Windows存储管理

ゝ一世哀愁。 2022-05-10 12:26 361阅读 0赞

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# 1.Windows存储管理之磁盘类型简介 #

各种操作系统连接到存储系统之后，并且操作系统识别物理磁盘之后，需要对磁盘进行进一步配置。如果用户连接存储是的Windows Server，存储管理员势必需要了解Windows中的磁盘类型与文件系统。笔者从存储的角度总结了Windows磁盘与分区类型的特点，并对其内容进行介绍与分析，帮助管理员更好的了解Windows主机连接的存储和文件系统。

**Windows的磁盘类型:**

Windows的物理磁盘类型分为两种：

Basic Disk（基本磁盘）–这个类型的物理磁盘可以被MS-DOS和所有的Windows操作系统所访问。Basic Disk可以包括最多四个主分区（Primary Partition），或者是三个主分区和一个扩展分区（Extended Partition）的逻辑磁盘（Logical Disk）。Basic不支持容错功能，可以在MBR和GPT创建磁盘。

Dynamic Disk （动态磁盘）–Dynamic Disk提供一些Basic Disk没有的功能，比如过将一个逻辑卷扩展到多个物理磁盘之上。Dynamic Disk使用隐藏的数据库来维护位物理磁盘上的动态卷。如果用户需要扩展一个逻辑磁盘到多个物理磁盘，需要使用Windows Disk Management和Diskpart.ext工具先将Basic disk转换为Dynamic Disk。Dynamic Disk支持在线创建（需要重启）和在线扩展逻辑卷。多份的元数据存储在磁盘中。简化管理，可以使用软Raid功能，Mirror、Spanned等等。

**Windows磁盘的分区类型：**

谈到磁盘结构，很有必要了解一下下面两个概念MBR和GPT。

MBR （Master Boot Record）物理磁盘上第一个扇区（Sector）,也叫作主引导扇区，是计算机卡机后访问磁盘时说必须要读取的首个扇区，它位于柱面0，磁头0，扇区1。Windows的MBR磁盘被分割成多个连续的区域叫做分区（Partition），每个分区的的信息都存储在MBR，即磁盘的首个扇区中，在MBR中定义了分区的起始位置和长度。只有一个主分区可以处于激活状态，且支持操作系统启动。

GPT（GUID Partition Table）一种由基于 Itanium 计算机中的可扩展固件接口 (EFI) 使用的磁盘分区架构。与主启动记录(MBR) 分区方法相比，GPT 具有更多的优点，因为它允许每个磁盘有多达128 个分区，理论上支持最大 18 EB卷大小，允许将主磁盘分区表和备份磁盘分区表用于冗余，还支持唯一的磁盘和分区ID (GUID)。   GPT是在windows使用大容量磁盘的选择。

下表是MBR和GPT对应的Windows操作系统信息：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> MBR </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> GPT </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> Windows操作系统版本 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> MS-DOS 所有Windows版本 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Windows 2003以上版本 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 硬件支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 32位CPU </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 64位CPU </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 最大支持单个逻辑卷 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 2TB </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 256TB </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 分区表拷贝数 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 一份 </td> 
 <td style="vertical-align:top;">Primary和Backup两份分区表，支持checksum</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 最大支持分区数目 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 4个主分区或者3个主分区和一个扩展分区 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 128个分区 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 数据存储位置 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 存储在分区中 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 存储在分区，关键的Platform数据存储在对用户隐藏的分区中 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

下表为Basic和Dynamic Disk支持的Volume类型（MBR磁盘类型）：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> Basic </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Dynamic </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Volume类型 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Simple Volume </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Spanned Volume </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Striped Volume（Raid-0） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> RAID-5 Volume </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Mirrored Volume（Raid-1）&nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

