NTFS文件系统详解(三)之NTFS元文件解析

在NTFS中，所有存储在卷上的数据都包含在文件中，包括用来定位和获取文件的数据结构，引导程序和记录这个卷的记录（NTFS元数据）的位图，这体现了NTFS的原则：磁盘上的任何事物都为文件。在文件中存储一切使得文件系统很容易定位和维护数据，而在NTFS中，卷中所有存放的数据均在一个叫做MFT的文件记录数组中，称为主文件表(Master File Table)，MFT是由高级格式化产生的。而MFT则由文件记录(File Record)数组构成。File Record的大小一般是固定的，不管簇的大小是多少，均为1KB，这个概念相当于Linux中的inode（i节点）。File Record在MFT文件记录数组中物理上是连续的，且从0开始编号。MFT仅供系统本身组织、架构文件系统使用，这在NTFS中称为元数据(metadata)。其中最基本的前16个记录是操作系统使用的非常重要的元数据文件。这些NTFS主文件表的重要的元数据文件都是以$(美元符号)开始的名字，所以是隐藏文件，在Windows 2000中不能使用dir命令(甚至加上/ah参数)像普通文件一样列出这些元数据文件。实际上File System Driver(ntfs.sys)维护了一个系统变量NTFS Protect System Files用于隐藏这些元数据。但是微软公司也提供了一个OEM TOOL,叫做NFI.EXE,用此工具可以转储NTFS主文件表的重要的元数据文件（元数据：是存储在卷上支持文件系统格式管理的数据。它不能被应用程序来访问，它只能为系统提供服务）

我们第一步就是先找到MFT的位置,通过分区表,我们得到本分区的引导扇区所在的扇区号,就拿C盘分区来实践,通过上一节,我们得到C盘的引导扇区的扇区号是63,首先进到扇区号为63的扇区

然后根据下表对照

00 02 每个扇区512(200H)字节
08 每个簇占8扇区
00 00
00 00 00
00 00
F8 硬盘
00 00
3F 00 每磁头63扇区
FF 00 每柱面255磁头
3F 00 00 00 隐含扇区63
00 00 00 00
80 00 80 00
C0 FF BF 03 00 00 00 00 扇区总数62914496
00 00 0C 00 00 00 00 00 MFT开始簇号786432
10 00 00 00 00 00 00 00 MFTmirr开始簇号 16
F6 00 00 00 每个MFT占的簇数 246
01 00 00 00 每个索引占的簇数 1
B9 63 23 FC AA 23 FC B6 卷标

文件记录由两部分构成，一部分是文件记录头，另一部分是属性列表，最后结尾是四个“FF”。然后我们根据上面BPB中的偏移簇号偏移盘偏移地址找到系统MFT所在地址(789632 * 8 +63 = 6291519),查看文件记录格式如下是一个完整的文件记录：

在同一系统中，文件记录头的长度和具体偏移位置的数据含义是不变的，而属性列表是可变的，其不同的属性有着不同的含义。后文将对属性进行具体分析，先来看看文件记录头的信息。

在NTFS文件系统中所有与文件相关的数据结构均被认为是属性，包括文件的内容。文件记录是一个与文件相对应的文件属性数据库，它记录了文件的所有属性。每个文件记录中都有多个属性，他们相对独立，有各自的类型和名称。每个属性都由两部分组成，既属性头和属性体。属性头的前四个字节为属性的类型。从文件记录头可以看到第一个属性流的偏移地址,(C0007E00+0038=C0007E38)如下是以10H属性为例的属性结构

另外属性还有常驻与非常驻之分。当一个文件很小时，其所有属性体都可以存放在文件记录中，该属性就称为常驻属性。如果某个文件很大，1KB的文件记录无法记录所有属性时，则文件系统会在元文件之外的区域也称数据流存放该文件的其他文件记录属性，这些存放在非MFT元文件内的记录就称为非常驻属性。

分析属性的属性头

每个属性都有一个属性头，这个属性头包含了一些该属性的重要信息，如属性类型，属性大小，名字(并非都有)及是否为常驻属性等。

常驻属性的属性头分析表:

如下是非常驻属性的属性头分析表：

前面说过了，属性的种类有很多，因此各属性体的含义也不同。下表是NTFS文件系统中的所有属性体的简介

接下来来看几个重要的属性：

分析10H属性：

10H类型属性它包含文件的一些基本信息，如文件的传统属性，文件的创建时间和最后修改时间和日期，文件的硬链接数等等。如下：是一个10H类型的属性。

其中偏移0×20处的文件属性解释如下：

分析20H属性

20H类型属性既属性列表，当一个文件需要好几个文件记录时，才会用到20H属性。20H属性记录了一个文件的下一个文件记录的位置。如下：是20H属性的解释。

分析30H属性

30H类型属，该属性用于存储文件名 ，它总是常驻属性。最少68字节，最大578字节，可容纳最大Unicode字符的文件名长度。

分析80H属性

80H属性是文件数据属性，该属性容纳着文件的内容，文件的大小一般指的就是未命名数据流的大小。该属性没有最大最小限制，最小情况是该属性为常驻属性。常驻属性就不做多的解释了，上面我标记的是一个非常驻的80H属性。

