CN116643927A - 一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，包括以下步骤：步骤S1，开起快照保护，并对磁盘现有数据集创建一个快照点；步骤S2，获取当前磁盘的数据位图，步骤S3，将获取到的数据位图存入安全区域；步骤S4，根据获取到的数据位图，监控文件状态以及内容的改变；步骤S5，根据位图，监控分区数据块的数据的改变，步骤S6，磁盘有新数据写入后，根据步骤S3，步骤S4的监控结果对更改的数据进行备份操作。本发明中的技术方案在传统的磁盘快照技术上新增了文件监控操作，让文件监控和磁盘数据写入监控配合，减小数据备份量以让磁盘分区快照技术能够适应固态硬盘的特性，让其能在固态硬盘上较好的工作。
Description
技术领域
本发明属于磁盘数据备份技术领域，具体为一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法。
背景技术
目前电脑已经成为现代人工作必备工具，电脑上的数据存储越来越多，数据对于大家也越来越重要。数据丢失所带来的损失往往是巨大的。如果是操作系统本身的数据损坏往往还能导致系统不能正常工作，让依赖电脑的工作完全无法展开。所以对数据的保护是十分有必要的。
现有技术中，常规的数据备份手段主要包括：
1. 以磁盘块级别的备份；将磁盘上的所有数据备份到另外的存储位置。
这种方式备份时间长，并且需要较多额外的存储空间来存储数据。在遇到问题需要恢复数据的时候需要的时间也很长。并且备份数据盘也存在丢失的风险。当操作系统数据遭到破坏不能正常工作的时候，如果要恢复工作环境需要经过较长时间，紧急情况无法快速修复。
2. 磁盘快照备份；通过对磁盘上使用了的数据空间先进行标记。只有对这些被标记的位置进行写入新数据的时候，先将该存储位置的老数据先拷贝一份进行备份，然后才将新的数据写入该存储位置。该备份技术利用文件系统在对文件数据进行修改的时候往往只有少量数据被修改（例如删除一个10G的文件，文件系统仅仅是标记该文件被删除，并且将该文件所占用的磁盘空间标记为可用状态，并不会真正的写入10G数据来覆盖该文件）的特性来以备份少量数据达到保存完整的文件历史状态的目的，以实现备份。
这种备份方式随着固态硬盘的普及已变得不可用。固态硬盘的写入是先要抹除之前的数据才能写入，就像在沙滩上写字一样，对已经写了字的要先把字抹掉才能再次写。因为此固态硬盘的物理特性，在其上的文件修改往往伴随着大批量的数据写入。当需要备份数据量较大的情况下，该种快照方法在固态硬盘上不再适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，以解决背景技术中提出的现有技术中，数据备份需要的备份时间长、需要额外的备份存储空间、备份数据管理困难以及传统快照备份方案不适用于固态硬盘的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，包括以下步骤：
步骤S1，开起快照保护，并对磁盘的现有数据集创建一个快照点，开始冻结磁盘上当前的数据状态；
步骤S2，获取当前磁盘的数据位图，数据位图用于显示当前磁盘上数据块的状态；
步骤S3，将获取到的数据位图存入安全区域；
步骤S4，根据获取到的数据位图，监控文件状态以及内容的改变，包括新建文件、删除文件以及剪断文件；
步骤S5，根据数据位图，监控磁盘分区数据块的数据改变；
步骤S6，磁盘有新数据写入后，根据步骤S3和步骤S4的监控结果对更改的数据进行备份操作。
根据上述技术方案，步骤S2中，获取当前磁盘的数据位图的具体步骤为：
步骤S201，检查待备份保护磁盘的文件系统，判断文件系统是否正确，如果文件系统出现错误，则需要用户先更正文件系统错误后才能开启备份操作；如果正确，则继续；
