Аппаратные методы восстановления информации, хранимой на жестких магнитных дисках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аппаратные методы восстановления информации, хранимой на жестких магнитных дисках

Рассмотрены аппаратные методы восстановления информации, хранимой на накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД). Также рассмотрены принципы магнитной силовой микроскопии и работа системы позиционирования головок жестких дисков. Проанализированы факторы, влияющие на эффективность восстановления информации.

В компьютерных системах наиболее ценная и важная информация хранится в накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД). Это обуславливается их технико-экономическими показателями, такими как: энергонезависимость, простота в использовании, большие объемы данных при низкой стоимости хранения единицы информации, высокая скорость записи и считывания. Поэтому потеря данных, хранящихся на НЖМД, всегда очень болезненна для пользователей.

Потеря информации на НЖМД может происходить вследствие износа рабочих поверхностей пластин жесткого диска, что приводит к нарушению служебных областей диска и области данных, либо вследствие его поломки. Кроме того, потеря данных может произойти и на полностью исправном НЖМД вследствие некомпетентных действий пользователей, системных сбоев, воздействий вирусов. Во всех этих случаях результат один - невозможность считывания информации штатными средствами.

Ценность утерянной информации изменяется в широких пределах: от малоценной до бесценной. В ряде случаев ценность утерянной информации настолько велика, что заказчик готов платить любые деньги за ее восстановление.

Физические основы восстановления информации на НЖМД

Возможность восстановления информации на НЖМД основывается на следующих факторах:

- изменениях чувствительности головок и напряженности магнитного поля на поверхности пластины во времени;

- невозможности точного позиционирования головки записи в каждом процессе записи.

В обоих этих случаях головка записи изменяет полярность большинства, но не всех магнитных областей (доменов). Если для работы берется новый жесткий диск, то при первой записи данных на его рабочую поверхность при записи 1 записывается 1, при записи 0 - записывается 0. Однако при перезаписи 1 поверх 0 фактически запишется величина по амплитуде равная 0,95, а при перезаписи 1 поверх 1 величина поля по амплитуде будет составлять 1,05 1. Обычный контроллер жесткого диска будет считывать эти значения как равные 1, но при использовании специализированных устройств действительные состояния могут быть детектированы. Восстановление одного или двух «слоев» записанных данных несложно осуществить, считав данные специальной аналоговой головкой с высококачественным осциллографом и затем проанализировав сигналы с помощью специализированного программного обеспечения (ПО). Такое ПО генерирует «идеальный» сигнал считывания и вычитает из него действительный сигнал. В результате получается остаток предыдущего сигнала.

Методы восстановления данных, сохраненных на магнитных накопителях, стали бурно развиваться с изобретением методов магнитной силовой микроскопии (MFM), основанной на сканирующей зондовой микроскопии (SPM). На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема SPM микроскопа.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема SPM микроскопа

Для построения изображения образца SРM микроскопы используют острый наконечник. Между ним и образцом подается напряжение смещения. При сближении наконечника и образца на расстояние d ? 10 Е электроны из образца начинают туннелировать в наконечник (рис. 2).

Рис. 2. Возникновение туннельного тока между наконечником и образцом

Возникающий туннельный ток изменяется в зависимости от расстояния между наконечником и образцом. Этот ток и является выходным информационным сигналом. Зонд сканирует анализируемую поверхность на расстоянии порядка 10-100 Е, при этом система обратной связи непрерывно корректирует его положение в вертикальной плоскости с помощью оптического интерферометра или туннельного зонда 1. После сканирования наконечником поверхности образца строится его изображение.

Однако, методы SPM микроскопии не позволяют получить изображение пространственного распределения магнитного поля. Для этого применяют метод MFM. В этом случае используется острый магнитный наконечник, закрепленный на гибкой консоли (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид магнитного наконечника

магнитный микроскопия диск информация

Для изготовления наконечника на специально подготовленную поверхность напыляется чистый никель. Затем тонкая пленка никеля снимается и для защиты от коррозии покрывается слоем золота толщиной порядка 3 Е. Полученный наконечник устанавливается на гибкой консоли, которая колеблется с частотой, приблизительно равной собственной резонансной (порядка 100 кГц). Взаимодействие наконечника с магнитным полем анализируемой поверхности изменяет частоту колебания консоли. Этот сдвиг частоты детектируется с помощью оптического интерферометра. На основании полученных данных формируется изображение зон намагниченности.

