薛世帥，劉 丹，徐 展，李建紅

電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，成都 611731

有源RFID標(biāo)簽安全文件系統(tǒng)的設(shè)計

薛世帥，劉 丹，徐 展，李建紅

電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，成都 611731

1 引言

隨著有源RFID[1]應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，有源RFID標(biāo)簽所具有的功能也越來越復(fù)雜。在基本的RFID應(yīng)用中，包括標(biāo)簽ID、標(biāo)簽屬性等各種標(biāo)簽元數(shù)據(jù)需要存儲；在有源RFID定位系統(tǒng)中，標(biāo)簽存儲的各種定位信息可以輔助定位算法更精確地定位標(biāo)簽位置；在有源RFID用于物品管理[2]時，每個標(biāo)簽都會管理大量的物品，這時必須對物品信息進行存儲；在有源RFID安全應(yīng)用中，很多的安全數(shù)據(jù)需要可靠存儲。而有源RFID標(biāo)簽的低功耗需求[3-5]又是不會改變的，并且需要保證有源RFID標(biāo)簽有較高的存取速度。所以，在安全和速度并重的有源RFID系統(tǒng)應(yīng)用中使用存儲效率高的FRAM[6]存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)存儲是一個不錯的選擇。本文結(jié)合以上需求，設(shè)計一個基于FRAM存儲設(shè)備的用于有源RFID標(biāo)簽的安全文件系統(tǒng)。

2 文件系統(tǒng)概述

文件系統(tǒng)[7]是系統(tǒng)用于管理數(shù)據(jù)的一種工具。例如，最熟悉的微軟操作系統(tǒng)上使用了FAT格式[8]、NTFS格式[9]的文件系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)上更廣泛地支持多達幾十種文件系統(tǒng)。但這些文件系統(tǒng)大都為較大的存儲設(shè)備而設(shè)計，對于FRAM小型文件系統(tǒng)并不適合。在嵌入式系統(tǒng)上面，Contiki系統(tǒng)中帶有一個為FLASH設(shè)備設(shè)計的Coffee[10]文件系統(tǒng)，但其文件創(chuàng)建時就必須指定文件長度的規(guī)定使得其實用性大大降低。綜合考慮，本文通過改進FAT文件系統(tǒng)，實現(xiàn)了滿足RFID系統(tǒng)需要而又輕便安全的文件系統(tǒng)。

FAT文件系統(tǒng)主要由BPB（啟動參數(shù)塊）、FAT表（文件分配表）和數(shù)據(jù)區(qū)組成。FAT文件系統(tǒng)使用簇來管理存儲設(shè)備。簇的大小是扇區(qū)的整倍數(shù)，扇區(qū)大小為固定512 Byte。

FAT文件系統(tǒng)目錄項大小為32 Byte的整數(shù)倍。FAT文件元數(shù)據(jù)沒有安全控制屬性。文件的安全性極差。但是，正是這種極簡設(shè)計，使得文件系統(tǒng)的效率相當(dāng)高，這也使得該文件系統(tǒng)的生命延續(xù)了幾十年，甚至現(xiàn)在還在使用。

本文設(shè)計的文件系統(tǒng)針對FAT文件系統(tǒng)的缺點，對其進行以下方面的改進：

（1）增加文件FAT表索引[11]，以提高文件隨機訪問的性能，使隨機訪問的復(fù)雜度降低為O（1）。

（2）優(yōu)化修改FAT文件的目錄項，減少其大小，增加文件安全控制選項，對系統(tǒng)的文件操作安全性提供充分的支持。并提供優(yōu)化的打開的文件在內(nèi)存中的表示。

（3）增加靈活的讀寫緩沖機制，以增加文件系統(tǒng)魯棒性。

3 文件系統(tǒng)的改進

3.1 增加FAT表索引

一般情況下，文件系統(tǒng)對文件的隨機尋址工作都是通過順序遍歷FAT鏈表來實現(xiàn)。如果這些FAT鏈表都在內(nèi)存中，訪問速度就會很快。但是在資源有限的RFID標(biāo)簽來說，這是不現(xiàn)實的。所以，本文在文件系統(tǒng)中對大文件增加了一個FAT表索引。

