数据恢复软件设计与实现(五)

4.8 手工解析FAT32文件系统
系统读取一个文件的方法是：定位DBR；读取DBR的BPB参数，获取DBR保留扇区数、每FAT扇区数，计算出数据区的开始扇区；从BPB中获取根目录的起始簇，然后根据开始扇区计算出根目录的偏移地址；从根目录开始查找文件。
下面以一个具体的例子来查找文件，在这个分区的根目录下复制了一分名为“毕设任务书.doc“文件，现在模拟系统对文件系统的操作，使用Winhex辅助查找。

第一步：定位DBR读取BPB。

示例所用的为一个U盘，一般U盘是看成一个逻辑上的分区，所以格式化后0号扇区就是文件系统的开始，即DBR。通过读取这个DBR的BPB，可以得到的参数有，每簇扇区数为8(08H)，保留扇区数为1146(047AH)，每个FAT表扇区数为7619(00001DC3H)，根目录首簇号2(00000002H)。
第二步：定位到FAT表
根据上一步读取到的参数，可以确定FAT1表的起始扇区为1146，读取FAT1表的内容。

第三步：定位根目录
根目录在2号簇，根据计算1146+7619*2+(2-2)*8=16384，得到根目录的起始扇区为16384，读取根目录的内容，然后查找指定的文件。

根据图4-5，第2个目录项为“毕设任务书.doc”的短文件名目录项，由于这个文件的名字已经超出了 8.3文件格式，所以需要一个长文件名目录项表示，从短文件名目录项往上查找，第1个目录项就是其对应的长文件名了。但是对文件的属性描述是存储在段文件名目录项的，通过分析可以知道，这个文件的起始簇号是3(00000003H)号簇，文件大小为48128(000000BCH)字节。
第四步：定位FAT表
再次定位FAT表是获取文件使用了几号簇。根据图4-4可以知道，3号FAT表项的值是4，即文件的下一个簇是4，一直到14号簇才结束，共占用了12个簇，大小为49152字节，而文件的实际大小为48128字节，最后有一个簇有1024个字节没有存放数据白白浪费了，这样是FAT32的缺点，也可以说是簇管理的缺点。
第五步：定位数据区
3号簇是文件的开始，根据计算1146+7619*2+(3-2)*8=16392得到3号簇的起始扇区。

从16392扇区开始读取数据，读取48128字节大小，这样文件就查找读取完毕。

5  FAT32文件系统文件恢复
5.1 FAT32文件系统文件删除的分析
首先在分区下创建一个文件，记录下其目录项、FAT表、数据区，然后删除这个文件，再取这几个区域的值和未删除前的对比，如图5-1。

由表对比可知，FAT32文件系统下删除一个文件只在三个地方做改变，第一个地方是对应目录项的第一个字节改成“5E”标志，这个标志是表示删除的目录项；第二个地方是目录项的文件起始簇号高位的两个字节被清零，在示例中高位本来就为0000，删除后也是0000，看不到变化，其实是已经被清零了；第三个地方就是FAT表中对应簇的值被清零，表示这些簇被释放。目录项的其他数据是没有改变的，数据区的数据毫发无损，正是基于这个原因，只要数据区的未被覆盖，简单删除的文件是可以恢复的。

5.2 文件删除后恢复算法及实现
FAT32文件系统下删除文件，根据其特征，思路如下：定位DBR，读取分区参数，再定位根目录，从第一个目录项开始，按照删除文件特征“5E”查找删除的项，如果是删除的文件，读取删除文件的属性，并加入文件树链表；如果是目录，则递归查找这个目录，和根目录一样处理，查找完这个目录则把查找到的项加入文件链表，再返回根目录。最后到根目录的结束整个查找过程也完成了。具体流程图如图5-2所示。

