разработка технологии востановления данных с накопителей Sata

Пользователи современных компьютеров зачастую беспечно относятся к находящейся на жестких дисках информации (на проводят актуализацию систем безопасности, не обновляют операционные системы, устанавливают программные продукты в форме сборок и не прошедших лицензирование). Также вследствие неграмотности могут допускать ошибки при использовании операционных систем (открывать файлы, пришедшие по электронной почте с неизвестных адресов и т.п.). Также многие пользователи не используют источники бесперебойного питания. Результатом беспечного отношения к сохранности информации может стать потеря информации, хранящейся на жестком диске.
В рамках данной работы проведен анализ методов восстановления информации с SATA-накопителей. В ходе проведенного исследования было показано, что причины потери дан ...

Введение 3
1.Теоретические вопросы восстановления данных 5
1.1. Анализ общих требований к сохранности информации 5
1.2. Описание технологии хранения данных на SATA-накопителях 7
1.3. Обзор типов дефектов жестких дисков 13
2. Технология восстановления данных с SATA-накопителей 20
2.1. Анализ технологий восстановления информации 20
2.2. Обзор программных средств восстановления информации с SATA-накопителей 30
2.3. Разработка алгоритма восстановления данных 45
Заключение 51
Список использованных источников 53

Жесткий диск является основным носителем информации в современных компьютерах. По данной причине задача восстановления утерянной информацию зачастую связана с работой именно с жесткими дисками. Методы восстановления данных, используемые при работе с жесткими дисками, также могут быть использованы при работе и с носителями других типов.
Жесткие диски являются устройствами, имеющими наиболее сложное строение, хотя принципы его функционирования являются достаточно простыми: данные хранятся на концентрических дорожках, которые находятся на вращающихся пластинах, покрытых магнитным слоем. Сложность работы с дисками заключается в том, что их при небольших размерах эти устройства хранят сотни гигабит информации.
Вместе с тем указанная технология хранения данных является достаточно уязвимой, а ха рактер хранимой информации носит важнейший характер. Таким образом, задача обеспечения сохранности информации на жёстких дисках в настоящее врем является актуальной задачей
В рамках данной работы рассмотрены технологии хранения и восстановления данных с использованием SATA-накопителей.
Цель работы: анализ технологий восстановления информации с SATA-накопителей.
Задачи работы:
- анализ технологий хранения информации на жестких дисках;
- анализ технологий восстановления информации с жестких дисков с использованием аппаратных средств;
- анализ технологий восстановления информации с жестких дисков с использованием программных средств;
- определение признаков, определяющих использование того или иного метода восстановления информации;
- оценка стоимостных характеристик технологии восстановления информации с SATA-накопителей;
- анализ технологий восстановления информации с жестких дисков с использованием аппаратных средств.
Объект исследования: технологии хранения информации на жестких дисках.
Предмет исследования: технологии восстановления информации с SATA-накопителей.
Методы исследования: анализ литературных источников, включённое наблюдение, математическое моделирование.

"Адаптивные" ошибки.Дефекты поверхности. Возникают в случае воздействия механических повреждений магнитных покрытий внутри пространства сектора, например при наличии царапин, вызванных пылью, старением блоков или небрежного обращения с жестким диском. Сектор такого типа должен помечаться как ошибочный и исключен из обращения. Серво-ошибки. По сервометкам производится стабилизация скорости вращения двигателя и удержание головки на заданном треке, в независимости от внешних воздействий и тепловой деформации элементов.При этом в процессе функционирования диска, некоторые сервометки могут разрушаться. Если количество сервометок становится слишком большим, в данном месте возможны сбои при обращении к информационной дорожке: головка, вместо того, чтобы занять необходимое положение и произвестичтение данных, начнет сбиваться из стороны в сторону. В случае наличия таких ошибок часто наблюдается стук головок, зависание накопителя и восстановить его функционирование программным способом невозможно. Устранение таких дефектов возможно только специальными программами, путем отключения дефектных дорожек, а иногда и всей дисковой поверхности.Самостоятельно НDD восстановить сервоформат не может, это делается только на заводе.