Если автоматизировать последовательность сбора данных об участках диска и обеспечить сбор информации со всего диска для создания его электронного образа, то задача восстановления информации будет решена. Соответствующее программное обеспечение и специализированный компьютер теоретически могут решить данную задачу.

По данным изготовителей, в настоящее время эксплуатируется несколько тысяч SPM микроскопов, причем многие из них производились для анализа поверхностей пластин жестких дисков.

Существуют также и другие методы анализа магнитных сред. Суть их заключается в использовании ферромагнитных жидкостей или тонких ферромагнитных.

Для изготовления наконечника на специально подготовленную поверхность напыляется чистый никель. Затем тонкая пленка никеля снимается и для защиты от коррозии покрывается слоем золота толщиной порядка 3 Е. Полученный наконечник устанавливается на гибкой консоли, которая колеблется с частотой, приблизительно равной собственной резонансной (порядка 100 кГц). Взаимодействие наконечника с магнитным полем анализируемой поверхности изменяет частоту колебания консоли. Этот сдвиг частоты детектируется с помощью оптического интерферометра. На основании полученных данных формируется изображение зон намагниченности.

Если автоматизировать последовательность сбора данных об участках диска и обеспечить сбор информации со всего диска для создания его электронного образа, то задача восстановления информации будет решена. Соответствующее программное обеспечение и специализированный компьютер теоретически могут решить данную задачу.

По данным изготовителей, в настоящее время эксплуатируется несколько тысяч SPM микроскопов, причем многие из них производились для анализа поверхностей пластин жестких дисков.

Существуют также и другие методы анализа магнитных сред. Суть их заключается в использовании ферромагнитных жидкостей или тонких ферромагнитных пленок в комбинации с оптическими микроскопами. Физический принцип регистрации статического магнитного поля - следующий. Магнитное поле исследуемой поверхности воздействует на структуру магнитооптического кристалла. В результате быстрого нагревания кристалла до «точки Кюри» в нем фиксируется «отпечаток» исследуемого магнитного поля, который можно увидеть и зафиксировать через оптический микроскоп. Недостатком такого метода является его неэффективность при плотностях записи порядка Гбит/кв.дюйм, поскольку в этом случае размер магнитных доменов меньше длины волны видимого света.

Особо следует остановиться на возможности восстановления данных, основанной на неточности позиционирования головки записи при каждом новом проходе над поверхностью диска.

Рассмотрим основные принципы работы системы позиционирования головок НЖМД.

Считывание информации с жесткого диска производится следующим образом:

1) сервопривод перемещает головку на нужную дорожку;

2) головка начинает считывать служебную информацию, а контроллер ожидает, пока диск повернется и под головкой не окажется нужный сектор;

3) контроллер начинает выдавать данные, считанные головкой чтения из нужного сектора.

Рис. 4. Составляющие системы позиционирования НЖМД

В первых НЖМД для перемещения головки применяли систему позиционирования с шаговым двигателем. Такая система была проста, но не позволяла достичь малого времени доступа. Кроме того, все увеличивающаяся плотность записи требовала увеличения количества дорожек на рабочей поверхности пластины жесткого диска и, как следствие, уменьшения расстояния между двумя соседними дорожками. Система позиционирования с шаговым двигателем была разомкнутой (не имела обратной связи) и не обеспечивала тонкую подстройку при изменении внутренних и внешних факторов (температурные, трение). Поэтому ее заменила более прогрессивная система с соленоидным двигателем (звуковая катушка). Сначала она была основана на линейном перемещении блока головок, но уменьшение размеров НЖМД потребовало перейти к принципу сбалансированного ротационного позиционирования [2].

