手把手教你数据恢复编程基础知识篇

Posted 2022-11-15 xizero00

前言

忙了一个学期的事情，现在终于闲下来了，搞数据恢复，前前后后，也搞了一年多了，说起来不长也不久，为了参加全国信息安全竞赛，不知道花了多少时间，可是结果就是连复赛都没进，这也许是体制内的东西，这些，我们无法改变，既然花了那么多时间，就一定要让这些知识发挥他们的作用，本来打算在自己不忙的时候整理整理期间做的一些东西和资料放到CSDN上，现在正好有空。其实知识并不是让评委来评价的，大家都知道，所谓的教授，就是拿着国家的钱做自己的事情的一群人，当然，有些教授还是好的，这里我不想说多少。

好了，废话不多，接下来咱们看正题

磁盘分区及分区表结构

首先，我们先了解一下磁盘分区的结构以及分区表是怎么构成的。

在磁盘存储，磁盘分区指是在磁盘上划分几个逻辑部分，称为分区。不同类的目录与文件可以存储进不同的分区。磁盘分区具有多种分区结构，如MBR磁盘分区、动态磁盘分区及GPT磁盘分区等。其中，MBR磁盘分区是最常见的分区结构，它通过分区表实现对磁盘分区的管理。如果分区表被清除或者破坏，则磁盘的分区就会丢失。图1显示了Windows系统（MBR磁盘分区）中的磁盘分区及分区表结构。

图1 磁盘分区结构

从图1中可以看出，在磁盘分区（Windows系统）中，分区的结构主要由MBR（Master Boot Recorder 即主引导记录）中的MPT（Main Partition Table 即主分区表）和EBR(Entended Boot Recorder 即扩展引导记录)中的EPT(Entended Partition Table  即扩展分区表)决定。下面，我们将对MBR和EBR结构进行详细分析。

（1）主引导记录MBR（Master Boot Record）结构分析

主引导扇区位于整个硬盘的0柱面0磁头1扇区（柱面，磁头，扇区）|（0，0，1）。Bios在执行自己固有的程序以后就会跳转（Jump）到MBR中的第1条指令。将系统的控制权交由MBR来执行。

主引导扇区主要由三部分组成：主引导记录 MBR、硬盘分区表 DPT（Disk Partition Table）和结束标志字3大部分组成。表1显示了MBR主引导记录的结构。

表1 主引导记录结构

位置	长度（字节）	字段名
0x00~0x1B7	440	引导程序
0x1B8~0x1BB	4	磁盘签名
0x1BC~0x1BD	2	保留区域
0x1BE~0x1FD	64	分区表项（分区结构信息）
0x1FE~0x1FF	2	结束标志

下面我们将详细介绍各个字段的含义。

（1）0x00~0x1B7：引导程序指明该分区是否是活动分区，它占MBR的前440字节。

（2）0x1B8~0x1BB：Windows磁盘签名，它占用引导程序后的4字节，是Windows系统对硬盘正常化时写入的一个磁盘标签。

（3）0x1BC~0x1BD：保留区域。

（4）0x1BE~0x1FD：分区表（Disk PartitionTable，DPT）。硬盘分区表占据MBR扇区的64个字节，它可以对四个分区的信息进行描述，其中每个分区表项的信息占据16个字节，具体每个字节的定义如表2所示。

（5）0x1FE~0x1FF：结束标志字“55 AA”，它是MBR扇区的最后两个字节，是检验主引导记录是否有效的标志。

表2 磁盘分区表项结构

偏移	长度（字节）	意义
0x00	1	分区状态：00—>非活动分区；80—>活动分区 其他数值没有意义
0x01	1	分区起始磁头号，用到全部8位
0x02	2	分区起始扇区号，占据0x02的位0—5； 该分区的起始磁柱号，占据0x02的6—7位 和0x03的全部8位
0x04	1	文件系统标志位
0x05	1	分区结束磁头号，用到全部8位
0x06	2	分区结束扇区号，占据0x06的位0—5； 该分区的起始磁柱号占据0x06的位6—7和0x07的全部8位
0x08	4	分区起始绝对扇区
0x0C	4	分区总的扇区数

在表2中，分区表项的第1字节为分区的引导标志，只能是0x00和0x80。0x00表示非活动分区，0x80表示活动分区。其余值对Microsoft而言为非法值。大于1字节的数值被以低字节在前的存储格式顺序保存下来。

关于Little Endian 和Big Endian，其实就是数据在磁盘中的表示方式而已，不必惊慌。

所谓Big Endian是指最低位地址存放高位字节，可称高位优先，内存从最低地址开始按顺序存放（高数位数字先写）。最高位字节放最前面。

所谓Little Endian是指最低位地址存放低位字节，可称低位优先，内存从最低地址开始按顺序存放（低数位数字先写）。最低位字节放最前面。

例如，“本分区之前使用的扇区数”字段的值0x3F000000就是Little Endian格式的，按照习惯的高位在前的方式（即正常我们看数字的方式，注意，这里以0x开头是说明表示方式为16进制）应该表示为0x0000003F,这个数值的十进制值为63。

