第三章 数据的组织与存储.ppt

1、数据备份与灾难恢复 授课老师：罗熹 邮箱：,第三章 数据的组织与存储,硬盘需要经过三个步骤建立一定的数据逻辑结构才能使用，分别是： 低级格式化 分区 高级格式化 可以正常使用的硬盘可以分为5个区域，分别为： 主引导记录区（MBR） DOS引导记录区（DBR） 文件分配表区（FAT） 文件目录表（DIR） 数据区（DATA）,3.1 硬盘低级格式化,低级格式化(low level format)： 测试磁盘介质 划分磁道 制定交叉因子，间隔安排扇区 为每个扇区又划分出标识部分ID、间隔区GAP和数据区DATA等 对损坏的扇区和磁道做“坏”标记 硬盘的低级格式化是高级格式化之前的必须工作 硬盘在出

2、厂前，已经进行了低格处理 可以选用低格工具对硬盘进行处理,3.1 硬盘低级格式化,何时需要进行低级格式化： 新购置的硬盘或硬盘适配器 因长期使用硬盘出现坏扇区 合理设置交叉因子，改善硬盘数据传输速率 当硬盘经常出现各种问题时,3.1 硬盘低级格式化,低格，高格及快格的区别,3.2 硬盘的分区,硬盘分区就是把一个硬盘分为数个不同的分区，硬盘分区的目的是为了方便用户更合理、更有效地使用硬盘和管理数据。,3.2 硬盘的分区,对硬盘进行分区的优点 便于硬盘的规划，文件的管理 有利于病毒的防治和数据的安全 可有效利用磁盘空间 提高系统运行效率 便于为不同用户分配不同的权限 便于安装多个操作系统 便于镜像

3、磁盘 查杀病毒的速度也会快很多,3.2 硬盘的分区,分区应考虑的因素 根据实际需要设定分区的个数 根据每个分区的应用划定分区的大小 分区粒度：以柱面为粒度 分区总是结束在某个柱面的最后一个扇区，也就是说，同一个柱面不会被划分到两个分区中去。这就解释了为什么实际分区大小往往比要求的分区大小要略微大一些（大容量磁盘中，几乎可以忽略不计）。,3.2 硬盘的分区,扇区的三维地址和线性地址 三维地址C/H/S（柱面/磁头/扇区） C: 01024 H: 0254 S: 163 线性地址LBA (logic block address，逻辑块地址)，从0开始线性编号 C/H/S转换为LBA LBA=C*2

4、55*63+H*63+(S-1) LBA转换为C/H/S C=LBA DIV (255*63) H=(LBA DIV 63) MOD 255 S=LBA MOD 63 +1,3.2 硬盘的分区,扇区的三维地址和线性地址,3.2 硬盘的分区,3.2 硬盘的分区,分区工具 通过FDISK命令分区 利用Windows 98软盘或光盘启动盘启动计算机，进入DOS提示符下。然后在DOS提示符下输入FDISK命令，按Enter键，按照提示进行操作。,3.2 硬盘的分区,通过FDISK命令分区,3.2 硬盘的分区,通过FDISK命令分区,3.2 硬盘的分区,通过FDISK命令分区,3.2 硬盘的分区,利用P

5、artition Magic进行无损分区 PQ可以在无损数据的前提下调整分区的数量和大小。 利用Disk Genius进行分区和格式化 利用Windows XP安装光盘进行分区和格式化 通常情况下，需要对硬盘进行分区、格式化后才能安装操作系统，但对于Windows 2000/XP/2003操作系统来说，可以借助其安装光盘，在安装过程中进行分区和格式化，而且分区、格式化界面更为直观方便。 利用Windows磁盘管理工具进行分区和格式化s,3.3 硬盘的高级格式化,分区后，需要构建文件系统，才能面向用户正常使用，这个过程就是逻辑磁盘的高级格式化。 利用FORMAT命令进行格式化 利用工具软件进行格