其中，Run List是最难理解，也是最重要的。当属性不能存放完数据，系统就会在NTFS数据区域开辟一个空间存放，这个区域是以簇为单位的。Run List就是记录这个数据区域的起始簇号和大小，一个Run List例子上所示。这个示例中，Run List的值为“32 CC 26 00 00 0C”，因为后面是00H，所以知道已经是结尾。如何解析这个Run List呢？ 第一个字节是压缩字节，高位和低位相加，3 + 2 = 5，表示这个Data Run信息占用五个字节，其中高位表示起始簇号占用多少个字节，低位表示大小占用的字节数。在这里，起始簇号占用3个字节，值为0C 00 00，大小占用2个字节，值为26 CC。解析后，得到这个数据流起始簇号为C0000，大小为9932簇。

分析90H属性

90H属性是索引根属性，该属性是实现NTFS的B+树索引的根节点，它总是常驻属性。该属性的结构如下图：

索引根的结构如表：

索引头的结构如表：

索引项结构如表：

分析A0H属性
A0属性是索引分配属性，也是一个索引的基本结构，存储着组成索引的B+树目录索引子节点的定位信息。它总是常驻属性。如下：是一个A0H属性的实例。

根据上图A0H属性的“Run List”可以找到索引区域，偏移到索引区域所在的簇，如下图：
起始簇：18265

簇大小：3

起始扇区号 = 该分区的其实扇区 + 簇号 * 每个簇的扇区数 也就是

64 + 18265 * 8 = 146124

对了，上面的偏移0×28还要加上0×18 = 0×40.

标准索引头的解释如下：

索引项的解释如下：

在下面的表中罗列出NTFS5中所有的元文件：

每个MFT记录都对应着不同的文件，如果一个文件有很多属性或是分散成很多碎片，就很可能需要多个文件记录。这时，存放其文件记录位置的第一个记录就叫做“基文件记录”（base file record）。

MFT中的第1个记录就是MFT自身。由于MFT文件本身的重要性，为了确保文件系统结构的可靠性，系统专门为它准备了一个镜像文件（＄MftMirr），也就是MFT中的第2个记录。

第3个记录是日志文件（＄LogFile）。该文件是NTFS为实现可恢复性和安全性而设计的。当系统运行时，NTFS就会在日志文件中记录所有影响NTFS卷结构的操作，包括文件的创建和改变目录结构的命令，例如复制，从而在系统失败时能够恢复NTFS卷。

第4个记录是卷文件（＄Volume），它包含了卷名、被格式化的卷的NTFS版本和一个标明该磁盘是否损坏的标志位（NTFS系统以此决定是否需要调用Chkdsk程序来进行修复）。

第5个记录是属性定义表（＄AttrDef，attribute definition table），其中存放了卷所支持的所有文件属性，并指出它们是否可以被索引和恢复等。

第6个记录是根目录（\），其中保存了存放于该卷根目录下所有文件和目录的索引。在访问了一个文件后，NTFS就保留该文件的MFT引用，第二次就能够直接进行对该文件的访问。

第7个记录是位图文件（＄Bitmap）。NTFS卷的分配状态都存放在位图文件中，其中每一位（bit）代表卷中的一簇，标识该簇是空闲的还是已被分配了的，由于该文件可以很容易的被扩大，所以NTFS的卷可以很方便的动态的扩大，而FAT格式的文件系统由于涉及到FAT表的变化，所以不能随意的对分区大小进行调整。

第8个记录是引导文件（＄Boot），它是另一个重要的系统文件，存放着Windows 2000/XP的引导程序代码。该文件必须位于特定的磁盘位置才能够正确地引导系统。该文件是在Format程序运行时创建的，这正体现了NTFS把磁盘上的所有事物都看成是文件的原则。这也意味着虽然该文件享受NTFS系统的各种安全保护，但还是可以通过普通的文件I/O操作来修改。

第9个记录是坏簇文件（＄BadClus），它记录了磁盘上该卷中所有的损坏的簇号，防止系统对其进行分配使用。

第10个记录是安全文件（＄Secure），它存储了整个卷的安全描述符数据库。NTFS文件和目录都有各自的安全描述符，为了节省空间，NTFS将具有相同描述符的文件和目录存放在一个公共文件中。

第11个记录为大写文件（＄UpCase，upper case file），该文件包含一个大小写字符转换表。

第12个记录是扩展元数据目录（＄Extended metadata directory）。

第13个记录是重解析点文件（$Extend\$Reparse）。

第14个记录是变更日志文件（$Extend\$UsnJrnl）。

第15个记录是配额管理文件（$Extend\$Quota）。

第16个记录是对象ID文件（$Extend\$ObjId）。

第17～23记录是是系统保留记录，用于将来扩展。

MFT的前16个元数据文件是如此重要，为了防止数据的丢失，NTFS系统在该卷文件存储部分的正中央对它们进行了备份，参见下图。