Linux GPT分区表16进制实例分析

Linux GPT分区表16进制实例分析

 

       GPT分区表随着win10的普及，已经在越来越多的新电脑上开始使用了。前段时间的新闻有看到说Intel会在后面的新平台中完全取消CSM支持，这也大概相当于后面新出的Intel平台的主板将只有纯UEFI模式引导，Legacy模式没有了，也就是说必须要使用GPT分区了。

 

       对于普通用户来说，GPT的好处最明显的地方就是支持系统分区大于 2TB，但这似乎并没有什么用（因为MBR并不支持单个分区大于2TB）。另外一个就是，GPT分区必须要用UEFI，而M$从win8开始搞了个SecureBoot，也能从一定程度上增加那么一丢丢安全性吧。然而在服务器领域就不一样了，服务器的SAN存储很容易就能聚合出一个大于 2T的盘，甚至10多T一个LUN都是很常见的事情，尽管Linux下面有LVM可以绕过分区，但是作为未来的主流分区技术，GPT也将会变得很重要，还是有必要来从底层研究一下。

 

       这篇文章我们使用的实验环境是这样的，VMWare虚拟机安装RHEL6.8，除开系统的虚拟硬盘VMDK之外，额外添加两块虚拟硬盘，一块5GB为/dev/sdb，另一块6GB为/dev/sdc。通过解析这两块虚拟硬盘的分区表头的信息，结合GPT的官方手册，用例子来分析GPT分区表到底是怎么构成的。需要说明的是，这篇文章我们的实验只对这两块虚拟硬盘作建立GPT分区表的操作，为避免干扰，先不建立分区。

 

       关于GPT分区表的结构，最权威的是UEFI论坛的Specifications的PDF文档，这个文档可以在http://www.uefi.org/specifications 这里下载到，最新的是UEFI Specification Version 2.7 (Errata A) 这个版本。另外，这篇文章还参考了维基百科Wikipedia的英文版的GUID分区表的页面：https://en.wikipedia.org/wiki/GUID_Partition_Table 。

 

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       我们使用Linux自带的hexdump工具来从16进制的层面分析GPT分区表。

 

 

       从上面的图中可以看到，我们的两块硬盘/dev/sdb和/dev/sdc分别为5GB和6GB，此时是刚添加了一块新的虚拟硬盘的状态，所以没有分区表，也没有分区，我们使用hexdump来读取这两块硬盘，可以看到里面的数据全都是0，这也符合是一块全新的硬盘的状态。

 

       先来解释一下hexdump的这个输出结果。每一行表示16Byte(字节)的数据，所以第一列的值就显示的是当前行是第多少个字节，它是以16进制显示的。中间那个星号(*)表示它代替的行的数据跟上一行是一样的(这将使得输出结果更易读)。那么红框中140000000和180000000的意思就很明显了，通过将16进制转换成10进制，140000000(Hex) = 5368709120(Dec)，180000000(Hex) = 6442450944(Dec)，5368709120/1024/1024/1024=5，6442450944/1024/1024/1024=6，结果刚好就是5GB和6GB，这也印证了上面说的第一列的数字表示的是当前行是第多少个字节。140000000和180000000是最后一行，也就是硬盘能存储数据的最后的位置，也就表示硬盘的大小了。

 

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       然后我们用parted工具，将这sdb和sdc建立一个gpt分区表。

       parted /dev/sdb mklabel gpt & parted /dev/sdc mklabel gpt

 

 

 

 

 

       分完区之后，再次使用hexdump读取硬盘，就有了上面截图的内容，可以发现，多了不少内容。

 

 

       先来看GPT硬盘整个的硬盘结构示意图，这个图是来自UEFI Specifications文档，LBA0是Protective MBR，然后就是GPT分区表头，再接着就是每个分区的描述，这三部分构成了主GPT分区表。从First useable block到Last useable block是给每个分区用于存储数据的。最后还有一个备份的GPT分区表，是由每个分区的描述和分区表头构成。

 

 

       根据UEFI Specifications文档，GPT分区表头是有两部分的，第一部分一般位于LBA1，另外还有一份alternate GPT，可以理解为备份的GPT表头，它位于硬盘的最后一个LBA。至于LBA是怎么计算的，这里就不展开讲，一般来说，硬盘每个LBA是512Byte字节，所以LBA0就是从0x00000000 到 0x00000200-1，而LBA1就是从0x00000200开始，用进制转换一下，200(Hex) = 512(Dec)，就是512字节。