6、式化 在WINDOWS系统下进行格式化,3.3 硬盘的高级格式化,1. FAT16 FAT16格式是MS-DOS和最早期的Windows 95操作系统中使用的磁盘分区格式。FAT16采用16位的文件分配表。只支持2GB容量的硬盘分区。 2. FAT32 其采用32位的文件分配表，对磁盘的管理能力大大增强，突破了分区容量2GB的限制，提高了磁盘的利用率。Windows 98以后的操作系统都支持这种分区格式。 3. NTFS NTFS(New Technology File System)是微软Windows NT的标准文件系统，主要应用在Windows 2000/XP/2003以及最新版的Win

7、dows Vista中。 4. Ext2 Ext2是Linux中使用最多的一种文件系统，它是专门为Linux设计的，拥有最快的速度和最小的CPU占用率。Ext2既可以用于标准的块设备(如硬盘)，也可以用于软盘等移动存储设备。,3.4 硬盘的逻辑结构,磁盘片的数据结构分为5部分 MBR（Main Boot Record，主引导记录） 位于硬盘的0柱面、0磁头、1扇区的位置，它由分区工具产生的，MBR结束标志为55AA。 其中最重要的部分是DPT，也就是分区表，DPT记录了整个硬盘的分区情况。 DBR（DOS Boot Record，Dos引导记录）/OBR(OS Boot Record，操作系统

8、引导记录) 位于每一个分区的第一个扇区，它是由格式化工具产生的。DBR结束标志也是55AA 其中最重要的部分是BPB（BIOS Parameter Block），也就是本分区参数记录表，记录了关于本分区的一系列重要参数。,3.4 硬盘的逻辑结构,磁盘片的数据结构分为5部分 FAT（File Allocation Table，文件分配表） FAT大小由分区大小来决定 FAT记录了本分区中每个分配单元（簇）的使用情况 DIR（Directory，文件目录表） 当在DOS模式下输入DIR后，屏幕上显示的内容就是该区的内容 记录本分区下每个文件/目录的起始位置 DATA，数据区，主要负责硬盘中数据的存

9、放，当数据写到硬盘时，数据就存储在这个区中,3.4 硬盘的逻辑结构,主引导扇区位于硬盘的0柱面0磁头1扇区（512字节），包括硬盘主引导记录MBR（Main Boot Record）和分区表DPT（Disk Partition Table）以及结束标志55AA MBR（446字节）包含了硬盘的一系列参数和一段引导程序。 DPT（64字节，最多包含4个分区表项）记录了硬盘中的分区数量，每个分区的起始及终止扇区、大小以及是否为活动分区等。 每个分区表项均为16个字节分配如下:第1字节: 引导标志第2字节: 起始磁头第3字节: 低6位为起始扇区， 高2位与第4字节为起始柱面第4字节: 起始柱面的低8

10、位第5字节: 文件系统标志第6字节: 终止磁头第7字节: 低6位为该分区首扇区的相对扇区号，高2位与第8字节为终止柱面第8字节: 终止柱面的低8位第9-12字节: 第13-16字节: 该分区占用的扇区数目,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（一） 80 01 01 00 0B FE BF FC 3F 00 00 00 7E 86 BB 00 “80”是一个分区的激活标志，表示系统可引导； “01 01 00”表示分区开始的磁头号为01，开始的扇区号为01，开始的柱面号为00； “0B”表示分区的系统类型是FAT32，比较常用的有04（FAT16）、07（NTFS）、 0F（扩展分区）； “FE

11、 BF FC”表示分区结束的磁头号为254，分区结束的扇区号为63、分区结束的柱面号为764； “3F 00 00 00”（高低位互换），首扇区的扇区号为63； “7E 86 BB 00” （高低位互换）分区总扇区数为12289662。 思考：请大家验证一下起始扇区、结束扇区以及总扇区数之间的关系是否正确。该如何验证？,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二）,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） MBR中的分区表 这四个分区在分区表中如何表现呢？我们从图中可以看出分区表中只有两项内容，分别是 80 01 01 00 07 FE FF FB 3F 00 00 00 BD 08 FA 00

