硬碟數據加密備份及還原方法
2023-06-05 00:53:11
專利名稱：硬碟數據加密備份及還原方法
技術領域：
本發明涉及一種用於保障數據安全性的硬碟數據加密備份及還原方法。
背景技術：
目前，電腦病毒和網上黑客的危害性越來越大，往往直接威脅到計算機用戶的數據安全和正常的使用。所以電腦用戶對計算機及計算機數據、特別是硬碟數據的安全性要求也越來越高。於是出現了殺毒軟體和防火牆等計算機安全軟體。但是，到目前為止，尚未有理論模型表明殺毒軟體可以對清除所有的未知病毒或黑客程序，因此殺毒軟體雖然可以清除大部分病毒，但是它有一定的滯後性，用戶還需要經常到網站上升級病毒代碼，升級不便，並且上網時還有可能感染新的病毒或成為黑客攻擊的對象；而且，不能保證清除所有病毒及黑客程序。
而防火牆對於網絡的安全有一定的作用，但也不是十分可靠(特別是對防範黑客)。而且殺毒軟體、防火牆軟體安裝後一般都有實時監控程序在系統中運行，會佔用一部分的系統資源，降低計算機的性能。並且因為同是系統監控程序，有時還會有兼容性的問題，會與其它軟體發生衝突並造成系統癱瘓等更嚴重的後果(例如將KV3000、瑞星、KILL和NORTON等殺病毒軟體安裝在同一臺計算機上，就會使計算機經常藍屏)。同時這兩類軟體對用戶的誤操作造成的損失或系統崩潰造成的文件丟失是沒有辦法來避免的。
所以，既提高計算機安全性、又不影響計算機性能的辦法之一就是把系統和重要數據進行備份。現有的備份技術主要有以下幾種一種方法是，將數據備份到一個普通文件中(如Symentic公司的Ghost)，該方法的缺點是普通文件不安全，用戶可能因為誤操作而將備份文件刪除，或者備份文件被一些惡意的程序破壞。所以通常需要把備份文件轉移到其他備份介質(CDRW或磁帶)以保證安全。另一種方法是，把備份數據寫到隱藏分區中(如PowerQuest公司的Drive image)。還有一種方法是，在硬碟上創建一個鏡向分區，把要備份的分區的數據在鏡向分區中作一個備份。該方法的缺點是一次只能有一個鏡向備份，如果用戶希望備份多個分區，那麼通過這種方法是不能實現的。
上述幾種方法共同的缺點就是必須在Dos環境下實現。用戶備份數據首先需要多次重新啟動計算機，切換作業系統。這樣做會給用戶操作帶來很多不便，而且系統切換浪費大量時間。特別是在從Windows系統到DOS系統切換時，需要中止Windows系統中其他正常運行的程序，如果用戶正在運行非常重要的應用程式、而該程序不能中止，則無法實現備份。同時這些軟體主要的功能是分區備份，但對於用戶來說最常用的功能是將自己重要的數據備份，而不是整個分區甚至整個硬碟。所以以上方法都有一定的局限性。
發明內容
本發明的目的在於一種安全性能高、使用方便的硬碟數據加密備份及還原方法，使備份在本機硬碟中的數據安全可靠，用戶可以非常方便地在Windows作業系統下進行數據備份及還原。
本發明的技術方案如下根據本發明的一種硬碟數據隱藏加密備份及還原方法，包括以下步驟(1)分區設置步驟，在硬碟內設置一個分區；(2)分區隱藏步驟，隱藏該分區，使得該分區及其數據不能被作業系統或其他基於文件系統的程序訪問；(3)數據備份步驟，將用戶指定的需備份的硬碟數據存儲在該分區；(4)數據還原步驟，將隱藏分區中的數據還原到可被訪問的硬碟分區中。
在本發明中所述的分區設置步驟，可由用戶根據需備份的數據量設置該隱藏分區的大小。這使得用於備份數據的分區之容量得以成分利用。
在本發明中，所述的分區隱藏步驟可以是在硬碟分區表中為該分區定義一個特定的類型值，該類型值不同於其它可被用戶訪問的分區之類型值。
在本發明中，所述的數據備份步驟可以是將用戶指定的需備份數據以扇區的形式寫入該隱藏分區。
