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转帖:探索NTFS

作者:未知 来源:月光软件站 加入时间:2005-2-28 月光软件站

    NTFS是Windows NT引入的新型文件系统,它具有许多新特性。本文旨在探索NTFS的底层结构,所叙述的也仅是文件在NTFS卷上的分布。NTFS中,卷中所有存放的数据均在一个叫$MFT的文件中,叫主文件表(Master File Table)。而$MFT则由文件记录(File Record)数组构成。File Record的大小一般是固定的,通常情况下均为1KB,这个概念相当于Linux中的inode。File Record在$MFT文件中物理上是连续的,且从0开始编号。$MFT仅供File System本身组织、架构文件系统使用,这在NTFS中称为元数据(Metadata)。以下列出Windows 2000 Release出的NTFS的元数据文件(我将要给出的示例代码的部分输出结果)。
    File Record(inode) FileName
    ------------------ --------
          0             $MFT
          1             $MFTMirr
          2             $LogFile
          3             $Volume
          4             $AttrDef
          5             .
          6             $Bitmap
          7             $Boot
          8             $BadClus
          9             $Secure
         10             $UpCase
         11             $Extend

    Windows 2000中不能使用dir命令(甚至加上/ah参数)像普通文件一样列出这些元数据文件。实际上File System Driver(ntfs.sys)维护了一个系统变量NtfsProtectSystemFiles用于隐藏这些元数据。默认情况下,这个变量被设为TRUE,所以使用dir /ah将得不到任何文件。知道这个行为后使用i386kd修改NtfsProtectSystemFiles后即可以列出元数据文件:

    kd> x ntfs!NtfsProtect*
    fe213498  Ntfs!NtfsProtectSystemFiles
    fe21349c  Ntfs!NtfsProtectSystemAttributes
    kd> dd ntfs!NtfsProtectSystemFiles l 2
    fe213498  00000001 00000001
    kd> ed ntfs!NtfsProtectSystemFiles 0
    kd> dd ntfs!NtfsProtectSystemFiles l 2
    fe213498  00000000 00000001
    kd>

    D:\>ver

    Microsoft Windows 2000 [Version 5.00.2195]

    D:\>dir /ah $*
     驱动器 D 中的卷是 W2KNTFS
     卷的序列号是 E831-9D04

     D:\ 的目录

    2000-04-27  19:31               36,000 $AttrDef
    2000-04-27  19:31                    0 $BadClus
    2000-04-27  19:31               67,336 $Bitmap
    2000-04-27  19:31                8,192 $Boot
    2000-04-27  19:31       <DIR>          $Extend
    2000-04-27  19:31           13,139,968 $LogFile
    2000-04-27  19:31           27,575,296 $MFT
    2000-04-27  19:31                4,096 $MFTMirr
    2000-04-27  19:31              131,072 $UpCase
    2000-04-27  19:31                    0 $Volume
                   9 个文件     40,961,960 字节
                   1 个目录     51,863,552 可用字节

    需要指出的是ntfs.sys将元数据文件以一种特殊的方式打开,所以在打开NtfsProtectSystemFiles后,如果使用ReadFile等产生IRP_MJ_READ等IRP包时将会导致Page Fault(详见Gary Nebbett的《Windows NT/2000 Native API Reference》)。

    以上的讨论均是基于$MFT文件而讨论的,即基于$MFT中的File Record(inode)讨论的。为更好的继续以下的讨论,这儿我列出File Record Header的结构:

    typedef struct {
        ULONG Type;
        USHORT UsaOffset;
        USHORT UsaCount;
        USN Usn;
    } NTFS_RECORD_HEADER, *PNTFS_RECORD_HEADER;

    typedef struct {
        NTFS_RECORD_HEADER Ntfs;
        USHORT SequenceNumber;
        USHORT LinkCount;
        USHORT AttributesOffset;
        USHORT Flags;               // 0x0001 = InUse, 0x0002 = Directory
        ULONG BytesInUse;
        ULONG BytesAllocated;
        ULONGLONG BaseFileRecord;
        USHORT NextAttributeNumber;
    } FILE_RECORD_HEADER, *PFILE_RECORD_HEADER;

