Файловая система NTFS извне и изнутри

Крис Касперски

В этой статье мы рассмотрим основные структуры данных файловой системы NTFS, определяющие ее суть – главную файловую запись MFT, файловые записи FILE Record и последовательности обновления (update sequence или fix-ups), без знания которых осмысленная работа с редактором диска и ручное/полуавтоматическое восстановление данных просто невозможны!

Файловую систему NTFS принято описывать как сложную реляционную базу данных, обескураживающую грандиозностью своего архитектурного замысла не одно поколение начинающих исследователей. NTFS похожа на огромный, окутанный мраком лабиринт, в котором очень легко заблудиться. Хакеры давно разобрались с основными структурами данных, осветив магистральные коридоры лабиринта светом множества факелов. Боковые ответвления разведаны намного хуже и все еще находятся по власти тьмы, хранящей множество смертоносных ловушек, ждущих своих исследователей. В общем, если NTFS-«читалку» можно запрограммировать буквально за один вечер (с отладкой!), писать на NTFS-тома еще никто не рисковал.

К счастью, никто не требует от нас написания полноценного NTFS-драйвера! Наша задача значительно скромнее – вернуть разрушенный том в состояние, пригодное для восприятия операционной системой (задача-максимум) или извлечь из него все ценные файлы (задача-минимум). Вникать в структуру журналов транзакций, дескрипторов безопасности, двоичных деревьев индексаций для этого совершенно необязательно! Реально нам потребуется разобраться лишь с устройством главной файловой записи – MFT и нескольких дочерних подструктур.

Обзор NTFS с высоты птичьего полета

Основным структурным элементом всякой файловой системы является том (volume), в случае с FAT совпадающий с разделом (partition), о котором мы говорили в прошлой статье [1, 2]. NTFS поддерживает тома, состоящие из нескольких разделов. Подробнее схему отображения томов на разделы мы обсудим в следующей статье этого цикла, а пока же будем для простоты считать, что том представляет собой отформатированный раздел (т.е. раздел, содержащий служебные структуры файловой системы).

Рисунок 1. Обычный (слева) и разряженный (справа) тома

Большинство файловых систем трактуют том как совокупность файлов, свободного дискового пространства и служебных структур файловой системы, но в NTFS все служебные структуры представлены файлами, которые (как это и положено файлу) могут находиться в любом месте тома, при необходимости фрагментируя себя на несколько частей.

Самым главным служебным файлом является $MFT – Master File Table (главная файловая таблица) – своеобразная база данных, хранящая информацию обо всех файлах тома – их именах, атрибутах, способе и порядке размещения на диске (каталог также является файлом особого типа, со списком принадлежащих ему файлов и подкаталогов внутри). Важно подчеркнуть, что в MFT присутствуют все файлы, находящиеся во всех подкаталогах тома, поэтому для восстановления диска наличия $MTF-файла будет вполне достаточно.

Остальные служебные файлы (кстати говоря, называемые метафайлами или метаданными – metafile/metadata соответственно и всегда предваряются знаком доллара «$») носят сугубо вспомогательный характер, интересный только самой файловой системе. К ним в первую очередь относятся: $LogFile – файл транзакций, $Bitmap – карта свободного/занятого пространства, $BadClust – перечень плохих кластеров и т. д. (Подробнее о назначении каждого из файлов будет рассказано в следующей статье). Текущие версии Windows блокируют доступ к служебным файлам с прикладного уровня (даже с правами администратора!), и всякая попытка открытия/создания такого файла в корневом каталоге обречена на неуспех.

Классическое определение, данное в учебниках информатики, отождествляет файл с именованной записью на диске. Большинство файловых систем добавляет к этому понятие атрибута (attribute) – некоторой вспомогательной характеристики, описывающей время создания, права доступа и т. д. В NTFS имя файла, данные файла и его атрибуты полностью уравнены в правах. Можно сказать, что всякий NTFS-файл представляет собой совокупность атрибутов, каждый из которых хранится как отдельный поток (streams) байтов, поэтому во избежание путаницы атрибуты, хранящие данные файла, часто называют потоками.

Каждый атрибут состоит из тела (body) и заголовка (header). Атрибуты делятся на резидентные (resident) и нерезидентные (non-resident). Резидентные атрибуты хранятся непосредственно в $MTF, что существенно уменьшает грануляцию дискового пространства и сокращает время доступа. Нерезидентные – хранят в $MTF лишь свой заголовок, описывающий порядок размещения атрибута на диске.