本文的FAT表索引就是對于一個文件FAT鏈表中的所有FAT號，每隔N個選取一個進行另外存儲。這樣無論從多少偏移進行文件讀寫，尋找對應(yīng)存儲塊的時間總是不會超過N次對FAT的讀取，這樣就可以把文件的隨機訪問時間從線性復(fù)雜度降低為常數(shù)復(fù)雜度。FAT表索引存儲在單獨分配的存儲塊內(nèi)，并且在文件目錄項中指示其存儲位置。

3.2 文件元數(shù)據(jù)改進

在FAT文件系統(tǒng)中，文件元數(shù)據(jù)就是文件目錄項。占用空間大小為32 Byte的整倍數(shù)。FRAM存儲空間非常寶貴，這里文件元數(shù)據(jù)設(shè)計要充分考慮存儲空間的使用效率以及文件系統(tǒng)的性能。本文件系統(tǒng)把文件元數(shù)據(jù)分割為目錄項和文件屬性信息兩部分，并使用目錄項和文件屬性分開分別存放的方法。這樣在RFID閱讀器發(fā)出列出目錄下面文件的時候，標(biāo)簽只用應(yīng)答目錄項，而不傳輸文件屬性，這對RFID的盤存效率是有很大提升的。

3.2.1 目錄項設(shè)計

本文件系統(tǒng)的目錄文件的內(nèi)容由該目錄下的文件目錄項組成。這些信息在列表目錄時通過射頻鏈路傳送給RFID閱讀器。文件目錄項結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 文件系統(tǒng)目錄項設(shè)計

由于對于RFID標(biāo)簽來說，其文件的閱讀對象是RFID閱讀器，而不是人。所以其文件名僅僅起一個辨別不同文件的作用，而不必體現(xiàn)文件的意義。所以本文用“文件ID”替代“文件名”。這樣可以使文件名占用空間縮小到2個字節(jié)。文件標(biāo)志的最高三位用來表示文件類型（包括目錄文件、普通文件兩種），其余5位是訪問權(quán)限位。文件起始塊編號標(biāo)示文件數(shù)據(jù)起始所在的存儲塊編號。FAT索引起始塊編號用來提高文件隨機訪問的性能。

3.2.2 文件屬性設(shè)計

文件屬性用來記錄文件的長度、訪問密碼等信息。這部分信息在打開文件操作時，被加載進入內(nèi)存。完整的文件屬性組成結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 文件屬性

3.2.3 文件系統(tǒng)安全支持

安全文件操作使用目錄項中文件標(biāo)志的低5位來控制對文件的讀取、修改操作。如果通過相關(guān)安全檢查則調(diào)用文件操作層接口進行文件的讀取或者修改。文件安全相關(guān)標(biāo)志具體定義如表3所示，bn代表字節(jié)中的第n位。

表3 文件安全性設(shè)計

3.2.4 文件的打開及其在內(nèi)存中的表示

當(dāng)文件的屬性和一些文件相關(guān)的運行時信息被加載入內(nèi)存的時候，文件就處于被打開狀態(tài)。在內(nèi)存中，本文用棧結(jié)構(gòu)來保存打開的文件信息。每打開一個目錄或者文件，其相關(guān)數(shù)據(jù)將會被壓入棧中。棧頂元素永遠(yuǎn)是當(dāng)前打開的文件，也是唯一可以進行讀寫操作的文件。緊挨著棧頂?shù)脑貏t是當(dāng)前打開文件所在的目錄。每關(guān)閉一個文件，就會彈出棧頂元素。文件在內(nèi)存中表示的存儲結(jié)構(gòu)包含目錄項、文件屬性、當(dāng)前操作偏移和一些輔助提高訪問速度的域。

3.3 緩沖層設(shè)計

在本安全文件系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)對FAT表的讀寫為每次2個字節(jié)的設(shè)備讀寫操作。這種情況會造成設(shè)備的頻繁讀寫，嚴(yán)重影響讀寫效率。根據(jù)數(shù)據(jù)讀寫的局部性原理，本文件系統(tǒng)設(shè)計了一個位于內(nèi)存中的緩沖層來提高文件系統(tǒng)讀寫的效率。又考慮到有源RFID標(biāo)簽RAM容量小，本緩沖層設(shè)計為可以調(diào)整內(nèi)存占用大小。緩沖層最小內(nèi)存占用大小可以為幾個字節(jié)。