只要有了思路，编程实现就比较容易了。
读取BPB使用了一个结构体来辅助，具体结构如下：
//FAT32的BPB
typedef struct{
BYTE NoUsed[11];//为了后面好编程，保留这11个字节
WORD BPBBytesPerSector;//0x0B 每扇区字节数
BYTE BPBSectorsPerClusters;   //0x0D 每簇扇区数
WORD BPBReservedSectorCount;  //0x0E 保留扇区数
BYTE BPBNumberOfFATs;         //0x10 FAT表个数
WORD BPBFAT32Unused1;         //0x11 未用
WORD BPBFAT32Unused2;         //0x13 未用
BYTE BPBMedia;//0x15 介质描述符
WORD BPBFAT32Unused3;//0x16 未用
WORD BPBSectorPerTruck;//0x18 每磁道扇区数
WORD BPBNumberOfHeads;//0x1A 磁头数
DWORD BPBHideSector;//0x1C 隐藏扇区
DWORD BPBTotalSector;//0x20 该分区总扇区数
DWORD PBPSectorPerFAT;//0x24 每FAT扇区数
WORD BPBExtFlag;//0x28 标记
WORD BPBRevesion;//0x2A 版本
DWORD BPBRootDirectoryCluster;//0x2C 根目录首簇号
WORD BPBFSInfo;//0x30 文件系统信息扇区号
WORD BPBBackupDBRSector;//0x32 DBR备份扇区号
BYTE BPBReserved[12];//0x34 保留
BYTE BPBBIOSDriveNumber;//0x40 BIOS驱动器号
BYTE BPBFAT32Unused4;//0x41 未用
BYTE BPBExBootFlag;//0x42 扩展引导标记
DWORD BPBVolumeID;//0x43 卷序列号
BYTE BPBVolumeName[11];//0x47 卷标
BYTE BPBFileSystem[8];//0x52 文件系统类型
}FAT32BPB,*PFAT32BPB;
从扇区读取到的数据，直接复制到这个结构体，得到的结果刚好对应起来，不用繁琐地处理十进制、十六进制等，使用结构体引用的时候可以直接使用，比较方便，而且便于阅读。
另外一个结构体是短文件名目录项，总大小为32个字节，刚好是一个目录项大小，这个结构体临时存储短文件名目录项，便于后面的判断，具体结构如下：
//FAT32短文件名目录项结构
typedef struct{
char Name[8]; //0x00 主文件名
char ExtendName[3];//0x08 扩展名
BYTE Attribute;//0x0B 文件属性
BYTE Reserved;//0x0C 未用
BYTE FileCreateTimeSecond;//0x0D 文件创建时间精确到秒
FAT32TIME FileCreateTime;//0x0E 文件创建时间
FAT32DATE FileCreateDate;//0x10 文件创建日期
FAT32DATE FileAccessDate;//0x12 文件访问日期
WORD FileStartClusterHigh;//0x14 文件起始簇号高位
FAT32TIME FileModifyTime;//0x16 修改时间
FAT32DATE FileModifyDate;//0x18 修改日期
WORD FileStartClusterLow;//0x1A 文件起始簇号低位
DWORD FileSize;//0x1C 文件大小（Byte为单位）
}FAT32SHORTFILENAME,*PFAT32SHORTFILENAME;
其中，由于FAT32中的时间和日期都是以位计算的，所以还要另外定义两个结构体分别存放，一般的数据类型没有以位为大小的，只能把USHORT类型分成几段，时间和日期恰好可以构成两个字节。
// FAT32时间结构
typedef struct{
USHORT  Second:5,   //前五位是秒
Minute:6, //分,6位
Hour:5;  //小时,5位
}FAT32TIME, *PFAT32TIME;
//FAT32日期结构
typedef struct{
USHORT  Day:5,  //日,5位
Month:4, //月,4位
Year:7;  //年,7位
}FAT32DATE, *PFAT32DATE;
第三个关键的结构体是构造目录树用到的文件链表结构体，主要存储文件的关键信息，扫描符合的结构都放这里，可以使用递归遍历建立好的树，用于后面的数据恢复。结构体如下：
struct FAT32FILELINK{
UINT filetype;     //文件类型
char FileName[8];//短文件名
char FileExtend[3];//文件扩展名
BYTE FileAttribe;//文件属性
FAT32TIME FileCreateTime;//文件创建时间
FAT32DATE FileCreateDate;//文件创建日期
WORD FileStartSectorHigh;//文件起始簇号高位
WORD FileStartSectorLow;//文件起始簇号低位
DWORD FileSize;//文件大小
struct FAT32FILELINK * NEXT;   //指向下一文件
struct FAT32FILELINK * SubDir;   //指向子目录
};
具体的编程实现，首先读取FAT32的BPB参数，具体代码如下：