在本發明中，所述的數據備份步驟還可進一步包括以下步驟(1)由用戶指定需備份的文件或文件目錄；(2)將備份節點信息寫入該備份數據區的第一區域，每一個備份節點含有若干個備份數據文件，該備份節點信息表示備份文件的基本信息，包括關於該備份節點的文件類型、名稱、偏移位置、長度、創建時間、備份文件的數據和屬性在該備份節點中的長度；(3)將備份數據文件以扇區的形式寫入該備份數據區的第二區域；(4)將備份文件的屬性信息寫入該備份文件的第三區域，其中包括備份文件的文件名、長度、創建時間、訪問時間及其在備份數據區中的相對位置和長度。
在本發明中，在將備份數據文件寫入隱藏分區之前，可先將備份數據文件進行壓縮。
在本發明所述的數據備份步驟和數據還原步驟中，對隱藏分區的扇區進行讀寫訪問可以是通過一套對硬碟物理扇區操作的接口函數實現的，該接口函數是根據Windows作業系統的硬碟訪問接口而建立的。
在本發明中所述的數據還原步驟可以是將隱藏分區中的備份數據以扇區形式讀出，再將所讀取的數據還原為所備份的數據文件。
在本發明中，所述的數據備份步驟及數據還原步驟可以是利用Windows作業系統下的虛擬設備驅動程序實現的。
在本發明的一個實施例中，所述的Windows作業系統包括Windows 9x系統(例如Windows 95及Windows 98系統)，所述的虛擬設備驅動程序是由Windows 9x系統的虛擬設備驅動程序的開發工具實現的，包括以下步驟(1)保存當前虛擬機的寄存器狀態；(2)轉入虛擬86方式；(3)調用INT 13中斷；(4)退出虛擬86方式；(5)恢復當前虛擬機的寄存器狀態。
在本發明中，所述的Windows作業系統可包括Windows 2000作業系統和Windows XP作業系統，所述的虛擬設備驅動程序可以是由Windows 2000作業系統或Windows XP作業系統提供的SYS格式的驅動程序。
在本發明中，所述的方法可以是在Windows作業系統下實現的。在本發明的實施例中，本發明是通過Windows作業系統下的一個軟體實現的。
利用本發明，用戶可以在Windows作業系統(如Windows98，Windows 2000，Windows XP等作業系統)下，以儘量短的時間、儘量少的空間佔用和儘量簡單的操作過程，直接將重要數據備份到很安全的隱藏分區中，同時保證系統中同時運行的其他程序不受該備份過程的影響，用戶不需要中止其他正在運行的程序。
利用本發明，可以在Windows下實現隱藏分區的創建、刪除等管理；在Windows作業系統中可以直接將用戶的數據備份存放在隱藏分區，或將隱藏分區中的備份數據還原。所有這些功能在Windows下的實現可以大大的方便用戶，使用戶可以在工作的間隙輕鬆地完成對重要數據的備份。
本發明是深入系統內核、可基於Windows系統開發的深層次專業數據安全保護工具，它可在硬碟上利用獨有的方式開闢一個非常安全的隱藏分區，用於備份數據。由於通常病毒和黑客程序都是基於文件系統的，因此在文件系統上計算機數據的安全是很難保證的。而本發明所設置的隱藏分區的操作低於文件系統這一層，使得Windows系統不能識別該隱藏分區，一般的程序也不能訪問到該隱藏分區，所以，病毒和黑客程序也通常不能訪問到該隱藏分區，即使能夠訪問到，它也不知道隱藏分區中的數據格式，這樣就可以保證隱藏分區中數據的安全。所備份的數據不會受到病毒、系統崩潰、程序衝突的影響，只要硬碟不是物理損壞，隱藏分區中的所有信息就可安全還原。用戶可任意選擇保護硬碟上的作業系統、重要目錄或文件，可對硬碟進行任意設置、任意修改、任意格式化或重新分區而不會影響備份分區。
由於目前計算機的硬碟通常具有很大的容量，用戶可以根據自己要備份數據的多少創建一個大小合適的隱藏分區，用隱藏分區來備份重要數據，這樣就可以不用購買其他存儲設備，從而為用戶節省有關的費用。
