数据存储与恢复的原理

职业能力

认识存储器工作原理及数据存储原理，掌握数据恢复的理论基础。

核心概念

通过对存储器的认识，了解数据存储的方式，理解数据恢复的原理。

学习目标

认识常见的计算机存储设备。

了解数据存储的方式。

理解数据恢复的原理。

基础知识

7.1.1　计算机存储数据

7.1.1.1　主流存储数据的介质

数据恢复的实质就是找回用户所需的数据，而数据必然存储在一定的介质上。首先，我们了解一下主流的数据存储介质。根据使用材料和存取原理的不同，存储介质可分为三大类：

·电存储技术介质，如内存、闪存等。

·磁存储技术介质，如磁带、磁盘等。

·光存储技术介质，如CD、DVD等。

1.电存储技术介质

电存储技术主要是指半导体存储器（Semi-conducor Memory，SCM）。早期的SCM采用晶体管触发器作为存储单元，再配合上选择、读/写等电路构成存储器。现代的SCM采用超大规模集成电路制成存储芯片，每一个芯片中包含若干的存储单元，再由若干芯片构成存储器。采用电存储技术的介质有内存、闪存等。

图7-1-1　内存条

图7-1-2　U盘

图7-1-3　SD卡

2.磁存储技术介质

磁存储，主要指磁表面存储器（Magnetic Surface Memory，MSM），磁表面存储器是用非磁性物质（如塑料、非磁性金属）作为基储介质，在其表面电镀、沉积或溅射上高磁导率、硬磁矩的磁性材料制成记录介质，用磁性材料的两种磁状态记录信息“0”和“1”。根据记录介质的不同可分为磁卡存储器、磁带存储器、磁鼓存储器和磁盘存储器。现在使用较广泛的MSM是磁盘（图7-1-4）和磁带存储器。

图7-1-4　磁盘

3.光存储技术介质

光盘存储器（OPTICAL DISK MEMORY，ODM）和MSM类似，也是将用于记录的物质涂敷在基础介质上构成记录介质。光盘的基础介质是由热传导率很小、耐热性很强的有机玻璃制成的圆形薄片，在记录介质的外层还涂敷或沉积了一层保护介质，以保护记录面。采用光存储技术的介质有CD、DVD等（图7-1-5）。

图7-1-5　光盘

7.1.1.2　数据在磁盘上的存储

现在的硬盘，无论是IDE还是SCSI，采用的都是“温彻思特”技术，都有以下特点：

1）磁头，盘片及运动机构密封

2）固定并高速旋转的磁盘片表面平整光滑

3）磁头沿盘片径向移动

4）磁头对盘片接触式启停，但工作时呈飞行状态不与盘片直接接触

盘片：硬盘盘片是将磁性物质附着在铝合金圆盘片的表面上。这些磁性物质被划分成若干个同心圆（称为磁道），在每个同心圆（磁道）上就好像有无数的小磁铁，它们分别代表着0和1的状态。当这些小磁铁受到来自磁头的磁力影响时，其排列的方向会随之改变。利用磁头的磁力控制指定的一些小磁铁方向，使每个小磁铁都可以用来储存信息。

盘体：硬盘的盘体由一个或多个盘片组成，这些盘片重叠在一起放在一个密封的盒中，它们在主轴电机的带动下以很高的速度旋转，其每分钟转速达3600，4500，5400，7200甚至以上（图7-1-6）。

图7-1-6　磁盘盘体

磁头：硬盘的磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态，一般说来，每一个磁面都会有一个磁头，由上到下从0开始编号。磁头采取在盘片的停泊区接触式启停的方式，停泊区不存放任何数据，磁头在此区域启停，不会损坏数据。读取数据时，盘片高速旋转，此时磁头处于离盘面数据区0.2～0.5微米高度的“飞行状态”，既不与盘面接触造成磨损，又能可靠的读取数据。

电机：硬盘的电机大多为无刷电机，在高速运转下机械磨损极小，可以长时间连续工作。硬盘工作时高速旋转的盘片产生了陀螺效应，所以不宜移动，否则将加重轴承的工作负荷。硬盘磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或者直线运动步进电机，在伺服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道，所以在硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心轻放。

图7-1-7　磁头组件

7.1.2　数据恢复原理

7.1.2.1　数据恢复概念(www.xing528.com)