下表为Basic和Dynamic Disk支持的Volume类型（GPT磁盘类型），可以看到需要在Windows中实现软件Raid，需要将磁盘类型转换为Dynamic才可以。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> Basic &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Dynamic &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Volume类型 &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Simple Volume &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> &nbsp; &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Spanned Volume &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> &nbsp; &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Striped Volume（Raid-0） &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> &nbsp; &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> RAID-5 Volume &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> &nbsp; &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 支持 &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> Mirrored Volume（Raid-1）&nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**总结：**

在Windows连接到存储之后，选择选择GPT分区类型与Dynamic Disk可试Windows存储管理灵活性性所有提高，GPT分区格式抛开了MBR最大2TB的容量限制，支持在线扩展，各种优势。动态磁盘不受分区数目限制。

# 2.Windows磁盘MBR结构详解 – Basic Disk篇 #

**Windows Basic Disk中的MBR:**

Master Boot Record作为磁盘中最重要的数据结构，在磁盘分区的时候会被创建。MBR中包括几个部分，一段可执行的代码叫做Master Boot Code，Disk Signature以及磁盘的分区表。在MBR的末端还有一直为0x55AA值大小为两个字节的Sector Marker的签名字段。这个字通常还标注了extend boot record（EBR）和启动扇区（boot sector）的结束。

Master Boot Code代码主要完成下列几项活动。

1.  扫描活动分区的分区表
2.  找到活动分区的起始扇区位置
3.  将一个启动扇区的拷贝从活动分区载入到内存
4.  将控制权转移到启动扇区上的执行代码

如果Master Boot Code不能完成这些功能，Windows系统就会抛出一些错误，比如“Invalid partition table”、“Error loading operating system”、“Missing operating system”从而提示相应的步骤中发生了错误。

**Basic Disk中的分区表：**

在Basic Disk中的Partition Table是一个64个字节的数据结构用来定义物理磁盘上的分区类型与位置的，独立于操作系统。每个分区表的记录是16个直接长度，最大包括四条记录，每条记录从预先定义的起始位置。下面的例子显示一段MBR的记录，其中包括显示了一个三个分区记录，起始位置分别是0x01BE、0x01CE、0x01DE。图中还显示了，分区记录中几个关键的字段。0x01C2是System ID，用来定义逻辑卷的类型，图中07就是表示Installable File System（NTFS）。0x01C6开始的四个字节是Relative Sectore，表示了逻辑卷的起始位置。0x01CA开始的四个字节显示了整个逻辑卷的扇区总数。Boot Indictor显示了是否分区为活动分区。

[![Windows磁盘MBR结构详解Basic Disk篇.jpg][Windows_MBR_Basic Disk_.jpg]][Windows_MBR_Basic Disk_.jpg_Windows_MBR_Basic Disk_.jpg]

# 3.Windows GPT磁盘GUID结构详解 #

**GPT Disk 的Protective MBR:**

GPT Disk的结构中，第一个LBA位置（LBA 0）存放的是Protective MBR，随后LBA1的位置才是GPT的GUID分区表头。Protective MBR的作用是为了兼容性考虑，阻止一些遗留的MBR磁盘工具破坏GUID分区表。这种在LBA 0的位置存放Protective MBR的结构是基于Extensible Firmware Interface（EFI）规格。Protective MBR和MBR拥有同样的结构，同时还包括一条包含值为0xEE的System ID的分区记录（如下图所示），这个值标注了该分区为GPT分区，如果包含该分区的磁盘被移动到Windows 2000中或者被一些遗留的磁盘工具访问，则该分区会被标注晨GPT Protective分区，不能被删除。

[![Windows GPT磁盘GUID结构详解1.jpg][Windows GPT_GUID_1.jpg]][Windows GPT_GUID_1.jpg_Windows GPT_GUID_1.jpg]

**Globally Unique Identifier Partition Table(GUID)结构：：**

如下图所示，组成GPT Disk的GUID记录有以下几种：

[![Windows GPT磁盘GUID结构详解2.jpg][Windows GPT_GUID_2.jpg]][Windows GPT_GUID_2.jpg_Windows GPT_GUID_2.jpg]

