固态硬盘数据恢复技术及应用研究

王刚

摘要：机械硬盘在读写速度方面具有局限性，为了更好地提高硬盘的读写性能，固态硬盘应运而生，由于固态硬盘的技术已经相对成熟，加上社会各行业对计算机特性的广泛需求，为固态硬盘的批量化生产奠定了坚实的基础，这就极大地促进了固态硬盘在社会各领域的广泛应用。尤其是在数据存储方面，固态硬盘几乎全覆盖了各行业领域，对于各类数据的存储、保护、管理起到了重要的作用。但受各方面因素的影响，固态硬盘在受到损坏的情况下，极容易出现所存储数据丢失的情况，对人们的信息安全造成了不好的影响。为对固态硬盘数据存储情况做出一个相对深入的探究，本文以固态硬盘数据恢复技术为研究对象，通过对固态硬盘概念、存储原理等内容的概述，探究了固态硬盘数据恢复技术，并对固态硬盘数据恢复技术的应用进行了详细的介绍。

关键词：固态硬盘;数据恢复;硬盘数据;数据存储

中图分类号： TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）25-0286-02

1 固态硬盘的概念、存储原理

1.1 固态硬盘的概念

传统的机械键盘由于需要多次进行寻址，其读写性能较差，在很多要求读写性能比较高的场景中无法得到使用。为了更好地满足读写性能的要求，固态硬盘对存储介质进行了改良，由传统的硬盘变为闪存进行存储，虽然能够极大地提高读写性能，但是由于闪存无法进行频繁地写入和擦除，使得闪存的寿命较短，所以就需要考虑坏块后的数据恢复问题，而数据恢复问题又分为多个方面，是一个非常值得研究的话题，对于提高固态硬盘的使用质量有着更好地提高。

1.2 固态硬盘的存储原理

1）固态硬盘的存储管理结构，为了更快地应用固态硬盘技术代替传统的机械硬盘技术，使其能够快速地进行切换和使用，固态硬盘在进行存储时保留了原有的数据读写接口，只是存储的介质发生了变化，因此在使用固态硬盘进行数据的存储时，与传统机械键盘的使用方法类似，存储介质的改动对于用户是透明的，保留了用户的使用习惯，降低了固态硬盘使用的普及难度，使得固态硬盘能够得到快速的应用和推广，并在很多领域得到了广泛使用。

2）固态硬盘的地址映射技术，对于固态硬盘来讲，地址主要分为三类：物理地址、逻辑地址和虚拟地址，这三类地址的用途如下：物理地址是实际存储数据的地址，逻辑地址是对用户而言的，例如;一个扇区可以看作是一个逻辑地址，但是其实际的物理地址可能存在多个，逻辑地址主要是通过虚拟地址的映射与物理地址建立关系，使得数据的实际存储与用户进行剥离，能够更加方便地实现一些数据存储和优化的技术。

3）损耗均衡策略，根据上文的论述可知，固态硬盘主要是通过闪存介质进行数据的存储，虽然能够提高读写性能，但是由于闪存的写入和擦除次数是非常有限的，因此损害均衡的策略出现，能够使得存储介质的使用寿命和读写性能之间取得平衡。损耗均衡技术的原理如下：为了避免对同一个数块的反复读写，会将读写分散到不同的块上，从而使得读写变得均衡，也能够使得不同块的读写次数大致相近，从而确保了固态硬盘的读写质量。

4）其他存储原理，固态硬盘在进行数据存储的过程中，还会涉及垃圾回收，就是一些已经删除数据的处理方式，已经删除的数据不会立刻被删除，而是下次写入时直接进行覆盖，这样可以节约一次写入，提高存储介质的使用寿命;坏块的管理，当固态硬盘在使用过程中出現坏块时，系统会对坏块进行标记，后续的写入会跳过坏块，但是对于上层的用户来讲是无感知的。

2 固态硬盘数据恢复技术

根据上文的论述可知，固态硬盘在提高读写性能的同时，也会存在存储介质使用寿命过短的情况，如果是在写入之前就能够判断坏块的情况，那么可以通过跳过坏块的技术进行处理;但是，如果数据块在写入数据后损害，那么对应的数据就无法得到恢复，对用户的使用会产生重要的影响。因此，固态硬盘的数据恢复技术应运而生，能够很好地解决固态硬盘数据块损坏的问题，固态硬盘数据恢复技术如下：

