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ファイルシステムには、さまざまな属性があります。たとえば、ファイル、フォルダ、データ本体、管理情報、インデックス情報などです。これらの情報は、それぞれ異なる役割を持っており、ファイルシステム内では属性やフラグによって識別されます。ここで重要になるのが、属性ごとの構造の違いです。ファイルシステム上では、共通のヘッダを持ちながら、その先に続く内容は属性によって異なる構造になっていることがあります。そのため、まずは共通部分を持つ構造体として読み取り、属性の種類やサイズ、オフセットなどを確認します。そのうえで、属性に応じた別の構造体へ再解釈し、内容を読み解いていきます。つまり、バッファ上のデータそのものは変わりません。

前回は、可変長構造体の概要について説明しました。実際、ファイルシステムは、このような構造体の集合として考えることができます。セクタ上に記録されたバイナリデータを読み出し、その一つ一つを構造体として解釈していく。そして、その先に続く情報をたどることで、ファイル名、フォルダ構造、配置情報、実データの位置などが見えてきます。つまり、ファイルシステム解析とは、セクタ上にある情報を、構造体として順番に読み解いていく作業でもあります。そこで、まず重要になるのがヘッダの概念です。

ファイルシステムに直接触れ、状態を解析し、必要に応じて修復する。つまり、データ復旧作業を行うためには、ドライブ上の情報を低レイヤーで扱える仕組みが必要になります。そのためには、セクタ単位で読み出したデータをメモリ上に展開し、その内容を直接解析できる言語が適しています。そこで重要になるのが、C言語です。C言語は、メモリ上のデータ構造を直接扱うことができ、バイナリデータ、構造体、ポインタ、ビット単位の処理などにも対応しやすい言語です。今の時代であっても、ドライブやファイルシステムのような低レイヤー領域を扱う場合には、昔から使われてきたC言語の考え方が非常に重要になります。ここで大切なのは、ドライブとファイルシステムの関係です。

そして重要になるのが、この動作安定度の性質と、RAIDの組み合わせです。単独のドライブであっても、ランダムアクセスが多い通常使用の中では、動作安定度から見えてくる劣化の兆候は隠れやすい傾向があります。では、このような性質を持つドライブを、RAID構成にした場合はどうなるのでしょうか。RAIDでは、ストライプサイズを基準として、複数のドライブにデータが分散されます。そのため、1台のドライブに現れている微妙な応答時間の乱れや読み取りの不安定さが、全体の動作の中に埋もれやすくなります。

ドライブは、普段の使用において、ランダムアクセスを多く伴います。ファイルを開く、フォルダを表示する、OSが設定や一時ファイルを読み書きする。このような動作では、ドライブ上のさまざまな場所にあるセクタへアクセスしながら、必要なデータを取得しています。つまり、ドライブは連続した場所だけを順番に読むのではなく、必要に応じて各セクタを辿りながら動作しています。ここで特に重要になるのが、HDDにおけるランダムアクセスの特性です。HDDでは、シーケンシャルアクセスと比較して、ランダムアクセスは大きく遅くなる傾向があります。これは、磁気ヘッドの移動や回転待ちが発生するためです。では、この性質は何を意味するのでしょうか。

今回は、動作安定度の乱れから生じる不良セクタの特性について見ていきます。動作安定度の乱れから生じる不良セクタは、磁性体剥離などによって突発的に発生する不良セクタとは、生じ方や特性が大きく異なります。HDDの場合、不良セクタの原因はプラッタだけに限られません。読み取りを行う磁気ヘッドや、その制御系統の不安定さも関係してきます。つまり、単に記録面の一部が読めなくなったというだけではなく、ヘッドの動作、読み取り信号の安定性、応答時間のばらつきなどが重なりながら、不良セクタとして表面化していくことがあります。

ファイルシステムは、ファイル構造を管理する情報と、実際のファイルデータを分けて管理しています。ここで問題になるのが、アクセス頻度の違いです。ドライブ自体は、ファイル名やフォルダ構造を理解しているわけではありません。ドライブは、あくまでセクタを最小単位として、指定された場所に対して読み書きを行っているだけです。つまり、ドライブ側から見れば、そこにあるものがMFTなのか、フォルダ情報なのか、画像データなのか、文書ファイルなのかは関係ありません。与えられたアドレスに対して、セクタ単位で読み書きを行っているだけです。一方で、ファイルシステム側では、MFTのような管理領域が非常に重要な役割を持ちます。MFTは、ファイル名、フォルダ構造、サイズ、配置情報、属性情報などを管理する領域です。そのため、Windowsがファイルを開いたり、フォルダを表示したり、データの場所を確認したりするたびに、このような管理領域へアクセスすることになります。つまり、一度ファイルシステムの管理領域が配置されると、その場所は繰り返し参照される重要な領域になります。