利用本發明可以實現高速高效的數據備份軟體。例如DMA66雙硬碟間備份時可達每分鐘200兆字節，數據還原時可以達到接近每分鐘400兆的速度。本發明之軟體運行時間快、操作方便。用戶備份時不用重新啟動計算機、切換到DOS下；也就節省的啟動電腦的時間，從需要幾分鐘、甚至十幾分鐘的備份時間變為短短的幾十秒種！同時這種備份是隨時可以進行，隨時可以結束的，備份的同時，用戶還可以用電腦進行其他工作，備份不會干擾用戶運行的其他重要程序，更不會中止這些程序的運行。此外，用戶也不用在DOS下進行任何操作，省去學習和熟悉DOS操作的的麻煩。因此十分方便。
以下結合附圖進一步本發明的實施例。
圖1是本發明之方法的總流程圖；圖2是本發明之實施例的數據備份方法之流程圖；圖3是本發明之實施例的數據備份方法之程序界面圖；圖4是本發明之實施例的數據還原方法之流程圖；圖5是本發明之實施例的數據還原方法之程序界面圖。
如圖1所示，在Windows作業系統下，用戶可隨時調用實現本發明之方法的程序，進入相應的用戶界面。用戶可以根據需要對隱藏分區進行管理，通過虛擬設備驅動程序訪問硬碟的參數和物理扇區，結合分區表操作模塊，創建一個隱藏分區，從而在硬碟上構成一個數據安全區域用於備份數據。用戶也可以刪除該隱藏分區，並可以調整該隱藏分區的大小而無損備份數據。
在本發明中，對硬碟分區表和隱藏分區的全部訪問操作是在硬碟的物理扇區這一層。實現方法與作業系統密切相關。在本發明的實施例中，實現了在Windows系統下對硬碟物理扇區的訪問，具體說明如下。
在Dos系統下PC機上存取硬碟的接口有三層，它們分別是作業系統層、基本輸入輸出系統(BIOS)層和輸入輸出埠(I/O Port)層。作業系統層提供各種高級的功能調用，其中關於硬碟存取的功能包括生成文件、刪除文件、更改文件名、寫入和讀取文件等。在這層中也可以對邏輯磁碟分區的讀寫。但是在該層中不能讀取硬碟分區表。作業系統層對磁碟的操作非常容易，但是功能有限。BIOS(Basic Input/Output System)中提供相當完備的磁碟服務，如讀寫扇區、格式化單一磁軌等。在這一層中沒有文件的概念，磁碟的讀取是與扇區為單位的，所以速度比作業系統層快很多。I/O Port層是很低級的接口，它直接給控制卡下命令，所以功能非常強大，並且讀取速度最快。但是它與控制卡連接緊密，如果換用另一種類型的控制卡，那麼它就沒有作用。Windows9x中，仍有DOS虛擬機環境，支持DOS程序運行，這些程序可以使用BIOS/DOS中斷對硬碟訪問，但已不能使用ATAPI接口訪問硬碟。據我們分析發現，DOS虛擬機提供了DPMI(DOS保護模式接口)，原DOS程序在使用BIOS中斷INT 13或DOS中斷INT 21時，實際是通過DPMI接口對硬碟進行訪問的，但這些訪問受Windows保護的限制，不能對所有的硬碟扇區的數據進行讀寫；同時為了安全，ATAPI訪問已被禁止使用了。而32位Windows程序只能在Windows 9x及Windows 2000/XP作業系統中運行，更因安全原因，而被禁止使用上述硬碟訪問接口對硬碟進行訪問。不能使用上述方式對硬碟進行直接訪問，因此，很多備份軟體是DOS程序，或者主要程序是DOS程序，在DOS系統下運行。在本發明的實施例中，通過採用設備驅動程序可以實現直接對硬碟之物理扇區的訪問。
Windows是一個運行在最高級特權，第0層級別的多線程作業系統。所有的應用程式都運行在最低級特權，第3層級別上。這樣就限制了應用程式對系統的操作。它們不能使用CPU特權指令，不能直接訪問I/O埠，硬碟的物理扇區等等。系統的控制實權掌握在設備驅動程序手中。Windows9x是一個兼容性非常好的作業系統，它可以運行絕大多數Dos程序，但是因為Dos程序和Windows程序有本質的不同，Dos程序認為它們擁有系統的一切鍵盤，CPU，內存，硬碟等等。Dos程序不知道怎樣和其他程序合作，而Windows程序是多任務合作系統。也就是每個Windows程序都必須通過GetMessage或PeekMessage來和其他程序進行交流。為了解決這個問題，Windows9x在一個8086虛擬機上運行所有的Dos程序，而在另一個叫做系統虛擬機的虛擬機上運行其他所有的Windows程序。Windows9x負責把CPU運算時間輪流的分給每個虛擬機。虛擬機是被軟體創建的一個假象。一個虛擬機和在它上面運行的程序交互，就像這個程序是在真正的機器上運行一樣。這樣，一個程序不知道也不關心自己是否是在虛擬機上運行。只要虛擬機準確的像一個真的機器一樣響應程序，它就可以被當成是一個真正的機器。
