Глава 1 Как восстановить файлы и данные Литература

Страница 2 из 11

ЧАСТЬ I. восстановление файлов с жесткого диска

ГЛАВА 1. КАК РАБОТАЕТ ЖЕСТКИЙ ДИСК И КАК НА НЕМ ХРАНЯТСЯ ДАННЫЕ

Немного об устройстве жесткого диска. Общее устройство HDD

Что же представляет собой жесткий диск (по строгому — накопитель на жестких дисках)? Если у вас не было возможности его лицезреть, то скажем, что снаружи он выглядит как единый металлический блок. Причем очень прочный и полностью герметичный. Дело в том, что технология работы диска настолько тонка, что даже мельчайшая инородная частица, попавшая внутрь, способна полностью нарушить его работу. Дополнительно, для предотвращения кризисной ситуации, в жесткий диск был помещен фильтр очистки. Также корпус винчестера служит в качестве экрана от электропомех. На самом деле жесткий диск состоит из двух основных частей — механики и электроники. Основу механической части составляют пластины (диски), имеющие круглую форму. Вообще-то диск может быть и всего один. Все зависит от емкости винчестера в целом. По одной из версий название «винчестер» жесткий диск получил благодаря фирме, которая в 1973 году выпустила жесткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инжене- у ры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером». В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант), «винч» и «веник». Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя:

В настоящее время встречаются экземпляры жестких дисков, состоящие из четырех и более пластин. Состав дисков может быть различен. Их изготавливают из алюминия, стекла или керамики. Последние два состава более практичны, однако очень дороги, и поэтому они используются для создания «элитных» жестких дисков. После изготовления пластины покрывают слоем ферромагнитного материала. Со времен создания первых винчестеров здесь использовалась окись железа. Однако данное вещество имело существенный недостаток. Диски, покрытые данным ферромагнетиком, имели небольшую износостойкость. В связи с этим в настоящее время в качестве покрытия пластин большинство производителей используют кобальт хрома. Износостойкость данного вещества на порядок превышает годами применявшийся ферромагнетик. К тому же данное покрытие намного тоньше, так как наносится методом напыления, что значительно увеличивает плотность записи. Ферромагнетик наносится на обе стороны диска, поэтому данные будут размещаться также с двух сторон. Пластины помещаются на шпиндель на одинаковое друг от друга расстояние, образовывая таким образом их пакет. Под дисками находится двигатель, который их вращает. С обеих сторон пластин размещены головки чтения/записи. Они устроены таким образом, чтоб перемещаться от края диска до его центра. За это «отвечает» специально выделенный для этого двигатель. Электроника представляет собой плату, на которой помещены различные «нужные» для работы винчестера элементы, такие как процессор, управляющая программа, ОЗУ, усилитель записи/чтения и другие. Каждая сторона пластины разбита на дорожки. Они, в свою очередь, на сектора. Все дорожки одного диаметра всех поверхностей образуют цилиндр. Современные винчестеры имеют «инженерный цилиндр». Он содержит служебную информацию (модель диска, серийный номер и т.п.), предназначенную для дальнейшего считывания компьютером..

Раньше для того, чтобы диск был готов к работе, пользователю необходимо было провести так называемое форматирование на низком уровне. В BIOS даже присутствовал соответствующий пункт. Сейчас же данная разметка производится сразу при производстве винчестеров. Дело в том, что при низкоуровневом форматировании происходит запись сервоинформации. Она содержит специальные метки, которые нужны для стабилизации скорости вращения шпинделя, поиска головками необходимых секторов, а также слежения за положением головок на поверхности пластин. Если вы думаете, что «плохие» сектора на винчестере появляются только в процессе эксплуатации, то вы ошибаетесь. Любой вновь созданный жесткий диск уже имеет bad block. Так вот, при низкоуровневом форматировании данные блоки обнаруживаются и записываются в специальную таблицу переназначения. Затем в процессе эксплуатации контроллер жесткого диска заменит неисправные блоки работоспособными, которые специально резервируются для таких целей уже при производстве. В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с концентрических окружностей вращающихся магнитных дисков (дорожек), разбитых на секторы емкостью 512 байт. Дорожка — это «кольцо» данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байтов, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами [4].

Принципы работы жесткого диска

В силу своей специфичности, при работе винчестера не происходит прямого контакта магнитных головок с поверхностью пластин. Можно сказать по-другому: соприкосновение «смерти подобно». Конструкция головок создана так, что она позволяет «парить» над поверхностью пластин. Двигатель вращает шпиндель с такой скоростью (до 15000 об/мин), что от крутящихся дисков создается сильный поток воздуха. При этом получается эффект воздушной подушки. Зазор между головками и дисками составляет доли микрона. Однако, как мы упоминали выше, недопустимо соприкосновение головок с поверхностью. Но ведь бывают сбои в электроснабжении, скажете вы. Да, естественно. Вот для этого случая была придумана так называемая «парковочная зона». И когда происходит ситуация, в которой скорость вращения шпинделя опускается ниже границы допустимой нормы (во время обычной работы или в экстренном режиме при отключении питания), которую постоянно отслеживает процессор жесткого диска, головки отводятся в эту самую парковочную зону. Зона находится у самого шпинделя, где не происходит записи информации, поэтому магнитным головкам можно спокойно «лечь» на поверхность диска. Как же выполняется «запуск» винчестера? В двух словах все происходит примерно так. Как только жесткий диск получил питание, его процессор начинает тестировать электронику и при положительном результате запускает двигатель, вращающий пластины. По мере увеличения скорости вращения достигается эффект воздушной подушки, которая подымает магнитные головки с зоны парковки. Когда скорость достигает необходимой величины, головки покидают парковочную зону и с помощью контроллера «ищут» сервометки, чтобы стабилизировать частоту вращения. Затем производится переназначение «плохих» секторов, а также проверка позиционирования головок. В случае положительного результата проделанной работы контроллер винчестера переходит в рабочий режим. Конечно же, механический процесс работы жесткого диска при более детальном рассмотрении более глубокий, но мы не задаемся целью его подробнейшего описания. Главное, чтоб вы поняли основные принципы механизма взаимодействия головок с пластинами. Если кого-то интересует детализация данного процесса, то на эту тему создано огромное количество материалов. А мы перейдем к другой части рабочего процесса винчестера — технологии чтения/записи данных.