Аппаратные BAD-сектора. Возникают из-за неисправности механики или электроники накопителя. К таким неполадкам относятся [4]:обрывы головок;смещения дисков;погнутые валы в результате удара;запыления гермозоны;наличие различных неполадок в работе электроники.Ошибки такого типа обычно имеют катастрофический характер и не подлежат исправлению программным путем.Исправимые логические дефекты (софт-бэды): появляются, если контрольная сумма сектора не совпадает с контрольной суммой записанных в него данных.Возникает из-за помех или отключения питания во время записи, когда HDD уже записал в сектор данные, а контрольную сумму записать не успел.При последующем чтении такого "недописанного" сектора произойдет сбой: диск сначала прочитает поле данных, потом вычислит их контрольную сумму и сравнит полученное с записанным. Если они не совпадут, контроллер накопителя решит, что произошла ошибка и сделает несколько попыток перечитать сектор. Если и это не поможет (а оно не поможет, так как контрольная сумма заведомо неверна), то он, используя избыточность кода, попытается скорректировать ошибку, и если это не получится - винт выдаст ошибку внешнему устройству. Со стороны операционной системы это будет выглядеть как BAD.Неисправимые логические ошибки. Это ошибки внутреннего формата винчестера, приводящие к такому же эффекту, как и дефекты поверхности.Возникают при разрушении заголовков секторов, например из-за действия на винчестер сильного магнитного поля. Но в отличие от физических дефектов, они поддаются исправлению программным путем. А неисправимыми они названы только потому, что для их исправления необходимо сделать "правильное" низкоуровневое форматирование, что обычным пользователям затруднительно из-за отсутствия специализированных утилит."Адаптивные" BAD-секторы. Несмотря на то, что жесткие диски являются очень точными устройствами, при их массовом производстве неизбежно возникает разброс параметров механики, радиодеталей, магнитных покрытий и головок.Поэтому все современные жесткие диски при изготовлении проходят индивидуальную настройку, в процессе которой подбираются такие параметры электрических сигналов, при которых устройству работается лучше. Эта настройка осуществляется специальной программой при технологическом сканировании поверхности. При этом генерируются так называемые адаптивы - переменные, в которых содержится информация об особенностях конкретного гермоблока. Адаптивы сохраняются на дисках в служебной зоне, а иногда во Flash-памяти на плате контроллера.В процессе эксплуатации винчестера адаптивы могут быть разрушены "Адаптивные" бэды отличаются от обычных тем, что они "плавающие".Исправление адаптивных BAD-секторов производится с использованием selfscan'а - внутренней программы тестирования, аналогичной той, что используется на заводах при изготовлении жнестких дисков. При этом создаются новые адаптивы, и винт возвращается к нормальному состоянию. Это делается в условиях фирменных сервис-центров. В зависимости от проявления нарушения доступа к данным восстановление данных производится с использованием соответствующих алгоритмов. Наиболее вероятным является восстановления информации, когда диск определяется операционной системой и наиболее сложной и дорогостоящей задачей является восстановление информации с диска, имеющего механические повреждения. Далее рассмотрим основные методики восстановления информации с жестких дисков.2. Технология восстановления данных с SATA-накопителей2.1. Анализ технологий восстановления информацииПриведем обзор технологий восстановления информации с жестких дисков в случаях, когда невозможно выполнение этой задачи программными способами.Причинами потери данных с SATA-дисков являются [4]:1.Неисправности платы электроники ведут к недоступности диска. При этом данные могут быть сохранены, либо поврежденной может быть лишь часть информации. После замены или ремонта платы диск можно использовать снова.2.Неисправности механической части внутри гермоблока: обрывы и сколы головок, повреждение подшипников и двигателей зачастую сопровождаются и повреждением пластин. В данном случае жесткий диск зачастую не запускается и не может быть определен в BIOS компьютера. Нередко происходит "застревание" блока головок в парковочной зоне. Возможна также ситуация, при которой жесткий диск стартует, но вследствие наличия повреждений одной головки группа секторов получается недоступной. Начало восстановления производится с ремонта накопителя в "чистой комнате", а результат определяется степенью повреждения поверхности пластин.3.