 

       LBA0的Protective MBR部分这里就不讲了，有兴趣的可以去看官方文档，这篇文章只关心GPT分区表的结构。

 

       GPT的分区表头，是从LBA1开始的，长度一般为92字节，结合UEFI Specifications和Wikipedia维基百科，根据hexdump的输出结果，我们来一行一行地分析一下sdb的GPT分区表主表头。

 

 

 

 

00000200  45 46 49 20 50 41 52 54  00 00 01 00 5c 00 00 00  |EFI PART....\...|

 

0-8字节：GPT Signature，它是一串ASCII码字符串“EFI PART”，把这8个16进制数45 46 49 20 50 41 52 54分别转换成10进制，就是69 70 73 32 80 65 82 84，去查一下ASCII码表，它就是字符串“EFI PART”，注意两个单词中间还有个空格。

 

9-11字节：GPT修订版本，表示是1.0版，即00 00 01 00。

 

12-15字节：GPT分区表头大小，一般是92字节，也就是16进制数5c，即5c 00 00 00。

 

00000210  47 f1 8d 83 00 00 00 00  01 00 00 00 00 00 00 00  |G...............|

 

16-19字节：GPT头部共92字节数据的CRC32校验值，计算该CRC32值时把这4个字节先置为0再计算，计算完成之后，再将计算出来的值填入这4个字节。我们来计算一下。先把hexdump输出结果的92个字节摘出来，再把16-19字节全填成0，就是下面这样：

45 46 49 20 50 41 52 54 00 00 01 00 5c 00 00 00

00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 00 00 00 00

ff ff 9f 00 00 00 00 00 22 00 00 00 00 00 00 00

de ff 9f 00 00 00 00 00 dd 25 f8 96 c6 47 56 4f

aa ed c2 48 bd ee 50 7d 02 00 00 00 00 00 00 00

80 00 00 00 80 00 00 00 86 d2 54 ab

然后把这一串16进制数全选复制填入CRC32在线计算网站：https://www.lammertbies.nl/comm/info/crc-calculation.html 注意要在Input type中选Hex，这个网站的输入框它会自动忽略空格和换行符，点击Calculate所得计算结果如下：

 

可以看到，这个结果跟hexdump显示的16-19字节数据一致，即47 f1 8d 83。

 

20-23字节：保留位，必须为0。

 

24-31字节：当前GPT表头所在的LBA，上面说到主GPT表一般是LBA1，所以结果是01，即01 00 00 00 00 00 00 00。

 

00000220  ff ff 9f 00 00 00 00 00  22 00 00 00 00 00 00 00  |........".......|

 

32-39字节：Alternate GPT表头所在的LBA，上面说到这个一般是最后一个LBA，也就是硬盘的最后一个512字节，这个值是怎么算出来的呢？/dev/sdb容量大小是140000000(Hex) = 5368709120(Dec)，除于512字节，5368709120/512 = 10485760(Dec)，就是这个硬盘的总LBA数，因为是最后一个LBA所以再减1，即10485760-1 = 10485759(Dec) = 9FFFFF(Hex)，

ff ff 9f 00 00 00 00 00

 

40-47字节：第一个可用的LBA，根据UEFI官方文档规定，LBA大小为512字节时，第一个可用的LBA必须要大于或等于34，即34(Dec) = 22(Hex)，即22 00 00 00 00 00 00 00。

 

00000230  de ff 9f 00 00 00 00 00  dd 25 f8 96 c6 47 56 4f  |.........%...GVO|

00000240  aa ed c2 48 bd ee 50 7d  02 00 00 00 00 00 00 00  |...H..P}........|

 

48-55字节：最后一个可用的LBA，跟上面的第一个可用LBA同样的道理，就是最后一个LBA-34，/dev/sdb容量大小是140000000(Hex) = 5368709120(Dec)，5368709120/512 = 10485760(Dec)，10485760 - 34 = 10485726(Dec) = 9FFFDE，即de ff 9f 00 00 00 00 00。

 

56-71字节：硬盘的GUID，这个值是唯一的，不可重复。

 

72-79字节：定义GPT分区入口的LBA，就是LBA1+1=LBA2，即02 00 00 00 00 00 00 00。

 

00000250  80 00 00 00 80 00 00 00  86 d2 54 ab 00 00 00 00  |..........T.....|

 

80-83字节：定义的分区入口的数量，80(Hex) = 128(Dec)，128个分区。即80 00 00 00。

 