Технологии чтения/записи данных на жестком диске

Чтение/запись информации на диск происходит с помощью магнитных головок, принцип движения которых был рассмотрен выше. Если вы еще застали старый добрый магнитофон, то способ записи/чтения звука на/с магнитной ленты идентичен рассматриваемому нами. Данные преобразуются в переменный электрический ток, который поступает на магнитную головку, после чего он преобразуется в магнитное поле, с помощью которого происходит намагничивание нужных участков магнитного диска. Мы уже знаем, что пластины жесткого диска покрыты ферромагнитным слоем. Отдельно выбранная область данного покрытия может быть намагничена одним из двух возможных способов. Намагничивание одним способом будет обозначать ноль, другим способом — единицу. Такой отдельно намагниченный участок называется доменом. Он представляет собой мини-магнитик с определенной ориентацией южного и северного полюсов. Воздействуя на определенный домен внешним магнитным полем (магнитной головкой), он примет данное соответствие. Прекратив воздействие внешнего поля, на поверхности возникают зоны остаточной намагниченности. Они означают сохраненную на диске информацию. Хочется отметить, что именно от размера домена зависит плотность записи данных, то есть собственно емкость диска. С давних пор было известно о двух технологиях записи информации на винчестер: параллельной и перпендикулярной. Хотя второй метод записи более производителен, он немного сложнее в технологическом разрешении. Поэтому производителями использовался и совершенствовался параллельный способ до тех пор, пока ему не пришел физический предел. Если вкратце описать технологию параллельной записи, то она такова. Намагниченность доменов располагается параллельно плоскости диска. Все, наверное, в детстве «баловались» магнитиками и поэтому знают, что они будут притягиваться, когда повернуть их друг к другу разными полюсами (синим и красным). И наоборот, если попробовать прижать их друг к другу сторонами одинакового цвета, то такая попытка никогда не увенчается успехом. Так вот, при использовании данной технологии на границе соседних доменов возникает поле рассеяния, забирающее энергию их магнитных полей. Вследствие этого крайние частицы доменов становятся менее стабильными, к тому же увеличивается влияние термофлуктуации на его магнитный порядок. При использовании технологии перпендикулярной записи намагниченность доменов располагается под углом 90° к плоскости пластины. Благодаря этому пропадает эффект отталкивания однополюсных соседних доменов, ведь в данном расположении намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами. Это позволяет уменьшить размер междоменного пространства по сравнению с параллельной технологией записи, что также увеличивает емкость жестких дисков. Однако для данного способа записи требуется использование более сложного состава магнитного слоя. Под тонким защитным слоем расположен записывающий слой, состоящий из окисленного сплава кобальта, платины и хрома. Подложка состоит из двух слоев сложного химического состава, называемых антиферромагнит-носвязанными слоями. Именно они позволяют снять внутренние напряженности магнитного поля. К тому же перпендикулярная запись требует использования других магнитных меток, которые смогут генерировать более сильное магнитное поле.Плотность перпендикулярной записи составляет 500 Гбит/дюйм2. Это позволит выпускать винчестеры емкостью несколько терабайт. Однако наука не стоит на месте, и уже вовсю идет разработка новых технологий. Одна из них называется HAMR (Heat Assistant Magnetic Recording) — Термомагнитная запись. Эта технология является последователем перпендикулярной записи и направлена на её улучшение. Запись в данном случае происходит с предварительным нагревом с помощью лазера. Нагрев происходит в течение пикосекунды, при этом температура достигает 100 °С. Магнитные частицы домена в данном случае получают больше энергии, поэтому при генерации поля большой напряженности не требуется. А высокая энергия обеспечивает повышенную стабильность записанной информации. Опять же применение данной технологии невозможно без использования материалов с высоким уровнем анизотропности. Однако подходящие для этого сплавы слишком дороги. К тому же при термомагнитной записи потребуется две раздельных головки. Еще нужно позаботиться о том, как отводить тепло от дисков. Но все же огромной мотивацией применения термомагнитной записи служит тот факт, что данная технология позволяет добиться плотности записи до 1 Тбит/дюйм2

