動態(tài)大小VHD虛擬磁盤文件長度探究

王德勁

摘要：為了避免使用動態(tài)大小VHD技術(shù)的虛擬化設備由于VHD文件逐步增長到不可預估大小而撐爆物理磁盤，基于常見開發(fā)環(huán)境對動態(tài)大小VHD虛擬磁盤文件長度做了深入研究，最終提出一個最大文件大小的計算公式。實踐表明，在虛擬化產(chǎn)品的開發(fā)階段做物理磁盤空間規(guī)劃時利用該公式做指導，可以有效防止虛擬化產(chǎn)品在市場化應用過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)無法正常運行問題。

關鍵詞：VHD技術(shù)；虛擬化設備；文件大小；計算公式

一、前言

VHD（Virtual Hard Disk）是微軟發(fā)布的一種虛擬硬盤格式規(guī)范，這種虛擬化技術(shù)通過在物理硬盤上創(chuàng)建一個虛擬磁盤文件，模擬一個獨立的硬盤驅(qū)動器。VHD可分為固定大小和動態(tài)大小兩種類型。固定大小VHD在創(chuàng)建時分配磁盤空間，創(chuàng)建后不能更改空間大小，磁盤文件大小也是固定的。動態(tài)大小VHD在創(chuàng)建時只分配實際使用的空間，只在需要時動態(tài)擴展。VHD技術(shù)在政府、醫(yī)療機構(gòu)、學校和企業(yè)得到了廣泛應用[1]。

二、問題與挑戰(zhàn)

動態(tài)大小VHD由于其磁盤文件大小隨著數(shù)據(jù)的寫入動態(tài)增長，利用該特性可以最大限度共享物理磁盤空間，因此這種類型的VHD在諸如云桌面終端等虛擬化產(chǎn)品得到了廣泛運用。但也因此特性，如果不能準確評估出最大虛擬磁盤文件大小，在物理磁盤空間有限的情況下，如果不斷向虛擬磁盤寫入數(shù)據(jù)，就有可能出現(xiàn)VHD文件撐爆物理磁盤，最終導致系統(tǒng)無法正常運行的風險。

三、分析與驗證

（一）問題引入

要計算出動態(tài)大小VHD文件長度，就需要知道其文件構(gòu)成。通過將組成的各部分相加，最終計算出文件總大小。VHD文件結(jié)構(gòu)在Virtual Hard Disk Format Spec_10_18_06規(guī)范（以下簡稱規(guī)范）[2]文檔里面有說明，如圖1所示，可以對照規(guī)范來分析實際的VHD文件。

規(guī)范描述的動態(tài)大小VHD文件結(jié)構(gòu)中的footer（首尾兩個）、header，以及block data大小固定，分別為512字節(jié)、1024字節(jié)和2MB[3]。BAT和扇區(qū)位圖總大小不固定，存在512字節(jié)對齊情況。經(jīng)過與實際VHD文件對比分析，發(fā)現(xiàn)footer、header、block data大小與規(guī)范描述的一致，但BAT和位圖可能存在差異。BAT是塊分配表，用于存放數(shù)據(jù)塊在文件中的偏移。一個BAT條目占4個字節(jié)，總BAT大小在創(chuàng)建虛擬磁盤時確定。位圖表示在動態(tài)大小VHD中哪些扇區(qū)包含有效數(shù)據(jù)。經(jīng)過分析計算，BAT和位圖實際占用的字節(jié)數(shù)或地址空間的對齊值可能超過512字節(jié)這個值，到底超出多少是分析的重點。

規(guī)范中“動態(tài)磁盤應用”小節(jié)有這樣一句描述：當向磁盤文件中寫入數(shù)據(jù)時，動態(tài)磁盤將會擴展一個新的塊。這個新的塊既包含block data，也包括位圖。前者是固定大小，因此可通過對比分析法先確定位圖的對齊規(guī)則，然后通過類比分析法和假設分析法確定BAT的。

