ext2 文件系统解析

ext2文件系统整体布局

每个块组内部都有相关的元数据对该块组进行管理。如图所示，第一个块组中的元数据包括引导块、超级块、块组描述符、预留GDT块、数据块位图、inode位图、inode表和其它数据块。后续块组中有些是对超级块的备份，有些则没有第一个块组这么完整的元数据信息，而只有数据块位图、inode位图和inode表等元数据信息。也就是说块组其实分为两种，一种是有超级块的，比较复杂的块组（如图3下面淡棕色所示），另外一种是没有超级块的，比较简单的块组（如图3上面淡绿色所示）。
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本次实验用1G大小文件模拟磁盘，对齐进行格式化ext2文件系统，然后查看其物理存储结构信息。

dd if=/dev/zero of=/tmp/bk bs=1024k count=1024
mkfs.ext2 /tmp/bk
dumpe2fs /dev/bk
hexdump -s 1024 -n 4096 /tmp/bk -C # 查看超级块信息，磁盘偏移量为1024，存储在第1个4k块中

1. 超级块super block

每个ext2文件系统都必须包含一个超级块，其中存储了该文件系统的大量基本信息，包括块的大小、每块组中包含的块数等。同时，系统会对超级块进行备份，备份被存放在其他块组的第一个块中，备份数量不确定，也就是其他块组可能没有超级块，也可能有。超级块的起始位置为其所在分区的第1024个字节，占用1KB的空间，如果初始化指定块大小1k，那么超级块在第二个块内，如果块大小为4k,超级块则存储在第一个块内，偏移量1024字节，内容占用长度1024字节。原因是：
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超级块结构如下：
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下图展示了超级块信息：
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2. 块组描述符表BGT

磁盘分区格式化为ext2时，会将分区划分为多个块组block group，一个块组描述符用以描述一个块组的属性。块组描述符组由若干块组描述符组成，描述了文件系统中所有块组的属性，存放于超级块所在块的下一个块中。一个块组描述符的结构如下，单个描述符占用32字节，本次实验1G空间共划分8个bg：
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核心属性介绍：

__le32 bg_block_bitmap; // 块位图所在的第一个块的块ID（地址信息）
__le32 bg_inode_bitmap; // inode位图所在的第一个块的块ID（地址信息）
__le32 bg_inode_table; // inode表所在的第一个块的块ID（地址信息）
__le16 bg_free_blocks_count; // 块组中未使用的块数
__le16 bg_free_inodes_count; // 块组中未使用的inode数
__le16 bg_used_dirs_count; // 块组分配的目录的inode数

下图展示了块组描述符部分GDT信息：
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3. 块位图block bitmap和索引节点位图inode bitmap

块位图和inode位图的每一位分别指出块组中对应的那个块或inode是否被使用,在位图中，0位表示对应项处于FREE状态，1位表示对应项处于IN_USE状态。块位图是一个位图，一个二进制位代表一个块，记录块组中每个块的使用情况，标记哪些块已被分配，哪些是空闲的，帮助文件系统管理块的分配和释放，维护块的空闲状态。Inode位图是一个位图，记录块组中每个inode的使用情况，标记已分配和空闲的inode。 帮助文件系统管理inode的分配和释放，维护inode的空闲状态。
根据块组描述符找到对应的block位图：
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inode位图：
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4. inode表

inode表一列表的形式保存了文件的元数据信息，包括文件大小、扩展属性和时间等内容。由于inode结构的大小根据格式化文件系统的属性而有差异，因此该表占用的磁盘空间不定，大概若干个逻辑块的大小。关于文件名称与inode数据结构的关系是通过inode的id确定的，在文件夹中的文件存储包含文件名和inode的id信息，而通过该id可以计算出inode数据结构位于的块组位置和inode表位置。