Как данные хранятся на жестком диске

Наименьшая единица информации, которой оперирует система управления жесткого диска, носит название сектора. В подавляющем числе современных носителей сектор равен 512 байтам. Используемая в настоящий момент система адресации секторов называется LBA (Logical block addressing). В то же время для дисков небольшой ёмкости или с целью обратной совместимости со старым оборудованием может быть использована система адресации CHS. Аббревиатура CHS расшифровывается как Cylinder, Head, Sector — цилиндр, головка, сектор. Из названия понятен смысл этого типа адресации, как привязанной к частям устройства жесткого диска. Преимущество LBA над CHS в том, что вторая имеет ограничение на максимальное число адресуемых секторов, в количественном представлении равное 8,4 гигабайта, LB А данного ограничения лишена. Первый сектор жесткого диска (а точнее, нулевой) носит название MBR (Master Boot Record), или главной загрузочной записи. В начале этого сектора находится код, куда передает управление базовая система ввода-вывода компьютера при его загрузке. В дальнейшем этот код передает управление загрузчику операционной системы. Также в 0 секторе находится таблица разделов жесткого диска. Раздел представляет собой определенный диапазон секторов. В таблицу заносится запись о разделе, с номером его начального сектора и размером. Всего в таблице разделов может находиться четыре таких записи. Раздел, запись о котором находится в таблице разделов нулевого сектора, носит название первичного (primary). Из-за упомянутых ограничений таких разделов на одном диске может быть максимум четыре. Некоторые операционные системы устанавливаются только на первичные тома. При необходимости использования большего числа разделов в таблицу заносится запись о расширенном (extended) разделе. Данный тип раздела представляет собой контейнер, в котором создаются логические (logical) разделы. Логических томов может быть неограниченное количество, однако в ОС семейства Windows число одновременно подключенных томов ограничено количеством букв латинского алфавита. Эти три типа разделов имеют наиболее широкую АР , поддержку среди подавляющего числа операционных систем и наибольшее распространение. Фактически в домашних условиях либо масштабе клиентских машин организаций встречаются именно эти типы разделов. Однако это не значит, что типы разделов ограничиваются этими тремя видами. Существует большое число специализированных разделов, но и они используют первичные тома в качестве контейнеров. Раздел — это всего лишь размеченное пространство на диске; чтобы сохранить в нем какую-либо информацию для организации структуры хранения данных, должна быть создана файловая система. Данный процесс носит название форматирования раздела. Типов файловых систем существует великое множество, в ОС семейства Windows используются FAT/ NTFS, в операционных системах на ядре Линукс применяются Ext2/3FS, ReiserFS, Swap. Существует множество утилит для кроссплатформен-ного доступа к различным файловым системам из не поддерживающих их изначально операционных систем (например, обеспечивающих возможность доступа из Windows к разделам Linux и наоборот). Некоторые файловые системы, например FAT/NTFS, оперируют более крупными структурами данных на жестком диске, носящими название кластеров. Кластер может включать произвольное число секторов. Манипулирование размером кластера приносит дополнительный выигрыш к произво дительности файловой системы или расходованию свободного пространства. Таким образом, получается следующая логическая структура хранения данных: жесткий диск разбивается на разделы (при этом информация об этом разбиении хранится в так называемой главной загрузочной записи) — они носят названия С:, D:, Е: и т.д., на каждый раздел устанавливается файловая система (в результате форматирования раздела). Файловая система содержит информацию о том, как разграничено пространство раздела (логического диска) и где какие файлы на нем находятся. Ну а далее на разделе хранятся файлы, которые разбиваются на определенное количество кластеров, физически занимающих определенное количество секторов, на которые разбиты дорожки жесткого диска. Файловая система присваивает всем секторам свои адреса, а затем по этим адресам хранит свои файлы, записывая в свою таблицу адреса кластеров (диапазонов кластеров), принадлежащих тем или иным файлам.

Структура хранения информации на жестком диске

Компьютеру важно не просто записать информацию на диск, а так записать, ее, чтобы потом найти, причем быстро и безошибочно. Поэтому на жестком диске создается специальная структура для хранения данных. Операция созда­ния такой структуры называется форматированиемдиска. После форматиро­вания каждый файл, записанный на диск, может иметь собственный адрес, выраженный в числовой форме.

Несмотря на то, что физически жесткий диск состоит из пдисков и имеет2п поверхностей, для изучения его структуры нам достаточно рассмотреть только одну поверхность. Эта поверхность разбивается на концентрическиедорожки. В зависимости от конструкции диска таких дорожек может быть больше или меньше, и каждая дорожка имей свой уникальный номер.

Если мы теперь вновь вспомним, что реальный жесткий диск имеет много поверхностей, то у нас появится новый термин — цилиндр. До­рожки с одинаковыми номерами, но принадлежащие разным поверх­ностям, образуют один цилиндр. Каждый цилиндр имеет номер, совпадающий с номером входящих в него дорожек.

Дорожки, в свою очередь, разбиваются на секторы. Длина каждого сектора равна 512байтам данных. Таким образом, сектор —наименьший элемент структуры жесткого диска. Для того чтобы записать, а затем затребовать информацию, необходимо задать адрес, состоящий из трех чисел:номера цилиндра, номера поверхности(номера головки) иномера сектора. Этот метод называетсяCHS(CylinderHeadSector). Современным развитием этого метода является механизм трансляции линейных адресов и линейной адресацииLBA(LogicalBlockAdressing), связанный однозначно сCHS.

Таблица размещения файлов

Файлы в кан­целярском понимании —это «дела», с обычными человеческими именами, пылящиеся в таком месте, куда месяцами не ступает нога человека, но установить это место всегда можно по номеру «дела», если заглянуть в амбарную книгу, называемуюреестром.

Роль такого «реестра» на жестком диске выполняет специальная таблица, кото­рая называется FAT-таблицейFileAllocationTable(по-русски: таблица размещения файлов). Она находится на служебной дорожке жесткого диска и должна именовать, сохранять и производить поиск данных. Физическое повреждение секторов, в которых записана эта таблица, равносильно краху всей информа­ции, хранящейся на жестком диске, поэтому эта таблица всегда продублирована, и операционная система компьютера бережно следит за тем, чтобы информация в разных экземплярах таблицы строго совпадала. Для ОСW.95/98 это былиFAT16 иFAT32. В этих случаях размер кластера определялся объемомHDD. ОднакоFAT32 поддерживал только 32 Гбайт (W.95) при размере кластера 16 Кбайт. Это заставило разработчиков перейти наNTFSначиная с ОСWindows2000 (для ПК), хотя эта система успешно работала и сWin.NT. Основными преимуществамиNTFSявляется умение управлять дисками с объемом несколько терабайт, исправлять ошибки после сбоев и защищать систему от несанкционированного доступа. Вместе с тем ограниченное количество логических дисков, потери при перезагрузке при изменении размеров кластера вынудили разработчиков к дальнейшему совершенствованию системы. Итак, улучшеннаяNTFSназываетсяWinFSдля ОСWindowsLonghorn. Теперь структура каталогов будет давать представление не только о месте хранения файлов, но и определять его предысторию.

Правильный способ надежного хранения файлов на локальных жестких дисках&nbsp

Жесткие диски являются наиболее оптимальным хранителем ваших файлов, будь то фотоархив, видео или ценные документы. Именно они являются самым бюджетным и емким носителем, по сравнению с оптическими дисками или облачными сервисами.

Но, помимо несомненных плюсов использования HDD, у этих типов накопителей есть и существенный недостаток: в среднем они служат несколько лет, однако отдельные экземпляры могут выйти из строя уже через несколько дней или недель с начала эксплуатации без каких-либо предупреждений.

За и против: жесткие диски в качестве архива

Классические магнитные диски отлично подходят для хранения объемных резервных копий, если не забывать о некоторых факторах Согласно статистике, собранной в вычислительном центре облачного провайдера Backblaze, в связи с возможными ошибками при изготовлении необходимо принимать во внимание, что абсолютно новые HDD столь же сильно подвержены риску выхода из строя, как и диски после трехлетней эксплуатации в качестве носителя бэкапов.