3.3.1 緩沖層存儲設(shè)計

本文在緩沖層使用了一級緩存，多塊緩存的方法來解決系統(tǒng)中的緩存問題。所謂的多塊緩存是指緩沖區(qū)由一個緩存隊列組成。隊列中每個子緩存區(qū)可以緩存固定大小字節(jié)的數(shù)據(jù)，子緩存區(qū)內(nèi)容可以單獨更新，子緩存之間的內(nèi)容互不影響。

緩沖區(qū)由A、B兩個參數(shù)來實現(xiàn)緩沖區(qū)時間和空間效率的靈活調(diào)優(yōu)。A標(biāo)示每個子緩存區(qū)的大小，B標(biāo)示緩沖區(qū)中子緩存區(qū)的的個數(shù)。緩沖區(qū)占用內(nèi)存的大小可以如下計算：

（1）每個子緩沖區(qū)大小為2A；

（2）緩沖區(qū)中子緩沖區(qū)個數(shù)為2B；

（3）緩沖層占用的系統(tǒng)內(nèi)存為2A×2BByte。

如果緩存區(qū)有效內(nèi)容被改變，該子緩沖區(qū)要做出標(biāo)記，并且要在以后的某個適當(dāng)時刻寫回到存儲設(shè)備相應(yīng)的地址。所以，每個子緩存區(qū)要有一個“dirty”標(biāo)志。

緩沖層定義了2B個子緩沖區(qū)。本文把子緩存區(qū)從0到2B-1進行編號，并且把存儲設(shè)備空間從0地址開始分割為2A Byte大小的連續(xù)塊。塊的邊界是2A Byte對齊。則，存儲設(shè)備塊與子緩存區(qū)之間存在一種映射關(guān)系。令A(yù)DDR[m..n]表示存儲設(shè)備地址ADDR從第m位開始的n位二進制位組成的數(shù)字；ADDR所在的存儲設(shè)備塊內(nèi)容將被緩存到編號為ADDR[A..B]的子緩存區(qū)中。一般情況下存儲設(shè)備塊數(shù)目要多于子緩存區(qū)的個數(shù)。所以，每個子緩存區(qū)要保存所存儲內(nèi)容的起始地址，以便于辨別沖突情況。

3.3.2 更新緩沖區(qū)

更新緩存區(qū)的操作就是讀取存儲設(shè)備一個2A大小且起始地址2A Byte對齊的數(shù)據(jù)塊到緩存區(qū)中或者緩沖層寫操作向子緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)。如果之前緩存區(qū)的“dirty”標(biāo)志位置1，要先把子緩存區(qū)內(nèi)容寫回存儲設(shè)備，然后寫入新的內(nèi)容。并更新緩存區(qū)管理結(jié)構(gòu)中新內(nèi)容的起始地址。

3.3.3 緩沖層讀寫操作

當(dāng)緩沖層接收到來自文件操作層數(shù)據(jù)的讀寫請求時，緩沖層讀寫接口按照存儲設(shè)備塊進行分塊讀寫，每次讀寫一個存儲設(shè)備塊，然后循環(huán)多次來完成讀寫。對于ADDR地址開始N個字節(jié)的存儲設(shè)備塊內(nèi)讀寫操作細(xì)節(jié)如下：

（1）判斷ADDR是否在緩存區(qū)內(nèi)；

（2）如果ADDR在緩存區(qū)內(nèi)，直接讀寫相應(yīng)內(nèi)容作為讀取結(jié)果，過程結(jié)束；

（3）如果ADDR不在緩存區(qū)內(nèi)，更新緩存區(qū)，返回步驟（2）。

4 測試結(jié)果及分析

本文在2.4 GB大容量有源RFID標(biāo)簽系統(tǒng)項目中實現(xiàn)了該文件系統(tǒng)。項目中，標(biāo)簽的硬件條件為基于Cortex-M3的MCU通過SPI接口連接FM25H20的FRAM芯片（存儲容量為256 KB）。SPI接口比特率為20 Mb/s。本文的測試圍繞緩沖層的作用以及文件系統(tǒng)的整體性能進行。

