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数据恢复原理

数据恢复是一门比较有用的技术，尤其是当硬盘、U盘、手机存储卡等发生数据丢失时，如何找回丢失的文件和数据则成为最关键的问题。能否找回数据不仅和存储介质有关，而且和操作系统以及介质所在的文件系统有很大的关系，基本上，分区表及文件系统（FileSystem，简称FS）是决定数据能否找回的关键，因为它决定了数据存储的逻辑结构，一旦FS被破坏，即便物理上数据依然存在，可因为数据已经失去完整性和连续性，所以找回数据就变得相当困难。分区表则是决定整个磁盘的布局，从分区表可以得知分区数量、主/扩展分区及逻辑分区的位置与大小等，所以分区表丢失对数据的破坏也是异常严重的。本文仅谈论文件系统的结构。

Windows上常见的文件系统有FAT16/32，NTFS，exFAT等，FAT目前基本只有U盘上使用，硬盘上一般都用NTFS，因为FAT32下单个文件最大不能超4G而且文件信息有限，NTFS则不受这个限制，而且加入了安全描述符（SecurityDescriptor），也就是我们可以为文件或目录设置不同的权限。但是FAT32在U盘下有时还是很方便，当然也可以格式化成NTFS，不过格成NTFS会遇到一种特殊的情况，比如到了某台不受你控制的电脑，你可能因为当前权限原因而无法删除U盘上的文件，问题就变得麻烦了。除此之外，也可格成exFAT，exFAT介于FAT和NTFS两者之间，exFAT下文件大小可以超过4G，所以比FAT32好用。虽然FAT32和NTFS的存储数据方式不同，但某些原理还是相似的，所以，了解了FAT，也就更容易了解NTFS。下面以FAT32为例简单谈一下如何实现FAT下数据的读取和恢复。

FAT12/16由DBR（保留区）、FAT表、根目录和数据区组成，FAT32则没有根目录，根目录位于数据区和文件放在一起。目录（Directory）和文件夹是一样的东西，只是不同的叫法，以下统称目录。DBR扇区中记录了分区基本信息，如每扇区字节数、每簇扇区数、保留扇区数等等。DBR开头三个字节是汇编指令，类似于EBXXXX，意思是跳转到引导代码处。如果将首字节0xEB改成其它数字比如00，分区便无法访问，双击分区会提示未格式化什么的，不过这只是当前电脑的操作系统不识别，如果把U盘或TF卡放到其它系统中去，比如放到随身播放器中还是能够听音乐的，因为播放器系统不一定会检查这个字节的合法性。下面说一下簇，簇是文件系统的存储单位，由若干扇区组成，一个文件若存放了一个簇的前半部分，那簇的后半部分就不能再存放其它文件，也就是说，一个簇不能同时存两个文件。比如假设一个簇大小是8192字节，有个文件大小是1字节，那么它会占据某个簇的第1个字节，实际上它所占的空间是8192字节，剩余8191字节就被浪费了，所以理论上簇是越小越好，但也不能太小，否则寻址不方便。下面看FAT表的结构，FAT表中，每4个字节也就是32位为一项，每一项中记录着簇的编号，前两项不记录簇号，第三项在偏移0x8处，为第一个簇，也就是2号簇，后面是3号，依次编号，每个FAT项的内容是下一个簇的编号。如果内容是FFFFFF0F，则说明该簇没有下一下关联的簇，是独立簇，独立簇存放的是不超过一个簇大小的文件内容，就这样，每个簇都指向下一个簇，如此不停地跳来跳去，最终就能找到一个文件的所有内容，当跳到FFFFFF0F，说明这是文件内容的最后一个簇。文件内容的位置在FAT表中记录，那文件的名字和大小等信息保存在哪里呢？文件的大小等信息其实是另一个目录的内容。根目录中首先保存着根目录下所有文件和目录（以下不说明，文件将包括目录，目录也是文件）的信息，每一项信息大小是32个字节，其中有文件短名、长名、删除标记、属性、创建时间、大小、起始簇号等信息，一项信息开头为0，说明已经到头了，系统会认为下面没有子目录和文件了，表示已经搜索完该目录内的所有文件。如果将根目录中第一个字节改为0，那该分区下就成了空白，将看不到任何文件，其实这不完全等于隐藏，因为如果系统再创建文件时会寻找目录项开头为0的项，然后替换它。如果一目录项是文件（通过属性判断），项中保存着文件内容所在的第一个簇，如果是目录，则项中保存着目录的内容，目录的内容正是目录内文件和子目录信息，这些信息又是一系列目录项，甚至占多个簇（如果目录内文件过多），这样一层一层就能遍历目录内所有文件。

