SSD的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題論文
明顯更快的速度是SSD(固態(tài)硬盤(pán))最吸引人的地方，對(duì)于長(zhǎng)期使用SSD的用戶來(lái)說(shuō)，通常不會(huì)愿意再使用機(jī)械硬盤(pán)作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器了。目前，SSD穩(wěn)步上升的容量和逐漸下降的價(jià)格使越來(lái)越多的電腦用戶開(kāi)始使用SSD，但是包括已經(jīng)使用SSD的用戶在內(nèi)，實(shí)際上許多電腦用戶對(duì)于SSD的穩(wěn)定性和壽命都心存疑慮。這種不信任感源自于SSD的閃存單元有限的使用壽命，理論上閃存單元只能夠承受有限的擦寫(xiě)次數(shù)，而據(jù)此推斷，許多SSD大約只能夠應(yīng)付1000～3000次的擦除和寫(xiě)入操作。雖然很快第一代的SSD(例如英特爾X25)通過(guò)一個(gè)很長(zhǎng)的使用壽命打消了人們的這種疑慮，但是由于控制器固件的問(wèn)題，新一代的SSD又再次引起了人們的擔(dān)心：由于固件缺陷，采用SandForce SF 2000控制器的SSD容易導(dǎo)致電腦出現(xiàn)BIOS無(wú)法檢測(cè)、系統(tǒng)崩潰等各種千奇百怪的信息安全問(wèn)題。
一、壽命短暫的閃存單元
SSD的存儲(chǔ)密度有上升的趨勢(shì)，閃存單元的尺寸越來(lái)越小，而且一個(gè)閃存單元可能被用于存儲(chǔ)兩三位的數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致閃存單元的壽命更加短暫，每一個(gè)閃存單元存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)位的單層單元可以應(yīng)付100 000次寫(xiě)操作，而一個(gè)單元存儲(chǔ)兩位的多層單元(MLC)則只能夠承受3 000次寫(xiě)操作，存儲(chǔ)三位的三層單元(TLC)只能夠承受1 000次寫(xiě)操作。
閃存單元的設(shè)計(jì)原理決定了它們的壽命極其有限：閃存單元通過(guò)浮動(dòng)?xùn)艠O(floating gate)的狀態(tài)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)向控制柵極(control gate)施加電壓時(shí)可以為浮動(dòng)?xùn)艠O充電，讓電子可以穿過(guò)薄薄的絕緣層到達(dá)浮動(dòng)?xùn)艠O，在此狀態(tài)下，即使不再施加控制電壓，電子也將留在浮動(dòng)?xùn)艠O，浮動(dòng)?xùn)艠O形成電場(chǎng)，可以阻止讀取電流，因此對(duì)該單元的讀取值為“0”。如果要將單元寫(xiě)入一個(gè)“1”，那么需要向控制柵極反向施加電壓，通過(guò)絕緣層移出浮動(dòng)?xùn)艠O中的電子，在不帶電的狀態(tài)下，浮動(dòng)?xùn)艠O將允許讀取電流通過(guò)，在這種情況下，對(duì)該單元的讀取值為“1”。
浮動(dòng)?xùn)艠O周圍的絕緣層磨損是閃存單元壽命短暫的原因，每一次電子穿越絕緣層的過(guò)程都將導(dǎo)致金屬氧化物的損耗，隨著時(shí)間的推移，絕緣層的金屬氧化物損耗得差不多之后，原子鍵就會(huì)斷裂，部分電子可能會(huì)在穿越過(guò)程中被困在氧化物中，導(dǎo)致負(fù)電荷積累，越來(lái)越多的控制電流被抵消。閃存單元的擦寫(xiě)操作需要的時(shí)間會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，最終時(shí)間已經(jīng)長(zhǎng)到足以影響SSD性能的時(shí)候，SSD控制器將丟棄它。因此，閃存單元的刪除和寫(xiě)操作是決定閃存單元壽命的關(guān)鍵，而閃存單元在實(shí)際使用中并不是逐一單獨(dú)訪問(wèn)的，而是被鏈接起來(lái)成為一個(gè)256KB或者512KB的區(qū)塊，這就導(dǎo)致SSD的每一次擦寫(xiě)操作都可能影響更多的閃存單元。因而，SSD需要通過(guò)控制器對(duì)寫(xiě)操作進(jìn)行計(jì)劃和管理，盡可能地避免放大擦寫(xiě)操作對(duì)閃存單元壽命的影響。
不管閃存單元有什么樣的技術(shù)缺陷，在SSD容量更大并且價(jià)格更低廉的迫切需求下，制造商能夠做的只能是不斷地提高數(shù)據(jù)密度。如上所述，現(xiàn)如今的SSD，閃存單元不再是存儲(chǔ)一個(gè)“0”或“1”的數(shù)據(jù)位，而是每一個(gè)單元存儲(chǔ)兩個(gè)位甚至三個(gè)位，閃存單元中不同的電壓等級(jí)代表不同的“0”與“1”的組合。這需要大幅度地降低電壓的容差，否則不足以彌補(bǔ)劣化的絕緣層所帶來(lái)的影響。因而每一個(gè)單元存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)據(jù)位的多層單元只能夠承受3 000次寫(xiě)操作，存儲(chǔ)三個(gè)數(shù)據(jù)位的三層單元只能夠承受1 000次，而不再是原來(lái)的100 000次寫(xiě)入和刪除操作。另外，要以合理的價(jià)格擴(kuò)張產(chǎn)能，以及在閃存存儲(chǔ)設(shè)備小型化的需求下，制造商不斷地壓縮閃存單元的尺寸，這導(dǎo)致絕緣層以及閃存單元其他結(jié)構(gòu)的尺寸同樣被壓縮，更容易受到磨損。
