Windows存储管理之磁盘结构详解

在之前一篇《Windows存储管理之磁盘类型简介》中介绍了Windows的基本磁盘类型。本篇中将对GPT和MBR这两类磁盘类型的结构进行深入介绍。

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。