2.1 固态硬盘数据删除的原理

由于固态硬盘的存储介质写入和擦除的次数是有限的，因此为了提高其使用寿命，在进行数据删除时，并不是直接擦除相依的数据，只是对该部分数据打上一个待擦除的标签，用户在对数据进行读取时，检测到标签是待删除就无法读取到相应的数据，从而实现用户角度的数据删除功能;当下次对该数据块进行写入时，则会直接选择覆盖的方式进行写入，这样可以节约一次擦除的行为，使得数据块的使用寿命得到较大的提高。

但是，当数据量非常大时，数据块的数量不够，因此固态硬盘也会进行一些垃圾回收机制，被删除的对象会按照被删除的时间顺序，被垃圾回收机制进行删除操作，这样会始终保留足够的数据块进行数据的写入，因此这就使得固态硬盘的数据恢复成为可能，数据恢复的情况可以分为以下三种：第一，数据恢复前，数据没有出发垃圾回收机制，数据依然是按照顺序进行存放的;第二，数据恢复前，固态硬盘上的数据没有触发垃圾回收机制，但是会存在多次修改的情况，可能会出现数据的不完整;第三，固态硬盘执行了垃圾回收，数据可能存在多次被截断的情况。

2.2 固态硬盘数据恢复原理

根据固态硬盘的数据存储原理可知，其数据恢复会存在多个步骤，主要分为以下两个部分：第一，对象信息的查找，固态硬盘的数据写入和读取方式与传统机械硬盘是不同的，在进行数据存储时，会先对存储对象建立信息的标签，然后才会在固态硬盘进行真实存储数据的写入;而固态硬盘数据恢复时，需要首先对这些写入信息的对象信息进行查找，找到后才能够根据对象信息寻找到数据真正存储的位置。固态硬盘对象信息的查找具有如下特点：第一，查找顺序是倒序的，这是因为数据删除和垃圾回收机制中，都是对先标记为删除的数据进行真实的删除操作，也就是说排在后面的数据标记的时间比较新，因此具有更多的恢复价值;第二，从时间维度上看，总是先恢复最后写入的数据，然后按照写入的时间顺序依次向前找，直到恢复所有可能的数据位置。第三，当对一个存储数据块存在多次操作时，则以最后的存储为主，这是该数据对象的最新信息，其他信息则只是数据块的历史状态，不需要全部进行恢复，在进行恢复时，可以适当跳过已经恢复的数据块，从而能够加快恢复速度。

2.3 文件的拼装

在完成了数据对象信息的查找之后，则需要对这些信息进行拼接，从而能够形成完整的文件。这是因为，对于较大的文件来讲，可能会存在多个不同的数据块中，在分散存储时可能受到损耗均衡策略的影响，数据块的存储位置是不确定的，因此就需要在恢复所有的数据块后，在对文件进行拼装操作。主要包括以下几个步骤：第一，根据文件的原始信息，对文件的数据块的数量、信息内容等进行对比，从而将文件进行恢复;第二，文件进行拼装后，还需要对其内容进行校验操作，确保文件保留的信息都是最近一次的修改信息，避免出现历史信息的情况。

3 固态硬盘数据恢复技术的应用

固态硬盘数据存储介质的局限性可知，数据恢复技术的实现发展是非常必要的，并且在实际工作中有着较为广泛的应用。经过本文的分析和总结，认为固态硬盘数据恢复技术主要应用在以下几个方面：

3.1 逻辑层数据恢复技术的应用

从上文的论述可知，逻辑层是针对用户的使用情况而产生的，在进行实验时选择了较为普通的固态硬盘，并且开启Trim命令。实验过程如下：第一，先向固态硬盘中添加一些小文件，这些小文件占用的数据块比较少，其余的数据块都是空白的，没有数据的写入;第二，将小文件的各项信息进行记录，然后选择几个小文件进行删除;第三，删除后等待一个小时候观察，发现被删除的数据依然存在在数据块中，这说明固态硬盘的数据删除并不是实时的，需要等待一段时间后才会被真正地删除;第四，这时再向固态硬盘中写入两个较大的文件，这些文件会沾满固态硬盘的绝大部分，经过一个小时之后，再观察上次被删除的几个小文件已经不存在，这说明垃圾回收机制被触发，可以得出垃圾回收机制是发生在写入时的结论。

