计算机硬盘数据恢复的技术分析

摘要：硬盘是计算机系统中最主要的外部存储设备，硬盘上存储的数据会因为各种原因遭到损坏或丢失，数据恢复是将硬盘上损坏或丢失的数据重新找回来，还原为正常可用数据的过程。本文主要分析了硬盘文件存储和读取的原理，以及数据恢复的原理，论述了硬盘数据损坏或丢失的原因和类型，以及相应的恢复方法。

关键词：硬盘 ; 数据 ; 文件 ; 数据恢复

Technical Analysis Of The Computer Harddisk Data Recovery

LIU Bao-li

（The Computer Information Management College of Inner Mongolia University Of Finance and Economics，Hohhot Inner Mongolia 010070）

Abstract：The harddisk is the main data storage devices in a computer system, due to various reasons, the harddisk data will be damaged or missing. Data recovery is to damage or loss of data on hard disk back to revert to normal data process. This article mainly analyzes the principle of harddisk files are stored and read, and the principle of data recovery. And this article discusses the harddisk data type and the reason of damage or loss, and the corresponding recovery method.

Keywords：Harddisk ; Data ; File ; Data recovery

硬盘是计算机系统中最主要的外部存储设备，由于其容量大、速度快以及可以断电保存的特点，所以被广泛用于存储各类软件和数据。对于信息时代的我们来说，数据存储越来越重要，硬盘数据的损坏或丢失有时会给我们造成无法估量的损失。

硬盘数据恢复是指通过技术手段，将保存在计算机硬盘上损坏或丢失的数据还原为正常可用数据的过程。通常情况下的硬盘数据恢复分为逻辑恢复和物理恢复，逻辑恢复是指对硬盘误操作而格式化、误删除文件、突然断电以及系统感染计算机病毒等造成的数据丢失的恢复；物理恢复是指由于硬盘磁头变形或定位不准、盘片划伤、电机故障、控制芯片或电路板烧坏等硬件损坏造成数据丢失的恢复。物理恢复涉及物理设备的硬件维修，只能将硬盘交给专业维修人员进行处理了，本文只论述硬盘数据的逻辑恢复。

1.硬盘文件的存储与读取原理

在存储文件的时候，操作系统首先会在硬盘上记录所有空间使用情况的文件分配表中，找到足够容纳新文件的空间，然后把文件内容写到相应的扇区上，最后在分配表中标出该空间被占用了。在删除文件的时候，一般并不对文件所占用的扇区数据进行操作，而仅仅是在该分配表中标记哪些空间是空白的，可以分配给其他文件使用，被删除文件的实际内容并没有被破坏，可以恢复回来。但是如果删除一个文件后，在文件原来所在的扇区上，又存储了一个新文件，那么被删除文件所占用的扇区就可能被新的文件占用，这时就可能无法恢复被删除的文件了。

文件的读取：操作系统首先从目录表(DIR)区中读取有关文件信息，即文件主名、扩展名、文件占用字节大小、文件建立和修改的日期，以及该文件在数据区(DATA)中存储的第一个簇的簇号。然后操作系统从这个簇中读取相应的数据，接着判断该簇号在文件分配表（FAT）中所代表的单元的内容是否为“FF”，如果是则表示文件结束。否则从该处读取下一个簇的簇号，再读取该簇号所代表单元的内容，这种读取操作会一直重复下去直到文件结束标志为止。

文件的存储：当保存文件时，操作系统首先是在硬盘的目录表(DIR)区中找到空闲位置写入文件名、文件字节大小和创建时间等信息，然后在数据区(DATA中)找到空闲位置将文件保存，并将数据区的第一个簇写入目录表中，同时完成文件分配表(FAT)的填写。

文件的删除：文件的删除操作只是将目录区中文件的第一个字节内容改为“E5”，表示该文件被删除了，同时改写引导扇区的第二个扇区中表示该分区占用空间大小的相应信息。而硬盘的高级格式化操作只是重写了文件分配表(FAT)，并没有把数据区中的数据删除，至于硬盘分区操作也只是修改了主引导扇区和操作系统扇区，大部分的数据区中的内容并没有改变。

从以上的数据存储原理的得知，删除文件或格式化等操作只是硬盘逻辑结构发生了改变，数据原来内容并没有损坏或丢失，还是存留在物理磁盘中。因此，只要使用某些数据恢复软件将文件的删除标志去掉，并把文件在硬盘中的逻辑结构还原，就可以恢复硬盘上的数据了。不过数据恢复的前提是在误格式化硬盘和误删除文件后，不能在硬盘上写入任何其他数据或者执行低级格式化操作。根据文件写入的原理，写入新数据可能会覆盖原来的数据，这样的话就可能无法恢复数据了。

2.硬盘数据的恢复原理

在硬盘内部有一个校验公式，可用来对数据进行完整性校验。校验方法是将每个扇区的数据内容和伺服信息通过校验公式计算，得到的值我们称之为校验和，这个值是唯一的，也即对于每个扇区其值都不相同。换句话说，只要数据改变存储内容或存储扇区位置，其校验和都不会相同。对于数据因为误操作而损坏或丢失的情况下，我们可以完全利用这个数据恢复原理，通过逆向运算找到剩余的原始信息，就能够把数据完整地恢复出来。

