探索NTFS
NTFS是Windows NT引入的新型文件系统，它具有许多新特性。本文旨在探索NTFS的底层结构，所叙述的也仅是文件在NTFS卷上的分布。NTFS中，卷中所有存放的数据均在一个叫$MFT的文件中，叫主文件表(Master File Table)。而$MFT则由文件记录(File Record)数组构成。File Record的大小一般是固定的，通常情况下均为1KB，这个概念相当于Linux中的inode。File Record在$MFT文件中物理上是连续的，且从0开始编号。$MFT仅供File System本身组织、架构文件系统使用，这在NTFS中称为元数据(Metadata)。以下列出Windows 2000 Release出的NTFS的元数据文件(我将要给出的示例代码的部分输出结果)。
File Record(inode) FileName
------------------ --------
0 $MFT
1 $MFTMirr
2 $LogFile
3 $Volume
4 $AttrDef
5 .
6 $Bitmap
7 $Boot
8 $BadClus
9 $Secure
10 $UpCase
11 $Extend
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NtfsProtectSystemFiles用于隐藏这些元数据。默认情况下，这个变量被设为TRUE，所以使用dir /ah将得不到任何文件。知道这个行为后使用i386kd修改NtfsProtectSystemFiles后即可以列出元数据文件：
kd> x ntfs!NtfsProtect*
fe213498 Ntfs!NtfsProtectSystemFiles
fe21349c Ntfs!NtfsProtectSystemAttributes
kd> dd ntfs!NtfsProtectSystemFiles l 2
fe213498 00000001 00000001
kd> ed ntfs!NtfsProtectSystemFiles 0
kd> dd ntfs!NtfsProtectSystemFiles l 2
fe213498 00000000 00000001
kd>
D:>ver
Microsoft Windows 2000 [Version 5.00.2195]
D:>dir /ah $*
驱动器 D 中的卷是 W2KNTFS
卷的序列号是 E831-9D04
D: 的目录
2000-04-27 19:31 36,000 $AttrDef
2000-04-27 19:31 0 $BadClus
2000-04-27 19:31 67,336 $Bitmap
2000-04-27 19:31 8,192 $Boot
2000-04-27 19:31 <DIR> $Extend
2000-04-27 19:31 13,139,968 $LogFile
2000-04-27 19:31 27,575,296 $MFT
2000-04-27 19:31 4,096 $MFTMirr
2000-04-27 19:31 131,072 $UpCase
2000-04-27 19:31 0 $Volume
9 个文件 40,961,960 字节
1 个目录 51,863,552 可用字节
需要指出的是ntfs.sys将元数据文件以一种特殊的方式打开，所以在打开NtfsProtectSystemFiles后，如果使用ReadFile等产生IRP_MJ_READ等IRP包时将会导致Page Fault(详见Gary Nebbett的《Windows NT/2000 Native API Reference》)。
以上的讨论均是基于$MFT文件而讨论的，即基于$MFT中的File Record(inode)讨论的。为更好的继续以下的讨论，这儿我列出File Record Header的结构：
typedef struct {
ULONG Type;
USHORT UsaOffset;
USHORT UsaCount;
USN Usn;
} NTFS_RECORD_HEADER, *PNTFS_RECORD_HEADER;
typedef struct {
NTFS_RECORD_HEADER Ntfs;
USHORT SequenceNumber;
USHORT LinkCount;
USHORT AttributesOffset;
USHORT Flags; // 0x0001 = InUse, 0x0002 = Directory
ULONG BytesInUse;
ULONG BytesAllocated;
ULONGLONG BaseFileRecord;
USHORT NextAttributeNumber;
} FILE_RECORD_HEADER, *PFILE_RECORD_HEADER;
下面我将讨论如何定位$MFT。稍微有点操作系统知识的人都会知道引导扇区(Boot Sector)，其物理位置为卷中的第一个扇区。以下由dskprobe.exe(Windows 2000 Resource Kit中的一个小工具)分析的第一个扇区(当然也可以使用WinHex等其他应用程序)：
File: d:Sector00.bin
Size: 0x00000200 (512)
Address | 00 01 02 03-04 05 06 07 : 08 09 0A 0B-0C 0D 0E 0F | 0123456789ABCDEF
---------|-------------------------:-------------------------|-----------------
00000000 | EB 52 90 4E-54 46 53 20 : 20 20 20 00-02 08 00 00 | ?R?NTFS .....
