Ko disk odpove
Srce našega računalnika je že morda procesor, ožilje je matična plošča, možgani pa so na disku. Karkoli se v računalniku dandanes pokvari, je predrago popravljati, zato zamenjamo kar celotno komponento. Razen ko odpove disk, na katerem imamo diplomsko nalogo, celotno zbirko fotografij zadnjega desetletja, službena poročila ali zelo pomembno zbirko podatkov. Kaj pa zdaj?
Scenariji so različni, končni problem pa vsakokrat enak. Na disku smo še nedavno imeli datoteke s pomembnimi podatki, te pa so zdaj nedostopne. Temu simptomu ustreza več diagnoz. Težava je lahko povsem programska, kar pomeni, da disk fizično deluje brez težav, le da nam je nekaj ali nekdo zbrisal z njega datoteke. Če jih je tudi prepisal, je stanje bistveno resnejše. Včasih pa se zgodi, da je disk fizično odpovedal. Tako kot so različne diagnoze, moramo vsakokrat uporabiti drugačen lek. Univerzalno cepivo je seveda čim bolj sveža varnostna kopija, a predpostavimo, da je po lastni ali tuji krivdi nimamo.
Shema diska.
Disk in fizični zapis podatkov
Načelo zapisa podatkov na disk je zelo enostavno, tako kot je preprosto razumeti tudi osnovno zgradbo diska. Potrebujemo nosilec, ki bo sposoben hraniti ničle in enice, v kar se na najnižji ravni prevedejo vsi računalniški podatki in ukazi. Ker je disk magnetni nosilec podatkov, je zapis teh binarnih stanj izveden z magnetizacijo.
V ohišju ima vsak disk (za trenutek pozabimo na pogone/»diske« SSD) eno ali več (danes navadno tri ali štiri) okroglih plošč, ki so zgrajene iz zmesi aluminija ali stekla in keramike. Na površini je na obeh straneh nanesenih še več silno tankih slojev, izmed katerih je zadnji magnetni. Ta shranjuje podatke v (navidezne) predale, ki se imenujejo sektorji. Vsak je sestavljen iz glave, podatkovnega območja in kontrolnih (ECC) bitov. Plošče se vrtijo z visoko kotno hitrostjo (navadno 5400, 7200, pri strežniških diskih tudi z 10.000 ali 15.000 obrati na minuto), poganja pa jih motorček.
Podatke na disk zapisujejo in berejo bralno-pisalne glave, in sicer za vsako stran vsake plošče svoja. Glava je načeloma močan stalen magnet, ki med delovanjem na zračni blazini lebdi nekaj deset nanometrov nad površino plošče, drugače pa je varno parkirana. To je tako nizko nad ploščo, da mora biti notranjost diska povsem čista in zlasti brez prahu (človeški las je približno tri velikostne razrede debelejši od razdalje med glavo in površino plošče). Kadar skozi glavo teče tok, glava spreminja magnetizacijo posameznega bita na disku, kadar pa glava zgolj potuje nad biti, bere njihove vrednosti iz toka, ki se inducira na njej zaradi sprememb magnetnega pretoka ob premiku.
Za paranoike
Marsikdo se boji zavreči disk, na katerem so bili občutljivi podatki. Ob primernem delu je skrb odveč, saj v Sloveniji ni orodij, ki bi zmogla rešiti prepisane podatke. V teoriji je prepisane podatke mogoče obnoviti, saj je magnetizacija analogna količina, ki je odvisna tudi od predhodnega stanja. Glava diska analogni signal pretvarja v digitalnega, tako da, recimo, vrednosti med 90 in 110 pretvori v logično enico, med 0 in 20 pa v logično ničlo. Če imamo nekje torej vrednost 110, je torej upravičeno predvidevati, da je bila tudi v predhodnem zapisu tam enica. Če ima magnetizacija vrednost 90, lahko predvidevamo, da je bila pred zapisom sedanje enice tam ničla. V praksi to z opremo v Sloveniji ni mogoče, saj bi potrebovali posebne analogne bralne glave. Pred prodajo diska torej zadošča, da ga z namenskim programov v celoti (dvakrat) prepišete z naključnimi podatki.
