Windows存儲管理之磁盤結構詳解

在之前一篇《Windows存儲管理之磁盤類型簡介》中介紹了Windows的基本磁盤類型。本篇中將對GPT和MBR這兩類磁盤類型的結構進行深入介紹。

Windows磁盤結構:

Windows的主流磁盤結構分為MBR和GPT兩種。MBR是早期Windows的唯一選擇，但是隨著物理磁盤的容量不斷增大。GPT結構成為目前的主流，最大支持超過2TB的容量，提供容錯，多分區支持，比MBR來的更加強大。

MBR（Master Boot Record ）磁盤結構：

在Basic MBR Disk中的MBR中包含了幾種信息。

• Bootstrap Code – 也叫Master boot code，它是一段可執行的代碼，主要作用是，掃描活動分區的分區表，尋找活動分區的開始扇區，加載啟動扇區到內存等功能。

• Disk Signature - Windows的所有物理磁盤都有一個磁盤簽名的機制，如果沒有簽名windows則不能訪問該磁盤的數據。當Windows新掃描到一個物理磁盤，嘗試寫入一些磁盤簽名，用來標識這個磁盤。簽名的長度為8個字節。然后會寫入到第一個扇區，位置為0x01B8 -  0x01BB。簽名存儲在注冊表的HKLM\SYSTEM\MountedDevices位置。

• Partition Table – 分區表，一個64字節的數據結構用來定義每個分區的起始位置。每個分區定義去大小為16個字節。因為這個設計，所以MBR的的擴展主分區最多只能支持4個。

一個簡單的Basic （MBR）的磁盤結構如下圖所示，我可以看到最外層的是物理磁盤（Disk），在物理磁盤的最前端包含MBR（Master Boot Record），這個例子中，定義了一個分區和NTFS邏輯卷。

MBR Disk支持最大四個主分區（Primary Patition），如果創建多個主分區的，則結構如下。一個物理磁盤中包含四個主分區，每個主分區包含一個文件卷。

如果啟用了擴展分區，則在擴展分區中可以包含多個邏輯卷。

GPT（GUID - Globally Unique Identifer）磁盤結構：

截止201年，大多數操作系統都支持GPT GPT Disk在主的MBR中包含幾個內容，GPT Disk的分區表包括以下幾個內容。在MBR硬盤中，分區信息直接存儲于主引導記錄(MBR)中（主引導記錄中還存儲著系統的引導程序）。但在GPT硬盤中，分區表的位置信息儲存在GPT頭中。但出于兼容性考慮，硬盤的第一個扇區仍然用作MBR，之后才是GPT頭。

• Protective MBR - 和MBR在Partition Table中包含主分區信息不同的是，GPT Disk在磁盤的第一個扇區（Sector）為“Protective MBR”，它位于LBA0（通用的存儲尋址方式大小為512每單位）這個位置上。它包含的內容為磁盤的分區信息和初始的BIO啟動器。這是為了兼容性的考慮，保證一些遺留的MBR磁盤工具可以識別到GPT Disk。

• Partition Table Header – 分區表頭定義了一些磁盤上可使用的塊，同時還定義了組成分區表的Partition Entries數目和大小（大小通常為128個字節）。GPT支持的64位版本的Windows Server 2003以上版本，支持創建最大128個分區，每個分區記錄大小為128個字節。在分區表頭中還記錄了磁盤的GUID，用來記錄自身的大小與位置以及備用GPT表頭的位置（位于磁盤的最后一個扇區）。同時還包括CRC32的校驗值。

• Partition entries – GPT Disk用簡單直接的條目來描述分區。最初的16個字節用來標識分區類型。第二個16直接用來記錄改分區唯一的GUID。接下來三個8字節的記錄分別描述的初始LBA地址，結束LBA地址和分區屬性。最后72個字節為分區名。單個分區記錄大小為128個字節。通常Partition entries會從LBA2地址開始。

• 最后，為了為了減少分區表損壞的風險，GPT在硬盤最后保存了一份分區表的副本。