Windows存储管理

Windows存储管理(来源自EMC中文支持论坛)

1.Windows存储管理之磁盘类型简介

各种操作系统连接到存储系统之后，并且操作系统识别物理磁盘之后，需要对磁盘进行进一步配置。如果用户连接存储是的Windows Server，存储管理员势必需要了解Windows中的磁盘类型与文件系统。笔者从存储的角度总结了Windows磁盘与分区类型的特点，并对其内容进行介绍与分析，帮助管理员更好的了解Windows主机连接的存储和文件系统。 

Windows的磁盘类型: 

Windows的物理磁盘类型分为两种： 

     Basic Disk（基本磁盘）–这个类型的物理磁盘可以被MS-DOS和所有的Windows操作系统所访问。Basic Disk可以包括最多四个主分区（Primary Partition），或者是三个主分区和一个扩展分区（Extended Partition）的逻辑磁盘（Logical Disk）。Basic不支持容错功能，可以在MBR和GPT创建磁盘。 

     Dynamic Disk （动态磁盘）–Dynamic Disk提供一些Basic Disk没有的功能，比如过将一个逻辑卷扩展到多个物理磁盘之上。Dynamic Disk使用隐藏的数据库来维护位物理磁盘上的动态卷。如果用户需要扩展一个逻辑磁盘到多个物理磁盘，需要使用Windows Disk Management和Diskpart.ext工具先将Basic disk转换为Dynamic Disk。Dynamic Disk支持在线创建（需要重启）和在线扩展逻辑卷。多份的元数据存储在磁盘中。简化管理，可以使用软Raid功能，Mirror、Spanned等等。  

Windows磁盘的分区类型： 

     谈到磁盘结构，很有必要了解一下下面两个概念MBR和GPT。 

     MBR （Master Boot Record）物理磁盘上第一个扇区（Sector）,也叫作主引导扇区，是计算机卡机后访问磁盘时说必须要读取的首个扇区，它位于柱面0，磁头0，扇区1。Windows的MBR磁盘被分割成多个连续的区域叫做分区（Partition），每个分区的的信息都存储在MBR，即磁盘的首个扇区中，在MBR中定义了分区的起始位置和长度。只有一个主分区可以处于激活状态，且支持操作系统启动。 

     GPT（GUID Partition Table）一种由基于 Itanium 计算机中的可扩展固件接口 (EFI) 使用的磁盘分区架构。与主启动记录(MBR) 分区方法相比，GPT 具有更多的优点，因为它允许每个磁盘有多达128 个分区，理论上支持最大 18 EB卷大小，允许将主磁盘分区表和备份磁盘分区表用于冗余，还支持唯一的磁盘和分区ID (GUID)。   GPT是在windows使用大容量磁盘的选择。 

下表是MBR和GPT对应的Windows操作系统信息：

	MBR	GPT
Windows操作系统版本	MS-DOS 所有Windows版本	Windows 2003以上版本
硬件支持	32位CPU	64位CPU
最大支持单个逻辑卷	2TB	256TB
分区表拷贝数	一份	Primary和Backup两份分区表，支持checksum
最大支持分区数目	4个主分区或者3个主分区和一个扩展分区	128个分区
数据存储位置	存储在分区中	存储在分区，关键的Platform数据存储在对用户隐藏的分区中

下表为Basic和Dynamic Disk支持的Volume类型（MBR磁盘类型）：

Basic	Dynamic	Volume类型
支持	支持	Simple Volume
支持	支持	Spanned Volume
支持	支持	Striped Volume（Raid-0）
支持	支持	RAID-5 Volume
支持	支持	Mirrored Volume（Raid-1）

下表为Basic和Dynamic Disk支持的Volume类型（GPT磁盘类型），可以看到需要在Windows中实现软件Raid，需要将磁盘类型转换为Dynamic才可以。

Basic	Dynamic	Volume类型
支持	支持	Simple Volume
	支持	Spanned Volume
	支持	Striped Volume（Raid-0）
	支持	RAID-5 Volume
	支持	Mirrored Volume（Raid-1）

总结： 

     在Windows连接到存储之后，选择选择GPT分区类型与Dynamic Disk可试Windows存储管理灵活性性所有提高，GPT分区格式抛开了MBR最大2TB的容量限制，支持在线扩展，各种优势。动态磁盘不受分区数目限制。

2.Windows磁盘MBR结构详解 – Basic Disk篇

Windows Basic Disk中的MBR:

     Master Boot Record作为磁盘中最重要的数据结构，在磁盘分区的时候会被创建。MBR中包括几个部分，一段可执行的代码叫做Master Boot Code，Disk Signature以及磁盘的分区表。在MBR的末端还有一直为0x55AA值大小为两个字节的Sector Marker的签名字段。这个字通常还标注了extend boot record（EBR）和启动扇区（boot sector）的结束。

