硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與恢復(fù)分析

摘 要：本文主要分析硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及原理、造成數(shù)據(jù)破壞丟失原因，并用實(shí)例說(shuō)明數(shù)據(jù)恢復(fù)操作方法，最后給出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在使用過(guò)程中的一些建議。

關(guān)鍵詞：硬盤；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)；存儲(chǔ)原理；恢復(fù)

中圖分類號(hào)：TP309.3

隨著科技的快速發(fā)展，硬盤容量呈現(xiàn)了飛速擴(kuò)容，從最初的單位M到G，到現(xiàn)在的T，容量越來(lái)越大，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)越來(lái)越多。無(wú)論技術(shù)多么發(fā)達(dá)，硬盤總歸是有壽命的，硬盤數(shù)據(jù)的維護(hù)就越來(lái)越受大家的關(guān)注。硬盤的長(zhǎng)時(shí)間使用，難免會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，輕者數(shù)據(jù)丟失，重則硬盤報(bào)廢，數(shù)據(jù)不能找回，勢(shì)必造成更大的損失。那么硬盤為什么可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，又為什么會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失呢，如果硬盤數(shù)據(jù)發(fā)生丟失或損壞，又該如何去處理呢？本文就這幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的闡述。

1 硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。一塊新的硬盤是不能直接使用的，必須對(duì)硬盤進(jìn)行分區(qū)格式化處理后才能夠使用。其作用是在物理硬盤上建立一定的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。做過(guò)分區(qū)格式化的硬盤創(chuàng)建功能通常被劃分為五個(gè)部分：主引導(dǎo)記錄區(qū)（MBR：Main Boot Record）；操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)（OBR：OS Boot Record）；文件分配表（FAT：File Assign Table）；根目錄區(qū)（DIR：Directory）；數(shù)據(jù)區(qū)；（DATA）。其中主引導(dǎo)記錄區(qū)在硬盤中具有唯一性，而其他部分在硬盤的各個(gè)分區(qū)里都會(huì)存在。

主引導(dǎo)記錄區(qū)MBR位于硬盤的0磁道0柱面1扇區(qū)，其主要作用是存放硬盤分區(qū)表，檢查分區(qū)表是否正確以及確定哪一個(gè)分區(qū)為引導(dǎo)分區(qū)，并將該分區(qū)的啟動(dòng)程序（也就是操作系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)）調(diào)入內(nèi)存加以執(zhí)行。分區(qū)表，是以80H或00H為開(kāi)始標(biāo)志，以55AAH為結(jié)束標(biāo)志，共64字節(jié)，位于扇區(qū)的最末端。主引導(dǎo)記錄是由分區(qū)程序產(chǎn)生的，不同的操作系統(tǒng)這個(gè)扇區(qū)也不相同。

操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)OBR即操作系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)，對(duì)于DOS來(lái)說(shuō)，該扇區(qū)位于磁盤的0磁頭0柱面1扇區(qū)，對(duì)于多重引導(dǎo)方式啟動(dòng)的系統(tǒng)則位于相應(yīng)的系統(tǒng)存在分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，是操作系統(tǒng)可直接訪問(wèn)的第一個(gè)扇區(qū)，包括一個(gè)引導(dǎo)程序和一個(gè)稱為BPB（BIOS Parameter Block）的當(dāng)前分區(qū)參數(shù)記錄表。引導(dǎo)程序的任務(wù)是判斷當(dāng)前分區(qū)根目錄下是否存在兩個(gè)操作系統(tǒng)引導(dǎo)文件（IO.SYS和MSDOS.SYS）。將第一個(gè)文件讀入內(nèi)存，并把控制權(quán)交予該文件。BPB記錄著當(dāng)前分區(qū)的起止扇區(qū)、文件格式、根目錄大小、FAT個(gè)數(shù)、分配單元（簇）的大小等重要參數(shù)。

文件分配表FAT是DOS/Window系統(tǒng)中文件尋址系統(tǒng)，考慮到數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)一般生成兩個(gè)FAT，第二個(gè)FAT為第一個(gè)FAT的備份，F(xiàn)AT區(qū)緊接在OBR之后，大小由當(dāng)前分區(qū)的大小及文件分配單元的大小決定。FAT記錄當(dāng)前分區(qū)下所有可使用簇信息，并進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，形成文件分配表。文件分配表記錄中，每一個(gè)記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)簇信息，表示文件具體存放簇的位置，如果需要多個(gè)簇存儲(chǔ)文件，在記錄中會(huì)關(guān)聯(lián)下一個(gè)簇進(jìn)行存儲(chǔ)，直到最后。形成一個(gè)單向存儲(chǔ)鏈表。這個(gè)鏈表才能夠完整的表示一個(gè)文件。

根目錄區(qū)DIR記錄了每個(gè)文件的起始單元，相關(guān)文件屬性等，位于第二個(gè)FAT表之后，單獨(dú)根據(jù)FAT還不能確定文件在磁盤中的具體位置及大小，F(xiàn)AT還必須要和DIR結(jié)合才能夠準(zhǔn)確定位并讀出該文件。