В таком приводе блок головок связан с катушкой индуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магнита. Головки жестко закреплены на поворотной рамке вместе со звуковой катушкой, через которую протекает ток. Изменение тока в катушке приводит к ее перемещению относительно жестко закрепленного магнита, а значит и к перемещению блока головок. Управляя направлением и величиной тока через катушку, можно быстро перевести блок головок в любое положение над пластиной жесткого диска. Замкнутая система обратной связи, отслеживающая положение головки, обеспечивает ее точное позиционирование и нахождение в нужной точке. Управление сервоприводом может быть оптимизировано по времени перемещения головки на требуемую позицию. В этом случае, если отклонение от нужного положения значительное, подается больший ток, вызывающий ускорение и быстрый полет головки. По мере приближения к нужной точке ток уменьшается, а для компенсации инерции в конце полета ток может поменять направление. При этом будет происходить торможение (рис. 5).

Рис. 5. Токовый импульс позиционирования и скорость движения головки

магнитный микроскопия диск информация

Процесс перемещения головок происходит следующим образом.

1. Контроллер определяет, на сколько цилиндров необходимо переместить блок головок и в какую сторону (уменьшение или увеличение номера цилиндра).

2. Формируется импульс тока требуемой полярности и амплитуды. В зависимости от длины перемещения вводится понятие класса позиционирования, по которому формируются токовые импульсы перемещения. Чем больше число классов позиционирования у накопителя, тем быстрее накопитель находит нужную дорожку (см. рис. 6 и таблицу).

Рис. 6. Классификация скорости позиционирования

Таблица

3. Ожидание на время свободного полета.

4. Формирование тормозящего импульса обратной полярности.

5. Включение системы тонкого регулирования для точной подстройки на дорожку.

Работа системы тонкого регулирования основывается на считывании сервоинформации (СИ) - вспомогательной разметки на диске. Сервоинформация наносится на поверхность при производстве диска специальным высокоточным оборудованием. Читающая головка постоянно считывает сервоинформацию. Отфильтрованная и усиленная СИ поступает в серводемодулятор, где расшифровывается. На основании полученной информации подается воздействие на устройство управления соленоидным приводом. Таким образом осуществляется слежение с помощью устройства тонкой регулировки (рис. 7) [3].

Построение системы тонкого регулирования по такому принципу позволило значительно уменьшить влияние температурных и других негативных факторов на точность считывания информации, так как сервометки, являющиеся частью СИ, располагаются рядом с дорожками данных (рис. 8). Сервометки записываются в области, расположенные между дорожками, на этапе сборки накопителей с помощью высокоточного специального оборудования.

Рис. 7. Структурная схема системы управления позиционированием с соленоидным двигателем

магнитный микроскопия диск информация

Рис. 8. Структура сервоинформации в секторе

Когда головка считывания находится точно посредине между парой соседних сервометок, сигнал рассогласования равен нулю. При отклонении головки в сторону от дорожки возникает сигнал рассогласования, полярность которого зависит от того, в какую сторону она отклонилась. При этом вырабатывается воздействие на катушку, и она смещается в нужную сторону.

Несмотря на достаточно высокую точность системы позиционирования, в последовательных процессах записи данные перезаписываются не поверх, а с неким пространственным или фазовым сдвигом. При этом на краях дорожки всегда возникают зоны остаточной намагниченности (рис. 9).

Рис. 9. Зоны остаточной намагниченности на краях дорожки.

При нормальном процессе считывания стандартная головка чтения усредняет сигнал, считанный с дорожки, при этом любая остаточная намагниченность на краях дорожки привносит лишь незначительный дополнительный шум, который не принимается во внимание. Площадь головки чтения на дорожке достаточно широка, по сравнению с узкими полосками остаточной намагниченности по краям дорожки. Кроме того, ширина зазора головки записи больше, чем головки чтения, и это приводит к тому, что стандартная головка практически не подходит к краям дорожки, записанной более широкой головкой записи.

Отклонение позиции головки от начальной дорожки могут приводить к тому, что значительная часть «старых» данных останется неизменной. Вновь записанные данные, отображаемые как широкие темные и светлые полосы на MFM изображениях (рис. 9), часто налагаются на предварительно записанные старые данные, сохраняющиеся на краях дорожки. Но старые и новые данные не совпадают по фазе. В местах сдвига фаз возникают интерференционные полосы, по которым и происходит восстановление информации.

Кроме того, новая дорожка может быть модулирована по ширине. Эта модуляция зависит от смещения головки записи от осевой линии дорожки, а также от фазового соотношения между старыми и новыми данными, что позволяет восстанавливать старые данные, даже если они непосредственно больше не различимы (рис. 10).