Magnetna plast na disku nosi množico magnetnih zrn, v katerih magnetne domene kažejo v isto smer, kamor so usmerjene tudi silnice magnetnega polja. V starejših diskih so bile magnetne silnice usmerjene v smeri vrtenja ali nasprotni smeri vrtenja diska (torej v ravnini plošče), okrog leta 2006 pa se je uveljavila tehnika pravokotnega zapisa, kjer magnetne silnice kažejo pravokotno v globino plošče ali iz nje. Zapis in branje magnetizacije je v tem primeru težavnejše, je pa mogoče na enako površini stlačiti več podatkov, obenem pa so možnosti za termični obrat in s tem izgubo informacije manjše. Povečevanje zmogljivosti diskov je namreč silno dolgočasno početje – gre za povečevanje števila plošč in drobljenje sledi na plošči, da jih nanj spravimo čim več. Žal to pomeni, da je toleranca za napake manjša, saj bralno-pisalna glava hitreje izgubi sled, poleg tega so toplotni učinki spontanih obratov magnetizacije čedalje opaznejši. Diski imajo seveda mehanizme za zaznavanje in odpravo napak (ECC), tako da končni uporabnik teh težav ne opazi.
Glava je pritrjena na ročico, ki se vrti okrog aktuatorske osi. Ta mora zelo natančno odklanjati roko, da bralna glava pripotuje na želeno mesto. Roka vsebuje dva močna neodim-železo-borova (NIB) magneta in tuljavo, ki s spreminjanjem toka spreminja tangencialno (Lorentzovo) silo in tako odklanja glavo v primerno lego.
Vse skupaj krmili elektronika, ki je prav tako pomemben del diska. Skrbi za usklajeno delovanje vseh komponent in komunikacijo diska z računalnikom prek ustreznega vodila. Disku mora biti popolna čist, saj bi en sam delec prahu ali las uničil glavo ter poškodoval plošče diska. Zato je disk skoraj nepredušno zaprt, za izenačevanje tlaka pa skrbi luknjica s finim filtrom.
Zapis podatkov se je iz vzdolžne magnetizacije spremenil v pravokotno, kar je terjalo prilagoditev bralnega elementa na glavi. Magnetni pretok pri zapisu sedaj potuje skozi magnetno in odbojno plast. Drugi del elementa je precej večji, da je tam magnetni pretok dovolj nizek, da ne spremeni magnetizacije sosednih sektorjev.
Logični zapis podatkov
Poglejmo zdaj, kako podatke na disk zapisuje operacijski sistem v svojem datotečnem sistemu. Na vsakem disku je vsaj ena particija, ki je logični razdelek, ki ga vidimo v operacijskem sistemu (v Windows s svojo črko, v Linuxu pa kot dev/hda1, dev/hda2 …).
FAT ima sicer že več kot trideset let dolgo brado, a je zaradi svoje preproste implementacije ter univerzalnosti še vedno glavni datotečni sistem za izmenljive nosilce, zato ga ne bomo izpustili. Disk, ki je formatiran »s FATom«, vsebuje zagonski sektor, alokacijsko tabelo (FAT – File Allocation Table, od tod tudi ime), rezervno alokacijsko tabelo (ne vedno!) in podatkovni del. V alokacijski tabeli najdemo seznam vseh gruč (skupki sektorjev) na disku in podatek, katera datoteka je kje zapisana.
NTFS je bistveno bolj dovršen, saj podpira številne dodatne funkcije, na primer določanje privilegijev, kvot, šifriranja, stiskanja, robustnejši dnevniški način zapisa sprememb (journaling), hranjenje starejše različice datotek (Volume Shadow Copy) itd. Particija je sestavljena iz zagonskega sektorja, glavne datotečne tabele (MFT), področja za sistemske datoteke in podatkovnega dela. Za razliko od FAT se pri NTFS v MFT hrani več metapodatkov o datoteki, kar pohitri dostop do podatkov.
