固態硬盤數據恢復技術及應用研究

王剛

摘要：機械硬盤在讀寫速度方面具有局限性，為了更好地提高硬盤的讀寫性能，固態硬盤應運而生，由于固態硬盤的技術已經相對成熟，加上社會各行業對計算機特性的廣泛需求，為固態硬盤的批量化生產奠定了堅實的基礎，這就極大地促進了固態硬盤在社會各領域的廣泛應用。尤其是在數據存儲方面，固態硬盤幾乎全覆蓋了各行業領域，對于各類數據的存儲、保護、管理起到了重要的作用。但受各方面因素的影響，固態硬盤在受到損壞的情況下，極容易出現所存儲數據丟失的情況，對人們的信息安全造成了不好的影響。為對固態硬盤數據存儲情況做出一個相對深入的探究，本文以固態硬盤數據恢復技術為研究對象，通過對固態硬盤概念、存儲原理等內容的概述，探究了固態硬盤數據恢復技術，并對固態硬盤數據恢復技術的應用進行了詳細的介紹。

關鍵詞：固態硬盤;數據恢復;硬盤數據;數據存儲

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0286-02

1 固態硬盤的概念、存儲原理

1.1 固態硬盤的概念

傳統的機械鍵盤由于需要多次進行尋址，其讀寫性能較差，在很多要求讀寫性能比較高的場景中無法得到使用。為了更好地滿足讀寫性能的要求，固態硬盤對存儲介質進行了改良，由傳統的硬盤變為閃存進行存儲，雖然能夠極大地提高讀寫性能，但是由于閃存無法進行頻繁地寫入和擦除，使得閃存的壽命較短，所以就需要考慮壞塊后的數據恢復問題，而數據恢復問題又分為多個方面，是一個非常值得研究的話題，對于提高固態硬盤的使用質量有著更好地提高。

1.2 固態硬盤的存儲原理

1）固態硬盤的存儲管理結構，為了更快地應用固態硬盤技術代替傳統的機械硬盤技術，使其能夠快速地進行切換和使用，固態硬盤在進行存儲時保留了原有的數據讀寫接口，只是存儲的介質發生了變化，因此在使用固態硬盤進行數據的存儲時，與傳統機械鍵盤的使用方法類似，存儲介質的改動對于用戶是透明的，保留了用戶的使用習慣，降低了固態硬盤使用的普及難度，使得固態硬盤能夠得到快速的應用和推廣，并在很多領域得到了廣泛使用。

2）固態硬盤的地址映射技術，對于固態硬盤來講，地址主要分為三類：物理地址、邏輯地址和虛擬地址，這三類地址的用途如下：物理地址是實際存儲數據的地址，邏輯地址是對用戶而言的，例如;一個扇區可以看作是一個邏輯地址，但是其實際的物理地址可能存在多個，邏輯地址主要是通過虛擬地址的映射與物理地址建立關系，使得數據的實際存儲與用戶進行剝離，能夠更加方便地實現一些數據存儲和優化的技術。

3）損耗均衡策略，根據上文的論述可知，固態硬盤主要是通過閃存介質進行數據的存儲，雖然能夠提高讀寫性能，但是由于閃存的寫入和擦除次數是非常有限的，因此損害均衡的策略出現，能夠使得存儲介質的使用壽命和讀寫性能之間取得平衡。損耗均衡技術的原理如下：為了避免對同一個數塊的反復讀寫，會將讀寫分散到不同的塊上，從而使得讀寫變得均衡，也能夠使得不同塊的讀寫次數大致相近，從而確保了固態硬盤的讀寫質量。

4）其他存儲原理，固態硬盤在進行數據存儲的過程中，還會涉及垃圾回收，就是一些已經刪除數據的處理方式，已經刪除的數據不會立刻被刪除，而是下次寫入時直接進行覆蓋，這樣可以節約一次寫入，提高存儲介質的使用壽命;壞塊的管理，當固態硬盤在使用過程中出現壞塊時，系統會對壞塊進行標記，后續的寫入會跳過壞塊，但是對于上層的用戶來講是無感知的。

2 固態硬盤數據恢復技術

根據上文的論述可知，固態硬盤在提高讀寫性能的同時，也會存在存儲介質使用壽命過短的情況，如果是在寫入之前就能夠判斷壞塊的情況，那么可以通過跳過壞塊的技術進行處理;但是，如果數據塊在寫入數據后損害，那么對應的數據就無法得到恢復，對用戶的使用會產生重要的影響。因此，固態硬盤的數據恢復技術應運而生，能夠很好地解決固態硬盤數據塊損壞的問題，固態硬盤數據恢復技術如下：