Повреждение пластин в общем виде проявляется как возникновение на диске BAD-блоков, то есть недоступных участков. Появление этой проблемы говорит о том, что возможности скрытого переназначения секторов уже исчерпаны. Если на поврежденный сектор приходится информация о структуре, то исчезает соответствующий уровень логической структуры диска, если файл - файл становится нечитаемым..Случайное искажение содержимого сектора - довольно редкая ситуация. В цифровом мире случайностей почти не бывает. Это или проявление начинающегося "железного" дефекта, или результат вредоносной программы и в очень редких ситуациях - действительно случайная запись в момент перепадов напряжения или из-за пролетевшей космической частицы.4.Повреждение содержимого главной загрузочной записи (MBR) ведет к тому, что разделы либо не могут быть найдены операционной системой, либо их параметры определяются неверно. Самый простой случай - повреждение сигнатуры. Операционная система решает, что на месте MBR находится случайная информация, а сам диск вообще не разбит на разделы и никакой полезной информации не несет. Для восстановления структуры диска достаточно всего лишь исправить сигнатуру любым дисковым или HEX-редактором.5.Симптомы повреждения файловой системы очень схожи повреждением содержимого MBR. Различие заключается лишь в том, что раздел на диске виден, но операционная система сообщает, что он не отформатирован. Соответственно, недоступным является все содержимое разделов. Файловые системы NTFS и FAT дают возможность восстановления основных записей за счет дубликатов, что производится благодаря имеющимся в операционной системе средствам диагностики дисков. Тем не менее, исправление ошибок файловой системы зачастую не решает проблему утери данных - часть файлов начинает рассматриваться в форме потерянных цепочек. Для восстановления данных эффективнее пользоваться специальными программами восстановления.6.Корректное удаление файлов и папок средствами операционной системы - самая простая ситуация. Именно с ней чаще всего сталкиваются пользователи, и она же очень их пугает. В операционной системе Windows прежде всего надо искать файл в Корзине. При удаление файла или папки в таблице файловой системы сначала лишь меняется одно из полей: в FAT первый байт имени файла изменяется на 0xT5 а в MFT атрибут по смещению 14h изменяется с 1 на 0. Кроме того, в NTFS изменяется запись о свободном месте на диске в файле BitMaP. Существует множество программ, специально предназначенных для восстановления удаленных объектов.Далее рассмотрим тактику при аппаратном восстановлении функциональности жесткого диска.1.Подключение жесткого диска к компьютеру, подключить питания и далее проверить его состояние. Если диск начал крутиться, то необходимо Выполнить его рекалибровку, которая сопровождается несколькими короткими щелчками и жужжанием и по прошествии 1–2 секунд диск должен выйти на штатный режим работы. Если жесткий диск не раскручивается, то причинами этого могут быть [6]:• повреждение платы электроники;• повреждение коммутатора блока магнитных головок;• повреждение вала шпинделя;• залипание головки.Выяснение причины является сложной задачей, поэтому для диагностики прибегают к замене платы электроники, что предполагает одновременное проведение и диагностики, и ремонта. Если неисправность имеет причину – повреждение платы, то после ее замены жесткий диск может быть нормально инициализирован. Если же проблема не устранена после замены платы электроники, то ее причиной является повреждение внутри гермоблока.Если накопитель раскручивается, но начинает стучать, это, как правило, указывает на неисправности внутри гермоблока, и самостоятельно сделать что-либо вряд ли удастся. Плата электроники должна быть совместима с накопителем, то есть совпадать по модели, серии и, как правило, по версии прошивки. На некоторых жестких дисках в микросхеме ПЗУ хранятся так называемые адаптивные настройки, записываемые в процессе изготовления и тестирования винчестера и относящиеся к конкретному экземпляру гермоблока. Тем не менее, иногда вместо сгоревшего контроллера получается установить плату от сходной модели накопителя даже другой емкости. Некоторые модели разных производителей заменить плату проблематично даже с жесткого диска из аналогичной партии может потребоваться перепаивать микросхему ПЗУ от исходного диска.Так, для выбора платы на накопителе Seagate необходимо соблюдение условия совпадения версий прошивок, указанных на этикетке гермоблока.Величина кэш-памяти на плате, подлежащей замене, должна быть не менее чем имеется у оригинальной. Различные версии ПЗУ при аналогичной версии прошивки, которая указывается на крышке гермоблоков, часто встречаются у жестких дисков, начиная с моделей Barracuda ATA 5. Данная проблема решается путем перепайки микросхемы ПЗУ с дефектной платы на рабочую. Некоторые накопители, начиная с Barracuda 7200.7, имеют встроенное в микросхему процессора ПЗУ.