Опасность поломки жестких дисков

По данным Backblaze, недорогие потребительские диски позволяют пред—

видеть поломки. Течение первых полутора лет при непрерывном исполь—

зовании перестает работать относительно много накопителей. Затем про—

цент выживания сохраняется на стабильном уровне, пока не начинает

резко снижаться после трех лет эксплуатации.

Последний срок соответствует примерно пяти годам стандартного использования, когда диск пусть реже отсоединяется и присоединяется, однако находится под дополнительной нагрузкой из-за частого включения и выключения компьютера в постоянном режиме работы. Обязательное дублирование копий на HDD С учетом вышеперечисленного становится ясно, что основной принцип хранения архивов на жестких дисках — это избыточность информации: новые данные должны по возможности быстро попадать как минимум на два отдельных накопителя. Проще всего это сделать на настольном ПК со вторым внутренним диском, регулярно копируя данные вручную или автоматически на оба.

Выбор 3,5-дюймовых SATA-носителей огромен. Для хранения информации лучше всего подходят NAS-диски. Они разработаны специально для бесшумного и экономного режима непрерывной работы, благодаря чему практически не нагреваются и способны служить дольше. Самой известной линейкой NAS является WD Red от Western Digital. Схожая концепция и у компании Seagate, реализованная в серии Iron Wolf.

Неважно, что вы выберете, NAS или обычный диск с повышенным быстродействием, — максимальную долговечность обещать могут лишь те носители, которые заявлены производителями как пригодные для непрерывного использования («24/7») и с гарантией как минимум на три года. Добавить SATA-диски формата 3,5 дюйма в настольный компьютер просто: закрепить в свободной нише, подключить информационный SATA-кабель и кабель питания, после включения компьютера отформатировать — готово.

Быстрая и адекватная реакция на дефекты дисков

Информация, хранящаяся на двух дисках, при повреждении одного из них все равно будет в безопасности — и все же в этом случае необходимо срочно заменить вышедший из строя накопитель и скопировать данные на новый.

Внимание: при старении еще работающего диска или при возникновении с ним проблем скорость копирования может кого угодно вывести из себя. В таких ситуациях следует сначала заняться самой важной информацией (то есть теми файлами, которые при последнем бэкапе не попали на другой накопитель). После того как вы и диск остынете, скопируйте остальное.

Правильное использование прав доступа

Внутренний или постоянно подключенный внешний диски не застрахованы от случайной перезаписи или от активности трояна-вымогателя. Определенную защиту могут предложить права доступа к Windows. Для этого в параметрах Windows создайте стандартный аккаунт без прав администратора для повседневной работы. Настройте папки таким образом, чтобы у этого пользователя был полный доступ к исходным директориям, которые должны быть скопированы, однако к конечным папкам с архивами — только доступ на чтение (клик правой кнопкой мыши по папке «Свойства | Безопасность | Изменить…»).

Добавьте еще один стандартный аккаунт для резервных копий, который к исходным папкам будет иметь лишь право на чтение, а к конечным — полный. ПО для бэкапа необходимо запускать под аккаунтом для резервных копий — это настраивается либо в самом ПО, либо в Планировщике задач Windows («При выполнении задачи использовать следующую учетную запись пользователя:»). Программы-вымогатели, похищающие, как правило, стандартную учетную запись, уже не смогут зашифровать резервные копии. Однако все усилия будут напрасными, если вирус обзаведется правами администратора. Поэтому не стоит пренебрегать вторым этапом: сохранением раз в день, неделю или месяц копий на внешний диск, изолированный от процессов бэкапа, происходящих на компьютере. Достаточно будет простого USB-диска 2,5 дюйма.

Если речь идет о крупных массивах данных, мы рекомендуем встроить большой и долговечный NAS-диск в корпус 3,5 дюйма для подключения по USB. Или же вы можете сразу сделать разумную инвестицию в самое удобное решение для локального хранения резервных копий: систему NAS (Network Attached Storage).

NAS: удобный и надежный бэкап

Хорошие NAS-системы обеспечивают отличную защиту информации в реальном времени, непрерывно сохраняя все новые данные на свои диски. Соответствующие утилиты для синхронизации называются, к примеру, Synology Cloud Station и Qnap QSync.

Управление этими системами может отличаться — подробные руководства вы найдете на сайтах разработчиков. От повреждений жестких дисков сетевое хранилище NAS спасет лишь в том случае, если располагает по меньшей мере двумя накопителями (на жаргоне NAS «Bays» = слотами для дисков).

Системы на два или четыре слота стандартно объединяют два накопителя в один массив RAID 1, в котором данные одновременно сохраняются на оба диска.

Но вы можете задействовать второй этап бэкапа (устойчивость к вредоносному ПО), используя оба накопителя как отдельные тома вместо одного массива RAID 1. Резервные копии в реальном времени с ПК сохраняйте на диск номер 1. С него посредством вашей версии программы для резервного копирования NAS регулярно записывайте на второй диск «моментальные снимки», отражающие реальное состояние папок архива на момент их создания.

Такое программное решение от компании Synology носит название «Hyper Backup», а продукт от Qnap — «Hybrid Backup». Подробные руководства пользователя вы найдете на веб-страницах разработчиков. Если настроить права к конечным папкам со снимками так, чтобы компьютеры не имели к ним прав на запись, эффективная защита от вирусов гарантирована. Сконфигурированное таким образом сетевое хранилище объединит в себе оба этапа бэкапа даже сразу для нескольких компьютеров в локальной сети. Те же, кто хочет защитить свои данные от грабителей или от пожара, должны вынести дополнительные копии либо в облако, либо на внешних дисках.

В следующей статье мы расскажем, как организовать синхронизацию файлов для бэкапа данных, в том числе в режиме реального времени.