    下面我将讨论如何定位$MFT。稍微有点操作系统知识的人都会知道引导扇区(Boot Sector),其物理位置为卷中的第一个扇区。以下由dskprobe.exe(Windows 2000 Resource Kit中的一个小工具)分析的第一个扇区(当然也可以使用WinHex等其他应用程序):

    File: d:\Sector00.bin
    Size: 0x00000200 (512)

    Address  | 00 01 02 03-04 05 06 07 : 08 09 0A 0B-0C 0D 0E 0F | 0123456789ABCDEF
    ---------|-------------------------:-------------------------|-----------------
    00000000 | EB 52 90 4E-54 46 53 20 : 20 20 20 00-02 08 00 00 | ?R?NTFS    .....
    00000010 | 00 00 00 00-00 F8 00 00 : 3F 00 F0 00-3F 00 00 00 | .....?..?.e.?...
    00000020 | 00 00 00 00-80 00 80 00 : 90 C0 41 00-00 00 00 00 | ....€.€.惱A.....
    00000030 | 04 00 00 00-00 00 00 00 : 09 1C 04 00-00 00 00 00 | ................
    00000040 | F6 00 00 00-01 00 00 00 : 04 9D 31 E8-BB 31 E8 94 | ?.......?杌1钄
                        .                         .
                        .                         .
                        .                         .
    000001F0 | 00 00 00 00-00 00 00 00 : 83 A0 B3 C9-00 00 55 AA | ........儬成..U?



    这512字节为如下的格式:(摘自Gary Nebbett书中,本文许多代码均来自或参考此书。)

    #pragma pack(push, 1)

    typedef struct {
        UCHAR Jump[3];
        UCHAR Format[8];
        USHORT BytesPerSector;
        UCHAR SectorsPerCluster;
        USHORT BootSectors;
        UCHAR Mbz1;
        USHORT Mbz2;
        USHORT Reserved1;
        UCHAR MediaType;
        USHORT Mbz3;
        USHORT SectorsPerTrack;
        USHORT NumberOfHeads;
        ULONG PartitionOffset;
        ULONG Reserved2[2];
        ULONGLONG TotalSectors;
        ULONGLONG MftStartLcn;
        ULONGLONG Mft2StartLcn;
        ULONG ClustersPerFileRecord;
        ULONG ClustersPerIndexBlock;
        ULONGLONG VolumeSerialNumber;
        UCHAR Code[0x1AE];
        USHORT BootSignature;
    } BOOT_BLOCK, *PBOOT_BLOCK;

    #pragma pack(pop)

    各个字段的详细意义从字段名中即可大致清楚。在linux-ntfs的GNU工程(http://sf.net/projects/linux-ntfs)中也有详细的文档,限于篇幅我不将其列出。可以使用如下代码读出卷中的第一个扇区:


    hVolume = CreateFile(drive, GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, 0,
                         OPEN_EXISTING, 0, 0);

    ReadFile(hVolume, &bootb, sizeof(bootb), &n, 0);

    bootb是一个BOOT_BLOCK结构,在我的卷中如下格式(请对应Sector00.bin分析):

    Dump BootBlock at below:
        BytesPerSector:200
        SectorsPerCluster:8
        BootSectors:0
        SectorsPerTrack:3F
        NumberOfHeads:F0
        PartitionOffset:3F
        TotalSectors:41C090
        MftStartLcn:4
        Mft2StartLcn:41C09
        ClustersPerFileRecord:F6
        ClustersPerIndexBlock:1
        VolumeSerialNumber:E8319D04
        BootSignature:AA55