二、SSD的使用壽命
在正常的使用過(guò)程中，SSD很快就無(wú)法工作，這種擔(dān)心已經(jīng)被證明是毫無(wú)根據(jù)的。IT數(shù)碼港經(jīng)銷商的存儲(chǔ)產(chǎn)品經(jīng)理托馬斯·韋澤通過(guò)退換貨率來(lái)描述這一問(wèn)題，他認(rèn)為SSD的退換貨率并不比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)高，而SSD的制造商O(píng)CZ的代表也表示，他們的SSD受益于所使用的NAND單元和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，從普通用戶的角度來(lái)考慮，SSD的壽命完全夠用。除了這些相對(duì)比較空泛的描述之外，一個(gè)更具體的證明是三星的IT存儲(chǔ)事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理所提供的，該公司的產(chǎn)品通過(guò)固件緩解閃存單元的有限生命周期，根據(jù)目前的經(jīng)驗(yàn)，840 EVO的耐用性和可靠性超過(guò)3年，840 PRO則超過(guò)5年。并且該公司的一個(gè)120GB容量的測(cè)試驅(qū)動(dòng)器，目前已經(jīng)用來(lái)寫(xiě)過(guò)563TB的數(shù)據(jù)，至今仍然工作正常。按照563TB的數(shù)據(jù)計(jì)算，這一驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于已經(jīng)全盤(pán)擦寫(xiě)了4 700次，如果以每天全盤(pán)擦寫(xiě)一次來(lái)計(jì)算，這將需要持續(xù)12年。實(shí)際上，在互聯(lián)網(wǎng)上也有許多用戶提到，自己的SSD已經(jīng)被用來(lái)寫(xiě)過(guò)幾百TB的數(shù)據(jù)。
SSD能夠使用多久與其所設(shè)計(jì)的使用強(qiáng)度也有一定關(guān)系，這通常可以根據(jù)制造商的保修期限來(lái)判斷。高價(jià)位的OCZ Vector 150SSD設(shè)計(jì)的使用強(qiáng)度是5年內(nèi)可以每天擦寫(xiě)50GB數(shù)據(jù)，因而，這種SSD有很長(zhǎng)的保修期。而最便宜的OCZ Vertex 450設(shè)計(jì)的使用強(qiáng)度是3年內(nèi)可以每天擦寫(xiě)20GB數(shù)據(jù)。對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，由于這個(gè)使用強(qiáng)度是按照每天擦寫(xiě)設(shè)計(jì)的，所以可以確保使用壽命足夠長(zhǎng)。同樣的道理，三星的SSD也分為專業(yè)版本和普通的消費(fèi)版本，分別提供5年和3年的保修期。因而，當(dāng)我們選擇SSD時(shí)，如果追求更高的穩(wěn)定性與壽命，可以選擇5年保修期的專業(yè)版本。而且在日常的使用過(guò)程中，適當(dāng)?shù)乜刂泼刻觳翆?xiě)的數(shù)據(jù)量，理論上可以延長(zhǎng)SSD的使用壽命。
使用CrystalDiskInfo之類的工具可以讀出SSD的使用情況等許多相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，例如寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量和磨損量指示等。不過(guò)，這些從0到100的數(shù)字有點(diǎn)過(guò)于抽象，因而，我們可以使用SSDLife(ssd-life.com)來(lái)分析這些記錄，并預(yù)測(cè)SSD剩余的使用壽命。首次啟動(dòng)軟件，SSDLife將記錄數(shù)據(jù)的寫(xiě)入量，如果長(zhǎng)期使用可以安裝該軟件，軟件能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壽命。不過(guò)，通過(guò)SMART值預(yù)測(cè)驅(qū)動(dòng)器壽命的準(zhǔn)確率自然不會(huì)是百分之百，許多驅(qū)動(dòng)器在SMART值預(yù)測(cè)將損壞之后，仍然可以使用很長(zhǎng)的一段時(shí)間。不過(guò)，如果SMART值顯示SSD壽命即將終結(jié)，那么我們應(yīng)該定期為SSD上的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。
三、當(dāng)SSD出現(xiàn)故障時(shí)
