Umgebung für automatisierte Tests von Dateisystemen auf NAND-Flash

Abstract

Datenspeicher in Raumfahrtanwendungen sind ein Hauptfaktor für die Echtzeitfähigkeit des kompletten Systems. Ob als Langzeitspeicher für Messergebnisse oder als Hauptspeicher für Instruktionen sind sie für nahezu jedes System unabdingbar. Da in der Raumfahrt eine lange Lebensdauer und ein vorhersehbares Verhalten den Erfolg einer Mission bestimmen kann, sind benutzte Speicher um Größenordnungen von einigen 10.000 mal teurer als normale Endkundengeräte, weil sie wohldefinierte Zeitverhalten besitzen und besonders robust gegenüber Strahlung und mechanischen sowie thermischen Belastungen sind. Um den Preis für Speicher zu verringern, sollen die deutlich günstigeren NAND-Speicher aus der Massenproduktion verwendet werden und mithilfe eines geeigneten Dateisystems die deutlich höhere Fehleranfälligkeit durch Redundanz und die fehlende Echtzeitfähigkeit durch bestimmte Strategien ausgeglichen werden. In der Arbeit werden Dateisysteme vorgestellt und verglichen, die solche Aufgaben erfüllen könnten. Es wird eine Simulationsumgebung entwickelt, die Dateisysteme mit allgemeinen oder spezifischen Benutzungsprofilen testen und quantifizierbar vergleichen kann. Dazu werden Fehlerquellen von NAND-Speichern im Weltraum klassifiziert, modelliert und implementiert. Als Fallbeispiel wird je eine Implementation der Dateisysteme FAT und YAFFS in die Simulationsumgebung integriert und unter verschiedenen Aspekten verglichen. Es wird gezeigt und begründet, dass FAT ein besseres Verhältnis von Speicherverbrauch und Nutzdaten bietet, aber durch Abwesenheit von wear leveling und fehlerkorrigierende Codes deutlich schlechter bei starker Dateiinteraktion und unter Fehlereinflüssen abschneidet. Es wird gezeigt, warum beide Dateisysteme auf NAND-Flash nicht echtzeitfähig sind und dass eine Kombination von einem Flash Translation Layer, einem geeigneten RAID-Verbund und einem normalen Dateisystem wie ext4 dieses Kriterium erfüllen kann.