Читайте также:

Умный бэкап: как устроить все быстро и эффективно

Как создать образ системы и настроить бэкап пользовательских папок

Фото: компании-производители

Правильный способ надежного хранения файлов на локальных жестких дисках

• Рейтинги
• Обзоры
  • Смартфоны и планшеты
  • Компьютеры и ноутбуки
  • Комплектующие
  • Периферия
  • Фото и видео
  • Аксессуары
  • ТВ и аудио
  • Техника для дома
  • Программы и приложения
• Новости
• Советы
  • Покупка
  • Эксплуатация
  • Ремонт
• Подборки
  • Смартфоны и планшеты
  • Компьютеры
  • Аксессуары
  • ТВ и аудио
  • Фото и видео
  • Программы и приложения
  • Техника для дома
• Гейминг
  • Игры
  • Железо
• Еще
  • Важное
  • Технологии
  • Тест скорости

Краткая история хранения данных, часть №2 — от дискет до SSD

В первой части статьи мы поговорили в основном про совсем старые способы хранения компьютерной информации, которые сегодня почти не используются. Теперь же речь пойдет о тех хранилищах, которыми пользовались или хотя бы видели даже молодые читатели.

Дискеты

70-ые годы. Перфокарты уже почти вытеснены с рынка магнитными лентами, которые тоже остаются достаточно массовыми лишь в виде кассет в первых по-настоящему персональных компьютерах. Нужен какой-то новый носитель информации, который, с одной стороны, будет достаточно легким и дешевым, а с другой — простым и универсальным.

То, что нужно использовать магнитную запись, вопросов не вызывало: ее развивали с 30-ых годов, перейдя от металлизированной бумаги с парой дорожек к полимерной пленке, где может быть с пару десятков дорожек, сделав хранение информации на ней достаточно дешевой и надежной. Однако у магнитной ленты была одна критическая для компьютеров проблема — вы могли читать с нее данные последовательно, и если вам нужен другой файл, то ленту приходилось физически мотать до его месторасположения. Конечно, для видео или аудио это не было особой проблемой, как и для первых программ, которые полностью загружались в память компьютера. Но уже в конце 60-ых желание быстро добираться до нужных данных стало приоритетным над емкостью — и, в 1971 году, Алан Шугарт, работающий в IBM, представил миру первую 8″ дискету и дисковод для нее.

8″ дискета на фоне картриджа для ZX Spectrum и обычной SD-карты.

Дискета вобрала в себя все лучшее и от жесткого диска, и от магнитной ленты. Внутри нее, как и у HDD, находится диск с магнитным слоем, информация на который записывается и считывается магнитной головкой. Только если в случае с винчестером диск металлический, то у дискеты он полимерный. К тому же он не вращается постоянно, а лишь тогда, когда системе нужно получить доступ к определенным данным на нем. Первая дискета Шугарта имела емкость всего 80 КБ, однако ее достаточно быстро довели до 800 — для середины 70-ых это было достаточно много.

К слову, в ранних дисках не было четко заданных дорожек, поэтому с емкостью дискеты можно было экспериментировать, по-разному записывая на нее информации. Увы — зачастую эксперименты заканчивались печально: информация терялась просто при обычном хранении, а попытка прочитать дискету на ином компьютере с другой ОС заканчивалась провалом.  

8″ дискеты прожили на рынке очень недолго — уже в 1976 году компания Shugart Technology представляет 5.25″ дискеты. Меньший размер позволил дискете быть более жесткой, к тому же внутри появились мягкие антифрикционные прокладки, снижающие износ диска. Также был разработан механизм фиксации диска в дисководе, специальная выемка справа: таким образом больше нельзя было вставить в него дискету не той стороной. Ну и разумеется подросли емкости: самый минимум был 110 КБ, максимум — 1200. 

Сравнение размеров 8″, 5.25″ и 3.5″ дискет.

Также к середине 70-ых стало понятно, что зачастую можно безболезненно увеличить емкость дискеты в разы, используя два простых способа. Первый — это запись на двух сторонах магнитного диска, Double Side или 2S: для этого в дисководе было две головки с двух сторон, что позволяло удвоить объем записываемой информации. Второй способ — это увеличение плотности записи, обычно опять же в два раза (Double Density, 2D). Более того, поздние 5.25″ могли иметь уже четвертную плотность записи (Quad Density, QD) — увы, немногие дисководы могли с ними работать, но обратную совместимость никто не отменял: при форматировании ее в 2D она продолжала отлично работать, а вот форматирование 2D дискеты в QD срабатывало далеко не всегда.

Все эти дискеты выше — уже древнючая древность, и увидеть их вы сможете разве что в своеобразных компьютерных музеях. «Современным» типом дискет, которые еще можно встретить в продаже, являются 3.5″: их вывела на рынок Sony в 1981 году, причем сразу в версии с двойной плотностью и объемом 720 КБ (9 секторов). Привычные нам дискеты высокой плотности появились в 1984 году и имели объем 1.44 МБ (18 секторов), а в 1987 году Toshiba разработала дискету сверхвысокой плотности, на которую можно было записать аж 2.88 МБ (36 секторов) информации.

3.5″ дискета внутри.

Главное отличие 3.5″ дискет от более старых — увеличившаяся надежность. Так, теперь диск был спрятан в достаточно жесткий пластиковый кейс, а место считывания было прикрыто металлической заслонкой. Но, увы, все еще это было не самое надежное хранилище информации: чтобы повредить данные на дискете, зачастую хватало пары поездок в троллейбусе или трамвае. Однако их цена и универсальность сделали свое дело: 3.5″ дискеты прожили больше 20 лет, и лишь в середине нулевых стали вытесняться флешками.

К слову, на 3.5″ прогресс не завершился: были и 3″ дискеты для ZX Spectrum, и 2″ для записи композитного видео, и интересные накопители Iomega Zip: в середине 90-ых они имели объем аж в 100 МБ. Увы — они не взлетели: дисководы для них стоили безумных денег и были крайне ненадежны, так что все продолжили пользоваться 3.5″ накопителями.

DRAM

В первой части статьи мы поговорили про ферритовую память, которую буквально ткали руками. Очевидно, что она достаточно быстро нашла свой предел, и нужно было что-то менять. Светлая мысль в данном вопросе пришла в голову Роберду Деннарду, работающему в IBM: раз мы используем полупроводниковые процессоры, то почему бы нам не сделать полупроводниковую память?