步骤S202，冻结分区状态，以保证当前数据的完整性；
步骤S203，根据文件系统簇大小和分区大小，决定数据位图的粒度；
步骤S204，分析文件系统的原始数据，从而分析文件系统中被占用的存储空间；
步骤S205，根据步骤S203和步骤S204中得到的数据，生成数据位图。
根据上述技术方案，步骤S202中，冻结分区状态具体为：
步骤A1，开始对硬盘的数据操作进行监控；
步骤A2，监控是否有数据写入当前分区，如果有，则对写入操作进行拦截，并挂起当前写操作；
步骤A3，计算当前被写入区域的位图，位图计算完成后，判定当前待写入区域是否有有效数据，如果有有效数据，则需要先备份当前区域的数据后再将挂起的写操作重新写入；
步骤A4，根据计算完成的位图数据，判断当前区域是否有有效数据，如果有有效数据，则对该区域的数据进行备份操作；如果没有，则进行下一步；
步骤A5，将挂起的写操作继续发往设备栈的下一级设备，完成写入操作。
根据上述技术方案，步骤S4中，监控文件状态具体为：
步骤S401, 监控文件状态的改变，并判断当前文件操作是否为删除操作；如果不是，则放行当前操作；如果是，则将当前操作挂起；
步骤S402，获取当前文件数据存储区域的位置信息；
步骤S403，将获取到的当前文件数据存储区域的位置信息重新绑定到新的文件上；
步骤S404，清空当前文件的存储空间数据区域描述；
步骤S405，将当前的文件操作发往文件系统处理。
根据上述技术方案，步骤S5中，监控分区数据块的数据的改变具体为：
步骤S501，等待磁盘有新的数据写入；
步骤S502，如果待写入位置没有有效数据需要保护，则直接将当前数据写入磁盘；
步骤S503，如果待写入位置有有效数据，且被写入位置的数据没有备份过，则挂起当前写操作；将待写入位置的数据备份到安全区，并更新当前数据块位置的备份信息；
步骤S504，将待写入数据写入磁盘。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中的技术方案在传统的磁盘快照技术上新增了文件监控操作，让文件监控和磁盘数据写入监控配合，减小数据备份量以让磁盘分区快照技术能够适应固态硬盘的特性，让其能在固态硬盘上较好的工作。
在传统磁盘快照技术上加入文件监控后，对监控到的文件删除、文件剪断操作的时候，对文件数据区所对应的数据进行重新绑定，避免文件系统在删除这些文件后继续对数据区进行抹除操作，导致数据区改变较大的缺点。
在改进该缺陷后，磁盘快照就能适应固态硬盘的特性。让其能在固态硬盘上较好的工作。并且通过文件监控重新绑定待删除文件数据区的方式，也可以让待保护文件的数据处于使用状态，避免空间被二次利用后导致的数据备份量的增加。
附图说明
图1为本发明备份流程图；
图2为本发明数据位图获取流程图；
图3为本发明分区临时冻结流程图；
图4为本发明文件状态改变监控流程图；
图5为本发明磁盘数据改变监控流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，包括以下步骤：
步骤S1，开起快照保护，并对磁盘的现有数据集创建一个快照点，开始冻结磁盘上当前的数据状态；
步骤S2，获取当前磁盘的数据位图，数据位图用于显示当前磁盘上数据块的状态；
步骤S3，将获取到的数据位图存入安全区域；安全区域是由用户在磁盘中指定的区域。
步骤S4，根据获取到的数据位图，监控文件状态以及内容的改变，包括新建文件、删除文件以及剪断文件；
步骤S5，根据数据位图，监控磁盘分区数据块的数据改变；
对文件操作的监控，主要有以下的一些方式。
1、Hook操作系统的文件创建，删除，写入等API，让系统所有的文件操作都发往新的API，以达到监控文件改变的目的。