Windows 9x下設備驅動程序的格式為VxD(Virtual X Driver)。x代表各種設備的名字，如虛擬鍵盤驅動程序(vkd)，虛擬滑鼠驅動程序(vmd)等等。VxD程序是硬體成功初始化的途徑。VxD程序通常虛擬一些硬體設備，所以，例如當一個Dos程序認為它在同鍵盤通訊時，實際是虛擬鍵盤驅動程序在和Dos程序通訊。一個VxD程序通常控制真正的硬體設備並對該設備在各個虛擬機之間的共享進行管理。儘管如此，並不是說每個VxD程序必須和一個硬體設備相連。雖然VxD程序是用來虛擬硬體設備的，但是也可以把VxD程序看作是在第0級別的dll。例如，如果需要做一些只有在第0級別才能做的工作，就可以設計一個VxD程序來完成這個工作。這樣，由於此VxD程序並沒有虛擬任何設備，可以把它僅僅看作是用戶程序的擴展。
VxD的開發工具可以採用Windows 9x DDK或VToolsD。它的實現步驟大致如下1.保存當前虛擬機的寄存器狀態2.使用Begin_Nest_V86_Exec轉入虛擬86(V86)方式
3.使用Exec_Int(0x13)來調用int 13中斷。
4.使用End_Nest_Exec退出虛擬86方式5.恢復當前虛擬機的寄存器狀態VxD程序是Windows 9x特有的驅動程序，它在Windows NT、2000下不能運行。它能夠獲得CPU的0級權限，並能夠直接訪問計算機硬體。在WindowsNT/2000/XP平臺上的設備驅動程序為SYS格式，它的原理和目的與VxD類似，都是為了獲得CPU的最高級權限，並直接訪問計算機硬體。
運行實施本發明之方法的軟體，需要同時運行在Windows9x和Windows2000/XP下，所以VxD和SYS格式的驅動程序都需要。在windows9x下可以按上述方法開發一個VxD驅動程序，而Windows2000/XP作業系統已經提供一個可以訪問硬碟參數和物理扇區的驅動程序。
本發明以在Windows的設備驅動程序作為基礎，建立了一組對隱藏分區操作的接口函數，這些函數用於得到硬碟的參數(硬碟扇區的總大小、物理磁頭數、物理柱面數、物理扇區數、邏輯磁頭數、邏輯柱面數、邏輯扇區數等)以及提供訪問(讀寫)硬碟物理扇區功能。通過這組函數我們可以實現對隱藏分區中的備份文件存取的功能，從而建立了一套完整的Windows開發環境，直接對隱藏分區及其備份文件進行操作。
在本發明中，實現備份數據區的隱藏是保證備份數據安全性的關鍵，這樣可以禁止任何基於文件系統的訪問和基於作業系統的訪問，從而防止因用戶誤操作或病毒導致數據破壞。
隱藏分區實現的原理是在硬碟的0磁軌0柱面1扇區位置是MBR(MAIN BOOT RECORD)，即主引導記錄區，它包括硬碟引導程序和分區表。引導程序完成的任務就是檢查分區表是否正確以及確定哪個分區可以被作業系統引導。分區表位於本扇區的最末端，在MBR的偏移位置0x1BE，以80H或00H為開始標誌，共0x40位元組，每0x10位元組記錄分區的信息，共可記錄四個分區的信息。後續的2個字節的內容為55AAH，表示MBR的數據是合法可用的。值得一提的是，MBR是由分區程序(例如DOS的FDISK.EXE)產生的，它不依賴於任何作業系統，而且硬碟引導程序也不是一成不變的，可以由用戶進行改變，只要它能完成前述的任務。這也是為什麼能實現多系統啟動的原因。在MBR中最多可以記錄4個分區，為了突破這個限制，擴展分區的概念被引入。用戶可以在MBR中創建一個擴展分區(被稱為主擴展分區)，在該主擴展分區中又可以創建再擴展分區和邏輯分區，(它們的存儲格式於MBR中分區項相同)，而再擴展分區又可以繼續劃分下去。這樣就可以構造多於4個分區的分區表。作業系統是通過分區表訪問硬碟的。通過分析分區表結構，可以實現分區表的創建、刪除、修改、提取、還原等操作。在分區表的每一項中的0x10個字節中有一個字節表示分區的類型，如FAT32的類型值是0xb，NTFS類型值是0x7。