    以上的MftStartLcn其实是$MFT在卷中的簇(Cluster)号。簇是NTFS的基本单位,最小单位。一个只有1Byte的文件也要占用一簇的空间。NTFS使用LCN(Logical Cluster Number)来代表NTFS卷中的物理位置,其简单的从0到卷中的总簇数减一进行编号。对于一个特定的文件NTFS则使用VCN(Virtual Cluster Number)来映射LCN实现文件的组织。从MftStartLcn的值4可以知道$MFT的LCN为4与SectorsPerCluster、BytesPerSector的大小即可定位$MFT的位置。得到$MFT的位置后,如果遍历$MFT中所有的File Record即可以得到卷中所有的文件列表(前面已经提到File Record只是简单的从0开始编号)。也就是说到目前为止已经可以对文件组织有最简单的认识,但如何得到文件的信息呢,如文件名等等。NTFS中所有文件包括普通的用户文件、元数据文件均用同样的方式组织数据、属性等。我将nfi.exe(来自Windows NT/2000 OEM Support Tools)的输出结果列出,作为我叙述的开始:

    D:\>copy con file
    testforntfs^Z
    已复制         1 个文件。

    D:\>nfi d:\file
    NTFS File Sector Information Utility.
    Copyright (C) Microsoft Corporation 1999. All rights reserved.

    \file
        $STANDARD_INFORMATION (resident)
        $FILE_NAME (resident)
        $DATA (resident)

    D:\>echo testforattr>file:ATTR

    D:\>nfi d:\file
    NTFS File Sector Information Utility.
    Copyright (C) Microsoft Corporation 1999. All rights reserved.

    \file
        $STANDARD_INFORMATION (resident)
        $FILE_NAME (resident)
        $DATA (resident)
        $DATA ATTR (resident)

    nfi的输出结果$STANDARD_INFORMATION、$FILE_NAME、$DATA等在NTFS中称为属性(Attribute)。属性分为常驻属性(Resident Attribute)与非常驻属性(Nonresident Attribute)。文件的数据也包含在属性中,似乎与属性这个名称有点混谣。不过这又让NTFS有了更加统一的组织文件的形式。这也同时让NTFS有MultiStreams的特性(上面也演示了这个特性)。通过指定的File Record定位给定的Attribute的实现代码如下:

    template <class T1, class T2> inline 
    T1* Padd(T1* p, T2 n) { return (T1*)((char *)p + n); }

    PATTRIBUTE FindAttribute(PFILE_RECORD_HEADER file,
                             ATTRIBUTE_TYPE type, PWSTR name)
    {
        for (PATTRIBUTE attr = PATTRIBUTE(Padd(file, file->AttributesOffset));
             attr->AttributeType != -1;
             attr = Padd(attr, attr->Length)) {

            if (attr->AttributeType == type) {
                if (name == 0 && attr->NameLength == 0) return attr;

                if (name != 0 && wcslen(name) == attr->NameLength
                    && _wcsicmp(name, PWSTR(Padd(attr, attr->NameOffset))) == 0) return attr;
            }
        }

        return 0;
    }  

    Gary Nebbett提供的这个FindAttribute函数在Attribute name(即第三个参数)不为空串时可能会出现bug,主要原因是_wcsicmp对UNICODE字符串比较时应该是以\0结束的标准的C字符串。我在提供的代码中已经纠正了这个错误。

    下面我将通过使用SoftICE来分析这段代码得到$MFT的$FILE_NAME属性来得到$MFT的file name。这个示例同样适用于得到其它文件的$FILE_NAME(如上面的file)、还有其它的属性如$DATA等等。

    :bpx FindAttribute

    Break due to BPX FindAttribute  (ET=6.89 seconds)

    :locals
        [EBP-4] +struct ATTRIBUTE * attr = 0x00344D68 <{...}>
        [EBP+8] +struct FILE_RECORD_HEADER * file = 0x00344D38 <{...}> 
        [EBP+C]  enum ATTRIBUTE_TYPE type = AttributeFileName (30)
        [EBP+10] +unsigned short * name = 0x004041BC <"$MFT">