读取BPB之后也得到了根目录的位置，从根目录开始，调用CreateDirAndFileLink()函数进行递归遍历整个目录。
CreateDirAndFileLink()函数的关键代码如下：
SetFilePointerEx(hLogicalDrive,theLarge,0,FILE_BEGIN); //设置好文件指针,指向要读取的目录簇
ReadFile(hLogicalDrive,tempBytes,bytesPerCluster,&readBytes,NULL) //读取了一个目录簇的内容
FAT32SHORTFILENAME tempShortFileName;  //定义存放短文件目录项
//下面每32 BYTES进行判断
for (DWORD i=0;i < bytesPerCluster;i=i+32)
{
//排除卷标、回收站
if( ((tempBytes[i+11] & 0x08) == 0x08 ) || ((tempBytes[i+11] & 0x16) == 0x16))
{ continue; }
//排除长文件名
if (((tempBytes[i+11] & 0x0F) == 0x0F ) && (tempBytes[i+26] == 0x00) && (tempBytes[i+27] == 0x00) )
{ continue; }
pDirTemp=NULL;
memset(&tempShortFileName,0,sizeof(tempShortFileName));
memcpy(&tempShortFileName,&tempBytes[i],sizeof(tempShortFileName));
//判断是否为目录
if ((tempShortFileName.Attribute & 0x10) == 0x10 )
{
//是目录先排除特殊目录 . 和 ..,否则就会死循环啦
if((BYTE)tempShortFileName.Name[0] == 0x2E )
{ continue;}
//是目录，再看看是否被删掉了
if( (BYTE)tempShortFileName.Name[0]== 0xE5 )
{
//已经被删除，判断高位是否为0
if(tempShortFileName.FileStartClusterHigh == 0)
{
//高位是0，则遍历查找子目录项，特征为 .   .. 两项，如果找到说明有子目录，递归
…… //遍历查找函数省略
//如果找到则递归查找子目录
pDirTemp = CreateDirAndFileLink(hLogicalDrive,
j + (DWORD)tempShortFileName.FileStartClusterLow,
theFAT32BPB,TRUE,FALSE
);
}
//如果高位不为0，则直接递归，查找子目录
//先判断对应的FAT表项是否空闲，如果不空闲说明这个簇已经被使用了， 再查找也没意义了。
if(!FindFAT32FATTableIdle(hLogicalDrive,
theFAT32BPB->BPBReservedSectorCount,theFAT32BPB->PBPSectorPerFAT,
theFAT32BPB->BPBBytesPerSector,tempShortFileName.FileStartClusterHigh * 65536 + tempShortFileName.FileStartClusterLow,tempByess))
{ continue; }
pDirTemp = CreateDirAndFileLink(hLogicalDrive,
(DWORD)(tempShortFileName.FileStartClusterHigh) * 65536 + (DWORD)tempShortFileName.FileStartClusterLow,
theFAT32BPB,TRUE,FALSE);
}
//如果没有被删除，则直接递归这个子目录，查找被删除的文件 pDirTemp = CreateDirAndFileLink(hLogicalDrive,
(DWORD)(tempShortFileName.FileStartClusterHigh) * 65536 + (DWORD)tempShortFileName.FileStartClusterLow,
theFAT32BPB, FALSE, FALSE);
}
//不是目录就当文件处理
else
{
if ( ((BYTE)tempShortFileName.Name[0] != 0xE5) && (!bIfDelete) )
{ //如果文件没删掉，且上一层没删除,不处理，直接到下一项
continue;
}
else
{
//如果文件被删掉或者是上一层被删掉，查看文件的起始簇，如果被占用了，就没办法了。
if(!FindFAT32FATTableIdle(hLogicalDrive,theFAT32BPB->BPBReservedSectorCount,
theFAT32BPB->PBPSectorPerFAT,theFAT32BPB->BPBBytesPerSector,
tempShortFileName.FileStartClusterHigh*65536+tempShortFileName.FileStartClusterLow,tempByess))
{//如果文件起始簇不空闲，则不管了，继续下一项
continue;
}
//到了这里说明文件时被删除的或者是上一层被删除，可以直接加入链表
}
}
//只要来到这里的，都要申请文件链表节点，并且填入相关信息
FAT32FILELINK* pthetemp = (FAT32FILELINK *)malloc(sizeof(FAT32FILELINK));
strncpy(pthetemp->FileName,tempShortFileName.Name,8);
strncpy(pthetemp->FileExtend,tempShortFileName.ExtendName,3);
pthetemp->FileAttribe = tempShortFileName.Attribute;
pthetemp->FileCreateDate = tempShortFileName.FileCreateDate;
pthetemp->FileCreateTime = tempShortFileName.FileCreateTime;
pthetemp->FileSize = tempShortFileName.FileSize;
pthetemp->FileStartSectorHigh = tempShortFileName.FileStartClusterHigh;
pthetemp->FileStartSectorLow = tempShortFileName.FileStartClusterLow;
pthetemp->NEXT = NULL;
pthetemp->SubDir = NULL;
if ((tempShortFileName.Attribute & 0x10) == 0x10)
{ pthetemp->filetype = FAT32DIRECTORY;}
else
{ pthetemp->filetype = FAT32FILE;}
//构造好文件链表指针
if(ptheFirst==NULL)
{
ptheFirst=pthetemp;
pTheLast=pthetemp;
}
else
{
pTheLast->NEXT = pthetemp;
pTheLast = pTheLast->NEXT;
}
pTheLast->SubDir=pDirTemp;


到此CreateDirAndFileLink()函数结束，第一个CreateDirAndFileLink()函数递归完之后查找也结束了，扫描到的文件加入了文件链表。
扫描结束后就显示在一个ListView控件中，用户可以选择要恢复的文件，然后点击“恢复”按钮，之后就调用RecoveryFAT32DataFormated()函数恢复。RecoveryFAT32DataFormated()函数的具体算法：从起始簇开始读取数据，把数据写入另外一个文件，直到写入的数据和原文件大小一样则结束。由于实现比较简单不列出代码了。

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