MBRおよびGPT構造の学習

ハードディスクを操作するには、まずディスクをマークアップして、オペレーティングシステムがディスクのどの領域に情報を書き込むことができるかを理解する必要があります。 ハードディスクは大きいので、そのスペースは通常いくつかの部分に分割されます-ディスクパーティション。 このような各パーティションには、独自のドライブ文字を割り当てることができ（Windowsファミリのシステムの場合）、システム内の独立したドライブであるかのように作業できます。



現在、ディスクをパーティション分割するには2つの方法があります。 最初の方法は、MBRを使用することです。 この方法は、ハードドライブの登場以来ほとんど使用されており、どのオペレーティングシステムでも動作します。 2番目の方法は、新しいマークアップシステム-GPTを使用することです。 この方法はまだ比較的新しいため、最新のオペレーティングシステムでのみサポートされています。

MBR構造

最近まで、1つの大きな物理ハードディスク（HDD）を複数の論理部分（ディスクパーティション（パーティション））に分割するために、MBR構造がすべてのパーソナルコンピューターで使用されていました。 現在、MBRは新しいパーティション構造-GPT（GUID Partition Table）に積極的に取って代わられています。 ただし、MBRは依然として非常に広く使用されているため、それが何であるかを見てみましょう。



MBRは常にハードドライブの最初のセクターにあります。 コンピュータが起動すると、BIOSはこのセクタをディスクからメモリのアドレス0000：7C00hに読み取り、制御を移します。









そのため、MBR構造の最初のセクションは、実行可能なコードを含むセクションであり、これがさらにダウンロードをガイドします。 このセクションのサイズは、最大440バイトです。 次に、ディスク識別用に予約された4バイトがあります。 認証が使用されないオペレーティングシステムでは、実行可能コードがこの場所を占有する場合があります。 次の2バイトについても同様です。



オフセット01BEhから、パーティションテーブル自体が配置されます。 テーブルは、サイズが16バイトの4つのレコード（可能なディスクパーティションごとに1つ）で構成されます。



1つのセクションのレコード構造：









この構造の最初のバイトは、パーティションアクティビティの兆候です。 この症状は、ダウンロードを続行するセクションを決定します。 アクティブパーティションは1つしか存在できません。そうでない場合、ダウンロードは続行されません。



次の3バイトは、セクションの最初のセクターのいわゆるCHS座標です。



オフセット04hにセクションタイプコードがあります。 このタイプによって、このセクションの内容、その上にあるファイルシステムなどを判別できます。 予約されたセクションタイプのリストは、たとえば、セクションタイプリンクを使用してウィキペディアで表示できます。



セクションのタイプが3バイトになった後、セクションの最後のセクターのCHS座標を定義します。

セクターのCHS座標は、シリンダーヘッドセクターとして解読され、それに応じてシリンダー（トラック）番号、ヘッド（表面）番号、およびセクター番号を示します。 シリンダーとヘッドにはゼロから番号が付けられ、セクターには1から番号が付けられます。 したがって、CHS = 0/0/1は、ゼロヘッドのゼロシリンダーの最初のセクターを意味します。 これは、MBRセクターの場所です。



ディスクのすべてのセクションは、最初のセクションを除き、通常、ゼロヘッドとシリンダーの最初のセクターから始まります。 つまり、アドレスはN / 0/1になります。 ディスクの最初のパーティションは、ヘッド1、つまり0/1/1で始まります。 これはすべて、MBRセクターがすでにゼロヘッドで使用されているという事実によるものです。 したがって、MBRセクターと最初のセクションの先頭の間には、常に追加の未使用62セクターがあります。 一部のブートローダーは、必要に応じてそれらを使用します。



セクションレコードの構造にシリンダー番号とセクターを格納するための興味深い形式。 シリンダー番号とセクター番号は2バイトで分割されますが、等しくはありませんが、10：6のようになります。 つまり、セクター番号には下位バイトの下位6ビットがあり、これによりセクター番号を1〜63に設定できます。シリンダー番号には10ビット-上位バイトの8ビットと下位バイトの残りの2ビットが割り当てられます。バイトは、シリンダー番号の最上位ビットです。

CHS座標の問題は、このレコードで最大8 GBのディスクをアドレス指定できることです。 DOS時代では、これは受け入れられましたが、すぐにそれでは十分ではなくなりました。 この問題を解決するために、フラット32ビットディスクセクター番号を使用する論理ブロックアドレッシング（LBA）システムが開発されました。 これにより、最大2 TBのサイズのディスクをアドレス指定できました。 その後、LBAのビット容量は48ビットに増加しましたが、MBRはこれらの変更に影響しませんでした。 まだ32ビットのセクターアドレッシングがあります。



