录区；所述数据区为以块为最小存储单位来保存数据的区域；
所述所述四个不同区域具体加密步骤如下：
S1：将文件系统在存储介质上划分为若干个加密块，每个加密块包含16*m字节+16字节的hmac，其中m大于等于1；
S2：运行过程中，以加密块为最小加解密单元，当需要读对应加密块数据的时候，先校验这个加密块的hmac，如果正确再对整个加密块解密，然后将解密后的数据返回给app；
S3：当需要写数据的时候，先将整个数据块解密，然后用新数据覆盖旧数据，再加密数据并运算出hmac，最后将加密块写入到存储介质；
所述簇包括目录项簇和文件内容簇，所述目录项簇用于存储文件或目录的索引信息，所述文件内容簇用于存储文件数据，系统上电时，扫描并缓存每个簇的簇标识，通过读取簇标识判断簇类型，判断簇内容是否合法，完成上电流程。
2.根据权利要求1所述的芯智科技嵌入式远程文件系统软件，其特征在于，所述目录项簇存储的元数据内容包括父目录名、本目录名或文件名、本目录或文件所在层级，当目录项簇对应的是一个文件时，目录项簇还存储有文件索引值和文件属性区，用于完成对文件的索引；目录项簇还存储有冗余数据和整个簇的校验值。
3.根据权利要求1所述的芯智科技嵌入式远程文件系统软件，其特征在于，所述文件内容簇存储有文件索引值、文件内容簇序号和文件数据，文件索引值用于索引文件，文件内容簇序号用于确定本文件内容簇在所有隶属于本文件的簇中的排列序号。
4.根据权利要求1所述的芯智科技嵌入式远程文件系统软件，其特征在于，所述簇除目录项簇和文件内容簇外，还包括失效的目录项簇、失效的文件内容簇和空闲簇；存储设备每个簇的开头存储有簇标志，用于判断每个簇的簇类型。
5.根据权利要求1所述的芯智科技嵌入式远程文件系统软件，其特征在于，通过读取簇标志判断簇为目录项簇时，根据目录项簇内部存储的校验值是否正确来判断簇内容是否合法；通过读取簇标志判断簇为文件内容簇时，通过检查该文件是否有对应的合法目录项簇来判断簇内容是否合法，当文件内容簇没有对应的合法目录项簇时，判断当文件内容簇非法，并将之置为失效状态。
6.根据权利要求1所述的芯智科技嵌入式远程文件系统软件，其特征在于，当判断簇内容合法时，通过文件系统访问文件内容的具体步骤为：
X1：输入文件路径名和文件内部偏移量，生成各层级目录名及文件所在目录层级和文件内容簇序号；
X2：搜索匹配各层级目录名，找到文件对应的目录项簇；
X3：从文件对应的目录项簇中读取文件索引值；
X4：输入文件索引值和文件内容簇序号，搜索对应的文件内容簇，完成对文件内容的访问。
7.根据权利要求1所述的芯智科技嵌入式远程文件系统软件，其特征在于，通过初始创建文件系统时配置的元数据区、文件id区以及数据区三个参数来配置文件系统。
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