硬盘还原技术原理探究

王琼

摘 要：文章以长城还原卡为例，简单介绍硬盘还原技术的工作原理，分析多点还原技术的优缺点。

关键词：硬盘还原；计算机保护

中图分类号：TP309.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0091-02

1 硬盘还原技术简介

硬盘还原技术，又称系统还原技术，指能使硬盘的数据保持在计算机设置为保护时的状态，对于学校计算机实验室的维护和管理非常有用。因为每次学生所做的操作，在电脑重新启动之后，都将恢复原样，下一节课的操作环境还原为设置的最开始的保护状态 。所以，硬盘还原技术逐渐成为学校计算机实验室的常用手段，还发展出还原卡设备和还原软件。很多品牌计算机如惠普、联想、长城在针对学校的机型当中甚至集成了具有还原功能的还原卡产品，并且将系统还原和网络拷贝功能统一集成在还原卡中。

2 硬盘还原的工作原理

硬盘还原的工作原理与操作系统的启动流程和硬盘的数据结构及数据在硬盘上的存储格式是密不可分的。

2.1 操作系统的启动流程

操作系统是运行在电脑上的底层软件，故操作系统和计算机硬件是紧密结合在一起的。计算机通电后，首先读取BIOS（基本输入输出系统），进行硬件自检，自检正常，BIOS根据设置的启动顺序将控制权交给下一阶段的启动程序，即根据用户指定的引导顺序从硬盘、光盘或是优盘中读取启动设备的主引导记录，一般来说从硬盘启动。根据主引导记录去指定的位置找操作系统，若从硬盘启动，这时计算机的控制权转交给硬盘的某个分区，然后转交给操作系统，启动完成。启动流程，如图1所示。

2.2 硬盘的数据结构

硬盘像一个仓库，分区就是将一块硬盘划分为几个部分，每个部分有不同的用途。安装操作系统之前，要对硬盘进行格式化和分区，才能使用硬盘保存各种信息。

硬盘分区时，一般分成五个部分。如图2所示。

硬盘的第一个扇区，是主引导扇区（Boot Sector），如图3所示，由主引导记录、硬盘分区表和引导区标记三部分组成。主引导记录主要存放系统主引导程序和出错信息存放区，其中系统主引导程序负责从活动分区中装载并运行系统引导程序。硬盘分区表主要记录磁盘的基本分区信息。

硬盘的第二个扇区，是操作系统引导扇区OBR（OS Boot Record），由引导程序和本分区参数记录表组成。引导程序的主要作用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。分区参数记录表，记录了本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式等重要参数。

硬盘的第三个扇区，是文件分配表FAT（File Allocation Table），保存着文件的空间分配信息，是操作系统的文件寻址系统。文件分配表若损坏，就无法定位文件位置。

目录区 DIR （Directory）在文件分配表之后，它和文件分配表组合使用可以准确定位文件的位置。目录区记录着每个文件的起始单元、文件的属性等参数。定位文件位置时，根据目录区参数定位文件的起始单元，根据文件分配表定位文件的结束单元。

数据区 DATA在DIR区之后，是存储数据的区域，占据了硬盘的绝大部分空间。数据区可以说相当于仓库里存放的实物。但没有了文件分配表和目录区这些部分，数据区无法读取出文件。就像仓库有实物，但是你没有指路标示，就无法找到实物。日常中进行的格式化D盘，其实没有把D盘在数据区DATA的数据清除，只是重写了分区表FAT，在分区表中将D盘原来的数据全部清除，但是D盘数据内容还是存在于数据区DATA中的内容。对硬盘重新分区，绝大部分的数据区的数据也没有被改变，只是修改了主引导记录和操作系统引导扇区，这也是硬盘数据能够修复的原因。

2.3 数据存储原理

2.3.1 文件的读取

用户读取文件时，操作系统先从目录区中读取文件名称、文件大小和文件在数据区保存的位置即簇等重要信息。确定了文件在数据区DATA的簇编号，就可以去数据区对应的簇开始读取数据，但是目录区没有文件数据结束的簇编号信息，这时需要根据文件分配表的项和值来判断此簇是否代表文件结束，如果不是结束，就继续往下读取数据，如果是文件结束标志，则表示文件结束。