2、在文件系统设备栈上插入一个文件系统过滤驱动，让所有发送到文件系统的指令都优先发往该过滤驱动，然后再由文件系统过滤驱动把指令发往文件系统驱动进行文件操作。从而达到监控文件操作的目的。
步骤S6，磁盘有新数据写入后，根据步骤S3， 步骤S4的监控结果对更改的数据进行备份操作。
本发明中的技术方案在传统的磁盘快照技术上新增了文件监控操作，让文件监控和磁盘数据写入监控配合，减小数据备份量以让磁盘分区快照技术能够适应固态硬盘的特性，让其能在固态硬盘上较好的工作。
在传统磁盘快照技术上加入文件监控后，对监控到的文件删除、文件剪断操作的时候，对文件数据区所对应的数据进行重新绑定，避免文件系统在删除这些文件后继续对数据区进行抹除操作，导致数据区改变较大的缺点。
在改进该缺陷后，磁盘快照就能适应固态硬盘的特性。让其能在固态硬盘上较好的工作。并且通过文件监控重新绑定待删除文件数据区的方式，也可以让待保护文件的数据处于使用状态，避免空间被二次利用后导致的数据备份量的增加。
实施例二
本实施例为实施例一的进一步细化。
步骤S2中，获取当前磁盘的数据位图具体为：
步骤S201，检查待备份保护磁盘的文件系统，判断文件系统是否正确，如果文件系统出现错误，则需要用户先更正文件系统错误后才能开启备份操作；如果正确，则继续；
这里的文件系统出现错误指磁盘上记录的文件系统数据不符合文件系统的规则。
步骤S202，冻结分区状态，以保证当前数据的完整性；分区类型包括主分区、扩展分区和非DOS分区。
分区状态是指当前分区数据的状态以及完整性。主要是指分区内的磁盘空间上的数据在指定时刻是否为有效数据。
步骤S203，根据文件系统簇大小和分区大小，决定数据位图的粒度；
步骤S204，分析文件系统的原始数据，从而分析文件系统中被占用的存储空间；
以FAT32文件系统举例说明：
1、首先获取该分区的0扇区数据，找到FAT（即File Allocation Table）表以及数据区的位置，并且把数据区之前的位置全部标记为已使用（有效数据）。
2、获取FAT表，从FAT表中找到已经使用的簇。并将这些簇在数据位图中标记为已使用。
3、根据文件记录表以及FAT表遍历分区中的所有文件以及文件夹，并计算它们所在簇，跟FAT表中记录的有效数据进行对比，进行有效数据占用空间值进行矫正。
步骤S205，根据步骤S203和步骤S204中得到的数据，生成数据位图。
步骤S202中，冻结分区状态具体为：
步骤A1，开始监控待备份数据；
监控待备份磁盘包括以下几种实现方式：
1、虚拟机方式，让操作系统运行于虚拟机上，在虚拟机层做数据写入过滤，监控数据的写入。
2、磁盘过滤驱动的方式，在磁盘驱动的磁盘栈中插入一个磁盘过滤驱动拦截磁盘的读写操作。实现对磁盘数据写入的监控。
步骤A2，监控是否有数据写入当前分区，如果有，则对写入操作进行拦截，并挂起当前写操作；如果没有，则持续监控；
计算当前被写入区域的位图，位图计算完成后，判定当前待写入区域是否有有效数据，如果有有效数据，则需要先备份当前区域的数据后再将挂起的写操作重新写入；
根据计算完成的位图数据，判断当前区域是否有有效数据，如果有有效数据，则对该区域的数据进行备份操作；如果没有，则进行下一步；
步骤A5，将挂起的写操作继续发往设备栈的下一级设备，完成写入操作。
步骤S4中，监控文件状态具体为：
步骤S401, 监控文件状态的改变，并判断当前文件操作是否为删除操作；如果不是，则放行当前操作；如果是，则将当前操作挂起；
步骤S402，获取当前文件数据存储区域的位置信息；
步骤S403，将获取到的当前文件数据存储区域的位置信息重新绑定到新的文件上；
步骤S404，清空当前文件的存储空间数据区域描述；
步骤S405，将当前的文件操作发往文件系统处理。
步骤S5中，监控分区数据块的数据的改变具体为：
