Linux文件系统删除文件深入剖析

与DOS/Windows不同，UNIX文件被删除后很难恢复，这是由UNIX独特
             的文件系统结构决定的。UNIX文件目录不像DOS/Windows那样，文
             件即使被删除之后仍保存有完整的文件名、文件长度、始簇号(即
             文件占有的第一个磁盘块号)等重要信息;相反，它的文件信息全部
             依靠一种被称为i节点的数据结构来描述，而i节点在相应文件被删
             除之后即被清空，因此，要想直接恢复被删除的文件内容几乎是
             不可能的，必须另辟蹊径。本文结合实际，讨论几种文件恢复策
             略及其关键步骤的具体实现。 

             　　一、UNIX文件系统结构 

             　　我们知道，UNIX是以文件卷作为其文件系统存储格式的，而
             不同的UNIX系统，文件卷格式是有差异的，甚至即使是同一UNIX
             操作系统的不同版本，其文件系统未必完全相同，例如：SCO UNIX
             4.1版与5.0版文件系统结构就有明显差异，但只要是UNIX系统，其
             文件卷的基本结构是一致的。分析如下： 

             　　不管是什么UNIX系统，不管什么版本，其文件卷至少包括引
             导块、超级块、i节点表、数据区等几个部分。除此之外，不同
             UNIX版本可能还有不同的差异。例如：SCO UNIX系统的位图索引块
             和位图块AIX的逻辑卷表等。这些系统的特殊性不影响下文的恢复
             策略，故这里不作讨论，仅介绍标准UNIX文件卷结构。 

             　　1. 引导块 

             　　位于文件卷最开始的第一扇区，这512字节是文件系统的引导
             代码，为根文件系统所特有，其他文件系统这512字节为空。 

             　　2. 超级块 

             　　位于文件系统第二扇区，紧跟引导块之后，用于描述本文件
             系统的结构。如i节点长度、文件系统大小等，其结构存放于
             /usr/include/sys/filsys.h中，其结构如下： 

             　　struct filsys 

             　　{ 

             　　ushort s_isize; /*磁盘索引节点区所占用的数据块数*/ 

             　　daddr_t s_fsize; /*整个文件系统的数据块数*/ 

             　　short s_nfree; /*在空闲块登录表中当前登记的空闲块数目*/ 

             　　daddr_t s_free[NICFREE]; /*空闲块登记表*/ 

             　　short s_ninode; /*空闲索引节点数*/ 

             　　ino_t s_inode[NICINOD]; /*空闲节点登记表*/ 

             　　char s_flock; /*加锁标志位*/ 

             　　char s_ilock; /*节点加锁标志位*/ 

             　　char s_fmod; /*超级块修改标志*/ 

             　　char s_ronly; /*文件系统只读标志*/ 

             　　time_t s_time; /*超级块上次修改的时间*/ 

             　　short s_dinfo[4]; /*设备信息*/ 

             　　daddr_t s_tfree; /*空闲块总数*/ 

             　　ino_t s_tinode; /*空闲节点总数*/ 

             　　char s_fname[6]; /*文件系统名称*/ 

             　　char s_fpack[6]; 

             　　long s_fill[13]; /*填空位*/ 

             　　long s_magic; /*指示文件系统的幻数*/ 

             　　long s_type; /*新文件系统类型*/ 

             　　}; 

             　　3. i节点表 

             　　i节点表存放在超级块之后，其长度是由超级块中的s_isize字段
             决定的，其作用是用来描述文件的属性、长度、属主、属组、数
             据块表等，其数据结构在/usr/include/sys/ino.h中，如下： 

             　　struct dinode 

             　　{ 

             　　ushort di_mode; 

             　　short di_nlink; 

             　　ushort di_uid; 

             　　ushort di_gid; 

             　　off_t di_size; 

             　　char di_addr[40]; 

             　　time_t di_atime; 

             　　time_t di_mtime; 

             　　time_t di_ctime; 