（二）問題分析

根據(jù)前文的分析思路，在Win10環(huán)境下，利用Windows磁盤管理器創(chuàng)建一個10MB的動態(tài)大小VHD文件10MB_dym.vhd，以及它的備份文件10MB_dym_org.vhd。創(chuàng)建后兩個文件大小都為8192字節(jié)，如圖2所示。掛載10MB_dym.vhd文件，再對其進行磁盤初始化，卸載磁盤后其文件大小為2109440字節(jié)。

存放初始化信息，需要創(chuàng)建一個新的塊，這個新塊包括block data和位圖，大小為10MB_dym.vhd文件大小減去10MB_dym_org.vhd大小，即2109440減去8192字節(jié)。再將塊大小減去block data的大小，即可得到位圖大小，即為2109440–8192–2×1024×1024=4096字節(jié)。

位圖對齊大小確定后，再來確定BAT對齊大小。動態(tài)大小VHD在剛創(chuàng)建時沒有數(shù)據(jù)塊被分配，只包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即footer、header和BAT等信息。因此，可通過分析10MB_dym_org.vhd文件來進一步確定BAT的大小。VHD文件大小減去footer和header部分，理論上剩余部分為BAT。計算方法為：

文件大小–2×footer大小–header大小，即8192–2×512–1024=6144字節(jié)。

計算得出的6144字節(jié)是否就是為BAT大小？需要做進一步分析。圖3是輸出10MB_dym_org.vhd文件的十六進制數(shù)據(jù)，最左側(cè)是地址欄，中間部分是數(shù)據(jù)，最右側(cè)劃線處是十六進制數(shù)據(jù)對應的ASCII碼。除最后一行輸出，其他行與行之間的星號表示上下兩行的數(shù)據(jù)與上一行完全相同。根據(jù)規(guī)范，圖中0x000-0x1FF區(qū)域是footer，0x200-0x5FF是header，文件最后0x1E00-0x1FFF是footer的備份。BAT位于header之后，該區(qū)域存放數(shù)據(jù)塊偏移值，這里稱為表項，一個表項占用4字節(jié)，未使用的表項全部初始化為0xFFFFFFFF。根據(jù)規(guī)范描述，BAT以512字節(jié)對齊。由于10MB由5個2MB的數(shù)據(jù)塊組成，因此BAT有5個表項，共占用20字節(jié)。再以512字節(jié)對齊，理論上BAT的區(qū)域為0x600-0x7FF，但是實際看起來好像不是。0x600-0xFFF區(qū)域的數(shù)據(jù)都為全0xFFFFFFFF，從0x1000開始數(shù)據(jù)變?yōu)?x00000000，從數(shù)據(jù)變化情況來看，BAT區(qū)域范圍更像是0x600-0xFFF。

現(xiàn)在通過類比法和假設法分析BAT所在的區(qū)域。假設跟位圖一樣，BAT也是以4096字節(jié)對齊，那么0x600-0xFFF區(qū)域即為BAT的區(qū)域。但從0x1000到0x1E00這塊區(qū)域的數(shù)據(jù)又是什么？文件最后footer數(shù)據(jù)從0x1E00地址開始，其末尾字節(jié)地址加1即8192，正好是4096的2倍，是否意味著文件VHD文件大小也要以4096字節(jié)對齊，而在BAT和footer之間填充全0來達到這個目的？

（三）推論驗證

假設上一小節(jié)的推測是正確的，下面再通過創(chuàng)建新的VHD文件來驗證。使用Windows磁盤管理器創(chuàng)建一個15GB大小的動態(tài)大小VHD文件15GB_dym.vhd，以及它的備份文件15GB_dym_org.vhd。初始化15GB_dym.vhd，文件大小如圖4所示。