そのため、現在、LBAアドレス指定はディスク上のセクターに広く使用されており、パーティションレコードの構造では、最初のセクターのアドレスはオフセット08hに書き込まれ、パーティションのサイズはオフセット0Chに書き込まれます。



サイズが最大8GBのディスクの場合（CHSアドレス指定がまだ可能な場合）、CHS座標とLBAアドレスを持つ構造体フィールドは、値が互いに対応している必要があります（ある形式から別の形式に正しく変換する）。 8 GBを超えるドライブの場合、CHS座標の3バイトすべての値はFFhに等しくなければなりません（ヘッドの場合、FEh値も許可されます）。



MBR構造の最後には、常にAA55hシグネチャがあります。 ある程度、MBRセクターが破損していないこと、および必要なデータが含まれていることを確認できます。

拡張セクション

表で05hおよび0Fhのマークが付いたパーティションは、いわゆる拡張パーティションです。 彼らの助けを借りて、MBRが許可するよりも多くのパーティションをディスク上に作成できます。 実際、いくつかの拡張パーティションがあります。たとえば、タイプC5h、15h、1Fh、91h、9Bh、85hのパーティションがあります。 基本的に、これらのすべてのタイプのパーティションは、ディスク上のパーティションの数を増やすという同じ目的で、さまざまなオペレーティングシステム（OS / 2、DR-DOS、FreeDOSなど）によって一度に使用されました。 ただし、時間の経過とともに、さまざまな形式が消え、タイプ05hおよび0Fhのセクションのみが残りました。 唯一の例外はタイプ85hです。 Linuxで引き続き使用して、他のオペレーティングシステムから隠された論理ドライブの2番目のチェーンを形成できます。 タイプ05hのパーティションは、8GB未満のドライブ（CHSによるアドレス指定は引き続き可能）に使用され、タイプ0Fhは8GBを超えるドライブに使用されます（およびLBAアドレス指定が使用されます）。



拡張パーティションの最初のセクターには、EBR（拡張ブートレコード）構造が含まれています。 MBR構造とほぼ同じですが、次の違いがあります。

• EBRには実行可能なコードはありません。 一部のローダーはそこに書き込むことができますが、通常、この場所はゼロで埋められます
• ディスク署名と2つの未使用バイトはゼロで埋める必要があります
• パーティションテーブルには、最初の2つのエントリのみを入力できます。 残りの2つのエントリにはゼロを入力する必要があります

EBR構造の最後とMBRには、「魔法の」値AA55hが必要です。



4つ以下のパーティションを作成できるMBRとは異なり、EBR構造では、コンテナーセクション（タイプ05hまたは0Fhの同じセクション）のサイズによってのみ制限される論理パーティションのリストを編成できます。 このようなリストを整理するには、次のレコード形式が使用されます。EBRパーティションテーブルの最初のレコードはこのEBRに関連付けられた論理パーティションを示し、2番目のレコードはリスト内の次のEBRパーティションを示します。 この論理パーティションがリストの最後の場合、EBRパーティションテーブルの2番目のエントリにはゼロを入力する必要があります。









EBRのセクションレコードの形式は、MBR構造のレコードの形式と似ていますが、論理的には若干異なります。



ロードはメインディスクパーティションからのみ実行されたため、EBR構造のセクションのパーティションアクティビティインジケータは常に0です。 MBA構造だけでなく、LBAアドレス指定が関係しない場合は、セクションの開始元のCHS座標が使用されます。



ただし、セクションの開始セクターの数とセクターの数がLBAアドレッシングモードである必要があるフィールドは、EBR構造で多少異なって使用されます。









EBRパーティションテーブルの最初のレコードの場合、現在のEBRセクターとレコードが参照する論理パーティションの先頭との間のセクターの距離は、セクションの初期セクターのフィールドに記録されます（オフセット08h）。 この場合のパーティションのセクター数のフィールド（オフセット0Ch）には、セクター内のこの論理パーティションのサイズが書き込まれます。



EBRセクションテーブルの2番目のエントリでは、リストの最初のEBRのセクターと次のEBRのセクター間の距離がセクションの最初のセクターのフィールドに記録されます。 この場合、この次のEBR構造のセクターからこの構造に関連する論理パーティションの終わりまでのディスク領域のサイズは、パーティションのセクター数のフィールドに書き込まれます。