Bistveno je, kaj se zgodi ob izbrisu datoteke. Izvedba je pri vsakem operacijskem sistemu drugačna, v osnovi pa se datoteka fizično ne izbriše, temveč se odstrani le kazalec nanjo. Razlogov za tak površinski izbris je več, glavni pa je hitrost. Fizično brisanje datoteke bi bilo v resnici zgolj prepis z naključnimi podatki ali samimi ničlami, to pa traja. Precej gospodarneje je izpraznjene sektorje prepisati šele, ko tja res shranjujemo podatke. In to izkoriščajo programi za obnavljanje izbrisanih podatkov.
Zlata pravila za zaščito podatkov
• Redno (najraje avtomatizirano) shranjujte varnostne kopije. Priporočljivo je, da je ta nosilec podatkov na drugem kraju.
Redno preverjajte kakovost varnostnih kopij, saj niso redki primeri, ko ob odpovedi diska ugotovimo, da varnostne kopije niso berljive.
• Ob logični izgubi podatkov takoj poskrbite, da po prizadetem disku ne pišete več. Če je to sistemski disk, ga kot drugega priključite v drug računalnik.
• Ob fizični odpovedi diska s podatki pomembne vrednosti lahko vsako domače reševanje podatkov stanje poslabša in v najboljšem primeru podraži stroške profesionalnega reševanja podatkov, v najslabšem primeru pa uniči še preostalo.
• Redno vzdržujte računalnike, kar zajema čiščenje prahu, pregled kondenzatorjev na matični plošči, nadzor hladilnih teles, preizkus stanja diska (z brezplačnim programom MHDD).
Vrste napak
Razlogov, da podatkov ne morete dobiti z diska, je več. Težave delimo na logične, ko je disk normalno delujoč, le podatki so bili zbrisani, prepisani ali kako drugače uničeni, ter na fizične, ko je disk fizično okvarjen. V garaži ali na domači mizi lahko s sleherniku dostopnimi orodji rešimo le zagate prve vrste, diska, ki je padel na tla ali ga je pobralo od starosti ali pa se mu je zgodila kakšna druga fizična travma, pa ne moremo obuditi. Ljudska modrost pravi, da je v teh primerih včasih pomagalo, da smo disk čez noč vtaknili v hladilnik, a danes so diski tako zapleteni, da to povzroči še več škode. Tudi zamenjava elektronike s tisto iz enakega diska ne bo pomagala, saj imajo diski v njej shranjene kontrolne parametre, bralne nastavitve, seznam prestavljenih sektorjev itn.
Med logične težave štejemo izbris podatkov, formatiranje diska, odstranitev particije in podobno. Te težave je mogoče bolj ali manj rešiti s komercialno dostopnimi orodji za domačo rabo. Bistveno je, da na disk po odkriti katastrofi ne pišemo ničesar več. Če gre za disk s sistemsko oziroma zagonsko particijo, ga je najbolje priključiti na drug računalnik in se obnavljanje podatkov lotiti tam.
Položaj pa je veliko bolj brezupen, če ste na disk že pisali. Če ste sektorje, kjer so bili izgubljeni podatki, že prepisali, vam podatkov ne more vrniti noben program in tudi profesionalci bodo imeli sila skromen uspeh. K sreči trpijo moderni datotečni sistemi zaradi fragmentacije, tako da se podatki zapisujejo po vsej površini diska, zato je precej verjetno, da vam kljub zapisovanju ni uspelo prepisati vseh svojih podatkov. Kljub temu v tem primeru velja ohraniti pričakovanja na minimumu.
Posebno kategorijo sestavljajo pokvarjene datoteke, ki nastanejo ob izjemnih dogodkih. Primer so polja RAID, kjer odpove kak disk, potem pa se zalomi pri vnovičnem vzpostavljanju polja. Rezultat so okvarjeni podatki, ki jih je zelo težko obnoviti. Odvisno je seveda od tega, kaj rešujemo. Če gre za mapo, polno fotografij, potem kakšna okvarjena datoteka ne bo nič strašnega. Če pa gre za zbirko podatkov računovodskega programa, šteje vsak bit.
