CN101246458A - 一种磁盘数据保护方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁盘数据保护方法，该方法包括如下步骤：从最前端存有系统引导模块的磁盘启动计算机，其中该最前端存有系统引导模块的磁盘还存有数字签名；执行系统引导模块探测计算机中存在的磁盘；执行系统引导模块根据该磁盘上的数字签名检测该磁盘是否已被所述系统引导模块初始化；执行系统引导模块将自身复制到未被所述系统引导模块初始化的磁盘，并写入数字签名；基于快照机制对所有磁盘进行保护，其间引导操作系统启动。通过本方法中的系统引导模块的自我复制，实现了不基于特定的硬件的硬盘数据保护，具有成本低廉，通用性强的优点，而且在实施的过程中安装方便，并且支持多磁盘保护。

Description

一种磁盘数据保护方法和系统

技术领域

本发明涉及计算机数据保护领域，特别是涉及一种计算机磁盘数据保护的方法和系统。

背景技术

随着计算机网络的普及，越来越多的计算机连接到互联网上。人们不但享受着互联网给我们带来的方便，同时人们也遭受着互联网病毒带来的侵害。如果计算机中了病毒，不仅需要维护人员花费大量的时间来完成硬盘格式化，重新安装操作系统以及相关应用软件等工作，而且更重要的问题是积累在硬盘中被病毒破坏的数据往往难以恢复。无论是对于企业还是个人来说，这种损失都是难以承受的。对于以上问题，在目前的市场上，已经有了一些磁盘数据的保护方法，但是这些方法往往需要外扩的PCI保护卡或需要集成到主板上带有保护功能的BootROM等设备配合。在计算机启动过程中，这些方法首先通过PCI卡或者BootROM等外扩设备加载数据保护程序，然后再在数据保护程序的监控下启动磁盘中的操作系统并监控操作系统读写操作，从而实现对磁盘数据保护的功能。

因此迫切需要一种通用性强的不依赖于任何额外设备的磁盘数据保护系统和方法。

发明内容

因此，本发明的目的是设计一种不依赖PCI卡或BootROM等设备的1个或多个磁盘数据的保护方法和系统。

为了实现上述发明目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁盘数据保护方法，包括以下步骤：

1)从最前端存有系统引导模块的磁盘启动计算机，其中该磁盘还存有数字签名；

2)执行系统引导模块，以探测计算机中存在的磁盘；

3)执行系统引导模块，以根据探测到的磁盘上的数字签名检测该磁盘是否已被系统引导模块初始化；

4)执行系统引导模块，以将自身复制到未被所述系统引导模块初始化的磁盘，并写入数字签名；

5)基于快照机制对所有磁盘进行保护。

根据本发明的另一方面，未被所述系统引导模块初始化的磁盘包括一个或多个磁盘。

根据本发明的又一方面，将系统引导模块复制到未被所述系统引导模块初始化的磁盘的最前端的128KB空间。

根据本发明的又一方面，上述步骤4)后包括步骤：对未被系统引导模块初始化的磁盘进行保护属性设置。

根据本发明的又一方面，将数字签名和保护属性设置信息写入未被系统引导模块初始化的磁盘的16MB-512B至16MB位置。

根据本发明的又一方面，上述步骤5)包括：

在内存中为未被系统引导模块初始化的磁盘构建一个临时第一扇区，截获的对第一扇区的读写请求都映射到临时第一扇区；

根据所述临时第一扇区上的启动分区的文件类型引导操作系统启动。

根据本发明的再一方面，还提供了一种磁盘数据保护系统，包括：

系统引导模块，其用于从最前端存有该系统引导模块的磁盘启动计算机，其中该磁盘还存有数字签名；探测计算机中存在的磁盘；根据该探测到的磁盘上的数字签名检测该磁盘是否已被所述系统引导模块初始化；将系统引导模块复制到未被所述系统引导模块初始化的磁盘，写入数字签名，基于快照机制对所有磁盘进行保护，引导操作系统启动；