步骤S501，等待磁盘有新的数据写入；
步骤S502，如果待写入位置没有有效数据需要保护，则直接将当前数据写入磁盘；
步骤S503，如果待写入位置有有效数据，且被写入位置的数据没有备份过，则挂起当前写操作；将待写入位置的数据备份到安全区，并更新当前数据块位置的备份信息；
步骤S504，将待写入数据写入磁盘。
本发明是的优点在于加入文件改变监控后，能兼容固态硬盘，并且能极大减小备份数据过大带来的缓存风险。
整个备份过程是持续性的备份，软件会持续监控备份盘上的磁盘数据块儿和文件状态的改变，在有数据发生更改的时候才备份被更改的数据块。并且在文件发生删除操作等较大数据改变的时候，通过对文件占用空间的数据块进行重新绑定，降低其改变数据块儿的量，减少数据备份的量。特别是对固态硬盘，能有效的降低数据的写入操作，延长固态硬盘的使用寿命。
实施例三
本发明的发明构思为：
步骤0、开启快照保护，通知系统即将对某磁盘现有数据集创建一个快照点，开始冻结当前磁盘上的数据状态以备使用，保证当前数据状态的完整性。
步骤1、根据用户的设定（如备份范围排除某些目录或者文件），获取待创建磁盘的数据位图，以指示当前磁盘上哪些数据块处于使用状态，需要处于被保护状态。
步骤2、将获取到的位图存入安全区域，以备后面备份使用。 如图2所示，数据位图的获取是一个复杂的过程，其中包含如下步骤：
步骤2-1、检查待备份磁盘的文件系统正确性，以保证数据的完整性。避免位图计算错误导致数据备份失败。如果文件系统出现错误，则需要用户先更正文件系统错误后才能开启备份操作。
步骤2-2、冻结分区状态，以保证当前数据的完整性。因为位图计算过程会消耗一定时间，要保证在此过程中，分区的数据状态不会发生改变。该过程是一个比较复杂的过程，如图3所示，还包含以下步骤：
步骤2-2-1、开始监控待备份数据并进行分区数据写入操作。
步骤2-2-2、有数据写入当前分区后，进行拦截操作，即挂起当前写操作，保证磁盘上存在的数据的完整性。
步骤2-2-3、通知位图计算过程立即计算当前区域的位图，以保证写操作及时的写入数据。对当前位置的位图计算完成后再写入新数据，数据的完整性是可以得到保证的。
步骤2-2-4、在位图计算完成后，即可以确定当前位置是否有有效数据，如果有有效数据，备份过程立刻对该区域的数据先进行备份操作。
步骤2-2-4、将挂起的写操作继续发往设备栈的下一级设备，完成写入操作。
步骤2-3、根据当前磁盘的文件系统簇大小选择合适的备份数据粒度。以保证在不漏掉有效数据的同时尽可能的减少无效数据的备份，并提高备份的效率。
步骤2-4、根据分析文件系统的原始数据，分析文件系统中被占用的存储空间。
步骤2-5、根据步骤2-3、步骤2-4中得到的数据，生成数据位图。
步骤3、根据位图，监控文件状态以及内容的改变，包括新建文件、删除文件、剪断文件等操作。如图4所示，文件状态监控也是一个复杂的过程，其还包含：
步骤3-1、监控文件状态的改变，并判断当前文件操作是否为删除操作。如果不是删除操作，或者当前文件不在有效数据监控范文内，例如一些读写频繁的临时文件用户并不想备份，则放行当前操作。
步骤3-2、如果当前操作是删除操作，则先挂起当前操作。获取当前文件的存储区域的数据描述。
步骤3-3、将获取到的存储区域重新绑定到新的文件上。
步骤3-4、清空当前文件的存储空间数据区域描述。避免在固态硬盘上文件系统发出trim指令清空当前文件将对应的存储区域。
步骤3-5、将当前的文件操作发往文件系统处理。
步骤4、根据位图，监控分区数据块的数据的改变，主要是监控数据的写入操作。如图5所示，监控磁盘的数据改变依然是一个复杂的过程，包含如下步骤：
步骤4-1、等待磁盘有新的数据写入。
步骤4-2、如果待写入位置没有有效数据需要保护，则直接将当前数据写入磁盘。