2.1 固態硬盤數據刪除的原理

由于固態硬盤的存儲介質寫入和擦除的次數是有限的，因此為了提高其使用壽命，在進行數據刪除時，并不是直接擦除相依的數據，只是對該部分數據打上一個待擦除的標簽，用戶在對數據進行讀取時，檢測到標簽是待刪除就無法讀取到相應的數據，從而實現用戶角度的數據刪除功能;當下次對該數據塊進行寫入時，則會直接選擇覆蓋的方式進行寫入，這樣可以節約一次擦除的行為，使得數據塊的使用壽命得到較大的提高。

但是，當數據量非常大時，數據塊的數量不夠，因此固態硬盤也會進行一些垃圾回收機制，被刪除的對象會按照被刪除的時間順序，被垃圾回收機制進行刪除操作，這樣會始終保留足夠的數據塊進行數據的寫入，因此這就使得固態硬盤的數據恢復成為可能，數據恢復的情況可以分為以下三種：第一，數據恢復前，數據沒有出發垃圾回收機制，數據依然是按照順序進行存放的;第二，數據恢復前，固態硬盤上的數據沒有觸發垃圾回收機制，但是會存在多次修改的情況，可能會出現數據的不完整;第三，固態硬盤執行了垃圾回收，數據可能存在多次被截斷的情況。

2.2 固態硬盤數據恢復原理

根據固態硬盤的數據存儲原理可知，其數據恢復會存在多個步驟，主要分為以下兩個部分：第一，對象信息的查找，固態硬盤的數據寫入和讀取方式與傳統機械硬盤是不同的，在進行數據存儲時，會先對存儲對象建立信息的標簽，然后才會在固態硬盤進行真實存儲數據的寫入;而固態硬盤數據恢復時，需要首先對這些寫入信息的對象信息進行查找，找到后才能夠根據對象信息尋找到數據真正存儲的位置。固態硬盤對象信息的查找具有如下特點：第一，查找順序是倒序的，這是因為數據刪除和垃圾回收機制中，都是對先標記為刪除的數據進行真實的刪除操作，也就是說排在后面的數據標記的時間比較新，因此具有更多的恢復價值;第二，從時間維度上看，總是先恢復最后寫入的數據，然后按照寫入的時間順序依次向前找，直到恢復所有可能的數據位置。第三，當對一個存儲數據塊存在多次操作時，則以最后的存儲為主，這是該數據對象的最新信息，其他信息則只是數據塊的歷史狀態，不需要全部進行恢復，在進行恢復時，可以適當跳過已經恢復的數據塊，從而能夠加快恢復速度。

2.3 文件的拼裝

在完成了數據對象信息的查找之后，則需要對這些信息進行拼接，從而能夠形成完整的文件。這是因為，對于較大的文件來講，可能會存在多個不同的數據塊中，在分散存儲時可能受到損耗均衡策略的影響，數據塊的存儲位置是不確定的，因此就需要在恢復所有的數據塊后，在對文件進行拼裝操作。主要包括以下幾個步驟：第一，根據文件的原始信息，對文件的數據塊的數量、信息內容等進行對比，從而將文件進行恢復;第二，文件進行拼裝后，還需要對其內容進行校驗操作，確保文件保留的信息都是最近一次的修改信息，避免出現歷史信息的情況。

3 固態硬盤數據恢復技術的應用

固態硬盤數據存儲介質的局限性可知，數據恢復技術的實現發展是非常必要的，并且在實際工作中有著較為廣泛的應用。經過本文的分析和總結，認為固態硬盤數據恢復技術主要應用在以下幾個方面：

3.1 邏輯層數據恢復技術的應用

從上文的論述可知，邏輯層是針對用戶的使用情況而產生的，在進行實驗時選擇了較為普通的固態硬盤，并且開啟Trim命令。實驗過程如下：第一，先向固態硬盤中添加一些小文件，這些小文件占用的數據塊比較少，其余的數據塊都是空白的，沒有數據的寫入;第二，將小文件的各項信息進行記錄，然后選擇幾個小文件進行刪除;第三，刪除后等待一個小時候觀察，發現被刪除的數據依然存在在數據塊中，這說明固態硬盤的數據刪除并不是實時的，需要等待一段時間后才會被真正地刪除;第四，這時再向固態硬盤中寫入兩個較大的文件，這些文件會沾滿固態硬盤的絕大部分，經過一個小時之后，再觀察上次被刪除的幾個小文件已經不存在，這說明垃圾回收機制被觸發，可以得出垃圾回收機制是發生在寫入時的結論。