したがって、パーティションテーブルの最初のレコードは、現在の論理パーティションを見つける方法とサイズを示し、2番目のレコードは、リスト内の次のEBRを見つける方法とサイズをパーティションとともに示します。

GPT構造

最新のコンピューターでは、BIOSが新しいUEFI仕様に置き換えられ、ハードディスク上の新しいパーティションデバイスであるGUIDパーティションテーブル（GPT）に置き換えられました。 この構造では、MBRによって課されるすべての欠点と制限が考慮され、将来的に大きなマージンを持って開発されました。



GPT構造はLBAアドレッシングのみを使用するようになりました。CHSはもう存在せず、変換にも問題はありません。 さらに、LBAアドレスには64ビットが割り当てられているため、64ビット整数のように、トリックなしでそれらを操作できます。また（将来的には）48ビットLBAアドレス指定を64に拡張できるようになります。ビット。



さらに、MBRとは異なり、GPT構造はディスク上の2つのコピーを保存します。1つはディスクの先頭に、もう1つは末尾に保存します。 したがって、メイン構造が破損した場合、保存されたコピーから復元することができます。



次に、GPTの構造をより詳細に検討します。 ハードディスク上のGPTの構造全体は、6つの部分で構成されています。

LBAアドレス	サイズ（セクター）	予定
LBA 0	1	セキュリティMBRセクター
LBA 1	1	プライマリGPTヘッダー
LBA 2	32	ディスクパーティションテーブル
LBA 34	Nn	ディスクパーティションの内容
LBA -34	32	パーティションテーブルのコピー
LBA -2	1	GPTヘッダーをコピー

セキュリティMBRセクター

ディスク上の最初のセクター（LBAアドレス0）は、同じMBRセクターです。 古いソフトウェアとの互換性のために残されたもので、GPTについて何も知らないプログラムを使用する場合、GPT構造を偶発的な損傷から保護するように設計されています。 このようなプログラムの場合、パーティション構造は1つのパーティションのように見え、ハードドライブ上のすべてのスペースを占有します。



このセクターの構造は、通常のMBRセクターと変わりません。 パーティションタイプが0xEEの単一のエントリをパーティションテーブルに作成する必要があります。 セクションはアドレスLBA 1で始まり、サイズは0xFFFFFFFFでなければなりません。 CHSアドレス指定のフィールドでは、セクションはそれに応じてアドレス0/0/2で始まり（セクター1はMBR自体によって占有されます）、最終的なCHSアドレスFF / FF / FFを持つ必要があります。 アクティブセクションの属性は0（非アクティブ）に設定する必要があります。



コンピューターがUEFIを実行している場合、このMBRセクターは単に無視され、コードも実行されません。

プライマリGPTヘッダー

このヘッダーセクターには、ディスクのパーティションに使用されるすべてのLBAアドレスのデータが含まれています。



GPTヘッダー構造：

オフセット（バイト）	フィールドサイズ（バイト）	充填例	フィールド名と説明
0x00	8バイト	45 46 49 20 50 41 52 54	ヘッダーの署名。 すべてのEFI互換GPTヘッダーを識別するために使用されます。 テキストの形式で「EFI PART」を表す値45 46 49 20 50 41 52 54を含める必要があります。
0x08	4バイト	00 00 01 00	ヘッダー形式のバージョン（UEFI仕様ではありません）。 現在、ヘッダーバージョン1.0が使用されています。
0x0C	4バイト	5C 00 00 00	GPTヘッダーサイズ（バイト単位）。 0x5C（92バイト）と一致
0x10	4バイト	27 6D 9F C9	GPTヘッダーのチェックサム（0x00〜0x5Cのアドレス）。 チェックサムアルゴリズムはCRC32です。 チェックサムを計算するとき、このフィールドの初期値はゼロに等しくなります。
0x14	4バイト	00 00 00 00	予約済み。 値は0でなければなりません
0x18	8バイト	01 00 00 00 00 00 00 00 00 00	プライマリGPTヘッダーを含むセクターのアドレス。 LBA 1は常に重要です。
0x20	8バイト	37 C8 11 01 00 00 00 00	GPTヘッダーのコピーを含むセクターのアドレス。 ディスク上の最後のセクターのアドレスは常に重要です。
0x28	8バイト	22 00 00 00 00 00 00 00 00 00	ディスク上のパーティションが始まるセクターのアドレス。 つまり、ディスクの最初のパーティションのアドレス
0x30	8バイト	17 C8 11 01 00 00 00 00	パーティションに割り当てられたディスクの最後のセクターのアドレス
0x38	16バイト	00 A2 DA 98 9F 79 C0 01 A1 F4 04 62 2F D5 EC 6D	ディスクのGUID。 マークアップ時にディスクとGPTヘッダーに与えられた一意の識別子が含まれます
0x48	8バイト	02 00 00 00 00 00 00 00 00 00	パーティションテーブルの開始アドレス
0x50	4バイト	80 00 00 00	テーブルに含めることができるパーティションの最大数
0x54	4バイト	80 00 00 00	セクションレコードサイズ
0x58	4バイト	27 C3 F3 85	パーティションテーブルのチェックサム。 チェックサムアルゴリズム-CRC32
0x5C	420バイト	0	予約済み。 ゼロで埋める必要があります

