CN1637726A - 一种Linux系统硬盘数据实时动态保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是以BIOS层为基础，以操作系统层为应用，实现对Linux环境下硬盘数据的实时监控和动态保护，将正常的系统快速存档，当系统受损、甚至崩溃以及丢失数据的情况下可瞬时恢复。针对传统的Linux系统硬盘数据安全保护措施，所采用文件备份或克隆保存及镜像保存等方法，存在效率低并占用了大量硬盘空间的缺点。本发明采用对硬盘数据的映射方式进行保护，提高了效率且占据硬盘微小的空间，克服了传统技术的缺点。本发明的程序能载于软盘、光盘或“只读存储器RON”中引导计算机的启动并执行此程序。本发明适用于任何以应用Linux为操作系统的安全领域。

Description

一种Linux系统硬盘数据实时动态保护方法
技术领域
本发明是针对Linux系统硬盘数据实时监控、快速动态保存及系统受损、瘫痪、甚至崩溃以及丢失数据的情况下瞬时恢复的方法，属计算机数据安全领域。
背景技术
由于Linux操作系统本身特有的开放性与稳定性，使Linux操作系统逐渐被更多的用户所接受。随着其广泛的应用，对用户技术水平的要求也相应提高，Linux系统用户在应用过程中会出现大量的问题，如误操作、黑客和人为破坏，而导致计算机瘫痪、数据丢失等现象会使Linux系统无法正常运行，也会对计算机硬盘所存储的数据造成灾难性的破坏。鉴于此，各类数据保护安全措施应运而生，传统的保护措施是将硬盘里的数据进行文件备份或将Linux系统进行克隆保存，当数据丢失时还原备份文件或系统毁坏时对克隆的原有系统进行恢复。这些方法虽然具备安全效果，但效率低并占用大量的硬盘空间形成计算机资源的浪费。本发明是采用对硬盘数据块的映射方式进行保护，提高了效率且占据硬盘微小的空间，当系统被灾难性的破坏时本发明能够在瞬间恢复正常。
发明内容
本发明是以BIOS层为基础，以操作系统层为应用，实现对Linux环境下的硬盘数据进行实时监控的动态保护，将正常的系统状态进行快速存档，在系统受损、瘫痪、甚至崩溃的Linux系统以及在丢失数据的情况下瞬时恢复。用本方法开发的软件，对各种计算机病毒有主动预防的功能，对于操作人员的失误操作、黑客或人为破坏而导致的计算机瘫痪、数据丢失等故障，无需进行事先备份或克隆，在1-2秒内均可恢复如初，为linux系统的用户提供了数据安全的保障。
实现这一功能的技术原理采用了“实时动态保护算法”，其具体内容及主要思想如下：
1、先将整个硬盘空间划分为N块(BLOCK)，每块M个扇区(SECTOR)，即全部硬盘空间由B0~BN-1构成，其中硬盘起始的M个扇区为B0，末尾的M个扇区为BN-1，整个硬盘空间为N*M扇区，如表1所示：
                                      表1：硬盘划分示意表
  逻辑扇区号 (0，1，2，…，M-1)     (M，…2M-1)     (2M，…，3M-1)     3M，……     (N-1)*M，…，N*M-1
  块号 B0     B1     B2     ……     BN-1
2、建立块的类型表BLOCK_TYPE_TABLE，用来定义硬盘每个块的类型，各类型如表2所示：
                                     表2：块类型表
                                       BLOCK_TYPE_TABLE
类型1 FREE_BLOCK 空闲块，硬盘中该块对应的所有扇区都没有被写入有效数据。
类型2 PROTECT_DATA_BLOCK(需保护数据块) 有数据，且需要保护的块。
类型3 NOT_PROTECT_DATA_BLOCK(非保护数据块) 有数据，但不需要保护的块。
类型4 SHADOW_BLOCK(映射块)     当一个PROTECT_DATA_BLOCK类型的块A写操作时，为保护该数据块不被破坏，从而申请一个FREE_BLOCK类型的块B来存放原本要写入该数据块的数据，此FREE_BLOCK类型的块B将被修改为SHADOW_BLOCK类型，表示其为对应原PROTECT_DATA_BLOCK类型的块A的影射体(SHADOW)。
类型5 1SHADOWED_BLOCK(原始块)     当一个PROTECT_DATA_BLOCK类型的块A写操作时，写入数据实际上被影射写到一个FREE_BLOCK类型的块B(B的类型将被修改为SHADOW_BLOCK)，为了保持数据的一致性，则以后对块A的读写访问也相应将被影射到块B，因此将块A的类型修改为1SHADOWED_BLOCK。
类型6 NSHADOWED_BLOCK(原映射块)     当一个SHADOW_BLOCK类型的块A遇到写入操作时，由于其中原有数据为其他数据块的影射体，不能被破坏，所以需申请一个FREE_BLOCK类型的块B来存放原本要写入该数据块的数据，此FREE_BLOCK类型的块B将被修改为SHADOW_BLOCK类型，表示其为对应块A的影射体(SHADOW)，而将块A的类型修改为NSHADOWED_BLOCK，表示其自身原为SHADOW_BLOCK类型，但又再次被影射到其他块。
表2中所列六种块类型，前3种类型为初始值。
假设块的大小M为63个扇区，而上述的6种类型可以采用3个二进制位来表达(23＝9＞6)，也即3个bit可以表示63个扇区，以此则可以计算出该表在硬盘所占空间比率为：(3/8)÷(63×512)≈1/100,000，即该表所占空间比率为硬盘总容量的十万分之一。
3、建立块指针表BLOCK_POINT_TABLE，用来表示当前块被影射转移的块号。当其表项数值为0～N-1时，表示为有效值，指向影射转移的块号，当其表项数值为0FFFFFFH时，表示无效值。
假设块大小M为63，且采用3个字节作为指针，以此则可以计算出该表在硬盘所占空间比率为：3÷(63×512)≈1/10,000，即该表所占空间比率为硬盘总容量的万分之一。
可以表达的最大硬盘容量计算如下：(3×8＝24)
224×(63×512)≈504GB
4、对硬盘进行读操作时，根据块的各种类型有着不同的读取规则，按照如表3所示的读操作规则进行处理：
                           表3：块的读操作规则表
          块类型   指针表     读操作结果
类型1  FREE_BLOCK   -     直接读
类型2  PROTECT_DATA_BLOCK   -     直接读
类型3  NOT_PROTECT_DATA_BLOCK   -     直接读
类型4  SHADOW_BLOCK   -     直接读
类型5  1SHADOWED_BLOCK   如A→B     读块A时转向读块B
类型6  NSHADOWED_BLOCK   如A→B     读块A时转向读块B
5、对硬盘进行写操作时，根据块的各种类型有着不同的写操作规则，按照如表4所示的写操作规则进行处理：
                             表4：块的写操作规则表
              块类型 指针表 类型表  写操作结果
类型1  FREE_BLOCK - -  直接写
类型2  PROTECT_DATA_BLOCK - 查找  1、写块A时申请一个FREE_BLOCK类型的块B；2、将A的类型改为1SHADOWED_BLOCK；3、将B的类型修改为SHADOW_BLOCK；4、将A的内容读到内存，修改其中相应扇区数据然后写入B
类型3  NOT_PROTECT_DATA_BLOCK - -  直接写
类型4  SHADOW_BLOCK - 查找  1、申请一个FREE_BLOCK类型的块B；2、将A的类型改为NSHADOWED_BLOCK；3、将B的类型修改为SHADOW_BLOCK；4、将A的内容读到内存，修改其中相应扇区数据，然后写入B
类型5  1SHADOWED_BLOCK 如A→B -  写块A时转向写块B
类型6  NSHADOWED_BLOCK 如A→B -  写块A时转向写块B
6、存档与恢复算法
1)存档：将当前硬盘数据状态存档，以后恢复时将保护区数据恢复到此状态。算法：
①查找块类型为1SHADOWED_BLOCK的块A，如
        A→B→C→D→…→G
        其中A为1SHADOWED_BLOCK，
            B~F为NSHADOWED_BLOCK，
            G为SHADOW_BLOCK
②首先COPY块B的内容到块A，并改A的类型为PROTECT_DATA_BLOCK
③其次，COPY块C的内容到块B，并改块B的类型为PROTECT_DATA_BLOCK，C→B，D→C，…，F→E。
④最后，COPY块G内容到块F，并改F类型为PROTECT_DATA_BLOCK，改G的类型为FREE_BLOCK。
2)恢复算法：将硬盘保护区数据恢复到安装或者最近一次存档的状态。
算法：
起始时将表格BLOCK_TYPE_TABLE做一个备份，恢复只需要用备份覆盖当前的BLOCK_TYPE_TABLE即可。
主要思想：按照1的方式将硬盘空间划分为N块，并采用2、3所述数据结构根据LINUX系统文件格式EXT2、EXT3等初始化两张表格，具体按照4、5、6所述算法通过相关LINUX硬盘驱动程序来实现硬盘访问操作，即可实现硬盘数据的动态保护。
在Linux环境下实现上述的“实时动态保护算法”，需要通过截获Linux系统对硬盘的访问过程来实现。Linux系统将访问硬盘的数据分成若干个请求包，每个请求包的内容是一系列的读写参数，主要包括：读写扇区的起始地址，扇区数，读写命令，硬盘号，读写数据的缓冲区等。这些请求包互相连接组成一个请求队列，等到条件满足后再一次写入硬盘。为了实现对Linux系统的动态保护，需要将这些截取到的原请求列队改变为遵循“实时动态保护算法”规则的新请求列队，其原请求列队如表5所示：
             表5：Linux系统访问硬盘数据的原请求列队表
 请求1                 请求2               请求3               ……
Figure A0311449100071
如果要Linux系统按照“实时动态保护算法”的规则来进行读写硬盘的操作，那么就必须改变每个读写请求的参数，又因为每个请求包往往不是单个扇区读写，所以有时还有要对他们分割。这样，经过规则处理后的新请求队列会变成类似如表6所示的状态：
                    表6：规则处理后的新请求列队表
经过对Linux系统访问硬盘的请求列队规则化处理，使“实时动态保护算法”在Linux操作系统环境下得以实现。
本发明的有益效果
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
1、对于应用Linux系统的计算机可以进行实时动态保护；
2、对于应用Linux系统的计算机，如果系统发生故障或崩溃、瘫痪等现象，可以瞬时恢复至上次存档时系统正常的状态。
3、对于应用Linux系统的计算机，如果发生数据丢失的现象，可以瞬时恢复丢失的数据。
4、由于对Linux系统维护的简单性和实用性，有利于Linux的推广与应用。
5、可以主动预防各类恶性病毒，使计算机感染各式病毒后可立即恢复至未染病毒前的正常状态。
5、兼容DOS、Windows系列操作系统及硬盘格式。
6、应用本方法的硬盘占用比率仅为1/100000。
具体实施方法
本发明用于Linux系统数据的安全保护。具体的实施步骤：将操作系统底层的实时动态保护程序固化于“只读存储器ROM”中，“只读存储器ROM”来引导计算机的启动，将其载于一块具有PC系列微型计算机外部总线插排的印刷电路板上，亦可直接载于计算机主板，在计算机启动时，首先执行“只读存储器ROM”内固化的软件程序，启动操作系统。本发明的程序也能存放于计算机软盘或光盘中，启动计算机时，以软盘或光盘引导计算机启动并执行此程序。经验证，本发明实现了预期的目的和效果。
附图说明
下面结合附图和实施图例对本发明做进一步说明。
图1是硬盘划分示意图，图解了本发明核心算法将硬盘进行划分的示意。柱状为整个硬盘空间示意图。其中B0~Bn-1代表块号，即将硬盘空间分为n块；SECTOR 0~SECTOR N*M-1代表硬盘的全部扇区。
图2是实时动态保护的存档算法示意图，示意了硬盘块的类型在存档前与存档后的属性变化，正是此属性的变化，实现了硬盘的实时动态保护。图中上半部A：表示原始块；B～F：表示原影射块；G：表示映射块；下半部A～F：表示保护数据块；G：表示空闲块。
具体的实现过程如下：
查找块类型为1SHADOWED_BLOCK的块A，如
      A→B→C→D→…→G
其中A为1SHADOWED_BLOCK，当一个PROTECT_DATA_BLOCK类型的原始块写操作时，写入数据实际上被影射写到一个FREE_BLOCK类型的块b(b的类型将被修改为SHADOW_BLOCK)，为了保持数据的一致性，则以后对块A的读写访问也相应将被影射到块b，因此将块A的类型修改为1SHADOWED_BLOCK。
B~F为NSHADOWED_BLOCK，当一个SHADOW_BLOCK类型的块a写入操作时，由于其中原有数据为其它数据块的影射体，不能被破坏，所以需申请一个FREE_BLOCK类型的块b来存放原本要写入该数据块的数据，此FREE_BLOCK类型的块b将被修改为SHADOW_BLOCK类型，表示其为对应块SHADOW_BLOCK的影射体(SHADOW)，而将块SHADOW_BLOCK的类型修改为NSHADOWED_BLOCK，表示其自身原为SHADOW_BLOCK类型，但又再次被影射到其它块。
G为SHADOW_BLOCK当一个PROTECT_DATA_BLOCK类型的块a写操作时，为保护该数据块不被破坏，从而申请一个FREE_BLOCK类型的块b来存放原本要写入该数据块的数据，此FREE_BLOCK类型的块b将被修改为SHADOW_BLOCK类型，表示其为对应原PROTECT_DATA_BLOCK类型的块a的影射体(SHADOW)。
首先COPY块B的内容到块A，并改A的类型为PROTECT_DATA_BLOCK
其次，COPY块C的内容到块B，并改块B的类型为PROTECT_DATA_BLOCK，C→B，D→C，…，F→E。
最后，COPY块G内容到块F，并改F类型为PROTECT_DATA_BLOCK，改G的类型为FREE_BLOCK。

Claims (6)

  1. 一种Linux系统硬盘数据实时动态保护方法，其特征是采用实时动态保护算法按如下步骤来实现：
    1、将整个硬盘空间划分为N块并定义块的类型属性。
  2. 2、建立块的类型表并定义硬盘每个块所属的类型。
  3. 3、建立块的指针表，表示当前块被影射转移的块号：
    当其表项数值为0～N-1时，表示为有效值，指向影射转移的块号；
    当其表项数值为0FFFFFFH时，表示无效值。
  4. 4、取Linux系统读写硬盘的请求包，改变其参数以适应下述读写规则：
    读操作：属性为空闲块、需保护数据块、非保护数据块、映射块时，可直接读取；属性为原始块、原映射块则根据指针表的指向而读取。
    写操作：属性为空闲块、非保护数据块时，可直接写；属性为需保护数据块、映射块时，要申请一个空闲块并改为映射块后写入；属性为原始块、原映射块时，则根据指针表的指向进行写操作。
  5. 5、存档时，将所有类型初始为空闲块、需保护数据块、非保护数据块三种类型，并备份类型表。
  6. 6、当系统故障或丢失数据需要恢复时，将备份的类型表覆盖当前类型表即可。
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