Для накопителей Seagate U-серии и Seagate Barracuda ATA 4 достаточно провести подбор платы электроники с аналогичной версией Firmware. При несовпадении версии прошивок можно провести перепайку микросхемы flash-памяти с одной платы на другую [6].Накопители IBM-Hitachi имеют установленную на плате микросхему энергонезависимой памяти NVRAM, где производится хранение конфигурационных параметров. Для относительно старых дисков фирмы IBM можно провести подбор платы с аналогичной версией микропрограммы, при этом это является достаточно сложной задачей и, как правило, проще провести перепайку микросхемы. Желательной также является перепайка и микросхемы ПЗУ. Современные жесткие диски имеют в NVRAM записанные адаптивные настройки, в силу чего микросхемы в них в случае необходимости придется перепаивать в обязательном порядке.Известны также проблемы с жёсткими дисками IBM серии DTLA емкостью 40–80 Гбайт, имеющими широкое распространение в начале 2000-х годов века и используемыми также в наши дни. При ухудшении контактов в разъемах между платой и гермоблоком данные жесткие диски не инициализируются и непрерывно громко стучат головками, за что получили меткое название «дятлы». Проблема исчезает при зачистке контактов.Накопителям Maxtor свойственна неисправность контроллера двигателя. Для успешной замены платы достаточно, совпадение надписей на наклейках на разъемах SATA.Жесткие диски Western Digital отличаются большим количеством разных версий плат. Версия платы указывается на наклейке на разъеме IDE. Кроме этого, нужно, чтобы совпадали версии ПЗУ и даже значения некоторых параметров, занесенных в ПЗУ. Лучше всего при замене платы просто перепаять ПЗУ со старой платы на новую. Если такой возможности нет, то стоит, как минимум, использовать плату от аналогичной модели диска. О модели диска можно судить по надписи MDL («Модель») на крышке гермоблока: на обоих дисках они должны совпадать полностью.Современные технологические комплексы позволяют проводить восстановления данных с жестких дисков, даже имеющих механические повреждения. Одним из аппаратных комплексов для восстановления данных с жестких дисков является РС-3000 [3].Программно-аппаратный комплекс PC-3000 UDMA предназначен для диагностики и ремонта (восстановления работоспособности) HDD с интерфейсом SATA (Serial ATA) и PATA (IDE), емкостью: от 500 Мб до 6 Тб, производства: Seagate, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Maxtor, Quantum, IBM (HGST), HITACHI, TOSHIBA c форм-фактором 3.5"- настольные ПК; 2.5" и 1.8" - накопители для ноутбуков; 1.0" - накопители для портативной техники, с интерфейсом Compact Flash.Современные контроллер PC-3000 UDMA представляет собой 3-х портовую тестовую плату, устанавливаемую в порт PCI-Express расширения управляющего компьютера. Диагностические порты контроллера распределились следующим образом: 2 порта SATA, имеющие с максимальную скорость передачи данных 133 Мб/сек и 1 порт PATA, имеющий скорость передачи информации 100 Мб/сек. Один порт SATA (SATA0) является основным, другой порт SATA (SATA1) являются переключаемым с портом PATA. Таким образом, существует возможность одновременного подключения к плате PC-3000 UDMA двух накопителей, один из которых SATA, другой в зависимости от выбора конфигурации SATA или PATA. При разработке контроллера PC-3000 UDMA на шине PCI-Express использовался опыт эксплуатации контроллеров предыдущего поколения PC-3000 UDMA на шине PCI.Компонентами комплекса восстановления данных являются специализированные платы, производящие опрос жестких дисков и работающее с ними программное обеспечение.На рисунке 3 показан комплект поставки РС-3000 UDMA. Рисунок 4 – Комплект поставки РС-3000 UDMAВиды поддерживаемых SATA – портов: SATA x2 — UDMA133, UDMA100, UDMA66, UDMA33, PIO4, PIO3, PIO2, PIO1, PIO0 [3].Порты работаю в раздельном режиме, но в случае одновременной загрузки двух портов являются зависимыми. В случае полной загрузки второго канала UDMA возможно незначительное снижение производительности (не более чем на 20%) на одном из каналов. Данная особенность контроллера PC-3000 UDMA обусловлена тем, что в аппаратном комплексе используется одноканальная шина PCI-Express, являющаяся узким местом в процессе передачи данных. С другой стороны, такое схемотехническое решение снижает общую стоимость платы и делает ее более привлекательной для покупателей.Графики чтения данных с использованием РС-3000 UDMA показаны на рисунке 4.