12、00 00 C1 FC 0F FE FF FF FC 08 FA 00 2C CD 05 01 这意味着MBR的分区表中只定义了两个分区,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） MBR中的分区表 80 01 01 00 07 FE FF FB 3F 00 00 00 BD 08 FA 00 80表示是引导分区 第2、3、4字节表示分区从0/1/1扇区开始 第5字节表示分区类型，07表示NTFS分区 第6、7、8字节表示分区结束在1019/254/63扇区 第9、10、11、12字节，表示分区从63扇区开始 第13、14、15、16字节，表示分区的扇区数为00 FA 08 BD，换算为10进制

13、为16386237 知道了分区起始在63，大小为16386237，结束位置也就知道了 63+ 16386237116386299。用winhex转到16386299看看，正是1019/254/63扇区。,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二）,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） MBR中的分区表 00 00 C1 FC 0F FE FF FF FC 08 FA 00 2C CD 05 01 前八个字节中我们只要看第一个字节和第五个字节，知道第二个分区是扩展分区，不能引导，这就够了。其余6个字节用C/H/S表示分区的起始和结束就不用再看了，因为8G以后C/H/S已经失去作用了，第二个扩展

14、分区结束的位置超过了8G，C/H/S肯定无法表示了，主要看看后八个字节的LBA参数就可以了 扩展分区之前的扇区数是FC 08 FA 00，高低位互换后是00 FA 08 FC，也就是扩展分区的起始是16386300扇区 扩展分区的大小是2C CD 05 01，高低位互换后01 05 CD 2C再转为10进制是17157420扇区，分区结束在1638630017157420-1=33543719扇区。扩展分区的起点和终点都知道了，通过Winhex查询C/H/S参数，可知分区的起始是1020/0/1，结束在2087/254/63。,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 链式分区表,3.4 硬盘

15、的逻辑结构,分区表实例（二） 第一扩展分区的分区表,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 第一扩展分区的分区表 从扩展分区的分区表中可以看出定义了两项分区 第一项：00 01 C1 FC 07 FE FF FF 3F 00 00 00 00 82 3E 00 定义了D分区，可以知道D分区是一个NTFS分区 3F 00 00 00表示D分区之前的扇区是63，注意，这表示本分区（D分区）的起始到第一个扩展分区起点的距离是63扇区，即相对的首扇区起始位置，扩展分区的分区表在16386300扇区，因此D分区的起始应该是163863006316386363，C/H/S参数是1020/1/1 00 8

16、2 3E 00表示分区的大小是3E 82 00扇区，即D分区的结束位置在16386363+4096512（3E 82 00）-1=20482874，C/H/S参数是1274/254/63。,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 第一扩展分区的分区表 从扩展分区的分区表中可以看出定义了两项分区 第二项：00 00 C1 FF 05 FE FF FF 3F 82 3E 00 ED 4A C7 00 定义的是第二个扩展分区，分区类型05表示是一个扩展分区 00 3E 82 3F表示第二个扩展分区的起点到第一个扩展分区起点的距离，由于第一个扩展扇区的起点是16386300，因此第二个扩展分区的起始

17、是163863004096575（3E823F）20482875，C/H/S参数是1275/0/1。 第二个扩展分区的大小是00 C7 4A ED，所以第二个扩展分区的终点应该是20482875+13060845（C7 4A ED）1= 33543719 ，C/H/S是2087/254/63。,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 第二扩展分区的分区表,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 第二扩展分区的分区表 从扩展分区的分区表中可以看出定义了两项分区 第一项： 00 01 C1 FF 07 FE FF FF 3F 00 00 00 80 E2 5D 00 定义了E分区，类型是NTF

18、S E分区的起点到第二扩展分区表之间的距离是63扇区。所以E的起点是204828756320482938，C/H/S表示为：1275/1/1 E的大小是 00 5D E2 80，可以计算出E的终点是20482938+6152832（5D E2 80）-1=26635769。C/H/S表示为1657/254/63,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 第二扩展分区的分区表 从扩展分区的分区表中可以看出定义了两项分区 第二项：00 00 C1 FF 05 FE FF FF FE 64 9C 00 2E 68 69 00 定义的是第二个扩展分区，分区类型05表示是一个扩展分区 00 9C 64

