iuec

データ復旧の研究において、再現実験は欠かせない作業です。実際の障害と同じような状態を意図的に作り出し、そのときドライブやファイルシステムがどのように反応するのかを確認する。この積み重ねによって、復旧方法の精度を高めていきます。当サービスでは、ビット腐敗をエミュレートしながら、ファイルシステム内部に不良セクタが発生した状態を再現し、その状態でチェックディスクを実行すると、どのような挙動になるのかを検証しております。

通常時にはほとんど使われていなかった領域が、ファイルの追加、拡張、断片化、再配置、管理情報の更新などをきっかけに突然必要になることがあります。そのとき、その管理領域がビット腐敗によって正常に読み書きできない状態になっていたらどうなるでしょうか。管理情報の読み取りや書き換えに失敗すると、ファイルの配置情報が破損する可能性があります。その結果、実データが残っていても、どこに続きがあるのか分からなくなったり、断片化したデータを正しく結合できなくなったりします。つまり、たった1セクタの異常であっても、それがファイルシステムの重要な管理領域に発生すると、データ全体に大きな影響を与えることがあります。ビット腐敗の恐ろしさは、まさにこの点にあります。

AI時代となり、さまざまな処理を自動化できるようになりました。しかし、何でもAIで処理できるわけではありません。AIが得意とするのは、ある程度の共通性や傾向を見つけられる分野です。つまり、似ているパターンを抽出し、それをもとに判断できる処理であれば、AIは非常に有効に働きます。たとえば、不良セクタの発生位置や、ドライブの応答傾向、劣化の進み方などには、ある程度の統計的な特徴が現れることがあります。そのため、このような物理的な故障傾向の解析では、AIや統計処理を活用しやすい分野といえます。一方で、本格的に損傷したファイルシステムが絡んでくると、事情は大きく変わります。

ファイルシステムに損傷が生じたとき、それをどれくらい検知できるのか。この能力は、ファイルシステムの種類によって大きく異なります。特に分かりやすいのが、FAT32です。FAT32は、非常に軽量でシンプルなファイルシステムです。そのため、USBメモリやSDカードなど、さまざまな機器で広く利用されてきました。しかし、その軽さの代わりに、損傷を検知する能力はあまり高くありません。

「フォーマットしますか？」「読み取れません」「ディレクトリが壊れています」このようなエラーによって、突然データが見えなくなる障害があります。

ここで、ドライブ側の立場から、不良セクタの修復について見ていきます。不良セクタを修復する。代替セクタを割り当てる。問題のあるセクタを予備領域へ切り替える。言葉だけを見ると、単純な処理のように思えます。しかし、実際にはそれほど簡単ではありません。

今回は、不良セクタの検出と、不良セクタの修復の違いについて見ていきます。まず、FromHDDtoSSDの完全スキャン機能で検出できる不良セクタについてです。これまで何度も説明してきた通り、不良セクタとは、正常に読み取れない、または読み書きの挙動に異常があるセクタを指します。完全スキャンでは、そのようなセクタの状態を確認し、性質に応じて色別に結果を表示します。つまり、完全スキャンは、ドライブ上に存在する不良セクタを検出し、その状態を把握するための機能です。では、不良セクタの検出と修復は、どのような関係にあるのでしょうか。

ここまで、ファイルシステムの構造や、不良セクタの性質について見てきました。そこで重要になるのが、チェックディスクです。チェックディスクが検査・修復の対象としているのは、当然ながらファイルシステムの管理領域です。MFT、ディレクトリ情報、インデックス情報、配置情報など、ファイルシステムを構成する重要な領域に対して、整合性を確認し、必要に応じて修復処理を行います。ここで、不良セクタの性質をもう一度考えてみます。

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。