因此，對邏輯層進行數據恢復時，需要在垃圾回收機制觸發之前，否則垃圾回收機制觸發之后，相應的數據就會被永久刪除，無法進行恢復;而垃圾回收機制會存在主動回收和被動回收兩種機制：主動回收機制，是文件系統主動觸發的，是為了更好地保持固態硬盤的讀寫性能，在寫入時會進行實時回收機制，這時寫入數據可能會發生抖動的情況;被動回收機制，該機制在發現固態硬盤的存儲率達到一定的額度后，會對標記為刪除的數據進行回收，為后續的寫入提供足夠的空間，這種回收機制可以發生在任何時候。

3.2 物理層數據的恢復

物理層是固態硬盤數據的真實存儲層，物理層的數據故障可能是多個方面的，主要分為兩種：主控損壞和電路板損壞，如果是主控損壞，那么更換一塊型號一致的電路板即可，將舊的電路板輕輕地取出，然后更換上新的電路板，并且放到對應的位置固定好，然后就可以開始進行數據恢復的操作了;如果是電路板損壞，那么同樣是獲取一塊型號一致的電路板，將現有的數據芯片更換到新的電路板上即可，但是其中的數據可能就無法進行數據恢復操作了。因此，在這種情況下，需要注意對固態硬盤數據的備份和保存，從而能夠確保數據的完整性，也為數據恢復提供了更多的可能性。如果通過現有的固態硬盤數據恢復技術，無法對其中的數據進行完整的恢復，使用備份數據是最有效的恢復方式。

3.3 固件層數據恢復

固件層方面的故障，會使得固態硬盤出現不認盤的情況，對于盤的型號、規模等相關數據無法進行讀取，用戶在這種情況下，需要讓固態硬盤進入特定的模式，對損壞的固件進行修復，然后再對正常的數據進行恢復;當然，在一些特殊的情況下，依然無法將全部的數據進行恢復。這種情況下只能依靠原始的數據備份機制，對固態硬盤中的數據進行恢復操作。

綜上所述，固態硬盤數據恢復技術的應用，需要根據固態硬盤不同位置的數據損壞情況有選擇地使用，實際情況中，固態硬盤使用閃存介質提高讀寫性能，但是也犧牲了數據的可靠性特點。可以說固態硬盤的數據損壞是不可避免的，而且損壞的方式是多個方面的，雖然目前固態硬盤數據恢復技術有多種，但是針對一些特殊情況依然無法做到完全的數據恢復。所以，在進行固態硬盤的使用時，還需要做好數據的備份機制，確保數據的完整性，為用戶使用固態硬盤提供更多的保障機制。

4 小結

總之，根據上文的分析和論述可知，固態硬盤雖然大大提高了計算機的讀寫性能，但是其存儲介質的壽命是有限的，從而時常會出現壞塊的情況，對于所存儲數據的有效性產生的嚴重的影響。固態硬盤的數據恢復技術能夠有效地對所損壞的數據進行恢復，提高用戶的使用體驗。通過上述研究，我們對固態硬盤的概念、存儲原理以及固態硬盤數據恢復技術以及應用情況都有了一個相對全面的了解和認識。在今后的工作中，我們要結合我國計算機網絡技術發展情況，以市場發展為導向，不斷加大對于固態硬盤數據恢復技術的研究力度，提升固態硬盤對數據的存儲、管理和保護性能。由于固態硬盤數據存儲涉及范圍較廣、知識點較多，本課題受篇幅限制只選取其中的一些方面進行了探究，因此在研究上可能仍存在某些不完善之處。因此，作者也希望能夠借助本課題的研究，引起人們對本課題的廣泛熱議，促使更多的技術人員、研究人員廣泛的參與到本課題的研究中來，在群策群力的基礎上促進本課題研究體系的完善。為我國固態硬盤恢復技術的發展奠定堅實的基礎，切實保障計算機網絡數據安全。

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