00000010 | 00 00 00 00-00 F8 00 00 : 3F 00 F0 00-3F 00 00 00 | .....?..?.e.?...
00000020 | 00 00 00 00-80 00 80 00 : 90 C0 41 00-00 00 00 00 | ....?.?.惱A.....
00000030 | 04 00 00 00-00 00 00 00 : 09 1C 04 00-00 00 00 00 | ................
00000040 | F6 00 00 00-01 00 00 00 : 04 9D 31 E8-BB 31 E8 94 | ?.......?杌1钄
. .
. .
. .
000001F0 | 00 00 00 00-00 00 00 00 : 83 A0 B3 C9-00 00 55 AA | ........儬成..U?
这512字节为如下的格式：(摘自Gary Nebbett书中，本文许多代码均来自或参考此书。)
#pragma pack(push, 1)
typedef struct {
UCHAR Jump[3];
UCHAR Format[8];
USHORT BytesPerSector;
UCHAR SectorsPerCluster;
USHORT BootSectors;
UCHAR Mbz1;
USHORT Mbz2;
USHORT Reserved1;
UCHAR MediaType;
USHORT Mbz3;
USHORT SectorsPerTrack;
USHORT NumberOfHeads;
ULONG PartitionOffset;
ULONG Reserved2[2];
ULONGLONG TotalSectors;
ULONGLONG MftStartLcn;
ULONGLONG Mft2StartLcn;
ULONG ClustersPerFileRecord;
ULONG ClustersPerIndexBlock;
ULONGLONG VolumeSerialNumber;
UCHAR Code[0x1AE];
USHORT BootSignature;
} BOOT_BLOCK, *PBOOT_BLOCK;
#pragma pack(pop)
各个字段的详细意义从字段名中即可大致清楚。在linux-ntfs的GNU工程(http://sf.net/projects/linux-ntfs)中也有详细的文档，限于篇幅我不将其列出。可以使用如下代码读出卷中的第一个扇区：
hVolume = CreateFile(drive, GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, 0,
OPEN_EXISTING, 0, 0);
ReadFile(hVolume, &bootb, sizeof(bootb), &n, 0);
bootb是一个BOOT_BLOCK结构，在我的卷中如下格式(请对应Sector00.bin分析)：
Dump BootBlock at below:
BytesPerSector:200
SectorsPerCluster:8
BootSectors:0
SectorsPerTrack:3F
NumberOfHeads:F0
PartitionOffset:3F
TotalSectors:41C090
MftStartLcn:4
Mft2StartLcn:41C09
ClustersPerFileRecord:F6
ClustersPerIndexBlock:1
VolumeSerialNumber:E8319D04
BootSignature:AA55
以上的MftStartLcn其实是$MFT在卷中的簇(Cluster)号。簇是NTFS的基本单位，最小单位。一个只有1Byte的文件也要占用一簇的空间。NTFS使用LCN(Logical Cluster Number)来代表NTFS卷中的物理位置，其简单的从0到卷中的总簇数减一进行编号。对于一个特定的文件NTFS则使用VCN(Virtual Cluster Number)来映射LCN实现文件的组织。从MftStartLcn的值4可以知道$MFT的LCN为4与SectorsPerCluster、BytesPerSector的大小即可定位$MFT的位置。得到$MFT的位置后，如果遍历$MFT中所有的File Record即可以得到卷中所有的文件列表(前面已经提到File Record只是简单的从0开始编号)。也就是说到目前为止已经可以对文件组织有最简单的认识，但如何得到文件的信息呢，如文件名等等。NTFS中所有文件包括普通的用户文件、元数据文件均用同样的方式组织数据、属性等。我将nfi.exe(来自Windows NT/2000 OEM Support Tools)的输出结果列出，作为我叙述的开始：
D:>copy con file
testforntfs^Z
已复制 1 个文件。
D:>nfi d:file
NTFS File Sector Information Utility.
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