Master Boot Code代码主要完成下列几项活动。

1. 扫描活动分区的分区表
2. 找到活动分区的起始扇区位置
3. 将一个启动扇区的拷贝从活动分区载入到内存
4. 将控制权转移到启动扇区上的执行代码

 

     如果Master Boot Code不能完成这些功能，Windows系统就会抛出一些错误，比如“Invalid partition table”、“Error loading operating system”、“Missing operating system”从而提示相应的步骤中发生了错误。

 

Basic Disk中的分区表：

 

在Basic Disk中的Partition Table是一个64个字节的数据结构用来定义物理磁盘上的分区类型与位置的，独立于操作系统。每个分区表的记录是16个直接长度，最大包括四条记录，每条记录从预先定义的起始位置。下面的例子显示一段MBR的记录，其中包括显示了一个三个分区记录，起始位置分别是0x01BE、0x01CE、0x01DE。图中还显示了，分区记录中几个关键的字段。0x01C2是System ID，用来定义逻辑卷的类型，图中07就是表示Installable File System（NTFS）。0x01C6开始的四个字节是Relative Sectore，表示了逻辑卷的起始位置。0x01CA开始的四个字节显示了整个逻辑卷的扇区总数。Boot Indictor显示了是否分区为活动分区。

3.Windows GPT磁盘GUID结构详解

GPT Disk 的Protective MBR:

     GPT Disk的结构中，第一个LBA位置（LBA 0）存放的是Protective MBR，随后LBA1的位置才是GPT的GUID分区表头。Protective MBR的作用是为了兼容性考虑，阻止一些遗留的MBR磁盘工具破坏GUID分区表。这种在LBA 0的位置存放Protective MBR的结构是基于Extensible Firmware Interface（EFI）规格。Protective MBR和MBR拥有同样的结构，同时还包括一条包含值为0xEE的System ID的分区记录（如下图所示），这个值标注了该分区为GPT分区，如果包含该分区的磁盘被移动到Windows 2000中或者被一些遗留的磁盘工具访问，则该分区会被标注晨GPT Protective分区，不能被删除。

Globally Unique Identifier Partition Table(GUID)结构：：

如下图所示，组成GPT Disk的GUID记录有以下几种：

GUID Partition Table Header： GPT Header定义了分区记录所用到的Logical Block Address的区域。同时还定义了分区在磁盘上的位置、它自身的GUID、以及一组CRC32的校验值。Primary GPT Header位于磁盘的LBA1位置，紧跟着Protective MBR。Backup GPT Header位于磁盘最后一个磁道之上。下图是GPT Header中包含几个字段：

 

• 首位0x00是为长度8个字节的签名档，这个值必须为固定值，用来定义EFI的兼容性。
• 0x08开始有四组长度为4个字节的字段，Revision标注EFI规格的版本信息、Header Size记录了整个GPT Head的大小，也为固定值、CRC32的校验信息、Reserved预留位。
• 随后0x18开始是5个长度为8个字节的字段和一个长度为16字节字段，Primary LBA记录了Primary GPT Head的位置、Backup LBA记录Backup GPT Header的位置、First Usable LBA记录了第一个分区的起始位置，例如64位的Windows Server 2003，它的起始位置是34、Last Usable LBA记录的分区结束的位置。Disk GUID长度为16个字节，用来标识分区表头和磁盘、 Partition Entry LBA记录GUID分区记录的位置，固定为LBA2。
• 从0x50开始为3个长度为4字节的记录，Number of Partition Entries记录最大的磁盘分区数，例如64位的Windows Server是128个、Size of Partition Entry记录了每个GUID分区记录大小，它的值为128字节、Partition Entry Array CRC32记录一组分区记录的校验值。
• 最后从0x5C位置开始长度为420字节的预留空间，值都为0。

GUID Partition Entry Array：类似MBR中的分区表，GUID partition entry array中包含了磁盘上每个分区的记录。比如64位的Windows Server 2003创建了一个Array值为16384字节，则第一个可用的数据大于等于LBA34. GUID Partition Entry Array也在分区最后存在一个副本，位置是在最后一个可用的LBA之后，GUID Partition table header之前。

GUID Partition Entry： GUID Partition Entry长度为128个字节，用来定义单个分区结构。每个GUID Partition entry从Partition Type记录开始。长度为16个字节的Partition Type GUID，类似MBR磁盘分区表中的System ID，它定义了分区中包含的数据和分区的作用。下图中是一个典型的GPT Disk的GUID Partition entry array记录，这个图中显示了三种分区记录