在对硬盘的操作中，快速低级格式化、硬盘分区、快速高级格式化（假设格式化时没有使用/U这个无条件格式化参数）、删除文件、重整硬盘缺陷列表等操作，都不会真正将数据从数据区Data中实际抹去。快速低级格式化一般只有硬盘厂家才能实现，是通过软件快速重写每个盘面、柱面、扇区等初始化信息，不会将扇区中的数据抹掉。硬盘分区和快速高级格式化是重新构造新的扇区信息和文件分区表，不会对原来扇区中Data区的数据造成影响。删除文件只是在目录区作了删除标记，将文件的地址信息从列表中抹去，而数据本身并没有真正被删除，除非在原来数据所在扇区重新写入了新的数据。重整硬盘缺陷列表是把新的缺陷扇区加入到G列表或者P列表中，对于其他扇区中的数据没有任何影响。对于以上这类操作造成硬盘数据“损坏”或“丢失”的情况，在进行数据恢复时是比较容易的，关键是在以上操作之后，千万不要在硬盘上写入任何其他数据。因此，各类数据恢复软件正是利用Data区中的数据不易被改写，从而根据其中残留的种种痕迹来恢复数据的。

3.硬盘数据损坏或丢失的原因

3.1 硬件故障

硬件故障是造成数据损坏或丢失的重要原因之一，如供电电压不稳造成系统自动重启、硬盘出现坏道、盘片划伤、磁头变形、磁头臂断裂、磁头放大器损坏、芯片组或其它元器件损坏等。硬件故障属于物理故障，维修工作需要有关专业设备和仪器的支持，所以对于一般用户很难掌握，而且由硬件故障造成的数据损坏或丢失往往恢复的可能性很小。因此，避免硬件故障的发生是防止数据丢失的有效途径，比如定期进行检修维护、更新换代硬件等。

3.2 恶意程序或网络非法入侵

恶意程序一般是指网络上流行的各种计算机病毒，系统感染病毒后会导致不同程度的系统瘫痪、程序被破坏或数据丢失，更为严重的甚至会造成硬盘损坏、主板BIOS芯片被破坏。计算机病毒无论是改变硬盘引导区、可执行文件，还是Office文档，都可能影响系统的正常运行或导致数据丢失，即使是良性伴随性病毒，同样也会对数据进行破坏。除此之外，网络黑客的非法入侵也经常对计算机系统文件和数据进行盗取和破坏。因此，有效地防治计算机病毒感染和网络非法入侵对于数据安全性有着重要的意义。

3.3 误操作

除了客观存在的各种因素造成数据损坏或丢失的原因外，硬盘数据也经常因为人为地误操作导致损坏或丢失。尤其是对于一些计算机初学者用户，由于理论知识不足和实际操作技能欠缺，有可能会对系统进行误操作，如删除系统重要文件、非正常关机、误将硬盘格式化、重装系统时删除分区等等都会造成数据的损坏或丢失。 因此，计算机的操作人员需要进行必要的学习和培训，以掌握计算机操作的基本技能，这样也可以减少硬盘数据发生损坏或丢失的可能性。

除以上三种原因外，突然断电有时也会造成硬盘损坏或数据丢失，或导致系统无法正常启动、内存溢出或者进程非法终止而损坏当前正在执行的数据文件。其他情况如软件更新升级有时也会带来一些问题，从而造成重要数据被破坏。

4.硬盘数据损坏类型及恢复方法

4.1 硬盘分区表损坏

导致硬盘分区表损坏的原因可以是误操作或者是计算机病毒的破坏，而更通常的原因是硬盘读写过程中突然遇到断电造成的。如果硬盘在进行磁盘整理或者读写大量数据的情况下，突然断电就可能造成分区表损坏。

恢复分区表的损坏使用DiskMan软件是比较合适的，一般情况下可以很容易地恢复，而实际操作中，这种恢复方法是通过软件的算法进行的。但是实际情况是，每个硬盘的分区都不可能一样，而软件算法是固定的，所以在进行分区表恢复时就不可能做到100%的恢复。跟据实际操作证实，其数据恢复概率只有90％。我们可以先使用DiskMan软件很容易地恢复主分区，然后启动操作系统，再尝试使用FinalData软件来恢复其他分区里面的数据，通常可以完全恢复过来。DiskMan软件支持的分区文件格式很多，即使是NTFS、EXT等格式的分区表损坏，也能比较有效地恢复好。

如果硬盘分区是FAT或FAT32格式的话，使用NDD（Norton Disk Doctor）软件修复分区会更有效。操作方法是使用原来的分区软件，按照原来每个分区的大小重新分区，但是要记住不要在分区之后作格式化。有些分区软件如Partition Magic等，通常在默认情况下都是进行分区连带格式化的，操作时要首先在设置里面取消分区连格式化的选项即可。重新分区之后，用光盘启动操作系统或者把这块硬盘连接到另外一台计算机上面，运行NDD软件，选择其中的Diagnose进行诊断。这时，NDD会对硬盘进行全面扫描，如果有问题的话，会显示提示信息，只要根据提示选择修复项目即可，全部修复完成后，重新启动机器，硬盘所有分区和所有原来的文件就都完好无损了。