    :?file
    struct FILE_RECORD_HEADER * = 0x00344D38 <{...}>
     struct NTFS_RECORD_HEADER Ntfs = {...}
     unsigned short SequenceNumber = 0x1, "\0\x01"
     unsigned short LinkCount = 0x1, "\0\x01"
     unsigned short AttributesOffset = 0x30, "\00"
     unsigned short Flags = 0x1, "\0\x01"
     unsigned long BytesInUse = 0x2D8, "\0\0\x02\xD8"
     unsigned long BytesAllocated = 0x400, "\0\0\x04\0"
     unsigned quad BaseFileRecord = 0x0, "\0\0\0\0\0\0\0\0"
     unsigned short NextAttributeNumber = 0x6, "\0\x06"

    file参数我传入的是$MFT,从$MFT的LCN=4可以得到其在卷中的物理地址,这在上面已说明。你也可以使用dskprobe(我机子中为第LCN*SectorsPerCluster=4*8扇区)得到底下SoftICE的输出结果:

    :dd @file //以下的注释可对照文中开头列出的FILE_RECORD_HEADER定义。
    0023:00344D38 454C4946  0003002A  6D4AC04D  00000000      FILE*...M.Jm....
    0023:00344D48 00010001  00010030  000002D8  00000400      ....0...........
                                ----
                                 |__AttributeOffset
    0023:00344D58 00000000  00000000  04340006  0000FA0D      ..........4.....
    0023:00344D68 00000010  00000060  00180000  00000000      ....`...........
                  --------  --------
                     |         |_指出这个Attribute的长度。定义如下。
                     |_根据AttributeOffset得到的Attribute头,定义如下。00000010指出这个Attribute为StandardInformation

    0023:00344D78 00000048  00000018  2C1761D0  01BFB03C      H........a.,<...

    Attribute头如下定义:

    typedef struct {
        ATTRIBUTE_TYPE AttributeType;
        ULONG Length;
        BOOLEAN Nonresident;
        UCHAR NameLength;
        USHORT NameOffset;
        USHORT Flags;               // 0x0001 = Compressed
        USHORT AttributeNumber;
    } ATTRIBUTE, *PATTRIBUTE;

    typedef struct {
        ATTRIBUTE Attribute;
        ULONG ValueLength;
        USHORT ValueOffset;
        USHORT Flags;               // 0x0001 = Indexed
    } RESIDENT_ATTRIBUTE, *PRESIDENT_ATTRIBUTE;

    typedef struct {
        ULONGLONG DirectoryFileReferenceNumber;
        ULONGLONG CreationTime;   // Saved when filename last changed
        ULONGLONG ChangeTime;     // ditto
        ULONGLONG LastWriteTime;  // ditto
        ULONGLONG LastAccessTime; // ditto
        ULONGLONG AllocatedSize;  // ditto
        ULONGLONG DataSize;       // ditto
        ULONG FileAttributes;     // ditto
        ULONG AlignmentOrReserved;
        UCHAR NameLength;
        UCHAR NameType;           // 0x01 = Long, 0x02 = Short
        WCHAR Name[1];
    } FILENAME_ATTRIBUTE, *PFILENAME_ATTRIBUTE;


    ATTRIBUTE_TYPE是一个Enum型定义。其中00000010为StandardInformation。30为FileName。因为FileNameAttribute总是一个常驻Attribute,所以我将RESIDENT_ATTRIBUTE定义也给出。OK,现在可以继续Dump下一个Attribute:

    // dd @file+file->AttributeOffset+length(StandardInformationAttribute)