Mehanske napake so na prvi pogled videti precej bolj grozno, ker jih ni mogoče odpraviti doma, a so v resnici sorazmerno enostavno obvladljiv problem. Mednje uvrščamo padec glave na ploščo, razmagnetenje dela površine plošče, odpoved elektronike, odpoved motorčka ali roke, padec celotnega diska z višine itn. V domači garaži se velja posegom za njihovo odpravo odpovedati, da ne povzročimo še več škode. Če disk zaškrta in neha delovati, ga ne smemo v nedogled znova zaganjati ali poizkusiti na silo izdelati slike, saj bomo v tem primeru verjetno poškodovali glavo ali plošče, to pa bo uničilo vse podatke ali vsaj precej podražilo njihovo profesionalno rešitev. V tem primeru je disk modro takoj odnesti k strokovnjakom, ki bodo praviloma za nekaj deset evrov pogledali, kaj je narobe in koliko bi stala rešitev podatkov. Skrajni primer je disk z zelo pomembnimi podatki, ki je padel na tla ali se mu je zgodilo še kaj hujšega. Če to vemo, je disk najbolje odnesti na reševanje, ne da bi ga poizkusili vključiti. Morda je sicer preživel brez težav, a tega ne moremo vedeti. Ob takem ravnanju so možnosti za pozitiven rezultat zelo visoke. Domače priganjanje napol mrtvega ali uničenega diska lahko povzroči, da se glave v notranjosti razletijo na drobce ali kakšno drugačno uničenje površine plošč, kar bo tudi vam povzročilo glavobol.
Kako to počno profesionalci
Reševanje podatkov z diskov, ko gre za pomembne datoteke, postaja v zadnjih letih velik posel. Temu je botrovalo povečanje rabe osebnih računalnikov, ki jih ima danes že vsakdo, in čedalje višje zmogljivosti diskov, ki izdelovalce silijo v hojo po robu glede zanesljivosti. Ustrezno se je povečalo tudi število podjetij, ki ponujajo storitve s področja reševanja podatkov, kar je lahko svojevrstna past. Garažni izvajalec ali domači »strokovnjak« za računalnike lahko s svojim pristopom napravita veliko škode, čeprav sta »le malo pogledala«. Mi smo se pogovarjali s strokovnjaki podjetja Anni, ki je odkupilo tehnologijo, znanje in ljudi pionirja s tega področja, podjetja Kotar. Mimogrede, Robert Kotar se je s svojim znanjem odločil poizkusiti tudi v tujini in se je preselil v Silicijsko dolino.
Baza diskov. Za reševanje podatkov z diska je treba dobiti identičen disk. Vir: Anni.
Profesionalno reševanje podatkov z diska se začne z diagnostiko. Posebna oprema preveri elektroniko, glave, površino, firmware in datotečni sistem na disku. V 24 urah tako dobimo podatek, kaj je z diskom narobe, koliko bi stalo reševanje podatkov in grobo oceno, koliko odstotkov površine diska bi bilo mogoče prebrati. Za domače uporabnike so ti odstotki navadno zelo visoki, precej nad 90 odstotkov (to nam seveda nič ne pomaga, če je disk enoodstotno zaseden in so vsi podatki ravno na tistem nesrečnem enem odstotku, a to je redkost). Potem se začne reševanje podatkov, če si uporabnik to lahko privošči. Cene reševanja so namreč od nekaj sto do nekaj tisoč evrov (za več diskov s polja RAID).
Univerzalnega orodja za branje podatkov z magnetne plošče ni. To pomeni, da je treba v vsakem primeru dobiti enak disk ali pa vsaj dovolj sorodnega, da uporablja isto komponento, kot je okvarjena. V ta namen imajo zbirko 3000 najpogostejših diskov, s katerih lahko poberejo, kar potrebujejo za obnovo podatkov. Če diska ni, ga naročijo, to ni problem, saj je pri reševanju podatkov strošek dela precej višji od stroška materiala. Potem se začne prebiranje podatkov sektor za sektorjem, ki ga posebna oprema lahko izvaja bistveno počasneje od nazivne kotne hitrosti diska, v nasprotni smeri, s ponovitvami itn.
Preizkušanje elektronike na disku. Vir: Anni.
Nastavljanje glave diska. Vir: Anni.