4.2 零磁道损坏

零磁道损坏划分为两类，即逻辑零磁道损坏和物理零磁道损坏。逻辑零磁道是引导扇区，物理零磁道是主引导扇区。过去的老式硬盘，由于主引导扇区的信息通常是做在硬盘的Firmware上面的，所以硬盘没有物理零磁道和逻辑零磁道的区别，主引导扇区和引导扇区的也就没有任何区别，都是指逻辑零磁道。而现代硬盘，硬盘初始化的开始位置就是物理零磁道，如果物理零磁道出现损坏的话，无法完成初始化过程，通过软件方法也就无法完成修复了。

现代硬盘的工作原理是，加电之后首先进行硬盘初始化，磁头接收到从硬盘主控制芯片上传来的第一道启动指令，然后开始读取主引导扇区（即物理零磁道）的初始信息，确定硬盘保留区的位置，然后再读取硬盘保留区信息，确定缺陷列表、调入校验公式、读入内部操作指令等一系列的初始化操作。然后，硬盘开始读取引导扇区（逻辑零磁道）信息，确定硬盘的起始位置和分区表位置，读入分区表信息。从这个过程中我们分析得出，硬盘逻辑零磁道损坏还是可以完成整个初始化过程并能够被系统识别的，因此也就可以通过软件去修复的。

使用DM软件修复这种故障是最有效的，有些开发商的DM软件中包含有一个“高级选项”，点击进入后，选“自定义”选项。其中有一个项目的选项中，它会首先询问是否愿意按照硬盘默认的磁头、柱面和扇区参数来对硬盘进行分区和格式化，既然硬盘逻辑零磁道坏了，应选择“否”，然后DM软件会要求输入相应的磁头、柱面和扇区信息。如果对于你使用的品牌的硬盘，运行DM软件没有这样的选项和功能，可以尝试使用AcronisDiskEditor软件（在Windows XP/7下运行），这款功能较强的扇区编辑软件能够封闭硬盘的逻辑零磁道，可以达到修复目的。无论是DM软件还是AcronisDiskEditor软件，因为操作受到很多其他条件的约束，前提是操作系统必须能够识别硬盘并且能够进行实模式操作，否则修复的可能性不高。

4.3 误格式化

在DOS高版本系统下执行高级格式化操作命令Format时，会在缺省状态下建立用于恢复格式化的磁盘信息，即把硬盘的DOS引导扇区，文件分配表FAT和目录表的所有信息复制到了最后几个扇区中，而数据区中的数据没有改变。对于高级格式化之后的数据恢复，可以使用命令UnFormat，它可以恢复由Format命令清除的磁盘。不过UnFormat只能恢复本地硬盘和软盘驱动器的磁盘数据，而不能恢复网络驱动器上 的数据，此外，UnFormat命令除了上面的反格式化功能，还能重新修复和建立硬盘上的分区表。

现在UnFormat已经退出历史舞台，取而代之的是目前流行的多种数据恢复软件，如EasyRecovery、SuperRecovery、FinalData、DiskGenius等等，均可以方便的进行数据恢复工作。。

此类情况下数据恢复，一般情况下每个硬盘分区中FAT都有一个备份，首先我们必须利用硬盘分区大小和分区格式，根据簇大小计算出硬盘FAT大小，查找硬盘第一个FAT位置，再计算出硬盘第二个FAT所在扇区。使用有关磁盘操作工具或者Winhex工具恢复文件分配表FAT。

4.4 文件误删除

文件删除后的恢复方法相对简单。操作系统删除文件时进行两个方面的操作：一是将文件在目录表DIR中的相应文件目录登记项的第一个字节更改为E5；二是将文件所占簇号在文件分配表FAT中的记录清零，以释放该文件所占空间。文件数据信息仍然“保留”在硬盘数据区Data中。因此，这种类型的数据恢复只要通过某些硬盘管理工具或者数据恢复软件（如EasyRecovery），按照有关的设置进行操作就可以恢复数据。必须注意的是，恢复后的文件数据一定不能存放在原来的硬盘分区中。

综上所述，在硬盘安装好操作系统之后最好对硬盘分区数据和系统的重要数据进行备份，并且定期对系统数据和用户数据进行备份，做到防患于未然。在这里要提醒大家的是，数据恢复软件不是万能的，对损坏或丢失的数据有时可能做不到完全恢复，所以及时备份数据就显得更为重要了。

参考文献：

[1]陈连锁，刘保利. 微机组装与维护[Ｍ]．北京：清华大学出版社，2010

[2]张树. 硬盘故障处理与数据维护[Ｍ]. 北京：电子科技出版社，2012

[3]史济民. 微机硬件基础[Ｍ]. 北京：电子工业出版社，2011

[4]张卫婷. 硬盘数据恢复原理及实现综述[J]. 黑龙江：《电脑学习》，2011年02期