4.1 文件系統(tǒng)性能測試

本節(jié)的測試用例是64 KB數(shù)據(jù)的寫入和讀寫操作。首先直接使用FRAM驅(qū)動接口從地址0開始連續(xù)向存儲設(shè)備寫入64 KB數(shù)據(jù)，然后通過文件系統(tǒng)接口創(chuàng)建文件并寫入64 KB數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 文件系統(tǒng)性能實驗數(shù)據(jù) μs

從表4可以看出文件系統(tǒng)在提供了文件管理功能之后，讀取效率降低了15.3%，寫入效率降低了3.9%。在增加了文件系統(tǒng)的文件管理功能之后，數(shù)據(jù)讀寫效率并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重下降，仍在可接受范圍之內(nèi)。

4.2 緩沖層測試

本節(jié)的測試是64 KB大小的文件寫入然后讀取的操作。操作條件分別設(shè)置為不使用緩沖區(qū)和使用緩沖區(qū)兩種。測試結(jié)果如表5所示。

表5 緩沖層效果實驗

從表5可以看出，緩沖層明顯為文件系統(tǒng)的讀寫提供了性能上的提高，并且極大地減少了設(shè)備訪問次數(shù)。這也直接導(dǎo)致了文件系統(tǒng)讀寫效率的提高。

4.3 文件隨機訪問性能測試

對一個64 KB大小的文件，分別讀取文件起始位置、32 KB偏移處數(shù)據(jù)和60 KB偏移處128 Byte數(shù)據(jù)，分別記錄花費時間。實驗結(jié)果如表6所示。

表6 文件隨機訪問實驗數(shù)據(jù) μs

從表6看出，使用增加FAT索引的效果是非常明顯的。文件系統(tǒng)隨機訪問時間變得穩(wěn)定，呈現(xiàn)常數(shù)的時間復(fù)雜度。

5 結(jié)束語

本文從有源RFID標(biāo)準(zhǔn)的實際需求出發(fā)，對FAT文件系統(tǒng)進行了大量的優(yōu)化修改操作，并提出了增加FAT表索引的思路，為小型嵌入式系統(tǒng)提供了可靠的隨機文件訪問性能。從第3章的實驗數(shù)據(jù)來看，本文件系統(tǒng)在減輕系統(tǒng)內(nèi)存壓力的情況下，可以為系統(tǒng)提供安全、快速的文件存取機制。最后，本文件系統(tǒng)在實際項目應(yīng)用中，也表現(xiàn)出了不錯的性能和穩(wěn)定性。

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XUE Shishuai,LIU Dan,XU Zhan,LI Jianhong

Research Institute Electronic Science and Technology,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China

With the needs of miniature file system in the application of active RFID tag,and the characteristics of limited memory of the system,high speed of reading and writing files during the interrogator collecting tags,this paper begins the research on the secure file system for active RFID tag.It designs a compact,secure and efficient file system by selecting high-speed memory device and improves the FAT file system（adding flexible data cache mechanism,simplifying the file directory entry,adding file access control functionality）.The experimental results show that the system works well.

active Radio Frequency Identification（RFID）;File Allocation Table（FAT）file system;embedded system

針對有源RFID標(biāo)簽應(yīng)用中對微型文件系統(tǒng)的需求，圍繞標(biāo)簽內(nèi)存小和大量標(biāo)簽盤點過程中要求文件讀寫速度快的特點，展開對有源RFID標(biāo)簽安全文件系統(tǒng)的研究。最終通過選用高速存儲器件和對FAT文件系統(tǒng)進行改進（實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)緩沖層、精簡文件目錄項、增加文件訪問控制），實現(xiàn)了簡潔高效安全的文件系統(tǒng)設(shè)計，并在實驗中展現(xiàn)了文件系統(tǒng)良好的性能。

有源無線射頻識別（RFID）；文件分配表（FAT）文件系統(tǒng)；嵌入式

A

TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1301-0333

XUE Shishuai,LIU Dan,XU Zhan,et al.Design of secure file system for active RFID tag.Computer Engineering and Applications,2014,50（24）：47-49.

薛世帥（1986—），男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)等。E-mail：xishuaihear@126.com

2013-01-29

2013-04-22

1002-8331（2014）24-0047-03

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2013-05-21，http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130521.1027.006.html