在本發明中定義一個與當前所有分區類型值不同的數值為一個分區的類型值，因此，作業系統就不能識別該分區，這樣就可以定義出一個特殊的分區，作為一個對作業系統隱藏的分區，並且可以對該隱藏分區進行操作。
在實現隱藏分區創建、刪除等操作的同時，本發明定義隱藏分區中數據的儲存方式，即它的文件系統結構，並且實現操作隱藏分區中數據的全部方法，這樣，本發明就實現了對隱藏分區進行管理的技術。
隱藏分區中的數據的基本結構如下1、在隱藏分區的第一區域內記錄備份文件的基本信息。如備份文件的類型、名稱、偏移位置、長度、創建時間、備份文件的數據和屬性在該備份中的長度等等信息。這個區域稱為備份節點區。在一個實施例中，該區域為隱藏分區的第一個扇區。
2、在隱藏分區的第二區域存儲備份文件的數據。這些數據壓縮(用戶選擇壓縮)或不壓縮(用戶選擇不壓縮)順序存放到該區域。該區域被稱為備份數據區。
3、隱藏分區的第三區域保存的是備份文件的屬性信息。如文件名、長度、創建和訪問時間以及它的數據在第二部分中的相對位置和長度等等文件的屬性。該區域被稱為備份目錄區。
在本發明的一個實施例中，如圖2和圖3所示，硬碟數據備份的過程如下1、用戶選擇要備份的目錄(文件)和備份方法(是否壓縮、壓縮方法)後，本程序通過Windows提供的文件訪問函數(MFC的CFile、CFileFinder類以及一些Windows API函數)依次打開這些文件。
2、把所有打開的文件的內容讀入內存，並把它們壓縮(如果用戶選擇壓縮)到另一個內存塊中，並且構造一個文件屬性列表，把所有文件的所有屬性加入該列表中。然後以扇區的形式寫入隱藏分區中備份數據區。
3、把上面所有的文件的屬性(文件名、長度等)(通過文件屬性列表)以及它們的數據在隱藏分區中的偏移位置、大小等寫入隱藏分區備份目錄區。
4、上面所以步驟完成之後，在隱藏分區的備份節點記錄備份節點信息。這樣就完成備份操作。
如圖3所示，在「備份」屬性頁的左邊的樹形窗口中選擇要備份的文件，圖中為C\My Documents目錄，單擊「開始備份」按鈕就就開始把C\MyDocuments目錄的文件備份到隱藏分區。
在本發明的一個實施例中，如圖4和圖5所示，硬碟數據還原的過程如下1、在用戶選擇要還原的備份後，本程序定位到備份節點區，根據該區的信息初始化備份節點的基本信息，如備份數據區和目錄區的位置和大小。
2、定位到備份目錄區，讀出目錄區的數據，根據存儲的格式得到所有備份文件的所有屬性和它們在數據區中的位置，然後用Windows的文件訪問函數創建這些文件，設置它們的屬性，並把它們在數據區中的數據解壓(如果壓縮)或直接寫入相對應的文件。這樣就完成還原操作。
如圖5所示，在「還原」屬性頁的左邊的樹形窗口中選擇要還原的備份，圖中為「隱藏分區1\1\基本備份」，單擊「還原備份」或「還原到...」按鈕就開始還原隱藏分區中的選中的備份。
權利要求
1.一種硬碟數據隱藏加密備份及還原方法，包括以下步驟(1)分區設置步驟，在硬碟內設置一個分區；(2)分區隱藏步驟，隱藏該分區，使得該分區及其數據不能被作業系統或其他基於文件系統的程序訪問；(3)數據備份步驟，將用戶指定的需備份的硬碟數據存儲在該分區；(4)數據還原步驟，將隱藏分區中的數據還原到可被訪問的硬碟分區中。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述的分區設置步驟，由用戶根據需備份的數據量設置該隱藏分區的大小。