基于ISO9660格式的光盤鏡像文件生成算法

徐天斌

同濟(jì)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)及技術(shù)系，上海 201804

0 引言

ISO9660是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization, ISO）制定的光盤文件系統(tǒng)格式，它定義了存儲在光盤中文件的邏輯格式以及組織目錄結(jié)構(gòu)，從而使光盤中文件數(shù)據(jù)的存放位置、目錄、索引結(jié)構(gòu)的組織有了統(tǒng)一的規(guī)范。

ISO鏡像是指基于ISO9660文件系統(tǒng)格式的文件，用于光盤刻錄環(huán)節(jié)，首先要生成ISO鏡像，隨后將ISO鏡像文件刻錄至光盤，其中就需要解決如何去生成基于ISO9660文件系統(tǒng)格式的鏡像文件[1]的問題。

本文我們給出一種用于生成符合ISO9660文件系統(tǒng)格式的鏡像文件的具體實現(xiàn)技術(shù)。在分析ISO9660格式的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)一個將當(dāng)前文件系統(tǒng)中的某個目錄（包含其下所有子目錄）打包生成ISO鏡像文件的程序。

1 ISO9660概述

1.1 ISO9660格式

ISO9660格式以一種緊湊且連續(xù)的方式組織光盤上的數(shù)據(jù)，充分考慮驅(qū)動器機(jī)械特性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行順序化的組織，縮短尋道時間。

此外，ISO9660標(biāo)準(zhǔn)定義了3個層次的數(shù)據(jù)交換兼容性。因為需要兼容當(dāng)時所有的操作系統(tǒng)，所以只使用各平臺特性的交集部分。ISO9660 Level 1標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定文件數(shù)據(jù)必須連續(xù)存放，文件名采用8.3格式，字符集僅限于大寫英文字母、數(shù)字及下劃線。Level 2標(biāo)準(zhǔn)允許長文件和目錄名字，而文件數(shù)據(jù)仍要求連續(xù)存放。Level 3允許數(shù)據(jù)可以以交錯的方式分開存放。

1.2 Joliet擴(kuò)展[3]與共享數(shù)據(jù)光盤

Microsoft在基于ISO9660標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)了與之兼容的Joliet文件系統(tǒng)格式。該格式是對ISO9660格式的一種擴(kuò)展，使得文件和目錄名支持UCS-2字符集，允許長度最大可達(dá)64個寬字符。

對于同時存在兩套或以上文件系統(tǒng)信息，如ISO9660與Joliet共存的情況，將兩套文件系統(tǒng)中的文件記錄信息指向同一塊數(shù)據(jù)區(qū)域。本文中我們將生成一份ISO9660與Joliet共享數(shù)據(jù)的ISO鏡像文件。

2 ISO9660格式相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一個ISO鏡像文件可以視作為一系列連續(xù)的邏輯扇區(qū)，每個扇區(qū)為2048字節(jié)大小，編號從零開始，從0號扇區(qū)到15號扇區(qū)為未定義區(qū)域。

2.1 卷描述符集

從第16扇區(qū)開始存放的是一系列卷描述符。卷描述符的種類包括：基本卷描述符、擴(kuò)展卷描述符、卷分區(qū)描述符、引導(dǎo)記錄以及卷描述符集中止符這5類。

實際中使用的僅3個：基本卷描述符，擴(kuò)展卷描述符和卷描述符集中止符，每個卷描述符占一個邏輯扇區(qū)。

描述符結(jié)構(gòu)描述整個文件系統(tǒng)的管理信息，如描述符類型、卷標(biāo)識符、卷大小、路徑表的所在扇區(qū)號、大小，文件系統(tǒng)根目錄記錄的扇區(qū)號等信息。

卷標(biāo)識符類型值為1表示基本卷標(biāo)識符，值為2表示擴(kuò)展卷標(biāo)識符，值為255表示卷標(biāo)識符集中止符，卷空間大小記錄整個鏡像文件的大小，以扇區(qū)為單位。

2.2 路徑表記錄

路徑表將光盤中所有目錄都在路徑表中存放一條記錄，可以線性查找的方式直接定位到指定目錄，對嵌套層次較深的目錄，避免逐層遍歷目錄結(jié)構(gòu)，多次定位讀取目錄記錄信息耗費的時間表1給出了路徑表記錄的格式。

表1 路徑表記錄

路徑表中的記錄可以跨扇區(qū)存儲，每條記錄長度都是記錄自身描述的，為8 + LEN_DI + （LEN_DI % 2）字節(jié)，整個路徑表必須占據(jù)整數(shù)個邏輯扇區(qū)大小。

2.3 目錄和文件記錄

ISO9660標(biāo)準(zhǔn)對目錄和文件使用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄，即是將目錄當(dāng)作文件看待，文件的位置信息指向文件數(shù)據(jù)，而目錄文件的數(shù)據(jù)則是該目錄下子目錄和文件的記錄項構(gòu)成。表2給出目錄和文件記錄的格式。