     第一部分{28732AC1–1FF8–D211–BA4B–00A0C93EC93B}为EFI System分区、中间部分{16E3C9E3–5C0B–B84D–817D–F92DF00215AE}为Microsoft Reserved分区，最下面的一个{A2A0D0EB–E5B9–3344–87C0–68B6B72699C7}是Windows Basic Disk中的一个主分区。

     在每个部分的中间位置主要记录了一些字段。Partition Type GUID之后的0x10位置开始，是一个长度为16字节的Unique Partition GUID记录用来标识每条记录的唯一性。0x20开始为3个长度为8个字节的字段，Starting LBA和Ending LBA分别记录了分区的起始和结束的位置、Attribute Bit描述了分区是如何使用的，例如是否为隐藏和只读等等、最后0x38开始的72个字节字段用来Unicode的分区的名字，名字最长为36个字符。

4.Windows存储管理之磁盘结构详解

Windows磁盘结构:

     Windows的主流磁盘结构分为MBR和GPT两种。MBR是早期Windows的唯一选择，但是随着物理磁盘的容量不断增大。GPT结构成为目前的主流，最大支持超过2TB的容量，提供容错，多分区支持，比MBR来的更加强大。

MBR （Master Boot Record ）磁盘结构：

     在Basic MBR Disk中的MBR中包含了几种信息。

• Bootstrap Code – 也叫Master boot code，它是一段可执行的代码，主要作用是，扫描活动分区的分区表，寻找活动分区的开始扇区，加载启动扇区到内存等功能。
• Disk Signature - Windows的所有物理磁盘都有一个磁盘签名的机制，如果没有签名windows则不能访问该磁盘的数据。当Windows新扫描到一个物理磁盘，尝试写入一些磁盘签名，用来标识这个磁盘。签名的长度为8个字节。然后会写入到第一个扇区，位置为0x01B8 -  0x01BB。签名存储在注册表的HKLM\SYSTEM\MountedDevices位置。
• Partition Table – 分区表，一个64字节的数据结构用来定义每个分区的起始位置。每个分区定义去大小为16个字节。因为这个设计，所以MBR的的扩展主分区最多只能支持4个。

     一个简单的Basic （MBR）的磁盘结构如下图所示，我可以看到最外层的是物理磁盘（Disk），在物理磁盘的最前端包含MBR（Master Boot Record），这个例子中，定义了一个分区和NTFS逻辑卷。

     MBR Disk支持最大四个主分区（Primary Patition），如果创建多个主分区的，则结构如下。一个物理磁盘中包含四个主分区，每个主分区包含一个文件卷。

     如果启用了扩展分区，则在扩展分区中可以包含多个逻辑卷。

GPT （GUID - Globally Unique Identifer）磁盘结构：

     截止201年，大多数操作系统都支持GPT GPT Disk在主的MBR中包含几个内容，GPT Disk的分区表包括以下几个内容。在MBR硬盘中，分区信息直接存储于主引导记录(MBR)中（主引导记录中还存储着系统的引导程序）。但在GPT硬盘中，分区表的位置信息储存在GPT头中。但出于兼容性考虑，硬盘的第一个扇区仍然用作MBR，之后才是GPT头。

• Protective MBR - 和MBR在Partition Table中包含主分区信息不同的是，GPT Disk在磁盘的第一个扇区（Sector）为“Protective MBR”，它位于LBA0（通用的存储寻址方式大小为512每单位）这个位置上。它包含的内容为磁盘的分区信息和初始的BIO启动器。这是为了兼容性的考虑，保证一些遗留的MBR磁盘工具可以识别到GPT Disk。
• Partition Table Header – 分区表头定义了一些磁盘上可使用的块，同时还定义了组成分区表的Partition Entries数目和大小（大小通常为128个字节）。GPT支持的64位版本的Windows Server 2003以上版本，支持创建最大128个分区，每个分区记录大小为128个字节。在分区表头中还记录了磁盘的GUID，用来记录自身的大小与位置以及备用GPT表头的位置（位于磁盘的最后一个扇区）。同时还包括CRC32的校验值。
• Partition entries – GPT Disk用简单直接的条目来描述分区。最初的16个字节用来标识分区类型。第二个16直接用来记录改分区唯一的GUID。接下来三个8字节的记录分别描述的初始LBA地址，结束LBA地址和分区属性。最后72个字节为分区名。单个分区记录大小为128个字节。通常Partition entries会从LBA2地址开始。
• 最后，为了为了减少分区表损坏的风险，GPT在硬盘最后保存了一份分区表的副本。