/*
 * Structure of an inode on the disk
 */
struct ext2_inode {
  __le16  i_mode;   /* File mode */
  __le16  i_uid;    /* Low 16 bits of Owner Uid */
  __le32  i_size;   /* Size in bytes */
  __le32  i_atime;  /* Access time */
  __le32  i_ctime;  /* Creation time */
  __le32  i_mtime;  /* Modification time */
  __le32  i_dtime;  /* Deletion Time */
  __le16  i_gid;    /* Low 16 bits of Group Id */
  __le16  i_links_count;  /* Links count */
  __le32  i_blocks; /* Blocks count */
  __le32  i_flags;  /* File flags */
  union {
    struct {
      __le32  l_i_reserved1;
    } linux1;
    struct {
      __le32  h_i_translator;
    } hurd1;
    struct {
      __le32  m_i_reserved1;
    } masix1;
  } osd1;       /* OS dependent 1 */
  __le32  i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
  __le32  i_generation; /* File version (for NFS) */
  __le32  i_file_acl; /* File ACL */
  __le32  i_dir_acl;  /* Directory ACL */
  __le32  i_faddr;  /* Fragment address */
  union {
    struct {
      __u8  l_i_frag; /* Fragment number */
      __u8  l_i_fsize;  /* Fragment size */
      __u16 i_pad1;
      __le16  l_i_uid_high; /* these 2 fields    */
      __le16  l_i_gid_high; /* were reserved2[0] */
      __u32 l_i_reserved2;
    } linux2;
    struct {
      __u8  h_i_frag; /* Fragment number */
      __u8  h_i_fsize;  /* Fragment size */
      __le16  h_i_mode_high;
      __le16  h_i_uid_high;
      __le16  h_i_gid_high;
      __le32  h_i_author;
    } hurd2;
    struct {
      __u8  m_i_frag; /* Fragment number */
      __u8  m_i_fsize;  /* Fragment size */
      __u16 m_pad1;
      __u32 m_i_reserved2[2];
    } masix2;
  } osd2;       /* OS dependent 2 */
};

5. 数据块

对于普通文件，数据块中存放文件的内容。对于目录文件，数据块存放目录项。

测试文件写入：

mkdir /t
mount /tmp/bk /t

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找到对应磁盘位置，二进制打印13号的inode信息：
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根据对应字段关系，找到inode里面存储文件对应数据块的数组，由于文件较小，分配了一个块，找到第一个4字节整数，解析得到文件块号为1598.然后二进制打印1598块内容，得到该文件存储内容与写入一致：
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关于目录

在ext2文件系统中，目录是作为文件存储的。根目录总是在inode表的第二项，而其子目录则在根目录文件的内容中定义.目录不过是一种特殊的文件。每个目录也有一个inode，会对其分配数据块。数据块中存储的是用于描述目录下文件的目录项，目录下每个文件或目录对应一个目录项，记录了该文件的文件名和inode对应关系，文件类型。rec_len域是目录项的长度，把它与目录项的起始地址相加就得到下一个目录项的起始地址，因此说，rec_len可以被解释为指向下一个有效目录项的指针。为了删除一个目录项，把ext2_dir_entry_2的inode域置为0并适当增加前一个有效目录项rec_len域的值就可以了.

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struct ext2_dir_entry_2 {
__le32 inode; // 文件入口的inode号，0表示该项未使用
__le16 rec_len; // 目录项长度，文件名是字符数组，不定长
__u8 name_len; // 文件名包含的字符数
__u8 file_type; // 文件类型
char name[255]; // 文件名
};
请注意：由上可知，以下情形可以改变目录内容：新增文件，删除文件，修改文件名，修改文件类型，修改目录下文件大小是不会修改目录的内容，也就是系统看到目录的修改时间不会变。修改目录内部目录里面的内容，也不会导致外层目录发生变化

参考：https://www.bilibili.com/read/cv1891885/
https://baike.baidu.com/item/Ext2/822106?fr=ge_ala
https://blog.csdn.net/m0_73898917/article/details/136033920
https://blog.51cto.com/u_15346415/5170913
https://www.jianshu.com/p/9b81daa0adcb
https://blog.csdn.net/YoungMLet/article/details/135604457

posted @ 2024-08-11 05:31  今夕何兮  阅读(77)  评论(0)  编辑  收藏  举报