19、FE表示的是第三个扩展分区的起点和第一个扩展分区起点之间的距离是10249470个扇区。由于第一个扩展分区的起始是16386300，因此第三个扩展分区的起始位置应该是163863001024947026635770。用C/H/S表示是1658/0/1 第三个扩展分区的大小是00 69 68 2E，因此第三个扩展分区的终点应该是 266357706907950（00 69 68 2E）133543719。用C/H/S表示是2087/254/63。,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 第三扩展分区的分区表,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二） 第三扩展分区的分区表 分区表中只有一项，这是

20、因为已经定义到最后一个分区了，因此不需要再向下定义扩展分区了 最后一项00 01 C1 FF 07 FE FF FF 3F 00 00 00 EF 67 69 00 定义了F分区，第五字节 07表示F分区是一个NTFS分区 00 00 00 3F表示F分区和第三个扩展分区分区表的距离是63扇区，第三个扩展分区的起点是26635770，所以F分区的起始位置是 266357706326635833，C/H/S表示为1658/1/1。 F分区的大小是00 69 67 EF，因此计算出F分区的终点是26635833+6907887（69 67 EF）-1=33543719。C/H/S表示为2087/2

21、54/63。,3.4 硬盘的逻辑结构,分区表实例（二）,作 业,某硬盘的分区表如下所示： MBR分区表有两项，分别为： 80 01 01 00 07 FE FF FB 3F 00 00 00 BD 08 FA 00 00 00 C1 FC 0F FE FF FF FC 08 FA 00 2C CD 05 01 第一扩展分区表有两项，分别为： 00 01 C1 FC 07 FE FF FF 3F 00 00 00 82 3E 00 00 00 00 C1 FF 05 FE FF FF 3F 82 3E 00 ED 4A C7 00 第二扩展分区表有两项，分别为： 00 01 C1 FF 07 F

22、E FF FF 3F 00 00 00 80 E2 5D 00 00 00 C1 FF 05 FE FF FF FE 64 9C 00 2E 68 69 00 第三扩展分区表有一项： 00 01 C1 FF 07 FE FF FF 3F 00 00 00 EF 67 69 00 请分析：1、该硬盘共分几区？2、每个分区是否主分区，是否可引导，是哪种文件系统？3、每个分区的起始位置和结束位置（LBA表示法和C/H/S表示法）以及每个分区的容量大小（用扇区总数表示）,3.4 硬盘的逻辑结构,DBR（DOS Boot Record，Dos引导记录）/OBR(OS Boot Record，操作系统引导

23、记录)主要包括BPB（BIOS Parameter Block）本分区参数记录表和一个引导程序。 跳转指令 厂商标识、操作系统版本号 BPB参数块记录着本分区的总扇区数、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数、分配单元（Allocation Unit，“簇”）的大小等重要参数。 引导程序的主要任务是判断本分区根目录前两个文件是否为操作系统的引导文件，如是，就把第一个文件读入内存，并把控制权交予该文件。 结束标志（55AA）,3.4 硬盘的逻辑结构,WINDOWS 98系统下逻辑D盘的引导扇区,3.4 硬盘的逻辑结构,各类磁盘的介质描述符说明表,3.4 硬盘的逻辑结构,3.4 硬盘

24、的逻辑结构,3.4 硬盘的逻辑结构,FAT（File Allocation Table，文件分配表），是DOS/Win9x系统的文件寻址系统 FAT区紧接在DBR之后，一般有两个，第二FAT为第一FAT的备份 FAT所占用的扇区数取决于DOS版本、分区大小、每簇的扇区数等因素，具体值查阅BPB偏移24H 磁盘上的每一个簇在FAT中有且只有一个登记项，通过在对应簇号的登记项内填“表项值”来标记该簇是已占用、空闲或是坏簇三种状态之一 FAT只与DATA区相对应，DBR、FAT和DIR等磁盘空间不由FAT中的簇表示,3.4 硬盘的逻辑结构,FAT每个簇号可取的表项值及其含义 思考题：设一个文件的长度