因此，对逻辑层进行数据恢复时，需要在垃圾回收机制触发之前，否则垃圾回收机制触发之后，相应的数据就会被永久删除，无法进行恢复;而垃圾回收机制会存在主动回收和被动回收两种机制：主动回收机制，是文件系统主动触发的，是为了更好地保持固态硬盘的读写性能，在写入时会进行实时回收机制，这时写入数据可能会发生抖动的情况;被动回收机制，该机制在发现固态硬盘的存储率达到一定的额度后，会对标记为删除的数据进行回收，为后续的写入提供足够的空间，这种回收机制可以发生在任何时候。

3.2 物理层数据的恢复

物理层是固态硬盘数据的真实存储层，物理层的数据故障可能是多个方面的，主要分为两种：主控损坏和电路板损坏，如果是主控损坏，那么更换一块型号一致的电路板即可，将旧的电路板轻轻地取出，然后更换上新的电路板，并且放到对应的位置固定好，然后就可以开始进行数据恢复的操作了;如果是电路板损坏，那么同样是获取一块型号一致的电路板，将现有的数据芯片更换到新的电路板上即可，但是其中的数据可能就无法进行数据恢复操作了。因此，在这种情况下，需要注意对固态硬盘数据的备份和保存，从而能够确保数据的完整性，也为数据恢复提供了更多的可能性。如果通过现有的固态硬盘数据恢复技术，无法对其中的数据进行完整的恢复，使用备份数据是最有效的恢复方式。

3.3 固件层数据恢复

固件层方面的故障，会使得固态硬盘出现不认盘的情况，对于盘的型号、规模等相关数据无法进行读取，用户在这种情况下，需要让固态硬盘进入特定的模式，对损坏的固件进行修复，然后再对正常的数据进行恢复;当然，在一些特殊的情况下，依然无法将全部的数据进行恢复。这种情况下只能依靠原始的数据备份机制，对固态硬盘中的数据进行恢复操作。

综上所述，固态硬盘数据恢复技术的应用，需要根据固态硬盘不同位置的数据损坏情况有选择地使用，实际情况中，固态硬盘使用闪存介质提高读写性能，但是也牺牲了数据的可靠性特点。可以说固态硬盘的数据损坏是不可避免的，而且损坏的方式是多个方面的，虽然目前固态硬盘数据恢复技术有多种，但是针对一些特殊情况依然无法做到完全的数据恢复。所以，在进行固态硬盘的使用时，还需要做好数据的备份机制，确保数据的完整性，为用户使用固态硬盘提供更多的保障机制。

4 小结

总之，根据上文的分析和论述可知，固态硬盘虽然大大提高了计算机的读写性能，但是其存储介质的寿命是有限的，从而时常会出现坏块的情况，对于所存储数据的有效性产生的严重的影响。固态硬盘的数据恢复技术能够有效地对所损坏的数据进行恢复，提高用户的使用体验。通过上述研究，我们对固态硬盘的概念、存储原理以及固态硬盘数据恢复技术以及应用情况都有了一个相对全面的了解和认识。在今后的工作中，我们要结合我国计算机网络技术发展情况，以市场发展为导向，不断加大对于固态硬盘数据恢复技术的研究力度，提升固态硬盘对数据的存储、管理和保护性能。由于固态硬盘数据存储涉及范围较广、知识点较多，本课题受篇幅限制只选取其中的一些方面进行了探究，因此在研究上可能仍存在某些不完善之处。因此，作者也希望能够借助本课题的研究，引起人们对本课题的广泛热议，促使更多的技术人员、研究人员广泛的参与到本课题的研究中来，在群策群力的基础上促进本课题研究体系的完善。为我国固态硬盘恢复技术的发展奠定坚实的基础，切实保障计算机网络数据安全。

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