被初始化文件比備份文件多一個塊，塊大小為2MB +4096=2101248字節(jié)，也即2138112減去36864字節(jié)，這再一次說明位圖以4096字節(jié)對齊。再來分析BAT和文件大小對齊字節(jié)，15GB動態(tài)大小VHD文件的BAT所需的字節(jié)數(shù)為15GB/2MB ×4 = 30720。BAT的起始地址為0x600，按照30720計算的結(jié)尾地址為0x600+30720–1=32255。下一個區(qū)域的首地址為32256，32256÷4096=7.875，不是對齊大小4096的整數(shù)倍。要實現(xiàn)4096對齊，需要在前面填充8×4096–32256=512Bytes。由此，BAT的結(jié)尾地址為0x600+30720+512–1=32767，即0x7FFF，地址范圍為0x600–0x7FFF，如圖5箭頭指向的BAT所示。文件末尾的footer為512字節(jié)，無法構(gòu)成4096的整數(shù)倍，也需要做填充，需填充的字節(jié)數(shù)為4096–512=3584。填充區(qū)域為0x8000–（0x8000+3584–1），即0x8000–0x8DFF，如圖5箭頭所指填充區(qū)域所示。由此分析，推測的結(jié)論在15GB VHD文件中成立。

四、文件長度算法

根據(jù)以上分析結(jié)論，結(jié)合動態(tài)大小VHD文件結(jié)構(gòu)，可以得到動態(tài)VHD文件最大大小計算公式。

VHDFileSize=2×footerSize+headerSize+BATSize+TotalBlockSize+filePadSize

其中，公式中各變量大小及含義如下所示：

footerSize：footer結(jié)構(gòu)大小，大小為512字節(jié)。

headerSize：header結(jié)構(gòu)大小，大小為1024字節(jié)。

BATSize：BAT結(jié)構(gòu)大小，等于VHDDiskSize/blockDataSize×4+（（BATOffset+VHDDiskSize/blockDataSize×4）%4096）？（4096-（BATOffset+ VHDDiskSize/blockDataSize×4）%4096）：0。

其中，VHDDiskSize為在創(chuàng)建VHD時，設置的磁盤空間大小，單位為MB。blockDataSize表示塊中block data的大小，為2MB。BATOffset為BAT在VHD文件中的地址偏移，固定為0x600，十進制為1536。故BATSize計算公式可進一步簡化為：2×VHDDiskSize+（（1536+2×VHDDiskSize）%4096？（4096-（1536+2× VHDDiskSize）%4096）：0

TotalBlockSize：總塊大小，等于VHDDiskSize/blockDataSize×4096+1024×1024×VHDDiskSize，因blockDataSize為2MB，故計算公式進一步簡化為2048×VHDDiskSize+1024×1024×VHDDiskSize，即1050624×VHDDiskSize，單位為字節(jié)。

filePadSize：文件大小4096字節(jié)對齊填充的字節(jié)數(shù)，為3584。

綜合上面各等式，VHDFileSize的計算公式可進一步歸納為。

VHDFileSize=5632+1050626×VHDDiskSize+（（1536+2×VHDDiskSize）%4096？（4096-（1536+2×VHDDiskSize）%4096）：0

可以看出，簡化之后的公式中動態(tài)大小VHD文件最大大小最后只與VHDDiskSize有關。

下面以10MB_dym.vhd為例做計算驗證。將其掛載并格式化成NTFS文件系統(tǒng)，將磁盤空間填滿后，在磁盤管理器和此電腦界面顯示的狀態(tài)如圖6所示。圖中，磁盤管理器顯示磁盤可用空間只有7MB，實際可使用的空間更小，因為有部分空間需要預留給磁盤初始化信息和文件系統(tǒng)使用。將VHDDiskSize=10代入上述公式計算此VHD文件的最大大小值為：

VHDFileSize=5632+1050626×10+（（1536+2*10） %4096？ （4096 - （1536 + 2× 10）%4096）：0=10514432字節(jié)。