2.3.2 文件的写入

用户保存文件时，操作系统首先在目录区DIR中找到空区写入文件名、文件大小和创建时间、修改时间和访问时间等相应信息，然后在数据区Data找到空余空间将文件保存，并将数据区Data的第一个簇编号写入目录区DIR。

2.3.3 文件的删除

文件删除时，并不是将文件的数据从数据区清除掉，而是在目录区里把需要删除的文件的第一个字符改成了删除标志E5，数据区的相关内容并没有变化。

以硬件还原为例，还原卡一般安装在主板PCI插槽里，现在更多的是将还原芯片直接集成在网卡当中，与网卡一起配合完成网络拷贝、系统还原的功能。还原卡上装载了一块ROM芯片，该ROM芯片在计算机启动时抢到控制权，将文件分区表、目录区参数等信息都保存到还原卡的临时储存单元或是硬盘的隐藏扇区中，再复制一份FAT信息保存到临时储存单元中，当用户对硬盘内数据进行修改时，在硬盘中找到一部分连续的空磁盘空间，将用户修改的数据保存。

这样，用户对硬盘的读写操作都要经过还原卡的保护程序进行保护性的读写，每当用户向硬盘写入数据时，其实没有修改硬盘中原来的文件分配表FAT，而是写到了备份的FAT表中，系统重启后，清楚掉备份的FAT表，电脑就还原到之前的状态。

3 还原卡多点还原技术的应用

在实验室管理中，我先后接触了蓝光还原卡、噢易还原卡和长城还原卡。随着还原卡在计算机实验室的大量应用，还原卡现集数据保护、系统拷贝功能于一身，还改进网络传输方法，能实现增量数据传输，大大减短了软件更新的系统传输时间。与蓝光还原卡、噢易还原卡相比，长城还原卡具有如下优点。

3.1 Windows操作模式，操作简单

长城还原卡改进了界面操作方式，保留了传统还原卡底层DOS界面操作方式，又将主要功能与Windows操作系统相结合，提高了还原系统的可操作性和界面的美观性。以往的主流还原卡只能在DOS界面进行软件安装、网络传输等操作，现在长城还原卡可以在操作系统界面进入还原卡管理界面并进行修改、管理。

3.2 采用独立的多点复原方式

蓝光还原卡、增霸卡在系统备份上有限制，只能保存一个系统或两个系统，当安装新软件后，需要保存时，只能在以现在的系统替换原有的系统，而不能把多次的状态都保存下来。一旦新安装的系统在以后使用过程中出现问题时，只能重新修复软件。

长城网络还原卡可创建多个还原点，可保存多个系统的不同状态。还可以用更新驱动参数的方法来实现不同还原点的切换。这种技术对实验室集中管理有很大的帮助。实验室机房软件过多，而且部分软件安装存在冲突的问题，在多点复原技术下，可以在最初始的操作系统下安装不同的软件，保存为不同的进度，需要对应的软件时，只需要更新电脑参数，使用对应的安装软件的进度就可以了。

总的来说，长城还原卡在使用当中界面美观，操作简单，但是多点还原技术的使用使计算机的开机速度比其它还原卡慢。

4 结 语

综上所述，系统还原最基本原理就是用户操作时，将用户操作保存在一个备份的分区表中，当电脑重启，删除用户操作的分区表，调用以前的备用分区表，整个系统就还原了。能硬盘数据能完好无缺的还原跟数据字硬盘中的存储方式是分不开的。硬盘还原技术是高校机房、高校图书馆、网吧进行电脑系统维护的重要方法。

参考文献：

[1] 扈新波.数据恢复技术与典型实例[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2] 朱玮，杨文浩.浅析数据恢复原理与方法[J].华人时刊（下旬刊），2014，（10）.

[3] 冷静.硬盘数据恢复原理与方法[J].江苏科技信息，2010，（12）.

[4] 孙维连.硬盘维护与数据恢复[M].北京：中国水利水电出版社，2007.