读写保护驱动模块，其用于操作系统启动后，基于快照机制对所有磁盘进行保护。

根据本发明的再一方面，上述系统引导模块包括磁盘探测模块、认证模块、初始化模块、数据保护模块和磁盘引导模块，其中：

磁盘探测模块用于探测计算机中存在的磁盘；

认证模块用于根据探测到的磁盘上的数字签名检测该磁盘是否已被初始化模块初始化；

初始化模块用于将系统引导模块复制到该磁盘，并写入数字签名；

数据保护模块用于在操作系统启动前，基于快照机制对所有磁盘进行保护；

磁盘引导模块用于引导操作系统启动。

根据本发明的再一方面，上述系统引导模块还包括人机交互模块，其用于对未被所述系统引导模块初始化的磁盘进行保护属性设定。

本发明的效果在于只要将本发明的模块，写入到计算机中现有的任何一个可启动的存储设备，例如硬盘，U盘，光盘以及网络启动镜像等，并从该存储设备启动就可以对本地所有硬盘进行读写保护，不需要增加额外地硬件设备而且不基于特定的硬件，具有成本低廉，通用性强的优点；在实施的过程中安装方便，并且支持多磁盘保护；而且本发明能够支持引导Windows和Linux操作系统启动。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是基于快照机制的磁盘空间示意图。

图2是基于快照机制的系统读写流程图。

图3是初始化后的磁盘空间整体布局示意图。

具体实施方式

从原理上，本发明采用快照机制来完成对本地磁盘数据保护。基于此机制的磁盘空间如图1所示。正常运行的情况下，操作系统读写请求尺寸一般为4KB。因此映射粒度(chunk)采用4KB的尺寸，在图中用一个块表示。源卷是被保护的分区。私有卷是存放对源卷写入的数据的临时存储分区，分为已写入数据的空间和未使用的空间。逻辑卷是当前时刻对用户或操作系统体现的由源卷和私有卷组成的逻辑分区。图中的箭头表示映射表，它是一组地址指针，用来维护逻辑卷、源卷和私有卷的映射关系。

基于快照机制的系统读写流程图如图2所示：首先截获系统中对源卷的读写请求，在映射表中根据请求的读写范围查找对应的映射粒度。如果映射表指针指向私有卷则说明映射粒度已经在私有卷上，直接对私有卷上的映射粒度进行读写。如果映射表指针指向源卷则说明对应的映射粒度在源卷上，因此还需要进一步判断是读操作还是写操作。如果是读操作直接从源卷读取数据即可。如果是写操作则采用COW(Copy On Write)方法首先将源卷中的映射粒度复制到内存，然后将要写入的数据写入到该块内存中。接下来修改映射表指针使指针指向私有卷上未被使用的映射粒度上。最后将该块内存中的数据写入到私有卷中该映射粒度上。

基于以上原理，本发明提供了一种磁盘数据保护方法。从带有系统引导模块的磁盘启动计算机，在计算机启动的过程中首先检测系统中是否有其它磁盘存在，如果存在其它磁盘则将系统引导模块复制到其它磁盘的最前端，同时基于快照机制提供保护功能。这样保证系统存在单磁盘或多磁盘的情况下，以后无论从哪块磁盘启动都能够提供数据保护功能。然后，加载读写保护模块，由其负责磁盘数据的读写保护。具体步骤如下：

计算机从存在本发明系统的磁盘启动，本发明的系统引导模块运行。

对计算机中存在的磁盘进行探测，判断是否存在其它磁盘。此步骤通过INT13读操作实现的。对每个磁盘通道进行读取第一扇区的操作，如果能够正确返回磁盘第一扇区信息则说明该磁盘通道上有磁盘存在，如果没有磁盘第一扇区信息返回说明该磁盘通道上没有磁盘。

判断其它磁盘是否被系统引导模块正确初始化过，从而检测未被系统引导模块初始化的磁盘，对该磁盘进行初始化。

分别读取每个探测到的磁盘的固定位置，例如16MB-512B，此位置由系统引导模块指定。以此固定位置起始的一个扇区大小的区域保存了用户针对这块磁盘设定的信息和数字签名。设定的信息包括该磁盘上分区数量、每个分区的大小、分区起始偏移、分区读写权限、分区类型、分区上文件系统类型。数字签名是一个独特的并且固定内容的字符串。如果数字签名不存在或者出错，则认为该磁盘未经初始化，磁盘上的配置信息无效；相反地，如果数字签名正确则认为该磁盘已经被初始化，磁盘上的配置信息有效。