實際大小值為8413184字節(jié)，與公式得出的結(jié)果不一致。圖7所示為該文件的二進制數(shù)據(jù)，其中BAT區(qū)域有4個字節(jié)被使用，即用了4個塊，還有一個塊沒有使用。如果加上此塊所占用的空間，則文件大小為8413184+2×1024×1024+4096=10514432，與上面用公式計算出的值完全一致。

前面的推導過程所創(chuàng)建的VHD磁盤大小都為2MB的倍數(shù)，公式在計算過程也能整除。如果所創(chuàng)建的VHD磁盤大小不為2MB的倍數(shù)，計算文件最大大小時上面公式還能否使用？使用Windows磁盤管理器創(chuàng)建一個9MB大小的動態(tài)大小VHD文件，分析其二進制數(shù)據(jù)可知其BAT數(shù)目5，block data的值為2MB。說明磁盤管理器分配了10MB（5×2MB）的空間給這個9MB的動態(tài)VHD，這與創(chuàng)建10MB大小的VHD磁盤一致。對于非2MB倍數(shù)的VHD，其文件最大大小比與其磁盤大小加1MB的動態(tài)大小VHD要小，故在進行最大占用空間分析評估時，依然采用上述公式。

五、環(huán)境影響

上述分析的動態(tài)大小VHD都是在Win10系統(tǒng)上使用Windows磁盤管理器創(chuàng)建的。經(jīng)過測試分析，使用其他常用工具創(chuàng)建的，如bootice、vhdx_onekey_2013，VHD文件結(jié)構(gòu)未變。

Linux下也有一款開源的VHD管理工具vhd-util，使用它創(chuàng)建的動態(tài)大小VHD與Win10環(huán)境工具創(chuàng)建的相比，footer與header沒有變化，磁盤空間分配規(guī)則也沒有變化，變化的是增加了tdbatmap字段[4]，且VHD文件是以512字節(jié)對齊。對于如果將vhd-util創(chuàng)建的動態(tài)大小VHD放到Windows下掛載和使用，tdbatmap會被重新用作位圖，BAT、位圖，以及最終的文件大小仍然以512字節(jié)對齊。

六、結(jié)語

VHDX（Virtual Hard Disk v2）是新一代VHD技術(shù)[5]，具有更大的磁盤容量和更好的性能，但由于VHD技術(shù)應用較成熟，且很多虛擬化產(chǎn)品后臺管理系統(tǒng)是Linux，目前Linux下主要的開源VHD管理工具為vhd-util，該工具還無法支持對VHDX的管理，因此目前市場上大多數(shù)虛擬化產(chǎn)品依然使用VHD技術(shù)。另外，VHDX也存在跟VHD一樣的虛擬磁盤文件增長問題。本文針對此問題進行了深入探究，并得到了在Win10系統(tǒng)環(huán)境下計算動態(tài)大小VHD磁盤文件最大大小的公式。盡管本文的分析只基于主流的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境或工具，沒有全面覆蓋。即便如此，所得出的計算公式足以滿足常規(guī)產(chǎn)品開發(fā)需要，所使用的分析方法也能為其他系統(tǒng)環(huán)境分析提供很好的指導作用。

參考文獻

[1]張丹玨.基于VHD技術(shù)的通用計算機考試系統(tǒng)的應用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2017，40（03）：121-123.

[2]Virtual Hard Disk Format Spec_10_18_06.do[EB/OL].https：//www.microsoft.com/en-US/download/2006，10，11.

[3]連建永，顧忠明，黃道穎，等.VHD文件結(jié)構(gòu)解析[J]電腦開發(fā)與應用.2014，27（08）：62-66.

[4]vhd-util[EB/OL].https：//github.com/emonty/vhd-util 2017.5.23

[5] [MS-VHDX]： Virtual Hard Disk v2 （VHDX） File Format[EB/OL]. https：//learn.microsoft.com/zh-cn/openspecs/windows_protocols/ms-vhdx/2022.10.1

作者單位：福州職業(yè)技術(shù)學院信息工程系

責任編輯：周航