ドライブの読み書きに直結する部分は、セクタ単位での読み書き性能です。そのため、セクタの読み書きが不安定になると、その上に構築されているファイルシステムにも大きな影響を及ぼします。ここで、Windowsで長年使われてきたNTFSについて考えてみます。

今回は、ドライブの反応速度を統計的に処理する「動作安定度」と、不良セクタの関係について整理していきます。FromHDDtoSSDのドライブ検査では、完全スキャン、統計スキャン、不良セクタ検出などに加えて、ドライブの挙動を確認するための指標として、動作安定度を扱っております。この動作安定度は、不良セクタそのものを示す指標ではありません。むしろ、不良セクタとして表面化する前の、ドライブ内部の不安定さや反応の乱れを捉えるための指標です。

データをコピーしている際に動作が停止し、「巡回冗長検査」や「CRCエラー」を含むメッセージが表示されることがあります。一見すると複雑なエラーに見えますが、簡単にいえば、読み出したデータの整合性を確認できず、コピー処理を続行できなくなった状態です。つまり、該当するセクタやデータ領域を正常に読み取れず、コピーが停止している可能性があります。この原因としては、読み込み不能セクタ、再発読み込み不能セクタ、拡散読み込み不能セクタ、読み書き不能セクタなどが考えられます。

不良セクタの分類として、「拡散読み込み不能セクタ」があります。これは、再発した読み込み不能セクタが周辺へ広がり、ドライブ全体の機能を奪っていくような状態を指します。読み込み不能セクタが一部にとどまっている段階であれば、まだ読み取り順序の工夫や、状態に応じた制御によって、データを取得できる可能性があります。しかし、それが再発を繰り返し、さらに周辺領域へ拡散していくと、状況は一気に深刻になります。この状態では、単に一部のセクタが読めないという段階を超え、ドライブ全体の読み取り動作そのものが不安定になっていきます。そのため、通常のソフトウェア的な読み取りや検査だけでは対応が難しくなります。

不良セクタの分類として、「再発読み込み不能セクタ」があります。これは、一度は書き込み処理などによって復帰したように見えても、時間の経過や特定の条件によって、再び読み込み不能へ変化するセクタを指します。流れとしては、次のようになります。読み込み不能セクタが発生する。その後、書き込み処理によって一時的に復帰する。しかし、一定の条件を満たすと、再び読み込み不能セクタへ変化する。そして、再度書き込み処理によって一時的に復帰する。このような状態を繰り返すのが、再発読み込み不能セクタです。通常の読み込み不能セクタであれば、発生後に状態が安定し、それ以上のデータ損失が広がらない場合もあります。しかし、読み込み不能状態が何度も再発する場合は注意が必要です。

不良セクタの分類として、さらに深刻な状態に位置するのが「読み書き不能セクタ」です。これは、読み込みも書き込みも成立しない状態のセクタを指します。読み込み不能セクタや書き込み不能セクタの段階では、状況によっては代替処理や再試行によって、一時的に読み書きできるように見える場合があります。しかし、代替処理が追いつかない状態や、予備領域による吸収ができない状態まで進むと、読み込みも書き込みも成立しない「読み書き不能セクタ」へ移行することがあります。この状態では、ドライブが正常なデータを返すことができず、さらに新たな書き込みによって状態を回復させることも困難になります。

不良セクタの分類として、次に挙げられるのが「書き込み不能セクタ」です。これは、データを書き込もうとした際にエラーが発生し、書き込み処理が正常に完了できない状態のセクタを指します。書き込み中にエラーが発生するということは、ドライブの状態がかなり悪化している可能性があります。通常、ドライブは読み込み側の不安定化が先に表面化することが多く、書き込み側で明確な異常が出る場合は、すでに危険な状態へ移行していると考えるべきです。また、書き込み不能セクタが発生している場合、読み込み側も不安定になっていることがあります。そのため、いつ完全に動作不能になっても不自然ではない状態と判断する必要があります。データの書き込み中にドライブが異常を起こした場合、それは単なる一時的なエラーではなく、危険信号として捉えるべきです。