步骤4-3、如果待写入位置有有效数据，且被写入位置的数据没有备份过，则挂起当前写操作。将待写入位置的数据备份到安全区，并更新当前数据块位置的备份信息。
步骤4-3、将待写入数据写入磁盘。
步骤5、磁盘有新数据写入后，根据步骤3， 步骤4的监控结果对更改的数据进行备份操作。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，开起快照保护，并对磁盘的现有数据集创建一个快照点，开始冻结磁盘上当前的数据状态；
步骤S2，获取当前磁盘的数据位图，数据位图用于显示当前磁盘上数据块的状态；
步骤S3，将获取到的数据位图存入安全区域；
步骤S4，根据获取到的数据位图，监控文件状态以及内容的改变，包括新建文件、删除文件以及剪断文件；
步骤S5，根据数据位图，监控磁盘分区数据块的数据改变；
步骤S6，磁盘有新数据写入后，根据步骤S3和步骤S4的监控结果对更改的数据进行备份操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，其特征在于：步骤S2中，获取当前磁盘的数据位图的具体步骤为：
步骤S201，检查待备份保护磁盘的文件系统，判断文件系统是否正确，如果文件系统出现错误，则需要用户先更正文件系统错误后才能开启备份操作；如果正确，则继续；
步骤S202，冻结分区状态，以保证当前数据的完整性；
步骤S203，根据文件系统簇大小和分区大小，决定数据位图的粒度；
步骤S204，分析文件系统的原始数据，从而分析文件系统中被占用的存储空间；
步骤S205，根据步骤S203和步骤S204中得到的数据，生成数据位图。
3.根据权利要求2所述的一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，其特征在于：步骤S202中，冻结分区状态具体为：
步骤A1，开始对硬盘的数据操作进行监控；
步骤A2，监控是否有数据写入当前分区，如果有，则对写入操作进行拦截，并挂起当前写操作；
步骤A3，计算当前被写入区域的位图，位图计算完成后，判定当前待写入区域是否有有效数据，如果有有效数据，则需要先备份当前区域的数据后再将挂起的写操作重新写入；
步骤A4，根据计算完成的位图数据，判断当前区域是否有有效数据，如果有有效数据，则对该区域的数据进行备份操作；如果没有，则进行下一步；
步骤A5，将挂起的写操作继续发往设备栈的下一级设备，完成写入操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，其特征在于：步骤S4中，监控文件状态具体为：
步骤S401, 监控文件状态的改变，并判断当前文件操作是否为删除操作；如果不是，则放行当前操作；如果是，则将当前操作挂起；
步骤S402，获取当前文件数据存储区域的位置信息；
步骤S403，将获取到的当前文件数据存储区域的位置信息重新绑定到新的文件上；
步骤S404，清空当前文件的存储空间数据区域描述；
步骤S405，将当前的文件操作发往文件系统处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于Windows系统的固态硬盘快照备份方法，其特征在于：步骤S5中，监控分区数据块的数据的改变具体为：
步骤S501，等待磁盘有新的数据写入；
步骤S502，如果待写入位置没有有效数据需要保护，则直接将当前数据写入磁盘；
步骤S503，如果待写入位置有有效数据，且被写入位置的数据没有备份过，则挂起当前写操作；将待写入位置的数据备份到安全区域，并更新当前数据块位置的备份信息；
步骤S504，将待写入数据写入磁盘。
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