數(shù)據(jù)區(qū)DATA區(qū)是存放文件的實(shí)際區(qū)域，占據(jù)硬盤絕大部分空間，但如果沒(méi)有前面的定義的各部分做說(shuō)明的話，那么DATA中的數(shù)據(jù)也只能是一些枯燥的二進(jìn)制代碼，沒(méi)有任何意義。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理。（1）數(shù)據(jù)寫入。當(dāng)用戶向硬盤寫入文件時(shí)，操作系統(tǒng)首先在DIR區(qū)中查找對(duì)應(yīng)目錄中空區(qū)記錄文件名、文件類型、大小和創(chuàng)建時(shí)間等基本信息，并查找FAT表中空白數(shù)據(jù)單元，并將簇號(hào)記錄在目錄區(qū)中，然后在DATA區(qū)中找到對(duì)應(yīng)簇位置并將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，如果一個(gè)簇存儲(chǔ)不夠，操作系統(tǒng)繼續(xù)在FAT表中查找空白簇信息，并將簇號(hào)保存到上一個(gè)FAT表簇單元中形成存儲(chǔ)鏈表，直到文件存儲(chǔ)完畢，將在FAT表中的最后一簇中記錄文件結(jié)束標(biāo)志；（2）數(shù)據(jù)讀取。當(dāng)用戶想打開(kāi)一個(gè)硬盤文件時(shí)，操作系統(tǒng)首先從DIR區(qū)中讀取該文件的基本信息（文件名、擴(kuò)展名、文件大小、修改日期）以及文件在數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)的第一個(gè)簇的簇號(hào)，然后找到對(duì)應(yīng)于該號(hào)的DATA區(qū)的內(nèi)容，如此重復(fù)，知道遇到文件的結(jié)束標(biāo)志（FF），則表示文件讀取結(jié)束；（3）數(shù)據(jù)刪除。用戶對(duì)文件的刪除操作，包括從回收站的徹底刪除，實(shí)際上并沒(méi)有對(duì)DATA數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行操作，而只是在目錄區(qū)中進(jìn)行操作，就是將目錄區(qū)的文件的第一個(gè)字符改成了E5就表示將該文件刪除了。同樣，用戶對(duì)硬盤的格式化，也只是重寫了文件分配表，而DATA區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)并沒(méi)有發(fā)生改變。而在硬盤分區(qū)時(shí)，也只是重寫了主引導(dǎo)記錄，數(shù)據(jù)區(qū)也未發(fā)生改變。因此從理論上說(shuō)，對(duì)文件的刪除或?qū)τ脖P的分區(qū)、格式化，在寫入新的數(shù)據(jù)之前，硬盤上的數(shù)據(jù)仍然是可以恢復(fù)的。

2 數(shù)據(jù)丟失損壞原因

一般來(lái)說(shuō)造成硬盤數(shù)據(jù)丟失損壞的原因有很多，歸納起來(lái)主要有以下幾種類型：（1）病毒感染。隨著網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展與普及，為病毒的傳播提供了前所未有的良機(jī)，網(wǎng)絡(luò)世界中時(shí)刻有成千上萬(wàn)的病毒在對(duì)計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改、破壞，使文件不能訪問(wèn)，或者對(duì)文件進(jìn)行隱藏。即使用戶安裝了防火墻，但新型的、破壞性更大的病毒仍然防不勝防，因此病毒成了主要的文件殺手；（2）人為誤操作。很多數(shù)據(jù)丟失都是使用者的誤操作造成的，比如，誤刪除、誤格式化，誤分區(qū)等。由于用戶大意刪除了有用的文件，且無(wú)法從回收站中還原，這是最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)破壞；（3）硬盤失效。如果硬盤的盤體或盤片由于遭受到碰撞、擠壓、燃燒、劃傷等，出現(xiàn)了變形或錯(cuò)位，則數(shù)據(jù)的恢復(fù)可能性幾乎為零了。硬盤失效是丟失數(shù)據(jù)的最大的原因之一，同時(shí)也是最嚴(yán)重的問(wèn)題；（4）加密和權(quán)限。對(duì)磁盤文件進(jìn)行加密可以對(duì)文件進(jìn)行保護(hù)，但同時(shí)也帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，文件加密一般都是通過(guò)加密軟件進(jìn)行，如果加密軟件失效，則加密文件無(wú)法解密，造成數(shù)據(jù)丟失。此類問(wèn)題，不同加密情況恢復(fù)情況不同；（5）突然斷電。計(jì)算機(jī)突然斷電的后果可能不僅僅是內(nèi)存數(shù)據(jù)的丟失，有時(shí)也可能會(huì)造成磁盤數(shù)據(jù)的丟失或?qū)е孪到y(tǒng)無(wú)法正常啟動(dòng)。