对于未经初始化的磁盘，对其初始化。初始化的步骤如下：步骤1，将磁盘的保护分区和非保护分区之前的空间清零，例如磁盘的0B至16MB空间。步骤2，因为系统引导模块镜像小于128KB，所以将系统引导模块的镜像复制到磁盘最开始的128KB空间。步骤3，在磁盘第16MB的前一个扇区，也即从磁盘的16MB-512B位置起始的空间，写入正确的数字签名。由于系统引导模块自身拥有自动复制功能，如步骤2所示的，所以系统引导模块镜像会被自动复制到计算机系统中所有的可写存储设备，例如磁盘、U盘等，这样无论通过任何存储设备启动都会首先执行系统引导模块，并通过系统引导模块提供的磁盘保护功能对磁盘进行数据保护。如此则实现了保护功能不会与具体的某一硬件相关。

在确认所有磁盘都被初始化过后，提示用户对磁盘进行保护属性设置。通过基本输入输出系统和用户交互，用户可以针对每块找到的磁盘进行针对该磁盘的分区设定。分区设定包括添加、删除分区，设定分区大小、分区读写权限、分区类型、分区上文件系统类型。用户还可以设定由哪块磁盘上的哪个分区启动。

经过以上步骤磁盘空间整体布局如图3所示，共分为5个部分，其中任何两部分之间都用大小为32KB的保护间隔相隔。首先是图中的空间1，其是系统引导模块启动镜像，大小为128KB；图中的空间2用于存放和用户交互的字体、图片。图中的空间3是磁盘第16MB位置的前一个扇区，用于存放数字签名和用户配置信息；图中的空间4是用户设定的保护分区和非保护分区；空间5是私有分区，磁盘中剩余的存储空间都设置为私有分区。以上数据仅作为优选实施例的数据，但本发明空间大小并不局限于这些数据。

在以上步骤进行的同时，保存BIOS提供的INT13入口，并用带保护功能的INT13函数替换掉BIOS的INT13函数，对磁盘数据进行保护。

本发明的带保护功能的INT13函数实现了快照机制。它拦截所有的硬盘读写请求，根据读写请求的范围来确定具体执行操作。如果是对受保护的分区写请求，则将该写操作重定向到私有分区中的相应位置，同时修改映射表，使从用户角度看到的逻辑分区是正确的。如果是对受保护的分区读请求，则首先根据映射表判断数据是在受保护的分区上还是在私有分区上，然后将数据读出返回给用户。如果不是对受保护的分区的读写请求则直接对硬盘指定的位置读写，完成用户的请求。

因为磁盘上第一扇区包含主引导记录(MBR)和分区表，通常被用于配合引导模块启动，所以本发明默认对所有磁盘的第一扇区中的内容提供保护，第一扇区中的内容不能够被随意写入和读取。为了动态的根据用户设定的参数启动，根据用户设定的参数在内存中为磁盘构建一个临时第一扇区，该扇区包含了临时主引导记录和临时分区表。截获的对第一扇区的读写请求都映射到相应磁盘的临时第一扇区上。

根据上述生成的临时第一扇区的内容来引导操作系统启动。首先在临时分区表中找到启动分区，然后根据启动分区的文件系统类型来判断分区上的操作系统是Windows还是Linux。如果分区类型为FAT32或NTFS则通过加载该分区中的第一扇区来引导Windows启动。如果分区类型为EXT2或EXT3，则针对这两种文件系统的读写接口将Linux内核加载到内存中，然后引导Linux启动。

由于BIOS提供的INT13磁盘读写接口性能差，所以现在主流的操作系统在启动后都会用读写性能较好的硬盘读写驱动程序来替代BIOS的INT13。为了提供完善的保护，在操作系统启动后本发明拦截操作系统发给磁盘读写驱动程序的读写请求，提供对磁盘数据的读写保护。

将在操作系统启动过程中使用的映射表和临时第一扇区的地址放到系统内存某一位置处。修改BIOS的E820MAP，将上述的内存区域标记为保留的，因此操作系统不会修改该内存区域的内容。操作系统启动后，搜索内存找到映射表和临时第一扇区信息，根据映射表对受保护的分区提供读写保护。基于上述磁盘读写保护的原理，在操作系统提供的对磁盘读写函数之上插入一层过滤层。过滤层截获操作系统对磁盘的读写信息，根据读写范围查找映射表对应的映射粒度。如果映射表指针指向私有分区则直接对私有分区上的映射粒度进行读写。如果映射表指针指向被保护的分区则说明对应的映射粒度在被保护的分区上，需要进一步判断是读操作还是写操作。如果是读操作，直接从被保护的分区读取数据。如果是写操作，则采用COW(Copy On Write)方法将数据写到私有分区上并修改映射表指针使指针指向私有分区上的相应映射粒度。