Pomislili bi, da bodo danes v časih poceni diskov in vsesplošnega zavedanja pomembnosti varnostnih kopij reševalci podatkov počasi ostali brez dela. Resnica je daleč od tega, saj obseg dela raste. Za reševanje se odločajo tako domači uporabniki kakor tudi velika podjetja in javni sektor, in to v grobem približku v približno enakih deležih. Seveda je reševanje diskov domačih uporabnikov cenejše od obnove sofisticiranih polj RAID v podjetjih, pa tudi mudi se v slednjih primerih navadno bolj kot doma.
Tudi primeri, kaj je narobe z diskom, se lepo razdelijo v tri približno enako pogoste kategorije. Tretjino primerov lahko reši sposoben računalnikar z orodji, ki so dostopna v internetu, saj gre za logične težave. Drugo tretjino predstavljajo primeri, ki sicer ne terjajo odpiranja diska, zahtevajo pa menjavo elektronike, kalibracijo glav in kaj podobnega. Zadnja tretjina so najzahtevnejši primeri, ko je disk treba odpreti, to pa se seveda počne v posebni čisti komori brez prašnih delcev. V teh primerih je treba menjati glave, motorček in podobno, kar oteži in podraži reševanje podatkov. Velikokrat je tak postopek enosmerna cesta, kjer končamo z rešenimi podatki, a z razstavljenim in dokončno neuporabnim diskom. Tudi to je razlog, da domači obrtniki niso najboljši naslov za težje primere.
Morda kljub vsemu malce reklame za storitev, ki se nam zdi koristna – pri Anniju prodajajo zavarovanje za podatke na vašem disku. Če vam disk odpove in vam podatke rešijo, ste na konju, če je reševanje neuspešno, pa vam denar vrnejo.
Programsko reševanje
Če torej disk normalno deluje, saj so podatki z njega le pobrisani, velja poizkusiti s programskim reševanjem podatkov. V internetu najdemo cel kup namenskih programov, od brezplačnih do pregrešno dragih. Izkaže pa se, da dražje v tem primeru ne pomeni nujno tudi boljše. V internetu jih kar mrgoli, mi smo si jih pobliže ogledati ducat.
Scenarij, ki smo ga preverjali, je bil takle. Prazen disk velikost 460 GB smo formatirali v datotečnem sistemu NTFS pod Windows XP in nanj prekopirali pisano množico podatkov: 9206 datotek (8121 fotografij, 5 PDFjev, 171 Wordovih dokumentov, 84 video posnetkov, 822 MP3jev in 3 datoteke RAR) in 111 map v skupni velikosti 23,2 GB. Vzorec ni sestavljen nič kaj reprezentativno, temveč gre preprosto za del domače mape s podatki. Potem smo odigrali klasični scenarij; vse datoteke smo kar iz Raziskovalca pobrisali, ne da bi jih vrgli v koš (zloglasna kombinacija Shift + Del). Ker tako brisanje traja manj kot minuto, pričakujemo, da bomo datoteke v veliki večini našli. Računalnik smo znova zagnali in se lotili obnavljanja podatkov. Pazili smo, da na disk nismo več pisali in da je bila mapa za obnovljene datoteke na drugem disku.
Programi so različni (več o tem v tabeli), nekateri ponudijo zgolj možnost reševanja datotek s posameznih particij, drugi imajo več možnosti. Ponujajo reševanje z izmenljivih nosilcev, globlji pregled diska, iskanje po particiji ali disku itn. Ugotovitve so bile pričakovane. Dokler se neumnosti zavemo takoj in po disku ne pacamo, prav vsem programom uspe rešiti vse podatke. To jim uspe hitro, saj vsi najdejo vse datoteke v le nekaj minutah. Nobene potrebe ni, da bi kupovali plačljive, saj tudi brezplačni opravijo delo enako dobro.
Programov za domače reševanje pobrisanih datotek na internetu kar mrgoli.
Zaplete pa se, če po disku še pišemo ali ga celo defragmentiramo, preden ugotovimo, da moramo z njega nekaj rešiti. V tem primeru bodo programi obnovili precej manj datotek, a ne zaradi lastne nesposobnosti, temveč ker jih preprosto ne bo več tam. Prepisanih datotek programsko ni mogoče rešiti.