25、为4个簇，其首簇号为n1,簇号链为“n1-n4-n3-n2”，那么该文件在FAT中对应的表项值是怎样？其逻辑空间和物理存放空间的对应关系 又是怎样？,3.4 硬盘的逻辑结构,磁盘碎片 什么是碎片? 文件在磁盘中不连续存储的情形，被称为产生了文件碎片 碎片是怎样产生的？ 文件的编辑、删除等操作导致碎片产生 内部碎片和外部碎片 思考： 磁盘空间越大，文件碎片就越少吗？ 簇的尺寸越小，文件碎片就越少吗？,3.4 硬盘的逻辑结构,DIR/FDT（Directory/File Directory Table，文件目录表），每个目录项包含32个字节记录每个文件/目录的起始单元、文件的属性等。 DIR紧接在

26、第二FAT表之后 FAT和DIR配合才能准确定位文件的位置,3.4 硬盘的逻辑结构,DIR/FDT 32字节目录项详解 07字节：文件名 810字节：文件扩展名 11字节：文件属性 12字节：长文件名目录项对应的短文件名目录项的文件名和校验和 1315字节：24位的二进制文件建立时间 1617字节：16位的二进制文件建立日期 1819字节：16位的二进制文件访问日期 2021字节：文件起始簇号的高16位 2223字节：16位的文件最新修改时间 2425字节：16位的文件最新修改日期 2627字节：文件起始簇号的低16位 2831字节：32位的文件字节长度,3.4 硬盘的逻辑结构,DIR/FDT

27、 07文件名字节详解 第一字节为00H 表示目录项中的空表项，即未使用的目录项 第一字节为E5H 表示该目录项曾经使用过，但文件已删除 一个子目录也占一个目录项，但是其文件属性值为10H，且文件长度为0 文件名为2EH和2E 2EH 表示是子目录下的两个特殊文件“.”和“.”的目录项 2EH“.”表示当前子目录，其首簇号是当前目录的起始簇号 2E 2EH “.”表示上一级子目录，其首簇号是上级目录的起始簇号，若上级目录为根目录，则首簇号设为0,3.4 硬盘的逻辑结构,DIR/FDT 07文件名字节详解 其他任何合法字符，均表示文件名（文件名均以大写字母表示），若有剩余字节则用空白符20H填充

28、文件名超出8个字节的部分会被“1”替换，若替换后有文件与之重名，则新文件的超出部分会被“2”替换,3.4 硬盘的逻辑结构,DIR/FDT 11属性字节详解 低位05位分别是只读位、隐藏位、系统位、卷标位、子目录位和归档位 0000 0000 读写文件 0000 0001 只读文件 0000 0010 隐藏文件 0000 0100 系统文件 0000 1000 卷标 0001 0000 子目录 0010 0000 档案，只要完成了写操作并已关闭，即为档案,3.4 硬盘的逻辑结构,DATA，数据区，主要负责硬盘中数据的存放，当数据复制到硬盘时，数据就存储在这个区中,3.5 NTFS,NTFS（Ne

29、w Technology File System）是在1993年随着Windows NT 3.5发表而问世的 NTFS的特点： 大容量：NTFS可以支持的分区(如果采用动态磁盘则称为卷)大小可以达到2TB； 良好的空间管理：相较于FAT，NTFS采用了更小的簇，可以更高效地管理磁盘空间，避免了磁盘空间的浪费； 容错性：NTFS可以对用户透明的自动检测和修复磁盘上的错误； 安全性：在NTFS分区上,可以为共享资源设置详细的访问权限，包括：允许哪些组或用户对共享资源进行访问、可以进行什么级别的访问；,3.5 NTFS,NTFS的特点： 文件加密：使用EFS（Encrypting File System）加密 文件压缩：任何基于Windows的应用程序对NTFS分区上的压缩文件进行读写时不需要进行解压缩，文件关闭或保存时会再次自动进行压缩； 磁盘配额管理：管理员可以为不同用户所能使用的磁盘空间进行配额限制，每一用户只能使用最大配额范围内的磁盘空间； NTFS使用一个“变更”曰志来跟踪记录文件所发生的变更。,3.5 NT