Эффективность перезаписи зависит также от позиции головки относительно первоначальной дорожки записи. Если головка совмещена с дорожкой, то эффективность перезаписи высока. При сдвиге головки записи от осевой линии дорожки заметно снижается эффективность перезаписи и, наряду с вновь записанным сигналом, считываются составляющие старого сигнала.

Общий вывод: Каждая дорожка хранит образ всего когда-либо записанного на нее, но вклад каждого «слоя» уменьшается пропорционально давности записи.

Рис. 10. Неточность позиционирования и вобуляция траектории головки в процессе слежения за дорожкой

Факторы, влияющие на эффективность восстановления информации

Зависимость коэрцитивной силы от температуры также воздействует на возможность перезаписи. Если данные первоначально были записаны при температуре, при которой коэрцитивная сила была низка, а перезаписаны, при той, когда коэрцитивная сила относительно высока, то сохраняется потенциальная возможность восстановления первоначальных данных. Это важно для жестких дисков, температура внутри корпуса которых колеблется.

Эффективность перезаписи зависит и от температурных изменений в головке записи/чтения.

2. Старение

Старение также оказывает влияние на стираемость магнитных накопителей. Отмечено снижение стираемости на несколько дБ, причем стираемость данных зависит не от возраста магнитного носителя, а от времени хранения данных в магнитном носителе. Чем оно больше, тем больше остаточная намагниченность участка.

Дополнительные методы восстановления информации

1. Использование дефектных секторов.

После изготовления HDD магнитная поверхность диска сканируется на наличие дефектов, которые записываются в карту дефектов. Появляющиеся в процессе эксплуатации дефекты добавляются в эту карту аппаратным или программным обеспечением контроллера НЖМД.

Существует несколько методов маскировки дефектов поверхности в процессе работы HDD:

1) перенос данных на резервную дорожку, размещаемую между дорожками данных. При этом значительно уменьшается полезная емкость накопителя;

2) размещение резервных секторов в конце каждой дорожки. В эти сектора переносят данные с поврежденных секторов на дорожке. Это уменьшает емкость накопителя на 1-3 %. При этом методе увеличивается и время ожидания;

3) встроенный резервный сектор также использует размещение резервного сектора в конце каждой дорожки. При обнаружении дефектного сектора переназначаются идентификаторы секторов так, что дефектный сектор пропускается, и запись/считывание осуществляется из резервного сектора в конце дорожки. Это самый эффективный метод, так как вносимая задержка равна времени, необходимому, чтобы пропустить дефектный сектор.

При удалении данных с HDD программным путем, как правило, забывают о наличии дефектных секторов, куда когда-то была записана информация. Диск со временем стареет и количество информации, сохраненной в дефектных секторах, растет. Эти данные могут быть считаны и оказаться очень полезными при восстановлении информации на диске.

2. Использование корректирующих кодов.

Увеличение плотности записи вызывает появление ошибок чтения данных, и производители HDD стали применять сложные корректирующие коды, исправляющие пакеты многократных ошибок. Типичный привод может иметь в каждом секторе 512 байт данных, 4 байта CRC и 11 байт корректирующего кода (ЕСС). Такой корректирующий код способен исправлять одиночные пакетные ошибки длиной до 22 бит, двойные пакетные ошибки длиной до 11 бит и обнаруживать одиночные пакетные ошибки длиной до 51 бит 1.

Поэтому, даже, если некоторые данные гарантировано удалены, существует теоретическая возможность их восстановления, используя возможности коррекции ошибок.

Выводы

магнитный микроскопия диск информация

С развитием методов записи информации на HDD развиваются и методы восстановления потерянных (удаленных) данных. Поэтому актуальной задачей является осознание особенностей хранения важных данных на HDD, резервирования их, а также осознание надежного удаления их с магнитного носителя.

Литература

магнитный микроскопия диск информация

1. Gutmann Peter. Secure Deletion of Data from Magnetic and Solid-State Memory. - University of Auckland. - 1996.

2. Mueller Scott, Zacker Craig. Upgrading and repairing PCs. Tenth Anniversary Edition. - Que Corporation, 1998.

3. Программно-аппаратный комплекс РС-3000 для ремонта и восстановления HDD IDE (ATA).

Размещено на Allbest.ru