“本分区之前使用的扇区数”就是该分区的相对起始扇区号，是以LBA值来表示的。这个值也可以称为隐藏扇区数。

系统在分区时，各分区都不允许跨柱面，即均以柱面为单位，这就是通常所说的分区粒度。在分区时输入分区的大小 为7000MB，结果分出来却是6997MB，就是这个原因。

分区表项的第3和第4个字节分别是起始扇区号和起始磁柱号，起始扇区号占6位，起始磁柱号占10位。以“起始扇区号”为例，其低6位用扇区数的二进制表示，高两位用做柱面数10位中的高两位。由此可知，实际上用这种方式表示的分区容量是有限的。

柱面和磁头从0开始编号，扇区从1开始编号，所以最多只能表示1024个柱面*63个扇区*256个磁头*512Byte=8455716864Byte，即通常的8.4GB限制。

实际上磁头数通常只用到255个（由汇编语言的寻址寄存器决定），即使把这3字节按线性寻址，依然力不从心。在后来的操作系统中，通过8.4GB的分区其实已经不通过C/H/S的方式寻址了。而是通过偏移0x0C~偏移0x0F共用4字节32位线性地址来表示分区占用的扇区总数。可知通过4字节可以表示 4294967296个扇区，即2048GB，目前对于大多数计算机而言，这么大的分区已经够用了。在未超过8.4GB的分区上，C/H/S的表示方法和线性扇区的表示方法所表示的分区大小是一致的。也就是说，两种表示方法是协调的。即使不协调，也以线性寻址为准。超过8.4GB的分区结束C/H/S一般填充为FEH/FFH/FFH,（这里的H是指16进制）即C/H/S所能表示的最大值。

（2）扩展分区EBR（Extended Boot Record）结构分析

根据MBR的分区表的结构（即MBR中只有四个分区表项），一个物理磁盘最多可以分为4个逻辑磁盘（分区）。对于具体的应用，4个逻辑磁盘往往不能满足实际需求。为了建立更多的逻辑磁盘供操作系统使用，系统引入了逻辑分区的概念。所谓逻辑分区，严格地讲它并不是一个实际意义的分区，它仅仅是一个指向下一个用来定义分区的参数的指针，这种指针结构形成一个单向链表。这样主引导扇区中除了主磁盘分区外，仅需要存储一个被称为扩展分区的分区信息，通过这个扩展分区的信息就可以找到下一个分区的起始位置，从此起始位置类推可以找到所有的分区。

EBR主要包括分区表和结束标志“55 AA”，没有引导代码。扩展分区中4个分区表项并不是全部被使用，而是使用其中的前2个表项。其中，第1个分区表项描述一个文件系统分区以及该分区的大小。第2个分区表项描述出下一个扩展分区的起始位置及大小。扩展分区的结构如图2所示。表3显示了EBR中扩展分区表（EPT）项的详细信息。

图 2 扩展分区结构

表3 EBR中的EPT表项各个参数

位置	长度（字节）	字段名
0x1BE	1	引导标志
0x1BF	1	开始磁头
0x1C0	1	起始扇区
0x1C1	10位	起始柱面
0x1C2	1	分区的类型描述
0x1C3	1	结束磁头
0x1C4	6位	结束扇区
0x1C5	10位	结束柱面
0x1C6~0x1C9	4	本分区之前使用的扇区数
0x1CA~0x1CD	4	分区的总扇区数
0x1CE~0x1FD	48	分区表项

       接下里，我们将详细介绍表3中EBR的EPT表项的各个参数。

（1）0x1BE~0x1BE：引导标志，指明该分区是否为活动分区。

（2）0x1BF~0x1BF：开始磁头。

（3）0x1C0~0x1C0：起始扇区，共占用6位，只用了0~5位，后面两位（第六位和第七位）被开始柱面字段所使用。

（4）0x1C1~0x1C1：起始柱面，共占用10位，最大值为1023。

（5）0x1C2~0x1C2：分区表类型描述，定义了分区的类型。

（6）0x1C3~0x1C3：结束磁头。

（7）0x1C4~0x1C4：结束扇区，共占用6位，只用了0~5位，后面两位（第六位和第七位）被开始柱面字段所使用。

（8）0x1C5~0x1C5结束柱面。结束柱面是一个10位的数，最大值位1023。这里需要注意的是由于现在计算机已经基本上不使用C/H/S的寻址方式。

（9）0x1C6~0x1C9：本分区之前使用的扇区数，指从该磁盘开始到该分区开始之间的偏移量，以扇区数来表示。

（10）0x1CA~0x1CD：分区的总扇区数，指该分区所包含的扇区总数。

（11）0x1CE~0x1FD：分区表项。第一个分区表项是用来管理第一个逻辑驱动器，第二个分区表项是一个扩展分区，第三个和第四个一般是空的，没有数据。

 

总结一下：这里我们介绍了分区、分区表、分区表项以及数据在磁盘上的表示方法，下一篇，将介绍NTFS文件系统的相关知识，敬请期待。