             　　}; 

             　　4. 目录结构 

             　　UNIX所有文件均存放于目录中，目录本身也是一个文件。目
             录存放文件的机制如下：首先，目录文件本身也象普通文件一
             样，占用一个索引节点，其次，由这个索引节点得到目录内容的
             存放位置，再次，从其内容中取出一个个的文件名和它对应的节
             点号，从而访问一个文件。目录结构如下： 

             　　索引节点号(2字节) .(本目录)(14字节) 

             　　索引节点号(2字节) ..(父目录)(14字节) 

             　　索引节点号(2字节) 文件名(14字节) 

             　　索引节点号(2字节) 文件名(14字节) 

             　　索引节点号(2字节) 文件名(14字节) 

             　　由上可知文件名是依靠目录来描述的，文件的内容和其他信
             息则由索引节点来描述。 

             　　二、文件的删除过程 

             　　UNIX下删除一个文件的过程很简单，那就是释放索引节点表
             和文件占用的数据块，清空文件占用的索引节点，但不清除文件
             内容。但删除文件与删除目录的处理不尽相同，不同命令删除文
             件的过程也不相同。 

             　　1. 删除一个文件 

             　　UNIX 删除一个文件的具体步骤是：根据文件i节点的地址表逐
             一释放文件占用的磁盘数据块，然后清空相应的节点，最后释放i
             节点。 

             　　2. 删除一个目录 

             　　删除一个目录的过程：首先逐一删除目录里的所有文件，然
             后删除目录。目录本身也是一个文件，故删除方法与删除文件一
             致。 

             　　3. 几种不同的删除命令 

             　　.rm 命令 

             　　一般删除命令，删除过程上述已说明。 

             　　.mv命令 

             　　格式：mv 文件1 文件2 

             　　处理过程是将文件2的数据块释放，然后将文件1的名称改为
             文件2，再释放文件2所占的i节点。 

             　　. > 命令 

             　　格式：>文件名 

             　　若产生一个新文件，>命令仅仅申请一个i节点，而不写入任何
             文件内容；若清空一个已经存在的文件，则释放文件所占的数据
             块，并将文件长度清零。 

             　　三、被删文件的恢复策略 

             　　要恢复被删除的文件，只能根据删除后留下的东西去做文
             章。文件被删除后留下了什么呢？由上述分析可知：其一、留下
             了文件的内容；其二、留下了“现场”。文件的恢复策略只能从
             这两个方面来分析。以下谈几种恢复策略。 

             　　1.根据磁盘现场进行恢复 

             　　如果文件被删除，现场未被破坏(即文件被删除后硬盘未发生
             过写操作)，而且假定只删除了一个文件，那么可根据系统的分配
             算法进行恢复。因为系统建立一个文件时，必定根据某一特定的
             分配算法决定文件占用的数据块位置。而当该文件被删除后，它
             所占用的数据块被释放，又回到系统的分配表中，这时如果重新
             建立一个文件，系统根据原来的分配算法分配出的数据块必定跟
             该文件原来占用的数据块一致，而且我们知道，UNIX文件最后一
             数据块尾部多出的字节是全部置0的，据此只要调用系统的数据分
             配算法，在系统中一块块的申请数据块，因为UNIX文件最后一个
             数据块尾部多出的字节全部为0，所以，只要发现一个分配出的数
             据块中尾部全为0，即可认为文件结束，由此可确定文件长度和内
             容，进而实现恢复。方法如下： 

             　　⑴申请一个索引节点，即向系统申请创建一个新文件名而不
             写入任何内容。如：#>/tmp/xx 

             　　⑵调用系统分配数据块算法getnextfreeblock()得到一个数据块
             号，记入某一地址表变量中。 

             　　⑶读出这个数据块，判断其尾部是否全部连续为0，若不是，
             则回到(2)，若是，则进行(4)。 

             　　⑷首先用系统函数fstat得到/tmp/xx的i节点号，然后将(2)步所得
             的地址表写入索引节点的地址表中(注意间址问题)，并根据数据块
             个数和最后一块中有效数据长度计算出文件大小，写入i节点的
             di_size字段。 