创建文件时，首先在FAT中为该文件分配簇，0大小文件不分配。然后在根目录一层层找到它的父目录，然后在父目录中为它分配目录项，记录文件起始簇、文件时间等信息。如果文件名超过8.3或名字含有特殊字符或中文，就为它建立长文件名目录项，短名按一定规则重新命名。删除文件时，一是清除文件FAT表中的簇号，将簇标记为没有使用，以便让给其它文件，二是目录项开头字节被改成0xE5，表示已删除，整个过程文件内容没有做任何改变。若只改删除标记文件也会消失，但簇未释放，文件暂时被隐藏，但不代表系统以后不会清理它，模拟这个过程我们可以实现强删任意文件，不管它是否有保护或正在运行。一个文件被删除，目录项并没有被立即清空，里面仍记录着文件内容的首簇，所以我们能找到文件内容开始一少部分字节，假设1个簇大小为8192字节，如果文件大小小于1个簇，比如512字节，那么只要簇没有被立即占用，我们就能完全恢复该文件，如果文件为16384字节，就要占两个簇，第一个簇读完，这时我们到FAT中查看该簇记录的下一个簇，因为文件被删，文件所有簇被清空，改为00000000，所以就不能再继续读取了，恢复就变得困难多了，至少不能按常规方法恢复，除非文件是连续存储的，这样我们按簇顺序读取，就能把它恢复。因而，在FAT下恢复文件具有一定概率。用过数据恢复软件的人可能会遇到这种情况，有时已经看到一个文件的名字，恢复出来却是乱码，出现这种情况正是前面说的原因。其实，看到0还不算可怕，如果看到非0，那才悲剧，说明已经被另一个文件替换了，这样就连首簇内容也无法恢复了。从可恢复性上看，NTFS和FAT32就不同，NTFS下如果文件簇没有被覆盖，理论上文件百分之百可以被恢复，或者说，相对而言NTFS文件系统可恢复性更高。下面说隐藏。FAT32下能否简单隐藏一个文件呢？要隐藏一个文件，可以通过改属性标志实现，但不是改变我们通常所说的Hidden（隐藏）属性，而是指改卷标属性。设置普通的隐藏属性后，文件还会在资源管理器中看到，但设置了卷标属性，文件无法再通过文件管理器看到，不过一旦改了驱动器卷标名，文件目录项会丢失，所以最好只对目录进行隐藏。可以将一个目录增加卷标属性，它就看不到了，从而实现了底层隐藏，就连杀毒软件也检测不到它的存在。事实上真有这么强大吗？事实上确实是这样，因为就连操作系统或许都已经检测不到它了，因为你破坏了它的结构。文件是逻辑上的东西，改了关键字节，文件的逻辑结构会发生改变，换句话说，操作系统已经不认为它是一个有效的文件了，它只是磁盘上的一堆数据。其实对于物理磁盘而言，并不存在什么文件，只存在数据0和1，硬盘也根本不知道什么叫文件，就像CPU不知道什么是操作系统一样，它只关心寄存器指令。经过测试，通过这种方法将目录隐藏后改卷标名并不影响目录本身，取消属性后仍然能看到该目录及其下面的所有文件，不过卷标属性是只读的，不能通过SetFileAttributes函数更改，所以只能用DDM（DirectDiskManipulation，意为“直接磁盘操作”，即直接操作磁盘来访问文件）技术实现。那能不能禁止文件被复制和访问呢？办法是有的，还是改属性，将属性第6bit设为1，它就不能被运行和复制了，任何对该文件或目录的访问都会提示“拒绝访问”，有人顺便会把第7bit也就是最后1位也设为1，这个其实没有必要，7bit其实是Normal（标准）属性，值为0x80，就是不含其它属性的属性，FAT中值存储为0，两者一样，只是在设置属性时加以区分