    :dd @file+30+60
    0023:00344DC8 00000030  00000068  00180000  00030000      0...h...........
                  --------            ------
                     |                   |___这里的NameLength与NameOffset指FileNameAttribute名。不要与$MFT FileName混谣。
                     |_指出这是一个FileNameAttribute。
    0023:00344DD8 0000004A  00010018  00000005  00050000      J...............
                  --------      ----  --------
                     |            |       |_根据ValueOffset的值,得到FILENAME_ATTRIBUTE的具体位置。
                     |            |_ValueOffset值
                     |_ValueLength值
    0023:00344DE8 2C1761D0  01BFB03C  2C1761D0  01BFB03C      .a.,<....a.,<...
    0023:00344DF8 2C1761D0  01BFB03C  2C1761D0  01BFB03C      .a.,<....a.,<...
    0023:00344E08 00004000  00000000  00004000  00000000      .@.......@......
    0023:00344E18 00000006  00000000  00240304  0046004D      ..........$.M.F.
                                            --  --------
                                            |      |___找到$MFT的FileName了吧。
                                            |_NameLength
    0023:00344E28 00000054  00000000  00000080  00000190      T...............
    0023:00344E38 00400001  00010000  00000000  00000000      ..@.............

    这儿给出了Dump Attribute的一个具体方法。最后我将给出遍历File Record的代码,在给出代码前应该说明一下$MFT中$BITMAP属性。NTFS的这个Attribute相当于LINUX EXT2的s_inode_bitmap数组(Linux 2.0版本)。所以很容易明白$BITMAP的作用,即每bit指出相应File Record的在用情况。以下是DumpAllFileRecord的代码:


    BOOL bitset(PUCHAR bitmap, ULONG i)
    {
        return (bitmap[i >> 3] & (1 << (i & 7))) != 0;
    }

    VOID DumpAllFileRecord()
    {
        PATTRIBUTE attr = FindAttribute(MFT, AttributeBitmap, 0);
        PUCHAR bitmap = new UCHAR[AttributeLengthAllocated(attr)];

        ReadAttribute(attr, bitmap);

        ULONG n = AttributeLength(FindAttribute(MFT, AttributeData, 0)) / BytesPerFileRecord;

        PFILE_RECORD_HEADER file = PFILE_RECORD_HEADER(new UCHAR[BytesPerFileRecord]);

        for (ULONG i = 0; i < n; i++) {
            if (!bitset(bitmap, i)) continue;

            ReadFileRecord(i, file);

            if (file->Ntfs.Type == 'ELIF' && (file->Flags & 3 )) {
                attr = FindAttribute(file, AttributeFileName, 0);
                if (attr == 0) continue;

                PFILENAME_ATTRIBUTE name
                    = PFILENAME_ATTRIBUTE(Padd(attr, PRESIDENT_ATTRIBUTE(attr)->ValueOffset));

                printf("%8lu %.*ws\n", i, int(name->NameLength),name->Name)
             }
        }
    }

    本文引用Gary Nebbett的些定义可能对Windows 2000版本有些很小的出入,不过Internet有其神奇的地方,虽然Microsoft不提供这些信息,但诸如linux-ntfs GNU工程等均是学习NTFS的一个很好的资料,本文也参考了很多它提供的文档。另外Mark Russinovich的《Inside Win2K NTFS》、《Inside NTFS》、《Exploring NTFS On-disk Structures》等也是很好的NTFS资料。本文仍未涉及NTFS中目录的组织(B+树)等等,可能的话我会另行介绍。文中介绍的完整代码可到http://webcrazy.yeah.net下载。出现的错误也欢迎来信指教(tsu00@263.net)!

    最后感谢Anton Altaparmakov,感谢我的同事在出差时抽空给我买到Gary Nebbett的书。感谢我看到的所有资料的原作者们。感谢他们!

参考资料:
    1.Gary Nebbett《Windows NT/2000 Native API Reference》
    2.Linux-NTFS Project NTFS Documentation Version 0.4
    3.Mark Russinovich相关文档
    4.David Solomom《Inside Windows NT,2nd Edition》

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文章来自:http://www.geocities.jp/webcrazyjp/ntfs.htm (这家伙竟用日本的空间域名)
作者:WebCrazy(
tsu00@263.net)



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