             　　⑸回写系统的索引节点表即可。 

             　　需要说明的是，第一，系统分配数据块的算法因不同的UNIX
             版本而不同；第二，有的UNIX如SCO UNIX 5.0版，其空闲数据块的
             分配和回收是使用一种动态链表的数据结构来实现的，它们的文
             件恢复更加容易，只要在空闲链表中的表尾去寻找即可，笔者另
             行描述。 

             　　2. 根据内容恢复。 

             　　若现场已被破坏，即硬盘发生过写操作，那么只好根据内容
             来恢复。而且，由于UNIX是一个多进程、多用户系统，它每一次
             开关机或硬件、通讯故障等都会记录系统日志、.sh_history等，硬盘
             现场被破坏可能性极大。因此讨论按内容恢复的方法具有更大的
             实用价值。笔者经过实际探索得出下列四种恢复策略供参考。 

             　　⑴关键字搜索法 

             　　如果知道被删除的文件内容中若干字节的内容，而且该文件
             长度又不超过一个磁盘块，那么可以在整个文件系统中搜索这一
             字节串，得出一个文件所在的数据块，将它们的块号填入一个i节
             点，即可恢复一个文件，搜索文件系统的算法很简单，说明如
             下： 

             　　a. #df -k 确定文件系统的设备文件名(如/dev/root) 

             　　b.用下述函数搜索，若成功，返回数据块号，反之返回-1。其
             中fsname是文件系统的设备名，如/dev/root，comp()参数是实现搜索条
             件的函数。 

             　　long searchfs(char *fsname , int comp()) 

             　　{ 

             　　FILE *fp; 

             　　char buf[1024]; 

             　　long i=0; 

             　　fp=fopen(fsname,"r"); 

             　　while (!feof(fp)) 

             　　{ 

             　　fread(buf,1024,1,fp); 

             　　if (comp()) /* 检查是否符合搜索条件 */ 

             　　return i; /* 若成功返回块号 */ 

             　　i++; 

             　　} 

             　　fclose(fp); 

             　　return -1; /* 未找到符合条件的块，返回-1*/ 

             　　} 

             　　⑵精确长度搜索法 

             　　如果知道被删除文件的精确长度(字节数)，那么可根据一个数
             据块的大小，计算出文件的最后一个数据块中数据的精确长度，
             该数据块中其他字节必然是全0。根据这一条件，通过搜索整个文
             件系统，找出其中符合条件的数据块，若出现多个块符合要求，
             则还需要根据其他条件区分。但不管怎样，根据精确长度分析也
             是恢复数据的一个策略。 

             　　⑶内容关联法 

             　　如果知道文件内容中存在某种可实现的关联，例如文件的校
             验和，或者文件内容的某种上下文关系，那么也可通过搜索整个
             文件系统，通过反复尝试寻找符合关联条件的磁盘数据块，进而
             恢复一个文件。 

             　　⑷环境比较法 

             　　如果知道删除文件所在的文件系统的安装过程，那么，另行
             找一台完全相的机器，按原来完全相同的步骤安装相同版本的
             UNIX和相应的其他软件，可以想象，新的机器环境会与原来的环
             境基本相同，比较两个机器上相同文件系统的内容，可以推断出
             被删除文件的大致位置，至少可以大大减少查找的范围，一旦查
             找的范围足够小时，可以用逐个观察和尝试的方法结合其他条件
             恢复数据，降低恢复的难度，增加恢复的可靠性。 

             　　UNIX系统下文件系统恢复的具体实现依赖于不同操作系统和
             不同版本的具体文件系统结构和磁盘块分配算法。本文试图总结
             出一种一般性的思路和策略，限于篇幅，不能详细讨论它们的具
             体实现过程。