表2 目錄和文件記錄

記錄長度由自身描述，末尾填充域保證記錄為偶數(shù)字節(jié)，且不允許記錄跨扇區(qū)存放。同一目錄下所有子目錄和文件的記錄作為同一目錄文件，每個目錄文件的數(shù)據(jù)必須以邏輯扇區(qū)大小對齊，目錄文件不可跨扇區(qū)存儲，扇區(qū)末尾剩余部分用零填充。

3 ISO9660格式鏡像文件生成算法

構(gòu)造基于ISO9660的鏡像文件之核心在于再造出文件系統(tǒng)控制信息。本質(zhì)上是從數(shù)據(jù)源所在文件系統(tǒng)中獲得目錄結(jié)構(gòu)、文件名及屬性等信息，依此通過計算生成文件系統(tǒng)中卷描述符、目錄項記錄以及路徑表等控制信息的數(shù)據(jù)組織，寫入ISO鏡像文件。

本文的算法用于生成同時包含ISO9660與Joliet格式的共享數(shù)據(jù)區(qū)ISO鏡像文件，兩套文件系統(tǒng)控制信息指向同一份文件數(shù)據(jù)。

3.1 樹形目錄層次的構(gòu)建與目錄項長度計算

算法首先要讀取源文件系統(tǒng)中的目錄層次結(jié)構(gòu)，獲取關(guān)于每個目錄或文件的名字、屬性以及樹狀目錄結(jié)構(gòu)中父子節(jié)點關(guān)系。我們通過深度優(yōu)先遍歷獲取從根目錄及以下所有子目錄和文件節(jié)點的屬性，該算法（TraverseFolder）是遞歸實現(xiàn)的，具體描述如下：

將目錄數(shù)據(jù)占據(jù)扇區(qū)數(shù)量的值NSector返回。

3.2 目錄數(shù)據(jù)起始邏輯塊號計算

根據(jù)3.1中已經(jīng)計算得到的每個子目錄記錄項長度，將用于進(jìn)一步計算每個子目錄數(shù)據(jù)將所處的邏輯塊號。DirRecordLoc()由根目錄開始逐層遍歷計算目錄數(shù)據(jù)邏輯塊號，函數(shù)用遞歸方法實現(xiàn)，具體描述如下：

遞歸調(diào)用DirRecordLoc(nodeArray, index + 1, curLoc)計算后續(xù)節(jié)點。

3.3 生成路徑表

由3.2中計算出來的每個子目錄數(shù)據(jù)邏輯塊號，加上對所有目錄節(jié)點由根開始逐層進(jìn)行編號，編號從1開始（該編號將作為路徑表記錄項中的父目錄編號），依照表1中結(jié)構(gòu)就可以構(gòu)造出含所有目錄節(jié)點的路徑表。

路徑表通常位于目錄記錄之后，將路徑表生成后暫時不實際寫入ISO鏡像文件，記錄下該路徑表大小和起始邏輯塊號，將用于填寫卷描述符中相關(guān)字段。

3.4 文件數(shù)據(jù)起始邏輯塊號計算

文件數(shù)據(jù)區(qū)域通常跟在路徑表之后，由3.3中確定的路徑表占據(jù)邏輯扇區(qū)位置之后，才能確定數(shù)據(jù)區(qū)域的起始邏輯塊號。由根目錄開始逐層遍歷所有數(shù)據(jù)文件，依據(jù)每個文件的大小，計算出各文件數(shù)據(jù)的起始邏輯塊號，函數(shù)FileLoc(ref curLoc)具體描述如下：

3.5 ISO鏡像文件的寫入

以上步驟的計算完成寫入前必要數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，之前相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的計算和生成都是為了以順序而不回溯地方式寫完整個ISO鏡像文件或者光盤，不往回移動寫文件指針很有必要。

寫ISO鏡像過程順序依次為前16個扇區(qū)的空數(shù)據(jù)，卷描述符集，分別對應(yīng)ISO9660與Joliet格式的目錄與文件記錄項以及路徑表，最后完成文件數(shù)據(jù)的寫入。

4 試驗結(jié)果與結(jié)論

本文通過剖析了ISO9660格式標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織方式，設(shè)計實現(xiàn)了生成ISO鏡像算法的軟件。軟件實現(xiàn)了將當(dāng)前文件系統(tǒng)中的某個目錄（包含其下所有子目錄）打包成單個ISO鏡像文件的功能，并且可以用Daemon Tools加載讀取ISO文件中的內(nèi)容。

[1]肖飛，王運瓊，李映松，李必謹(jǐn).基于光盤映像文件的CDROM數(shù)據(jù)加密與解密方法，2009，36(5)：299-300.

[2]ISO/IEC DIS 9660:1999，Volume and file structure of CD-ROM for information interchange，1999.

[3]Microsoft Developer Relations Group, Joliet Specification CD-ROM Recording Spec ISO9660：1988，1995