基于NAND闪存的YAFFS2文件恢复技术研究

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基于NAND闪存的YAFFS2文件恢复技术

研究

作者：范道睿 李平安

来源：《电子技术与软件工程》2016年第04期

摘 要 随着经济及技术的迅猛发展，智能移动终端应用逐步普及，NAND闪存技术取得了

长足的发展，基于NAND闪存的YAFFS2数据恢复技术显得日益重要。本文主要从YAFFS2

简介入手，重点对文件恢复技术进行了分析和阐述，并有针对性地进行模拟实验分析，以供同

行参考。

【关键词】NAND 闪存 YAFFS2 文件恢复

1 引言

NAND闪存与以往磁存储器比较，其在硬件上具有耐擦写次数低且不支持异地存储等特

点；在软件上则具有磨损均衡、按块擦写以及垃圾回收等特殊性能。就目前而言，普遍使用的

Android智能手机，其内核存储器采用的就是基于NAND闪存的YAFFS2数据恢复技术。

2 YAFFS2简介

2.1 NAND闪存

2.1.1 物理特性

NAND拥有质量轻、功耗低、存储成本低等优势，常被用于手机、数码相机等移动设备领

域。同时，NAND闪存具有未被擦除和擦除两个状态，且属于非易失性存储器，即便是掉电后

仍能够对内部存储数据加以保存。

2.1.2 逻辑结构

由小到大，NAND闪存的逻辑结构依次排列为页、块、可擦除区域。一般来说，块是可擦

除的最小单位（由32或者64个页组成），多个可擦除块可以组成一个可擦除区域（256或者

1024个块组成）。每个NAND闪存的存储能力决定了其包含块的数目。

2.1.3 操作特性

通常情况下，可在NAND闪存中分别进行对块擦除操作、写操作以及对单页面进行读操

作等三种操作方式，其中以单页面读的操作速度最快。同时，为有效延长NAND闪存的使用

寿命，通常会使用磨损均衡机制。

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2.2 YAFFS2文件系统

就目前而言，1KB或者2KB页面大小的闪存为YAFFS2的主要服务对象。加上当前

NAND对一次性写入有着较高的要求，因此YAFFS2中已删除标志位已经被淘汰。与传统的

YAFFS1比较，YAFFS2具有较大的容量，且具有较为先进的文件存储方式。

2.3 YAFFS2垃圾回收机制

受NAND自身因素的影响，通常采用日志型结构对YAFFS2进行设计，在对过时但未被

擦除的数据块进行管理时需要实现垃圾回收机制。通常情况下，YAFFS2文件系统的垃圾回收

机制是一种被动的垃圾回收服务，其只在更新对象头、数据写入NAND闪存以及对文件大小

予以改变时会被触发。一旦出现上述问题，首先应精准判断当前可分配的块数量，然后寻找适

合垃圾回收的块，如果有满足条件的块，则可以对其进行擦除操作。

3 文件恢复技术

3.1 基本原理

本文提出了一种基于NAND闪存的YAFFS2数据恢复方法，即运用YAFFS2合理实现

NAND闪存要求的磨损均衡以及无重复写操作方式，并通过对标志位、对象头、NAND块序

号等信息的有效利用，实现数据资料的恢复。具体步骤如下：

（1）基于NAND创建一个新的空文件，且NAND具有足够的存储空间。然后对该文件

写入多个页面数据，YAFFS2会依次为该文件进行存储空间的分配。

（2）关闭文件时，YAFFS2会在NAND闪存上形成新的对象头打开文件后，第一个数据

页面就会被修改，并相应增加了新的数据页。

（3）将文件截断为0KB，此时文件内容仍旧在芯片上存储，同时YAFFS2会存储一个新

的对象头，对象头对用户看到文件的内容具有决定性作用。

3.2 文件恢复算法

通常情况下，对NAND闪存的文件进行恢复时，需要对以下两种情况予以综合考虑：

（1）YAFFS2并未实现对NAND闪存的垃圾回收，此时NAND闪存的所有页面和块在分

配时会严格依据空间顺序进行；

（2）YAFFS2已经实现对NAND闪存的垃圾回收，此时数据块将不会严格依据空间位置

进行分配，部分文件分片甚至出现顺序错乱的情况。

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4 实验与分析

4.1 实验环境搭建

本文中的试验环境是在Ubuntu Linux下利用nandsim对NAND闪存进行模拟，并融入相

应的YAFFS2文件系统。在具体的模拟试验中，需要人工创建数据集，并通过Post Mark有效

实现对分片数据集的构造，并在这两个数据集中应用相应的算法进行数据恢复操作。

4.2 实验一：对多个数据库，依次执行删除操作（最好场景分析）

在本次实验中，首先需要依次创建五个数据库文件，并插入二十条记录。针对五个数据库

进行删除操作，每次操作完成之后，获取镜像备份，最后一次需要对五个镜像进行数据库删除

记录恢复操作。

在人工数据集上，具有出色的表现，且精准率高达100%。无论数据库文件是否出现分片

都不影响删除记录的恢复。这主要是由于NAND闪存的最大容量远超于数据量，文件虽然也

存在失序的情况出现，但是不会因垃圾回收而丢失。

4.3 实验二：公开数据集实验

本次实验主要依赖于2011年DFRWS公布公布的数据集，在数据集中文件是

/system镜像，大小为144M。同样也把该镜像导入nandsim模拟出的NAND闪存。具体来说，

在本次公开数据集实验中，共发现分属于62个具有不同应用的120个数据库文件，其中有对

应日志文件的一共有48个，具有上一版本数据库文件的一共有54个。本实验最终恢复了43

个文件夹，共计550个文件，在磁盘上共占用120M的空间。

5 结语

与传统的磁存储器件相比，NAND闪存在存储方式上给文件恢复工作带来了一种新的突

破。所以，未来几年，如何在Hash芯片进行相应的数据恢复工作将成为NAND闪存的研究方

向。

参考文献

[1]郑光.NANDFlash存储数据逻辑销毁技术研究[D].解放军信息工程大学，2013.

[2]云应用导致NAND闪存需求下降[J].电子产品世界，2013（12）：36-38.

[3]NAND闪存闪现光芒，今年营业收入有望大增[J].今日电子，2013（07）：79-80.

作者单位

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湖北武汉理工大学 湖北省武汉市 430070