企業如何預防「意外掉電」帶來的資料安全威脅？

先來回顧一起事件，真真實實的發生在我們身邊。

2016年4月22日，某公司北京亦莊資料中心UPS升級改造過程中，因供電中斷，導致機房全部裝置斷電，系統當機，73家村鎮銀行的核心、支付、網銀、手機銀行等業務全部中斷，涉及全國12個省份，且恢復時間長達7個32分鐘，同時造成部分伺服器、儲存裝置損壞，以及部分銀行金融機構的開發測試系統、災備系統、生產業務等系統相繼中斷。

 

我們先不說此處事件導致的硬體裝置損失，單是銀行核心業務系統中斷帶來的經濟損失就已無法預估，而且如此大面積故障，如果沒有完善的應急災備方案，必定會造成大量資料不完整或丟失。

 

斷電，作為掉電的一種，突發事件同樣會造成不良結果。拿企業SSD儲存舉例，當系統正在進行分割槽表或關鍵區域寫入操作時，突然掉電，90%會造成資料寫入不完整，出現資料混亂、丟失，嚴重的SSD將無法讀盤，就是我們常說的“掛掉”了。

 

如果是安全（正常）關機，系統會提前發出通知裝置電源要中斷，讓SSD 有足夠的時間處理還沒有落盤的資料，SSD 此時會將快取的或者正在寫入的使用者資料完整的刷寫進NAND【如圖1所示】，同時不再接收新的IO請求。這是因為SSD固有結構的限制，藉助高速隨機儲存器（RAM）快取資料達到效能提升的目的，而RAM 有易失性，必須週期性對資料進行重新整理，並且沒有供電時，快取在RAM上的使用者資料會丟失。

圖1：使用者寫資料流程圖

而隨著“掉電保護”方面的技術增強，當下企業級SSD產品在這方面表現非常不錯，掉盤概率微乎其微，但企業使用者仍需做到防患於未然，以防突發性掉電事件的發生。作為中國獨具自主研發和創新能力的領先企業級SSD產品供應商，Memblaze新一代PBlaze5系列PCIe NVMe SSD儲存產品在意外掉電保護方面做了進一步技術增強。

或許有人會問，SSD因意外掉電可能會丟失哪些資料？

1. 快取DRAM中的大量使用者資料+後設資料（使用者資料通過控制器的DMA引擎會增加ECC校驗資訊）
2. 在DRAM中執行並時時更新的後設資料（如FTL表，端到端DIX模式的保護資訊等）
3. 從DRAM向NAND介質正在寫入的使用者資料和後設資料

『意外掉電增強技術』

為了最小化異常電力中斷造成的資料丟失，MemblazePBlaze5系列SSD設計了包含高能量密度電容的掉電檢測電路。如圖2所示，e-Fuse模組會持續監控SSD的供電電壓，一旦業務供電降低到設定的閾值，則預示意外掉電事件的發生。e-Fuse就會切斷供電電路，同時SW2關閉，SW1開關開啟，電容所在電路形成通路並開始放電。電容電量的選擇是基於快取資料量的大小，同時要考慮這些資料量向NAND刷寫的最長時間，所選的電容能夠保證最壞情況下刷寫資料的電量（Q）要求。所以充足的電力保護視窗，給予資料從快取刷寫到NAND充足的時間。當電源接通時，電容會快速充電。

圖2：包含電容的掉電保護電路

同時，在產品出廠前，會通過對硬體下發指令，電路板上的MCU模組會模擬異常掉電機制對PBlaze5電容的生命狀況進行監測，來驗證電容的有效性，從而保證電容的可靠性。

 

『“取消擦除”技術』

除了上述增強保護外，PBlaze5還採用了“取消擦除”新技術，用來進一步保證異常電力中斷時，資料的完整性。為什麼使用者需要這項技術：

原因一，“擦除”是非常耗時的操作，如遇到電力異常中斷，在電容放電的視窗期，從DRAM向NAND介質刷寫中摻雜有擦除指令，在極端情況下，整個刷寫週期有可能超過電容的有效放電時間，其結果是導致部分資料丟失。因此，將“擦除”指令取消等待上電後重新執行，不需要電容電量的增加，就可以給關鍵的“程式設計”指令充足的執行時間保證。

 

原因二，採用“取消擦除”技術的原因是由於NAND 結構的差異，PBlaze5採用新一代3D eTLC，而TLC 相比MLC 需要更長的程式設計週期。因為MLC 是一個cell 儲存2bits 資訊，分別為Lower Page Data 和Upper Page Data。而TLC 是一個cell 儲存3bits 資訊，除了和MLC相同的兩個資訊位，還包含Extra Page Data，正如圖3儲存狀態顯示，因此TCL 程式設計時間要大於MLC 程式設計時間（ T_{TLC_prog} = T_{LP_prog} + T_{UP +XP_prog} > T_{MLC_prog} = T_{LP_prog} + T_{UP_prog}）。

圖3：TLC&MLC儲存狀態顯示

原因三，考慮到在SSD 使用過程中，由於大量的充放電過程，電容會慢慢老化同時伴隨著電容電量降低，而“取消擦除”技術還可以增強在產品生命末期，遇到異常掉電時的資料完整性。

 

從資料安全形度來講，Memblaze 新一代PBlaze5 SSD通過高能量密度電容的掉電電路檢測和“取消擦除”技術做到了意外掉電事故發生時的預防，確保了資料的完整性和安全性。