84-87字节：每个分区入口的大小，一般是80(Hex) = 128(Dec)，即80 00 00 00。

 

88-92字节：分区入口列表的CRC32校验值。

 

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上面就是主GPT分区表头的16进制逐行分析，下面就是备份分区表头部分了，根据上面的分区，备份的分区表头位置是在硬盘的最后一个LBA，即140000000(Hex) = 5368709120(Dec)，5368709120/512 - 1 = 10485759(Dec)，10485759 * 512 = 5368708608(Dec) = 13FFFFE00(Hex)，即截图中最后一部分的备份GPT分区表头的起码位置。

 

通过比较主表头和备份表头，我们发现有如下几个地方不一样：

 

1、16-19字节的GPT头部共92字节数据的CRC32校验值，这个CRC32校验值不一样是由于24-31字节（当前GPT表头所在的LBA）和32-39字节（备份GPT表头所在的LBA）的位置正好是跟主表头位置相反引起的。

 

２、24-31字节（当前GPT表头所在的LBA）和32-39字节（备份GPT表头所在的LBA），这两个值刚好跟主GPT表头的值是相反的，即互为主备。

 

３、72-79字节GPT分区入口的LBA，备份表头肯定指向的备份的分区入口列表的LBA。

 

除了上述３个地方不一样之外，其它地方跟主GPT表头完全一致。

 

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然后我们在/dev/sdb上创建两个分区，再看分区表会有什么样的变化。

[root@RHEL68 ~]# parted /dev/sdb mkpart sdb1 1 100M

[root@RHEL68 ~]# parted /dev/sdb mkpart sdb2 100M 300M

 

 

 

跟未分区时候相比，多了两个分区入口，这些分区入口在官方文档中被称为GPT Partition Entry Array。分区表头部分和未分区相比，有两个地方发生了变化，一个是16-19字节的GPT头部共92字节数据的CRC32校验值，这个值发生了变化是因为88-92字节分区入口列表的CRC32校验这个发生了变化，因为多了两个分区，所以分区入口列表的CRC32校验值肯定会发生变化。

 

第一个分区的入口起始位置是0x400，第二个分区入口起始位置是0x480，所以每个分区入口描述长度是80(Hex) = 128(Dec) Byte。这个128byte其实已经在表头里面有定义过的，上面有说过，就是表头的84-87字节。

 

每个分区的入口描述根据官方文档是这样定义的，见下图。

 

 

 

 

 下面来分析第一个分区的分区入口描述。

 

00000400  a2 a0 d0 eb e5 b9 33 44  87 c0 68 b6 b7 26 99 c7  |......3D..h..&..|

 

0-15字节：分区类型GUID。根据上面提到的维基百科Wikipedia的英文版的GUID分区表的页面：https://en.wikipedia.org/wiki/GUID_Partition_Table ，可以查到这个GUID EBD0A0A2-B9E5-4433-87C0-68B6B72699C7 是指基本数据分区。需要说明的是，各种类型的分区的GUID都是已经有明确定义的，可以参考维基百科页面，里面列了很多常见类型的分区GUID。

 

00000410  84 b3 41 ef 05 e6 c1 43  8e 61 bb 5b 4f f9 a9 28  |..A....C.a.[O..(|

 

16-31字节：分区唯一标识符，跟分区表头定义的硬盘GUID一个道理，也必须是唯一值。

 

00000420  00 08 00 00 00 00 00 00  ff f7 02 00 00 00 00 00  |................|

 

32-39字节：分区起始LBA，也就是800(Hex) = 2048(Dec)，分区真正开始使用是2048*512 = 1048576(Dec) = 100000(Hex)。

 

40-47字节：分区结束LBA，也就是2F7FF(Hex) = 194559(Dec)，分区的最后一个LBA的起始字节数是 194559*512 = 99614208(Dec) = 5EFFE00(Hex)，还要加上一个LBA即512字节，即5F00000(Hex)，也就是下一个分区的起始字节数。

 

00000430  00 00 00 00 00 00 00 00  73 00 64 00 62 00 31 00  |........s.d.b.1.|

00000440  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|

 

48-55字节：属性标识符，保留的。

 

56-127字节： 分区名称，共72字节。本例中，为0073(Hex)，0064(Hex)，0062(Hex)，0031(Hex)，转换到10进制，就是115(Dec), 100(Dec), 98(Dec), 49(Dec)，查询一下ASCII码，即sdb1。