对于本领域普通技术人员来说，本发明可以采用磁盘数据保护系统来实现，该系统主要包括系统引导模块和读写保护驱动模块，其中系统引导模块又进一步包括：磁盘探测模块、认证模块、人机交互模块、数据保护模块和磁盘引导模块。

磁盘探测模块，用于对计算机中存在的磁盘进行探测，判断是否存在其它磁盘。

认证模块，用于判断其它磁盘是否被系统引导模块正确初始化。

初始化模块，用于对没有初始化的其它磁盘进行初始化。

人机交互模块，用于在确认所有磁盘都被初始化过后，提示用户对磁盘进行保护属性设置。

数据保护模块，用于保存BIOS提供的INT13入口，并用带保护功能的INT13函数替换掉BIOS的INT13函数，对磁盘数据进行保护。

磁盘引导模块，根据用户设定的参数在内存中为磁盘构建一个临时第一扇区，然后将临时扇区的地址传递给数据保护模块。根据临时第一扇区的内容引导操作系统启动。

读写保护驱动模块，用于在操作系统启动后拦截操作系统发给磁盘读写驱动程序的读写请求，提供对磁盘数据的读写保护。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (9)

1.一种磁盘数据保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从最前端存有系统引导模块的磁盘启动计算机，其中所述最前端存有系统引导模块的磁盘还存有数字签名；

2)执行系统引导模块，以探测计算机中存在的磁盘；

3)执行系统引导模块，以根据所述探测到的磁盘上的数字签名来检测所述探测到的磁盘是否已被所述系统引导模块初始化；

4)执行系统引导模块，以将所述系统引导模块复制到未被所述系统引导模块初始化的磁盘，并写入数字签名；

5)基于快照机制对所有磁盘进行保护。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述未被所述系统引导模块初始化的磁盘包括一个或多个磁盘。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述系统引导模块复制到所述未被所述系统引导模块初始化的磁盘的最前端的128KB空间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)后包括步骤：对所述未被所述系统引导模块初始化的磁盘进行保护属性设置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述数字签名和所述保护属性设置信息写入所述未被所述系统引导模块初始化的磁盘的16MB-512B至16MB位置。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)包括：

在内存中为所述未被所述系统引导模块初始化的磁盘构建一个临时第一扇区，截获的对第一扇区的读写请求都映射到所述临时第一扇区；

根据所述临时第一扇区上的启动分区的文件类型引导操作系统启动。

7.一种磁盘数据保护系统，其特征在于，包括：

系统引导模块，其用于从最前端存有所述系统引导模块的磁盘启动计算机，其中所述最前端存有系统引导模块的磁盘还存有数字签名；探测计算机中存在的磁盘；根据所述探测到的磁盘上的数字签名来检测所述探测到的磁盘是否已被所述系统引导模块初始化；将所述系统引导模块复制到未被所述系统引导模块初始化的磁盘，写入数字签名，基于快照机制对所有磁盘进行保护，引导操作系统启动；

读写保护驱动模块，其用于操作系统启动后，基于快照机制对所有磁盘进行保护。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统引导模块包括磁盘探测模块、认证模块、初始化模块、数据保护模块和磁盘引导模块，其中：

所述磁盘探测模块用于探测计算机中存在的磁盘；

所述认证模块用于根据所述探测到的磁盘上的数字签名检测所述探测到的磁盘是否已被所述初始化模块初始化；

所述初始化模块用于将所述磁盘探测模块、认证模块、数据保护模块和磁盘引导模块复制到未被初始化模块初始化的磁盘，并写入数字签名；

所述数据保护模块用于在操作系统启动前，基于快照机制对所有磁盘进行保护；

所述磁盘引导模块用于引导操作系统启动。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统引导模块还包括人机交互模块，其用于对所述未被所述系统引导模块初始化的磁盘进行保护属性设定。

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