3 簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)恢復(fù)操作

目前存在比較多的數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件，DiskGenius是一款硬盤分區(qū)及數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件，其主要功能包括對(duì)磁盤進(jìn)行分區(qū)，格式化，分區(qū)備份、硬盤復(fù)制，已刪除文件恢復(fù)、分區(qū)復(fù)制等。本文通過(guò)使用DiskGenius軟件對(duì)C盤誤刪除的文件數(shù)據(jù)（test.docx）進(jìn)行簡(jiǎn)單恢復(fù)操作說(shuō)明。

首先，開(kāi)啟DiskGenius軟件

圖1

打開(kāi)工具菜單，在工具菜單中相關(guān)數(shù)據(jù)恢復(fù)的操作有檢查分區(qū)表錯(cuò)誤，搜索丟失分區(qū)，重建分區(qū)表，搜索已刪除文件或格式化后的文件恢復(fù)等。（在磁盤分區(qū)表存在錯(cuò)誤的情況下，我們通過(guò)檢查分區(qū)表錯(cuò)誤功能對(duì)分區(qū)表進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)數(shù)據(jù)；在磁盤分區(qū)丟失，或者誤刪除分區(qū)的情況下，我們可以通過(guò)搜索丟失分區(qū)功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)；在誤刪除文件的情況下恢復(fù)文件，找回誤刪除的文件，我們可以通過(guò)已刪除文件或格式化后的文件恢復(fù)的功能。）通過(guò)軟件選擇誤刪除文件或格式化的分區(qū)。在這選擇C盤分區(qū)后，選擇工具菜單中“已刪除文件或格式化文件恢復(fù)”功能（或者在C分區(qū)上右鍵選擇已刪除文件或格式化文件恢復(fù)功能），此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)彈出選擇恢復(fù)方式圖框，根據(jù)實(shí)際情況選擇誤刪除文件恢復(fù)。

圖2

圖3

如果知道誤刪除文件的類型可以通過(guò)選擇文件類型，進(jìn)行精確匹配。

圖4

進(jìn)行選擇確定，點(diǎn)擊開(kāi)始進(jìn)行文件搜索，文件掃描完成后，點(diǎn)擊確定，在瀏覽文件中會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)test.docx文件，這個(gè)文件就是我們刪除并清空回收站的文件。

圖5

此時(shí)要恢復(fù)文件需要從該位置將文件恢復(fù)到不用的分區(qū)上，以便保存文件恢復(fù)文件，選中文件后右鍵選擇恢復(fù)到指定位置，在此選擇到D盤

圖6

圖7

確定后，開(kāi)始恢復(fù)文件，完畢點(diǎn)擊詳情查看恢復(fù)情況。

圖8

圖9

文件就保存到了D盤下文件名為～$test.docx，此文件就是誤刪除找回的文件。

4 如何正確使用硬盤

通過(guò)上面對(duì)硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及造成數(shù)據(jù)丟失原因的分析后，在使用硬盤時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)文件及時(shí)進(jìn)行備份處理，尤其是重要文件要做好備份處理，此處備份最后在不同的磁盤上進(jìn)行備份；（2）對(duì)一些非機(jī)密性的文件，也可以放到云存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)備份；（3）計(jì)算機(jī)在使用關(guān)閉時(shí)，保證正常關(guān)機(jī)，不要非法關(guān)機(jī)，或斷電。當(dāng)硬盤開(kāi)始工作時(shí)，一般都處于高速旋轉(zhuǎn)之中，如果中途突然斷電，可能會(huì)導(dǎo)致磁頭與盤片猛烈摩擦而損壞硬盤，因此要避免突然斷電；（4）經(jīng)常對(duì)磁盤進(jìn)行碎片整理，這樣可以促使文件保持連續(xù)，在極端情況下，可以對(duì)文件進(jìn)行恢復(fù)；（5）盡量不要將文件存放于系統(tǒng)盤，避免系統(tǒng)損壞，從做系統(tǒng)帶來(lái)文件丟失。

5 結(jié)束語(yǔ)

越來(lái)越多的用戶感覺(jué)到，當(dāng)存儲(chǔ)在硬盤上的數(shù)據(jù)丟失時(shí)，帶來(lái)的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一塊硬盤的價(jià)值，甚至是無(wú)法用金錢來(lái)衡量的。因此對(duì)普通的廣大計(jì)算機(jī)用戶來(lái)說(shuō)，掌握硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的原理，做到出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候能夠保持從容不迫，采取合理的處理方式恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，挽回?fù)p失是非常關(guān)鍵的。同時(shí)掌握一些如何正確使用硬盤的方法，對(duì)有效地保證數(shù)據(jù)的安全也具有很重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜靈敏.微機(jī)硬盤管理技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2]孫維連.硬盤維護(hù)與數(shù)據(jù)恢復(fù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[3]王恒青.計(jì)算機(jī)硬盤分區(qū)與維護(hù)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：李長(zhǎng)福（1982.06-），男，河北唐山人，航天員科研訓(xùn)練中心助理工程師，本科，從事計(jì)算機(jī)和儀器設(shè)備維修及數(shù)據(jù)恢復(fù)研究。

作者單位：中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124