SSD的控制器能夠有計(jì)劃地安排寫(xiě)入操作以減少閃存單元的擦寫(xiě)次數(shù)，并盡可能地給閃存單元平均分配寫(xiě)入任務(wù)，避免個(gè)別閃存單元過(guò)早地磨損。此外，控制器能夠標(biāo)記壽命終結(jié)的閃存單元，并用其他的閃存單元替換以避免區(qū)塊內(nèi)的所有閃存單元無(wú)法使用。個(gè)別生產(chǎn)商宣稱他們的SSD可以替換的閃存單元多達(dá)30%，在出現(xiàn)故障的閃存單元能夠得到替換的情況下，SSD除了出現(xiàn)輕微的性能損失和SMART值有相應(yīng)的變化外，基本上不會(huì)對(duì)用戶有任何影響。這種情況將一直持續(xù)到有缺陷的閃存單元所占比例過(guò)大的時(shí)候，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，SSD將切換到只讀模式。我們可以通過(guò)寫(xiě)操作和系統(tǒng)不穩(wěn)定的錯(cuò)誤信息預(yù)測(cè)這一天的到來(lái)，如果寫(xiě)操作的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，Windows將取消它并提示失敗的信息，而當(dāng)SSD是系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，操作系統(tǒng)將可能出現(xiàn)死機(jī)等不穩(wěn)定的狀況。
除了有缺陷的存儲(chǔ)單元之外，有缺陷的固件也可以導(dǎo)致SSD不穩(wěn)定，然而這種故障通常不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。我們可以將固件存在缺陷的SSD連接到移動(dòng)硬盤(pán)盒，或者通過(guò)SATA線連接電腦，然后使用專業(yè)的工具對(duì)其進(jìn)行更新和備份。在本文最后部分，我們將為大家介紹如何創(chuàng)建一個(gè)可以啟動(dòng)系統(tǒng)的閃存盤(pán)，并使用其中包含的硬盤(pán)工具為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)建鏡像備份，或者從有故障的SSD中拷貝數(shù)據(jù)。
需要注意的是，如果需要使用SSD工具在線更新固件，那么要使用SATA數(shù)據(jù)線直接將SSD連接到電腦上，SSD工具無(wú)法通過(guò)USB連接在線更新固件。如果SSD是由于固件的缺陷而出現(xiàn)故障，例如文章開(kāi)頭所介紹的SandForce SF-2000固件缺陷，那么在更新SSD固件之后，SSD上的文件應(yīng)該可以再次被讀取。接下來(lái)，我們可以使用上面提到的工具克隆驅(qū)動(dòng)器或復(fù)制文件，完成后使用SSD工具的“Secure erase”功能重置SSD。最后重新將數(shù)據(jù)復(fù)制或者克隆到SSD上，并檢查SSD是否能夠正常工作。
四、當(dāng)硬盤(pán)壽命完全終結(jié)時(shí)
最壞的情況是在BIOS中找不到SSD，并且SSD在Windows數(shù)據(jù)載體管理系統(tǒng)或資源管理器中都不可見(jiàn)。此時(shí)，某些配備Indilinx控制器的特殊型號(hào)，可以從電腦上斷開(kāi)SSD的電源和SATA線，通過(guò)一個(gè)跳線重新設(shè)置BIOS，嘗試讓SSD可以重新被訪問(wèn)。不過(guò)，對(duì)于大部分SSD來(lái)說(shuō)，如果SSD在其他電腦或者USB移動(dòng)硬盤(pán)盒中也無(wú)法訪問(wèn)，那么這通常意味著SSD的控制器或者一些核心部件已經(jīng)損壞。在這種情況下，SSD上保存的數(shù)據(jù)仍然存在于存儲(chǔ)器單元中，但是控制器的故障導(dǎo)致它們無(wú)法被讀取。
如果這些數(shù)據(jù)沒(méi)有備份，必要時(shí)可以聯(lián)系一些專業(yè)的數(shù)據(jù)恢復(fù)公司進(jìn)行恢復(fù)，個(gè)人用戶自行恢復(fù)的可能性基本為零。數(shù)據(jù)恢復(fù)公司Kroll Ontrack的經(jīng)理馬丁·希勒告誡大家，嘗試自行恢復(fù)控制器故障的SSD通常只能帶來(lái)更大的麻煩。專業(yè)的數(shù)據(jù)恢復(fù)專家可以從閃存單元中直接讀出數(shù)據(jù)，并通過(guò)軟件來(lái)完成本該由控制器執(zhí)行的任務(wù)，將數(shù)據(jù)重建成文件。至于是否能夠成功恢復(fù)數(shù)據(jù)，將取決于控制器的復(fù)雜性與控制器廠商的信息公開(kāi)程度，還有數(shù)據(jù)恢復(fù)專家的水平。
控制器損壞導(dǎo)致SSD壽命終結(jié)的機(jī)率相對(duì)是比較低的，不過(guò)無(wú)論如何，我們都建議大家應(yīng)該定期地為SSD創(chuàng)建備份。按照目前大部分的SSD容量來(lái)說(shuō)，備份并不需要花費(fèi)太多的時(shí)間。特別是當(dāng)機(jī)箱內(nèi)除了SSD還有一塊機(jī)械硬盤(pán)時(shí)，可以使用Windows的備份功能或者其他備份工具，自動(dòng)定期進(jìn)行備份。
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