随着大数据、云计算等新兴技术的快速发展,大规模数据存储的需求越来越大。个人和企业的敏感数据在存储期间都面临着潜在的安全威胁,例如未经授权的访问、泄露、窃取和篡改等风险。为了保障用户的数据安全,许多加密文件系统被设计出来以在用户对文件进行读写操作时为其提供透明、安全的数据加解密服务。然而,加解密计算通常是非常耗时的,并且需要占用大量的系统计算资源。因此,在文件系统中引入加解密计算服务会导致严重的读写性能下降。本文对堆叠式加密文件系统eCryptfs以及目前主流的加解密计算加速技术AES-NI加密指令集和QAT硬件加速器进行了深入的研究。研究发现,导致加密文件系统读写性能下降的原因不仅存在于复杂的加解密计算中,同时eCryptfs的同步式I/O软件栈也是导致加密文件系统读写性能下降的一个关键因素。eCryptfs用于执行数据加解密和数据I/O操作的同步式I/O软件栈限制了其加解密计算性能的提升效果,同时影响了加密文件系统整体的读写性能。为了解决加密文件系统读写性能下降的问题,本文提出了基于NVM的异步式eCryptfs文件加密系统。在该系统中,本文为堆叠式加密文件系统eCryptfs设计了全新的异步式I/O软件栈,利用非易失性存储器NVM作为eCryptfs的高速缓存来实现数据加密和数据I/O操作的并行化执行,有效地缓解了系统的I/O延迟,同时改善了系统的读写性能。本文还为NVM高速缓存设计了一种高效的NVM空间管理方案,使得NVM高速缓存能够更好地支持eCryptfs快速并行的加密操作。该方案除了能够为硬件加速器提供可直接访问的NVM地址空间外,还能够记录NVM高速缓存的空间分配状态,并提供备份计划来处理NVM短缺的情况。本文通过为NVM高速缓存构建附加索引的方式来确保系统能够通过快速地查找操作来确定给定数据块是否缓存在NVM高速缓存中。此外,本文为基于NVM的异步式eCryptfs文件加密系统设计了加解密数据预处理机制,使得系统能够根据用户读写请求的访问模式和请求数据的大小通过数据重组策略对待加密的数据进行数据拆分或者数据聚合处理,同时系统能够根据待加密数据的大小特征通过加解密决策策略为待加密的数据选择最佳的加密计算加速方式,从而能够充分利用指令集和硬件加速来提高系统的加密性能以及读写性能。测试结果表明,本文提出的基于NVM的异步式eCryptfs文件加密系统相较于使用原始同步式I/O软件栈的eCryptfs加密文件系统能够获得更高的读写性能和更低的I/O延迟。