所谓数据恢复，就是把遭受到破坏（如病毒、误操作），或硬件故障缺陷导致不可访问的数据还原成能正常使用的数据。

在计算机的日常使用中，为了避免数据丢失或被破坏，常用的方法是对数据进行实时备份。但数据备份需要大量的资金及人力成本的支撑，日常的数据做到实时备份是不现实的。因此，当人为误操作、遭到病毒攻击、数据存储设备出现故障时，数据都将面临丢失或破坏的危险。此时，数据恢复技术是数据安全的最后一道防线，对数据安全起到至关重要的作用。

7.1.2.2　数据的可恢复性

数据恢复其实就是一个数据再现的过程，只要解决了“数据在哪里”，“怎么恢复重现数据”这两个问题，事实上就把握了数据恢复的精髓。

1.内建的备份机制

我们日常使用计算机时，都提倡及时备份，其实磁盘存储数据过程中，本身就有系统内建备份机制的，比如FAT32文件系统中，文件配置表（FAT）就有两份，其中第二份就是备份。

2.数据的实际有效性

文件打不开或者找不到，并不见得数据就真的不存在了，从操作系统的角度来看，这是一种逻辑丢失，而非物理消失。比如文件删除，事实上，这只是把文件索引的首字节改为E5而已，真实的文件依然存在。

3.数据损坏的可逆性

对数据的改变有“取代”和“变换”两种情况。前者是不可逆的，而后者是可逆的。比如病毒破坏，大多数情况下是文件属性部分进行有规律的改变而非“取代”，因此找出病毒感染的原理，即可逆向操作恢复数据，即杀毒过程就是感染的逆过程。

4.数据的标准性和统计性

有些信息实际上是通用或局部通用的，因此无须考虑如何从本机抢救，只要相同或相近的系统版本就可以了，比如BOOT区、隐含扇区等。有些信息可以从其他数据计算求得，比如分区DBR破坏，可以从其他完好分区将DBR复制过来，并计算出关键参数，填回即可。

以上只是从理论上阐述了数据的可恢复性，但在实际的数据恢复工作中还需要考虑数据恢复的“经济可承受度”和“时间尺度”。当硬盘数据被覆盖了一次后，在技术上数据是可恢复的，但从经济价格上看是不可恢复的。同时，一次数据恢复的价值，通常会随着恢复时间的增加而在不断地减少。

任务小结

1.数据存储介质。

2.磁盘存储数据原理。

3.数据恢复原理。

任务设计

1.任务条件：需在微机维护实训室进行，能登录互联网进行信息查阅。

2.任务组织：每组四人，一人担任组长。完成任务后，再分开独立完成。

3.安全及注意事项：按任务要求逐条进行查阅，并根据实物观察，掌握常见品牌硬盘的主要特征。

4.任务实施：根据表7-1-1，在互联网上搜索并查看硬盘参数。各小组分享任务成果。

表7-1-1　机械硬盘的主要参数

能力考核

一、判断题

1.（　　）磁盘中每一个磁面都会有一个磁头，由上到下从1开始编号。

2.（　　）磁盘在工作过程中，为了保证存取数据的准确性，磁头一直和磁面是接触的。

3.（　　）机械硬盘存储数据的介质是微磁粒。

4.（　　）数据恢复，简单地说，就是把遭受破坏、或由硬件缺陷导致不可访问或不可获得，或由于误操作等各种原因导致丢失的数据还原成正常数据。

5.（　　）文件在任意情况下被删除了，只要不被覆盖，都是可以恢复的。

6.（　　）当硬盘上的分区有数据时，如果该硬盘的分区表损坏后，数据就不可能再恢复了。

7.（　　）逻辑恢复指的是对病毒感染、误格式化、误分区、误操作、误删除等情况下丢失的数据进行恢复。

8.（　　）删除硬盘上的文件，并没有被真正地删除，只是将文件索引区的第一个字符修改了。

9.（　　）只要硬件不损坏，所有的数据都是可以恢复的。

10.（　　）对数据进行逻辑性破坏，有些破坏是可逆的，有些是不可逆的。

二、填空题

1.目前主流存储数据的介质有__________________、__________________、__________________三种。

2.目前常用的机械硬盘，无论是IDE还是SCSI，采用的都是________________技术。