Nekateri programi nas vodijo s čarovnikom, v drugih moramo vse nastaviti sami, tretji pa delujejo kar iz ukazne vrstice.
Potem smo še formatirali particijo in rezultat je bil podoben. Nekateri programi zaradi same zasnove niso našli nič, ker znajo obnavljati le z obstoječih particij. Drugi so našli načeloma vse. Naposled smo particijo še izbrisali in reševanje ponovili. Nekateri programi tu odpovedo, ker za delovanje potrebujejo particijo, drugi pa se niso dali motiti in so mrtvo hladno obnovili vse datoteke (nekateri so našli celo imena in drevesno strukturo, drugi pa le vsebino). Nekateri programi nam ponudijo posebno možnost reševanja izgubljenih in formatiranih particij, pri drugih pa je treba izbrati možnost globokega iskanja po celotni površini diska. V vsakem primeru to traja deset in več ur.
Kaj uničuje diske
Dobiti zanesljivo statistiko, kateri diski največkrat odpovedo, je zaradi interesov izdelovalcev, prodajalcev in reševalcev misija nemogoče. Eden izmed najzanesljivejših dokumentov je Googlova študija »Failure Trends in a Large Disk Drive Population« iz leta 2007.
V njej so odkrili korelacijo med pokvarljivostjo ter modelom in izdelovalcem, a imen niso objavili. Korelacija med obremenitvijo in pokvarljivostjo je zelo nizka (diski, ki jim intenzivna raba škodi, odpovedo že zgodaj). Razumna temperatura ne vpliva na kvarjenje diskov, kar je zelo presenetljiv rezultat, ki so mu zgodnje študije nasprotovale. Če vgrajena diagnostika SMART napove, da bo disk v bližnji prihodnosti odpovedal, se to zelo verjetno zgodi kmalu; večinoma pa SMART pred odpovedjo ne da nobenega signala.
V povprečju zaradi napak v proizvodnji med delovanjem odpove od dva do šest odstotkov diskov na leto.
Kaj pa pogoni SSD?
V tem članku smo se omejili na diske, čeprav jih dandanes izpodrivajo SSDji. Razloga sta dva. Še vedno je večino reševanja podatkov nujno izvesti z diskov, ker so SSDji predragi, da bi jih uporabljali za množično shranjevanje podatkov. SSDji so večinoma sistemski pogoni, na katerih tičijo datoteke operacijskega sistema in programov. Drugi razlog pa je v dostopnosti tega početja, saj je tako domače kakor profesionalno reševanje podatkov z diskov bistveno uspešnejše.
Moderni SSDji namreč uporabljajo ukaz TRIM, ki kmalu po logičnem izbrisu podatkov te tudi fizično izbriše. To je potrebno, ker SSDji ne omogočajo prepisa podatkov, temveč le bločni izbris in vnovičen zapis, kar bi brez TRIMa precej upočasnilo zapis podatkov v drugem in vseh nadaljnjih ciklih. Je pa s SSDjev mogoče rešiti podatke, ki niso bili prepisani, temveč je nekdo le pobrisal particijo ali pa je SSD fizično izdihnil. Če pa TRIMa ne uporabljamo, je v nekaterih primerih mogoče rešiti »prepisane« datoteke, saj SSDji zaradi izenačevanja izrabe (wear levelling) vsakokrat pišejo v druge sektorje. Cene reševanja SSDjev pri profesionalcih so žal bistveno višje od obujanja navadnih diskov, ker je potrebna oprema dražja.
Pozor, torej!
Reševanje podatkov je precej razvito področje, ki nas lahko reši iz hude zagate. Če ste ga programsko polomili sami, lahko stanje tudi odpravite sami z orodji s seznama. Če vam je disk fizično odpovedal poslušnost, boste sami storili več škode kakor koristi, zato se velja napotiti k strokovnjakom. Vsekakor pa zlato pravilo ostajajo redne in zanesljive varnostne kopije. Če imate te, vam, upajmo, napotkov iz tega članka ne bo nikoli treba preizkusiti.