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的分區隱藏步驟是在硬碟分區表中為該分區定義一個特定的類型值，該類型值不同於其它可被用戶訪問的分區之類型值。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的數據備份步驟是將用戶指定的需備份數據以扇區的形式寫入該隱藏分區。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的數據備份步驟進一步包括以下步驟(1)由用戶指定需備份的文件或文件目錄；(2)將備份節點信息寫入該備份數據區的第一區域，每一個備份節點含有若干個備份數據文件，該備份節點信息表示備份文件的基本信息，包括關於該備份節點的文件類型、名稱、偏移位置、長度、創建時間、備份文件的數據和屬性在該備份節點中的長度；(3)將備份數據文件以扇區的形式寫入該備份數據區的第二區域；(4)將備份文件的屬性信息寫入該備份文件的第三區域，其中包括備份文件的文件名、長度、創建時間、訪問時間及其在備份數據區中的相對位置和長度。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，在將備份數據文件寫入隱藏分區之前，先將備份數據文件進行壓縮。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述的數據備份步驟和數據還原步驟中，對隱藏分區的扇區進行讀寫訪問是通過一套對硬碟物理扇區操作的接口函數實現的，該接口函數是根據Windows作業系統的硬碟訪問接口而建立的。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的數據還原步驟是將隱藏分區中的備份數據以扇區形式讀出，再將所讀取的數據還原為所備份的數據文件。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的數據備份步驟及數據還原步驟是基於Windows作業系統下的虛擬設備驅動程序實現的。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述的Windows作業系統包括Windows 9x系統，所述的虛擬設備驅動程序是由Windows 9x系統的虛擬設備驅動程序的開發工具實現的，包括以下步驟(1)保存當前虛擬機的寄存器狀態；(2)轉入虛擬86方式；(3)調用INT 13中斷；(4)退出虛擬86方式；(5)恢復當前虛擬機的寄存器狀態。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述的Windows作業系統包括Windows 2000作業系統和Windows XP作業系統，所述的虛擬設備驅動程序是由Windows 2000作業系統或Windows XP作業系統提供的SYS格式的驅動程序。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其中，所述的方法是在Windows作業系統下實現的。
全文摘要
一種硬碟數據隱藏加密備份及還原方法，包括以下步驟在硬碟內設置一個分區；隱藏該分區，使得該分區不能被作業系統或其他基於文件系統的程序訪問；將用戶指定的備份數據存儲在該分區；將隱藏分區中的數據還原到可被訪問的硬碟分區中。利用本發明使得備份在硬碟中的數據安全可靠，備份數據不會因用戶誤操作、計算機病毒或黑客程序而被破壞，用戶可以非常方便地在Windows作業系統下進行硬碟數據備份及還原。
文檔編號G06F12/14GK1417689SQ0113457
公開日2003年5月14日 申請日期2001年11月8日 優先權日2001年11月8日
發明者王衛, 杜賓, 楊文兵, 李鵬 申請人:聯想(北京)有限公司