**GUID Partition Table Header：** GPT Header定义了分区记录所用到的Logical Block Address的区域。同时还定义了分区在磁盘上的位置、它自身的GUID、以及一组CRC32的校验值。Primary GPT Header位于磁盘的LBA1位置，紧跟着Protective MBR。Backup GPT Header位于磁盘最后一个磁道之上。下图是GPT Header中包含几个字段：

[![Windows GPT磁盘GUID结构详解3.jpg][Windows GPT_GUID_3.jpg]][Windows GPT_GUID_3.jpg_Windows GPT_GUID_3.jpg]

*  首位0x00是为长度8个字节的签名档，这个值必须为固定值，用来定义EFI的兼容性。
 *  0x08开始有四组长度为4个字节的字段，Revision标注EFI规格的版本信息、Header Size记录了整个GPT Head的大小，也为固定值、CRC32的校验信息、Reserved预留位。
 *  随后0x18开始是5个长度为8个字节的字段和一个长度为16字节字段，Primary LBA记录了Primary GPT Head的位置、Backup LBA记录Backup GPT Header的位置、First Usable LBA记录了第一个分区的起始位置，例如64位的Windows Server 2003，它的起始位置是34、Last Usable LBA记录的分区结束的位置。Disk GUID长度为16个字节，用来标识分区表头和磁盘、 Partition Entry LBA记录GUID分区记录的位置，固定为LBA2。
 *  从0x50开始为3个长度为4字节的记录，Number of Partition Entries记录最大的磁盘分区数，例如64位的Windows Server是128个、Size of Partition Entry记录了每个GUID分区记录大小，它的值为128字节、Partition Entry Array CRC32记录一组分区记录的校验值。
 *  最后从0x5C位置开始长度为420字节的预留空间，值都为0。

**GUID Partition Entry Array：**类似MBR中的分区表，GUID partition entry array中包含了磁盘上每个分区的记录。比如64位的Windows Server 2003创建了一个Array值为16384字节，则第一个可用的数据大于等于LBA34. GUID Partition Entry Array也在分区最后存在一个副本，位置是在最后一个可用的LBA之后，GUID Partition table header之前。

**GUID Partition Entry： **GUID Partition Entry长度为128个字节，用来定义单个分区结构。每个GUID Partition entry从Partition Type记录开始。长度为16个字节的Partition Type GUID，类似MBR磁盘分区表中的System ID，它定义了分区中包含的数据和分区的作用。下图中是一个典型的GPT Disk的GUID Partition entry array记录，这个图中显示了三种分区记录

第一部分\{28732AC1–1FF8–D211–BA4B–00A0C93EC93B\}为EFI System分区、中间部分\{16E3C9E3–5C0B–B84D–817D–F92DF00215AE\}为Microsoft Reserved分区，最下面的一个\{A2A0D0EB–E5B9–3344–87C0–68B6B72699C7\}是Windows Basic Disk中的一个主分区。

[![Windows GPT磁盘GUID结构详解4.jpg][Windows GPT_GUID_4.jpg]][Windows GPT_GUID_4.jpg_Windows GPT_GUID_4.jpg]

在每个部分的中间位置主要记录了一些字段。Partition Type GUID之后的0x10位置开始，是一个长度为16字节的Unique Partition GUID记录用来标识每条记录的唯一性。0x20开始为3个长度为8个字节的字段，Starting LBA和Ending LBA分别记录了分区的起始和结束的位置、Attribute Bit描述了分区是如何使用的，例如是否为隐藏和只读等等、最后0x38开始的72个字节字段用来Unicode的分区的名字，名字最长为36个字符。

# 4.Windows存储管理之磁盘结构详解 #

**Windows磁盘结构:**

Windows的主流磁盘结构分为MBR和GPT两种。MBR是早期Windows的唯一选择，但是随着物理磁盘的容量不断增大。GPT结构成为目前的主流，最大支持超过2TB的容量，提供容错，多分区支持，比MBR来的更加强大。