Базовая структура массива ячеек DRAM.

Так и родилась в 1966 году динамическая память с произвольным доступом, или DRAM. Принцип ее действия был несложен: на физическом уровне микросхема памяти представляет собой ячейки, которые состоят из конденсаторов и транзисторов. При записи логической единицы конденсатор заряжается, при записи нуля — разряжается.

Очевидный минус такой памяти заметен сразу же: при отключении питания конденсаторы разряжаются и тем самым записанная информация теряется. Решение — подпитка конденсаторов с помощью коммутирующих транзисторных ключей. Причем работа происходит сразу со строкой, обмен данными с отдельной ячейкой невозможен.

Эта память оказалась гораздо эффективнее ферритовой: уже в 1970 году Intel выпустила чип 1103, имеющий емкость 1 килобит при размерах меньше квадратного сантиметра. А с учетом того, что закон Мура тогда выполнялся на ура, эта память быстро стала лидирующей для производства ОЗУ, и мы ей пользуемся до сих пор: DDR SDRAM в ваших ПК, ноутбуках и смартфонах — именно она.

Различные виды DRAM.

Оптический диск

Технология лазерной записи информации на компакт-диски появилась на свет задолго до рождения персональных компьютеров. Приоритет в разработке «лазерной» технологии принадлежит советским ученым Александру Прохорову и Николаю Басову — создателям первых «холодных» лазеров, которые и легли в основу не только компакт-дисков, но и множества других компьютерных и бытовых устройств. В 1964 году оба ученых были удостоены Нобелевской премии. В конце 1970-х годов две компании, Philips и Sony, серьёзно занялись вопросом цифрового звуковоспроизведения. Первые коммерческие CD-диски поступили на прилавки в 1982 году, на них был записан альбом Билли Джоэла «52nd Street». 

Устройство работы лазерного диска принципиально отличается от его магнитных сородичей. Информация на него записывается в виде спиральных дорожек, состоящих из питов (углублений), между которыми находится ленд (пространство). Глубина каждого пита составляет всего 100 нм, поэтому диск кажется нам зеркально гладким (так как длина волн видимого излучения существенно больше). Длина пита может быть от 850 нм до 3.5 мкм.

Для считывания используется лазер с длиной волны 780 нм, что позволяет ему получить пятно фокуса на диске диаметром около 1.2 мкм. Если оно попадает на ленд, который отлично отражает свет, то специальный фотодиод регистрирует максимум излучения. Питы же свет рассеивают или поглощают, и поэтому фотодиод регистрирует заметно меньшую интенсивность света. Комбинации этих «света и тьмы» можно без проблем интерпретировать как логические один и ноль.

Питы на компакт-диске под микроскопом.

Что касается емкости и времени воспроизведения музыки с CD-накопителя, то тут были споры. Вице-президент Sony Норио Ога хотел, чтобы на диск помещалась вся Симфония №9 Бетховена — в таком случае, по его словам, на компакт-диск поместится практически любое классическое произведение. Время ее воспроизведения составляло 74 минуты, а для качественной ее записи в двухканальном режиме с 16-битной модуляцией и частотой дискретизации 44.1 кГц требовался диск с диаметром не менее 120 мм.

Также, в отличие от дискет, компакт-диски поддерживали коррекцию ошибок с помощью кода Рида-Соломона, поэтому небольшие царапины никак не влияют на читаемость. И даже серьезные повреждения не вызывают критических проблем для аудио — нечитаемые данные просто заменяются усредненными соседними читающимися. Да, это вносит некоторые искажения, но все еще лучше полной потери информации или же треска при воспроизведении с магнитных носителей.

Записанная область на DVD видна невооруженным глазом.

До 90-ых особых изменений в дисках не было — смогли лишь несколько нарастить объем хранимой информации до 700 МБ. Этого хватало для аудиозаписей и программ, но вот к середине 90-ых стало понятно, что многие люди хотят смотреть фильмы в высоком качестве дома. Так и родился в 1995 году стандарт DVD, где каждый диск вмещал уже как минимум 4.7 ГБ — как раз для полноценного двухчасового фильма в хорошем качестве.

При этом размеры такого диска совпадали с CD, и между ними была обратная совместимость. Увеличение объема записываемой информации было получено чисто физически: так, длина волны лазера была снижена с 780 нм до 650, а шаг дорожки — с 1.6 мкм до 0.74. 

Еще одним важным изменением стало появление в 1997 году так называемых CD-RW. В отличие от обычных CD или DVD, которые не поддерживали запись информации на них пользователем, или CD-R, который можно было записать однократно, CD-RW можно было перезаписывать многократно, то есть использовать как полноценное внешнее хранилище данных. Принцип его работы был прост — записывающий слой создавался из сплава халькогенидов, который мощный лазер может точечно переводить из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот, тем самым меняя коэффициенты отражения определенных областей диска, что опять же улавливается фотодиодом как «свет и тьма». Увы — все же такие диски не были вечными и выдерживали около тысячи циклов перезаписи, к тому же требовали достаточно дорогих пишущих приводов, поэтому их достаточно быстро вытеснили флешки.

Сравнение плотности записи различных типов лазерных дисков.

В дальнейшем происходил только количественный рост: в 1998 году появились DVD-RW, с емкостью до 5.6 ГБ и выдерживающие 100 000 циклов перезаписи. В 2006 году появились первые коммерческие Blu-ray диски, где использовался синий лазер с длиной волны 405 нм, что позволило хранить на нем уже 25 ГБ информации. Максимум на данный момент это BDXL — до 300 ГБ, этого хватит на пяток фильмов в 4К.

Магнитооптические диски

Всего через год после появления компакт-дисков Кесс Имминк решил — а почему бы не объединить вместе лучшие качества дискет и оптических дисков. Так и появились магнитооптические диски: для записи они нагреваются лазером до температуры точки Кюри (около 150 градусов для используемых материалов, при этой температуре теряется спонтанная намагниченность), после чего магнитная головка создает электромагнитный импульс, который меняет намагниченность, в результате чего на поверхности диска остаются структуры, схожие с питами на лазерных дисках.