Рисунок 5 - Графики чтения данных с использованием РС-3000 UDMA Как показано на графиках (рисунок 4), даже в случае одновременной загрузки двух портов, скорость чтения данных является оптимальной для выполнения работ по восстановлению информации.Для питания диагностируемых SATA-накопителей применяются 2-х канальные адаптеры управления питанием, расположенные на основной плате контроллера. Они обеспечивают защиту диагностируемых накопителей от перенапряжения и перегрузок по току. В случае возникновения аварийных ситуаций, питание, подаваемое на накопители, будет автоматически прекращено. Дополнительно, для каждого канала организована обратная связь с управляющей программой комплексаОсобенность комплекса PC-3000 UDMA обусловлена возможностью запуска утилит PC-3000 и задач Data Extractor-а в виде отдельных процессов операционной системы. Для удобства работы в составе комплекса имеется программа «Менеджер ресурсов платы PC-3000 UDMA», которая позволяет: распределять порты платы между процессами, наблюдать за их состоянием и при необходимости снимать зависший процесс. Причем, при запуске процесса, ему может быть выделено любое доступное количество портов платы PC-3000 UDMA. Например, существует возможность запуска двух процессов для каждого порта или одного процесса с двумя доступными портами. На рисунке 5 показан режим управления портами при восстановлении данных аппаратным методом.Рисунок 6 - Режим управления портами при восстановлении данных аппаратным методомНа рисунке 6 показан менеджер управления ресурсами PC-3000 UDMA при восстановлении данных с SATA – накопителей. Рисунок 7 - Менеджер управления ресурсами PC-3000 UDMA при восстановлении данных с SATA – накопителейТаким образом, рассмотрев способы аппаратного восстановления информации с жестких дисков, можно сделать выводы:- аппаратное восстановление данных с SATA-накопителей предполагается при невозможности использования альтернативных программных решений (диск не определяется BIOS, при подаче питания на жесткий диск, либо при подключении SATA-шлейфа не наблюдается признаков его работы);- аппаратное восстановление жесткого диска связано с анализом его состояния и полной диагностикой;- в ряде случаев при восстановлении информации необходимо проведение замены платы электроники (при это требуется соответствие модели платы модели диска);- при появлении шума достаточно проведения зачистки контактов;- в некоторых случаях для восстановления данных возможно использование программно-аппаратного комплекса PC-3000 UDMA.Процесс восстановления данных с жестких дисков аппаратными способами, как правило, требует квалификации и производится в специализированных сервисных центрах. В зависимости от типа неисправности стоимость данной процедуры может быть достаточно высокой и зачастую сопоставимой с трудозатратами по восстановлению информации в ручном режиме. К данному способу восстановления данных прибегают, когда восстанавливаемая информация имеет особую ценность.2.2. Обзор программных средств восстановления информации с SATA-накопителейВосстановление данных с жестких дисков возможно в случаях, когда:- необходимо восстановить файл, случайно удаленный с компьютера с очисткой корзины;- после форматирования/удаления/повреждения раздела и последующей необходимости получить данные с него;- при наличии ошибок чтения с диска, при этом диск опознается операционной системой;- при выдаче ошибок загрузки с диска.Следует отметить, что первым шагом перед проведением операции восстановления данных необходимо провести сканирование диска штатными средствами операционной системы. Если данный диск является загрузочным, то необходимо подключить его к другому компьютеру.Проведем обзор программных средств, используемых для решения задачи восстановления данных с жесткого диска.1.MHDDMHDD является небольшой, но функциональной бесплатной программой, предназначенной для работы с жесткими дисками на самом низком уровне (в обход BIOS). Она может проводить диагностику накопителей, выполнять операции чтения и записи в произвольных секторах, имеет возможности управления системой SMART и т.д.Функции ПО Mhdd [7]:Вывод сведений об установленных жестких дисках;Выполнение сканирования поверхности жестких дисков;Формирование образа диска в виде файла.Данные операции объединяет то, что они не связаны с операцией записи информации на проверяемый диск, таким образом не могут вносить дополнительные разрушения. На рисунке 8 показано окно работы утилиты mhdd.Рисунок 8 - Окно работы утилиты mhddОкно результатов сканирования жесткого диска показано на рисунке 9.Рисунок 9 - Окно результатов сканирования жесткого дискаНа рисунке 10 показан режим сканирования поверхности жесткого диска утилитой mhdd.