UEFIシステムは、CRC32アルゴリズムを使用して計算されたチェックサムを使用して、GPTヘッダーの正確性を検証します。 プライマリヘッダーが破損している場合、ヘッダーのコピーのチェックサムがチェックされます。 ヘッダーコピーのチェックサムが正しい場合、このコピーを使用してプライマリヘッダーの情報を復元します。 回復は逆方向にも行われます。プライマリヘッダーが正しく、コピーが正しくない場合、コピーはプライマリヘッダーのデータから復元されます。 ヘッダーの両方のコピーが破損している場合、ディスクにアクセスできなくなります。



パーティションテーブルには独自のチェックサムが追加されており、ヘッダーのオフセット0x58に書き込まれます。 パーティションテーブルのデータを変更すると、この量がプライマリヘッダーとそのコピーで再計算および更新され、GPTヘッダー自体のチェックサムが計算および更新されます。

ディスクパーティションテーブル

GPT構造の次の部分は、パーティションテーブル自体です。 現在、WindowsおよびLinuxオペレーティングシステムは同じパーティションテーブル形式を使用しています-最大128パーティション、各パーティションエントリに128バイトがそれぞれ割り当てられ、パーティションテーブル全体が128 * 128 = 16384バイト、または32ディスクセクターを占有します。



セクションレコード形式：

オフセット（バイト）	フィールドサイズ（バイト）	充填例	フィールド名と説明
0x00	16バイト	28 73 2A C1 1F F8 D2 11 BA 4B 00 A0 C9 3E C9 3B	パーティションタイプGUID。 この例は、パーティションのタイプ「EFIシステムパーティション」を示しています。 すべてのタイプのリストはここにあります。
0x10	16バイト	C0 94 77 FC 43 86 C0 01 92 E0 3C 77 2E 43 AC 40	セクションの一意のGUID。 パーティション作成時に生成されます
0x20	8バイト	3F 00 00 00 00 00 00 00 00 00	セクションLBA開始アドレス
0x28	8バイト	CC 2F 03 00 00 00 00 00	最終LBAセクションアドレス
0x30	8バイト	00 00 00 00 00 00 00 00 00 00	ビットマスクセクションの属性
0x38	72バイト	EFIシステムパーティション	セクションの名前。 36文字のUnicode文字列

オフセット0x30で書き込まれたセクション属性には、次のビット値を含めることができます。

ビット0	システムが機能するためのパーティションの必要性を示します。 したがって、OEMはディスクユーティリティによってパーティションが上書きされるのを防ぐことができます。
ビット60	セクションを読み取り専用としてマークします。 タイプが「EBD0A0A2-B9E5-4433-87C0-68B6B72699C7」の「Microsoft Basic Data Partition」にのみ使用されます
ビット62	セクションを非表示としてマークします。 タイプが「EBD0A0A2-B9E5-4433-87C0-68B6B72699C7」の「Microsoft Basic Data Partition」にのみ使用されます
ビット63	このパーティションへのドライブ文字の自動割り当てを防ぎます。 タイプが「EBD0A0A2-B9E5-4433-87C0-68B6B72699C7」の「Microsoft Basic Data Partition」にのみ使用されます

マークアップの残りの部分では、詳細な説明なしですべてが明確になります。 セクションの内容はそれ自体を物語っています。 パーティションテーブルのコピー-わかりやすく、パーティションテーブルのコピーを保存します。 さて、ディスクの最後のセクターはGPTヘッダーのコピーです。