**MBR （Master Boot Record ）磁盘结构：**

在Basic MBR Disk中的MBR中包含了几种信息。

*  Bootstrap Code – 也叫Master boot code，它是一段可执行的代码，主要作用是，扫描活动分区的分区表，寻找活动分区的开始扇区，加载启动扇区到内存等功能。
 *  Disk Signature - Windows的所有物理磁盘都有一个磁盘签名的机制，如果没有签名windows则不能访问该磁盘的数据。当Windows新扫描到一个物理磁盘，尝试写入一些磁盘签名，用来标识这个磁盘。签名的长度为8个字节。然后会写入到第一个扇区，位置为0x01B8 -  0x01BB。签名存储在注册表的HKLM\\SYSTEM\\MountedDevices位置。
 *  Partition Table – 分区表，一个64字节的数据结构用来定义每个分区的起始位置。每个分区定义去大小为16个字节。因为这个设计，所以MBR的的扩展主分区最多只能支持4个。

[![DS-1.jpg][]][DS-1.jpg 1]

一个简单的Basic （MBR）的磁盘结构如下图所示，我可以看到最外层的是物理磁盘（Disk），在物理磁盘的最前端包含MBR（Master Boot Record），这个例子中，定义了一个分区和NTFS逻辑卷。

[![DS-2.jpg][]][DS-2.jpg 1]

MBR Disk支持最大四个主分区（Primary Patition），如果创建多个主分区的，则结构如下。一个物理磁盘中包含四个主分区，每个主分区包含一个文件卷。

[![DS-3.jpg][]][DS-3.jpg 1]

如果启用了扩展分区，则在扩展分区中可以包含多个逻辑卷。

[![DS-4.jpg][]][DS-4.jpg 1]

**GPT （GUID - Globally Unique Identifer）磁盘结构：**

截止201年，大多数操作系统都支持GPT GPT Disk在主的MBR中包含几个内容，GPT Disk的分区表包括以下几个内容。在MBR硬盘中，分区信息直接存储于主引导记录(MBR)中（主引导记录中还存储着系统的引导程序）。但在GPT硬盘中，分区表的位置信息储存在GPT头中。但出于兼容性考虑，硬盘的第一个扇区仍然用作MBR，之后才是GPT头。

*  Protective MBR - 和MBR在Partition Table中包含主分区信息不同的是，GPT Disk在磁盘的第一个扇区（Sector）为“Protective MBR”，它位于LBA0（通用的存储寻址方式大小为512每单位）这个位置上。它包含的内容为磁盘的分区信息和初始的BIO启动器。这是为了兼容性的考虑，保证一些遗留的MBR磁盘工具可以识别到GPT Disk。
 *  Partition Table Header – 分区表头定义了一些磁盘上可使用的块，同时还定义了组成分区表的Partition Entries数目和大小（大小通常为128个字节）。GPT支持的64位版本的Windows Server 2003以上版本，支持创建最大128个分区，每个分区记录大小为128个字节。在分区表头中还记录了磁盘的GUID，用来记录自身的大小与位置以及备用GPT表头的位置（位于磁盘的最后一个扇区）。同时还包括CRC32的校验值。
 *  Partition entries – GPT Disk用简单直接的条目来描述分区。最初的16个字节用来标识分区类型。第二个16直接用来记录改分区唯一的GUID。接下来三个8字节的记录分别描述的初始LBA地址，结束LBA地址和分区属性。最后72个字节为分区名。单个分区记录大小为128个字节。通常Partition entries会从LBA2地址开始。
 *  最后，为了为了减少分区表损坏的风险，GPT在硬盘最后保存了一份分区表的副本。

[![DS-5.jpg][]][DS-5.jpg 1]

[https_blog.csdn.net_figo829_article_details_8762528]: https://blog.csdn.net/figo829/article/details/8762528
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