Считывание происходит при помощи все того же лазера и фотодиода, которые ориентируются на получившиеся питы. Из плюсов — такие магнитооптические диски распознавались компьютерами как обычные HDD, и для них можно было использовать обычные файловые системы (например, FAT32). При этом скорости случайного доступа (50-100 мс) были достаточно малы, а количество циклов перезаписи достаточно велико (около миллиона), чтобы ставить на них ОС — например, именно такие накопители стояли в компьютерах NeXT первого поколения. При этом объем дисков первого поколения был сравним с CD и составлял 650 МБ.

Однако к началу нулевых их почти полностью прекратили использовать: большую часть сменных накопителей заменили собой флешки, а в компьютерах прочно прописались жесткие диски, которые не требовали такого серьезного нагрева для работы. Была идея использовать магнитооптические диски для долговременного хранения информации, так как они не теряли данные до 50 лет в сравнении с 12-15 для обычных CD, но ленточные библиотеки (о них можно почитать в первой части статьи) оказались гораздо дешевле в обслуживании.

Flash-память

Многие думают, что флешки и SSD — это изобретения нулевых, в лучшем случае 90-ых годов. Однако на деле своими корнями флеш-память уходит к середине 20 века, когда ученый-баллистик Вэн Цинг Чоу работал над задачей улучшения бортового компьютера ракетной системы Atlas E/F. 

Сама технология была достаточно простой по своей сути: память представляла собой координатную сетку из двух массивов проводников, узлы которой были замкнуты при помощи специальной перемычки, образуя ячейки. Запись была устроена так: хотите записать 1? Оставляйте перемычку как есть. 0? Сожгите перемычку большим током. Отсюда становится понятным принцип чтения: чтобы узнать, что «записано» в ячейку, нужно просто пропустить через нее ток. Если он проходит, то значение — 1, не проходит — 0.

Принцип работы памяти Вэна (PROM).

Увы, минусов тут было много: разумеется, такая память не была перезаписываемой, да и достичь высокой емкости было крайне сложно. Но вот в условиях сильной радиации она, очевидно, работала отлично, да и много ли нужно памяти бортовому компьютеру ракеты?

Так было положено начало новому типу памяти. В дальнейшем инженер Intel Дов Фроман, исследующий дефекты микросхем, где были разрушены затворы транзисторов, пришел к EPROM. Каждая ячейка такой памяти представляет собой полевой транзистор с двумя затворами: первый управляющий, а второй плавающий. Последний был отделен от остального транзистора изолятором из оксида кремния.

Для записи данных, как и в случае с памятью Вэна, на нужные ячейки нужно было подать более высокое напряжение — в таком случае электронам начинало хватать энергии, чтобы пройти через изолятор и накапливаться на плавающем затворе. После исчезновения напряжения электроны оказывались запертыми в нем, тем самым надежно храня данные. Минус тут опять же очевиден: перезаписать данные внутренними методами самого компьютера не получится, только внешними: если посветить на такой чип мощной УФ-лампой, то это вызовет ионизацию в слое изолятора, и электроны смогут покинуть затвор — разумеется, таким образом потеряются все данные. К слову, EPROM уже использовалась в ПК: именно на этом принципе базировались микросхемы BIOS.

Схема работы флеш-памяти.

Но, очевидно, стирать данные ультрафиолетом было не очень удобно — хотелось это делать с помощью того же напряжения. Это смог сделать инженер Intel Джордж Перлегос: в 1978 году он представил микросхему Intel 2816 — первое решение на базе EERPOM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Основная идея заключалась в уменьшении изолирующего слоя, что делает ненужным УФ-излучение для перезаписи. Для записи информации напряжение все также подается на управляющий затвор — это позволяет электронам проникнуть через барьер и попасть на плавающий затвор. А вот стирание сделано иначе: напряжение подается на канал транзитора, что приводит к заземлению управляющего затвора, и электроны получаются возможность вернуться из плавающего затвора обратно к каналу. Иными словами, говоря простым языком, работа с ячейками флеш-памяти выглядит как запись и стирание, перезаписи «поверх», как в HDD, тут нет.

Единственный серьезный минус флеш-памяти — это деградация изолятора из оксида кремния, который со временем начинает свободно пропускать электроны в обе стороны. В итоге количество циклов перезаписи оказывается серьезно ограничено, поэтому было придумано несколько типов ячеек. Самый надежный — SLC, выдерживающий сотни тысяч перезаписей: в этом случае на затворе может быть только два уровня напряжения, то есть можно хранить один бит на ячейку. Второй тип менее надежен — это MLC, 4 уровня напряжения, что дает возможность хранить уже 2 бита. Разумеется, такая память получается более дешевой, но и задержка при работе с ней выше, а количество циклов перезаписи меньше (порядка 10 тысяч). Такие ячейки используются в топовых SSD — например, Samsung 960 PRO.

Ну и самые ненадежные — это TLC, 8 уровней напряжения или 3 бита на ячейку. Они выдерживают лишь несколько тысяч циклов перезаписи, зато максимально дешевы. Такие ячейки используются для производства массовых недорогих SSD.

SSD Samsung 960 PRO. Черные квадратные чипы и есть MLC NAND.

Также есть разделение по методу соединения ячеек в массив. Стандартная двумерная структура, внук памяти Вэна, называется NOR-памятью. А вот если перейти к трехмерной матрице, где в пересечение устанавливается уже столбец ячеек, что позволяет серьезно увеличить плотность записи данных, хотя и считывать их станет сложнее, то такая конструкция называется NAND, и именно она используется для производства современной флеш-памяти.

Итоги

Как видите, история компьютерной памяти началась гораздо раньше, чем история самих компьютеров, и множество достаточно перспективных технологий быстро уходили с рынка под давлением еще более интересных решений. С учетом продолжения активного развития IT сложно даже предположить, какая память ждет нас через десятилетие или два — возможно, квантовая? Будущее покажет.

Где нельзя хранить файлы, как навести порядок в компьютере

Здравствуйте, читатели сайта IT-уроки!

Первое, что должен знать каждый новичок, сев за компьютер, это где можно хранить файлы в компьютере и где нельзя.

Если не усвоить простые правила, то позже может возникнуть множество проблем (поиск потерявшихся файлов, восстановление случайно удаленных файлов, сложности при переустановке системы и т.д.). Но всех проблем можно избежать заранее, если сразу понять, как навести порядок в своём компьютере.

Этим уроком мы открываем новый важный раздел, который вам поможет повысить надежность и безопасность хранения данных.

Как навести порядок в компьютере?

Многие пользователей компьютера хранят данные (свои файлы и папки), где придется: на рабочем столе, в папке «Мои документы», прямо на диске «C:\»… Когда файлов немного, то это не проблема, но со временем файлов становится всё больше и больше: письма, отчёты, музыка, фотографии, фильмы…  и наступает момент, когда берешься за голову: «а где у меня лежит тот самый файлик»?!

Как известно, порядок проще навести один раз, а потом поддерживать. Но это же надо сесть и подумать!!! Конечно, можно сказать «потом разберу», вот только такое «потом» редко настаёт.

Учтите, что порядок на жестком диске влияет и на безопасность хранения данных.

Сегодня вы можете еще на шаг изменить свою жизнь в компьютерном мире, и помогут вам в этом IT-уроки. 😉

Запомните всего 4 правила от сайта IT-уроки, которые помогут навести порядок в компьютере и в будущем сэкономят не один десяток часов:

Правило №1: Диск C: не для документов!

Никогда не храните свои файлы на системном диске (диске C:\).

Еще в третьем уроке мы разобрались, что все программы и данные хранятся на жестком диске. Для удобства и безопасности, всё информационное пространство жесткого диска делят на два или более раздела, которые называются «логические диски» и обозначаются буквами «C», «D», «E» и т.д. На диск «C:» устанавливают операционную систему (Windows) и программы, а остальные разделы используют для хранения данных и резервных копий этих данных.

Диск C: не для документов!

Это как квартира, разделенная на комнаты. Вы же не храните на кухне обувь, а в спальне не ставите холодильник?! Всему своё место. Точно также нужно отделять и файлы системы от файлов пользователя. Но об этом будет отдельный урок для опытных пользователей.

Запомните:

Диск «C:\» ТОЛЬКО для операционной системы и программ!

Все свои документы, фотографии, музыку и фильмы храните на диске «D:\»

Если у вас на компьютере только диск C:, а диска D: нет или этой буквой обозначен DVD-привод, то обязательно нужно разделить жесткий диск на два раздела. Но об этом будет отдельный урок.

Может быть такое, что буквой D: обозначен оптический привод (CD или DVD), а второй раздел жесткого диска обозначен буквой E. Можно оставить как есть, но лучше эти буквы поменять местами (следующая заметка на сайте IT-уроки как раз на эту тему).

Правило №2: «Мои документы» на диске D:

Перенесите папку «Мои документы» на диск D:

Изначально папка «Мои документы» находится на диске С, что противоречит правилу №1 и подвергает риску все ваши личные файлы (в случаях сбоев, заражения вирусами, переустановки системы и т.д.). Многие пользователи не знают этого и сохраняют все документы в эту папку, как предлагают программы (например, Word). Но это легко исправить.

Перенесите папку «Мои документы» на диск D:

Создайте на диске D: новую папку с названием «Мои документы» и переместите в неё старую папку с диска C: (не простым копированием, а соответствующим пунктом в свойствах этой папки).

Если не знаете, как переместить «Мои документы», то вторая ближайшая IT-заметка на сайте научит вас этому.

О том, как навести порядок в самой папке «Мои документы», я расскажу в следующем IT-уроке. Подпишитесь по этой ссылке на новости сайта, чтобы не пропустить.

Правило №3: Рабочий стол не для файлов

Никогда не храните файлы и папки на рабочем столе!

Дело в том, что рабочий стол тоже находится на диске C:, т.е. вы можете потерять всё его содержимое при переустановке операционной системы.

Конечно, удобно хранить важные файлы «на виду», да и название «Рабочий стол» как бы намекает, «держи здесь». Но это настоящая ловушка.

Не храните файлы и папки на рабочем столе!

Держите все файлы в нужной папке на диске D: документы в папке «Мои документы», фильмы в папке «Видео» и т.д. (и об этом тоже будет подробнее в следующем уроке). А на рабочий стол выводите только ярлыки!

Как создать ярлык разными способами я покажу в одной из ближайших заметок.

Правило №4: Временная папка

Временные файлы храните во временной папке, например, C:\Temp

Часто возникает необходимость временно сохранить документ на жестком диске (скачать прайс для просмотра, ненадолго распаковать документ из архива для работы с документами или проверить качество записи DVD-диска и т.д.). Не нужно всё это «скидывать» на рабочий стол. Отведите для этого одну временную папку и периодически чистите её.

Считайте эту папку «почти корзиной».

Временная папка Temp

Почему именно «C:\Temp» ?

1. В случае переустановки Windows эту папку не жалко удалить.
2. Не занимает место в вашем личном хранилище (Диск D:)
3. Легко запомнить;
4. Легко добраться (не нужно бродить в дебрях подпапок).

Когда попробуете временную папку в использовании, поймёте, о чём речь и вы обязательно оцените удобство  🙂

Заключение

Итак, первый шаг на пути к порядку в компьютере – запомнить и следовать четырём правилам:

• №1: Диск C: не для документов, всё своё на диске D:
• №2: Переместить «Мои документы» на диск D:
• №3: Рабочий стол не для файлов, только ссылки
• №4: Временная папка «Temp» для временных файлов

Следующие три заметки на сайте помогут вам разобраться с буквами разделов на жестком диске, научат перемещать папку «Мои документы» на диск D (в Windows 7 и Windows XP), создавать ярлыки, и только после этого можно будет перейти к следующему, 23-му IT-уроку.

Подпишитесь на новости сайта, чтобы не пропустить полезную информацию (вот ссылка).

И, конечно, жду ваших комментариев по сегодняшнему уроку!

Автор: Сергей Бондаренко http://it-uroki.ru/

Копирование запрещено, но можно делиться ссылками:

Поделитесь с друзьями:

Понравились IT-уроки?

Много интересного в соц.сетях: