FAT al desnudo

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FAT al desnudo: todo lo que necesitas saber sobre las FAT.

Introducción FAT al desnudo Como parte de un proyecto que tengo en mente, me he tenido que poner a leer sobre el sistema de archivos FAT, que venimos utilizando desde principio de los 1980, de la mano de las diferentes versiones de los sistemas operativos de Microsoft (MS-DOS 1.x en adelante). A pesar de su antigüedad, no han perdido vigencia, y hoy se utiliza, por ejemplo, en las tarjetas de memoria SD. Mi idea es exponer con ejemplos, y en forma clara, la estructura interna de los distintos tipos de FAT. He comenzado "traduciendo" un documento de Microsoft, pero voy a ir "vistiéndolo" con mas datos, ya que ese documento por si solo se queda algo corto en muchas cosas. Voy a ir subiendo esta información poco a poco, a medida que la vaya desentrañando. Una ultima aclaración: el objetivo de este documento no es llegar a un dispositivo practico, sino proveer, en forma clara y en español, los elementos necesarios para poder entender este sistema de archivos. Introducción Este documento se basa en el documento titulado FAT: General Overview of On-Disk Format, un “withe paper” de la empresa Microsoft. El autor del presente documento no garantiza la fidelidad de lo expuesto aquí, aunque se ha tratado de ser lo mas riguroso posible. Tarjetas de memoria SD, con FAT. ¿Que significa FAT? FAT es el acrónimo de File Allocation Table (Tabla de alocación de archivos). Tiene su origen al final de los 1970s y comienzo de los 1980s y fue el sistema de archivos soportado por el sistema operativo Microsoft® MS-DOS®. Fue pensado como un simple sistema de archivo para utilizar en unidades de disco removibles (diskettes) de menos de 500K de tamaño. Con el paso del tiempo, se fueron introduciendo cambios en la especificación para soportar medios de almacenamiento cada vez mayores. Tipos de FAT En la actualidad coexisten tres sistemas de archivos tipo FAT: FAT12, FAT16 y FAT32. Las diferencias básicas entre esos subtipos, y la razón de sus nombres, es el tamaño, en bits, de las entradas en la estructura FAT en el disco. Es decir, hay 12 bits en una FAT12, 16 bits en una FAT16 y 32 bits en una FAT32 FAT. Las siguientes generalidades son aplicables a todos los tipos de FAT existentes. Todos los sistemas de archivos FAT fueron pensados originalmente para la arquitectura del IBM PC. Este es un dato importante, debido a que este hardware hace uso de las estructuras de datos en formato “little endian”. Si observamos una entrada en una FAT de 32 bits, almacenada como cuatro bytes (de 8 bits cada uno), siendo el primero el byte 00 y el ultimo el byte 03, los bits se encuentran en el siguiente orden (donde el bit menos significativo es el 00): Byte 03 - Byte 02 - Byte 01 - Byte 00 Esto es particularmente importante si su maquina es “big endian”, dado que deberá realizar una “traduccion” entre ambos formatos antes de mover datos desde y hacia el disco. Discos con FAT Un disco con sistema de archivos FAT esta dividido en cuatro zonas básicas, que se encuentran en el siguiente orden: 0 – Zona reservada (Reserved Region) 1 – Zona de la FAT (FAT Region) 2 – Zona del directorio raiz (no existe en los discos con FAT32) 3 – Zona de datos de directorios y archivos. Sector de arranque (Boot Sector) y BIOS Parameter Block (BPB) La primer estructura de datos importante en un disco con FAT es la llamada BIOS Parameter Block (en adelante BPB), que se encuentra en el primer sector del disco dentro de la zona reservada. En diferentes documentos se refiere a este sector como “boot sector” o “reserved sector” o “0th sector”, pero el hecho verdaderamente importante es que se trata del primer sector en el disco. Este es el primer elemento que suele causar confusión cuando hablamos del sistema de archivos FAT. En las versiones 1.x del MS-DOS no existía un BPB en el sector de arranque. Es estas primeras versiones de FAT solamente había dos formatos de disco posibles: 5.25 pulgadas y 360K, en una o dos caras. La manera de determinar de qué tipo era un disco consistía en ver el contenido del primer byte de su FAT (los 8 bits bajos de FAT[0]). Esta forma de determinar el tipo de disco fue superada en las versiones 2.x del MS-DOS, cuando se agrego en el sector de arranque el BPB, y dejo de ser soportado el primitivo método basado en mirar el contenido del primer byte de la FAT. Todos los discos con sistema de archivos FAT deben tener un BPB en el sector de arranque. Esto nos lleva al segundo tema que produce confusión al intentar determinar el tipo de FAT: ¿Cuál es la función que cumple exactamente el PBP? Tal como esta definido en las versiones 2.x del MS-DOS permite discos con menos de 65,536 sectores (32 MB en sectores de 512 bytes). Esta limitación proviene de que el campo que alberga el valor correspondiente al numero total de sectores tiene 16 bits de longitud (2^16 = 65536). Esta limitación fue superada con el MS-DOS 3.x, en el que el BPB fue modificado y su longitud llevada 32 bits. El siguiente cambio importante en el BPB vino de la mano de la versión OEM Service Release 2 (OSR2) de Microsoft Windows 95, donde se introdujo la FAT32. FAT16 estaba limitada por el tamaño máximo de la propia FAT y por el tamaño máximo de cluster, que no permitían discos de más de 2 GB si se empleaban sectores de 512 bytes. FAT32 supero esa limitación, y los discos de más de 2 GB podían utilizarse sin necesidad de particionarlos en varias partes. El BPB del sistema de archivos FAT32 coincide exactamente con el BPB de las FAT12 y FAT16, hasta el campo BPB_TotSec32 (ver mas adelante). Las diferencias comienzan en el offset 36, dependiendo si se trata de un sistema FAT32 o FAT12/FAT16. Mas adelante veremos como determinar esto. El punto importante de destacar es que los primeros 36 bytes coinciden, independientemente del tipo de FAT que estemos utilizando. Esto permite la máxima compatibilidad entre diferentes sistemas, y permite a los drivers entender y soportar cualquiera de los tipos, ya que siempre contienen los mismos campos. NOTA: En la descripción siguiente, todos los campos cuyos nombres comienzan con BPB_' son parte del BPB. Aquellos cuyo nombre comienza con BS_ son parte del sector de arranque (Boot Sector), y no son, en realidad, parte del BPB. Veremos el comienzo del sector 0 de un sistema de archivos FAT, que contiene BPB. Concretamente, analizaremos la FAT de un diskette de 3.5 formateado con Windows XP. Estructura del sector de arranque (Boot Sector) y BPB La siguiente es la captura de los primeros 512 bytes de un diskette de 3.5 formateado con WinXP: Utilizaremos esta imagen como ejemplo, y la analizaremos bit a bit a medida que vayamos conociendo de que se trata cada uno de ellos. Campos comunes a todas las FATs BS_jmpBoot Offset (Byte): 0 Tamaño (Bytes): 3 Descripción: Instrucción de salto al código de arranque. Este campo tiene una de las siguientes formas: jmpBoot[0] = 0xEB, jmpBoot[1] = 0x??, jmpBoot[2] = 0x90 o jmpBoot[0] = 0xE9, jmpBoot[1] = 0x??, jmpBoot[2] = 0x?? 0x?? significa que esta permitido cualquier valor de 8 bits. Estos tres bytes componen una instrucción de salto incondicional Intel x86 (jump) que apunta al inicio del código de arranque del sistema operativo. Generalmente, este código ocupa el resto del espacio siguiente al BPB en el sector de arranque, posiblemente otros sectores. Cualquiera de las dos formas son aceptadas, pero JmpBoot[0] = 0xEB es el formato mas frecuentemente utilizado. En nuestro ejemplo, encontramos los bytes “EB 3C 90” , lo que significa que se trata de la primera de las alternativas. BS_OEMName Offset (Byte): 3 Tamaño (Bytes): 8 Descripción: Generalmente se trata de la cadena “MSWIN4.1”. Existe todo un folclore acerca de la función de este campo, pero solo se trata de una cadena de texto. Los sistemas operativos de Microsoft no prestan ninguna atención a su contenido. Algunos drivers si lo hacen, por ese motivo se recomienda el valor “MSWIN4.1”, de manera de evitar incompatibilidades. El implementador es libre de cambiar esta cadena por cualquier otra, pero puede ocurrir que algún driver en particular no reconozca la unidad. Generalmente se toma como una indicación de que la unidad esta formateada. El diskette formateado con Windows XP contiene los bytes “4D 53 44 4F 53 35 2E 30”, que corresponden a los caracteres “MSDOS5.0”. BPB_BytsPerSec Offset (Byte): 11 Tamaño (Bytes): 2 Descripción: Número de bytes por sector. Puede tomar alguno de los valores siguientes: 512, 1024, 2048 o 4096. Si buscamos el máximo de compatibilidad con sistemas antiguos, debemos utilizar el valor 512. Existen muchos equipos viejos que manejan FAT de 512 bytes por sector por hard (“hard wired”) y no chequean este campo para determinar el número correcto de bytes de cada sector. Todos los sistemas operativos de Microsoft aceptan 1024, 2048, y 4096. Siguiendo con el análisis del diskette, nos encontramos con los bytes “00 02”. Como mencionamos antes, al estar en formato “little endian”, el byte mas significativo es el ultimo, por lo que debemos interpretarlo como “02 00” (hexadecimal), que corresponde al binario 0000 0010 0000 0000 o al decimal 512. Nuestro diskette contiene 512 bytes por sector. BPB_SecPerClus Offset (Byte): 13 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Número de sectores por cluster. Este valor debe ser una potencia de 2 mayor a 0. Los valores permitidos son 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, y 128. Hay que destacar que nunca se debe utilizar un valor que multiplicado por BPB_BytsPerSec de un resultado mayor a 32K (BPB_BytsPerSec * BPB_SecPerClus 32 * 1024). Es un error pensar que valores mayores son correctos. Si se eligen valores cuyo resultado sea superior a 32K muchos sistemas no funcionaran de forma correcta. Algunos sistemas permiten valores de 64K por cluster, pero no funcionan adecuadamente como volúmenes FAT. En el ejemplo anterior, este byte es “01”, por lo que nuestro diskette contiene 1 sector por cluster. BPB_BytsPerSec * BPB_SecPerClus 32 * 1024 nos da un valor de 2 * 1 * 1024 = 2048, que es valido, por ser menor que 32K (32768). BPB_RsvdSecCnt Offset (Byte): 14 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Número de sectores reservados en la Zona Reservada del volumen, comenzado en el primer sector del volumen. Este campo no puede ser 0. Para sistemas de FAT12 y FAT16 siempre debe ser 1. Para sistemas de archivos FAT32 generalmente este valor es 32. Nuevamente, tenemos que saber que muchos sistemas antiguos asumen un “1” en este campo y no leen su valor real. Todos los sistemas operativos de Microsoft aceptan cualquier valor distinto de 0 para este campo. El diskette formateado con Windows XP contiene los bytes “01 00”, al estar en formato “little endian”, el byte mas significativo es el último, por lo que debemos interpretarlo como “00 01” (hexadecimal), que corresponde al binario 0000 0000 0000 0001 o al decimal 1. BPB_NumFATs Offset (Byte): 16 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Número de FATs presentes en el volumen. Este campo debería tener un valor de 2, independientemente del tipo de FAT implementada. Sin embargo, cualquier valor igual o mayor a 1 es valido. Como en casos anteriores, existen sistemas antiguos que podrían fallar si encuentran un valor distinto de 2, o incluso algunos no leen su valor real. Todos los sistemas operativos de Microsoft aceptan cualquier valor distinto de 0 para este campo. En el diskette que estamos analizando vemos el byte “02”, es decir, se tienen dos copias de la FAT. BPB_RootEntCnt Offset (Byte): 17 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: En volúmenes FAT12 y FAT16, estos dos bytes contienen en numero de entradas de 32 bits que hay en el directorio raíz del disco. Ese valor debe ser tal, que al multiplicarlo por 32 resulte en un múltiplo de BPB_BytsPerSec. En el caso de volúmenes con FAT32, este campo debe ser "00 00". Por motivos de compatibilidad, en sistemas FAT16, este valor debería ser 512. Nuestro ejemplo muestra "E0 00" en estos bytes, por lo que el valor (de nuevo “little endian”) "00 E0", que en binario es 0000 0000 1110 000 y en decimal es 224. Al multiplicar 224 * 32 obtenemos 7168, que es un múltiplo de BPB_BytsPerSec: 7168 / 512 = 14 BPB_TotSec16 Offset (Byte): 19 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Este campo contiene en 16 bits la cuenta total de sectores del volumen (FAT12 o FAT16). Están incluidas en la cuenta la totalidad de sectores de todas las zonas. Este campo puede ser 0, en cuyo caso BPB_TotSec32 (ver mas adelante) no debe ser 0. En el diskette que estamos analizando vemos los bytes “40 0B”, que debemos interpretar como "0B 40" que en binario es 0000 1011 0100 0000 o 2880 en decimal. 2880 * 512 = 1474560 es el tamaño total del diskette. BPB_Media Offset (Byte): 21 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Especifica el tipo de medio. "F8" es el valor que identifica a los medios no removibles. Los medios removibles en general se especifican como "F0". Una cuestión importante es que este valor debe también ser colocado en byte bajo de la entrada FAT [0] . La lista de valores posibles es la siguiente: Valor Significado 0xF8 un lado, 80 pistas por lado, 9 sectores por pista 0xF9 dos lados, 80 pistas por lado, 9 sectores por pista 0xFA un lado, 80 pistas por lado, 8 sectores por pista 0xFB dos lados, 80 pistas por lado, 8 sectores por pista 0xFC un lado, 40 pistas por lado, 9 sectores por pista 0xFD dos lados, 40 pistas por lado, 9 sectores por pista 0xFE un lado, 40 pistas por lado, 8 sectores por pista 0xFF dos lados, 40 pistas por lado, 8 sectores por pista Nuestro diskette tiene el valor "F0" en este byte, que es el valor genérico para un medio removible. BPB_FATz16 Offset (Byte): 22 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Tamaño de la FAT12/FAT16. Es el numero de sectores ocupados por UNA copia de la FAT. Si se trata de un volumen FAT32, este campo debe ser 0, y el tamaño de la FAT almacenado en BPB_FATz32. En el diskette que estamos analizando vemos los bytes “09 00”, que debemos interpretar como "00 09" que en binario es 0000 0000 0000 1001 o 9 en decimal. 9 * 512 = 4608 bytes ocupados cada copia de la FAT. BPB_SecPerTrk Offset (Byte): 24 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: En aquellos soportes que tienen una "geometría" compuesta por pistas, cabezas y cilindros, tales como los discos duros, este valor especifica el numero de sectores por pista. Es utilizado por ejemplo por la int13 de MS-DOS. Nuestro diskette tiene los bytes “12 00”, que debemos interpretar como "00 12" y que en binario es 0000 0000 0001 0020 o 18 en decimal. Este diskette tiene 18 sectores de 512 bytes por pista. Si multiplicamos 18 * 512 * 80 (pistas) * 2 (cabezas), volvemos al tamaño total de bytes del disco, 1474560. BPB_NumHeads Offset (Byte): 26 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Similar al campo anterior, pero indica el numero de cabezas. Nuestro diskette tiene los bytes “02 00”, que debemos interpretar como "00 02" y que en binario es 0000 0000 0000 0010 o 2 en decimal. Este diskette es leído en una unidad que tiene dos cabezas. BPB_HiddSec Offset (Byte): 28 Tamaño (Bytes) : 4 Descripción: Numero de sectores ocultos anteriores a la partición que contiene este volumen FAT. Generalmente, solo tiene importancia en sistemas que acceden al volumen a través de la int13 de MS-DOS. Este valor debería ser 0 en un medio que no ha sido particionado. El valor exacto de este campo depende del sistema operativo utilizado. En el diskette que estamos analizando vemos los bytes “00 00 00 00”, lo que indica que no existen particiones en el volumen. Campo: BPB_TotSec32 Offset (Byte): 32 Tamaño (Bytes) : 4 Descripción: Este campo contiene en 32 bits la cuenta total de sectores del volumen (FAT32). Están incluidas en la cuenta la totalidad de sectores de todas las zonas. Este campo puede ser 0, en cuyo caso BPB_TotSec16 (ver mas arriba) no debe ser 0. En volúmenes FAT32 no debe ser 0. En volúmenes FAT12/FAT16 este campo contiene el numero de sectores solamente cuando BPB_TotSec16 es 0 y el numero de sectores es mayor a 65535. En este diskette tenemos “00 00 00 00”, debido a que es un volumen con FAT12/FAT16 con menos de 65536 sectores. Todos los campos vistos hasta aquí son comunes a las implementaciones de FAT12/FAT16/FAT32. Los que vienen a continuación son propios de los sistemas FAT12/FAT16 o de los FAT32. Campos específicos de FAT12/FAT16 Los siguientes campos solo se encuentran en aquellos volumenes con FAT12/FAT16: BS_DrvNum Offset (Byte): 36 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Numero de drive para la interrupción 13. Este campo le indica a MS-DOS si se trata de un diskette ("00") o de un disco duro ("80"). En nuestro ejemplo, al tratarse de un diskette tenemos “00”. BS_Reserved1 Offset (Byte): 37 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Reservado para su uso en Windows NT. Cualquier programa que de formato a un diskette deberia escribir un "00" en este lugar. En nuestro ejemplo encontramos “00” en ese byte. BS_BootSig Offset (Byte): 38 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Marca de boot extendido. Simplemente, indica si los siguientes tres campos están presentes ("29") o no "00". En este diskette tenemos “29”,lo que indica que los tres siguientes campos (BS_VolID, BS_VolLab y BS_FilSysType) están presentes. BS_VolID Offset (Byte): 39 Tamaño (Bytes) : 4 Descripción: Estos cuatro bytes conforman el numero de serie del soporte. Junto con BS_VolLab sirven para identificar un soporte en particular. Se obtiene a partir de la fecha y la hora en que se realizo el formato del disco. (Más adelante puede verse el algoritmo utilizado). El diskette bajo análisis tiene los bytes "B9 90 1C 92". BS_VolLab Offset (Byte): 43 Tamaño (Bytes) : 11 Descripción: Etiqueta electronica del volumen. Es el nombre que uno puede ver cuando accede al volumen desde Windows, por ejemplo. En aquellos soportes que no se ha escrito o cambiado el nombre, deberían figurar los bytes "4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20" ("NO NAME ") . El diskette que estamos estudiando tiene la cadena "NO NAME " BS_FilSysType Offset (Byte): 54 Tamaño (Bytes) : 8 Descripción: Una cadena de texto, con 8 caracteres de longitud. Debe ser "FAT12 ", "FAT16 " o "FAT ". Muchos programadores suponen que esta etiqueta sirve para identificar el tipo de volumen, pero sin embargo no es así, ya que este campo no es parte del BPB. En este diskette tenemos la cadena "FAT12 " Aquí terminan los campos específicos para los volúmenes con FAT12/FAT16. Campos específicos de FAT32 Los siguientes 13 campos solo se encuentran en aquellos volumenes con FAT32. En nuestro diskette bajo estudio no parecen ninguno de estos campos, ya que posee una FAT12. BPB_FATSz32 Offset (Byte): 36 Tamaño (Bytes) : 4 Descripción: Tamaño de la FAT32. Es el numero de sectores ocupados por UNA copia de la FAT. Si se trata de un volumen FAT12/FAT16, este campo debe ser 0, y el tamaño de la FAT almacenado en BPB_FATz16. BPB_ExtFlags Offset (Byte): 40 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Campo especifico de FAT32. Son 16 bits, cuyo significado es el siguiente: Bits 0..3: Numero (comenzando en 0) de FAT activa. Solo es válido si esta desactivado el espejado. Bits 4..6: Reservado Bit 7: 0: FATs en espejo 1: Solo una FAT esta activa (ver bits 0..3) Bits 8..15: Reservados. BPB_FSVer Offset (Byte): 42 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Versión de la FAT32 del volumen. El byte alto contiene la versión, y el bajo la revisión. Es útil para evitar de que un sistema operativo antiguo manipule volúmenes creados con versiones mas nuevas. BPB_RootClus Offset (Byte): 44 Tamaño (Bytes) : 4 Descripción: Este es el numero de cluster del primer cluster del directorio raíz. Normalmente (pero no necesariamente) es 2. BPB_FSInfo Offset (Byte): 48 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Numero de sector de la estructura FSINFO dentro del área reservada del volumen. Generalmente es 1. BPB_BkBootSec Offset (Byte): 50 Tamaño (Bytes) : 2 Descripción: Si es distinto de cero, indica el numero de sector en el área reservada del volumen en que se encuentra la copia del Boot Record. Generalmente es 6, y no se recomienda otro valor. BPB_Reserved Offset (Byte): 52 Tamaño (Bytes) : 12 Descripción: Reservados para futuras expansiones. Estos bytes deberían ser dejados en 0. BS_DrvNum Offset (Byte): 64 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Numero de drive para la interrupción 13. Este campo le indica a MS-DOS si se trata de un diskette ("00") o de un disco duro ("80"). BS_Reserved1 Offset (Byte): 65 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Reservado para su uso en Windows NT. Cualquier programa que de formato a un diskette deberia escribir un "00" en este lugar. BS_BootSig Offset (Byte): 66 Tamaño (Bytes) : 1 Descripción: Descripción: Marca de boot extendido. Simplemente, indica si los siguientes tres campos están presentes ("29") o no "00". BS_VolID Offset (Byte): 67 Tamaño (Bytes) : 4 Descripción: Estos cuatro bytes conforman el numero de serie del soporte. Junto con BS_VolLab sirven para identificar un soporte en particular. Se obtiene a partir de la fecha y la hora en que se realizo el formato del disco. (Más adelante intentar publicar aquí el algoritmo utilizado). BS_VolLab Offset (Byte): 71 Tamaño (Bytes) : 11 Descripción: Etiqueta electrónica del volumen. Es el nombre que uno puede ver cuando accede al volumen desde Windows, por ejemplo. En aquellos soportes que no se ha escrito o cambiado el nombre, deberían figurar los bytes "4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20" ("NO NAME ") . BS_FilSysType Offset (Byte): 82 Tamaño (Bytes) : 8 Descripción: Una cadena de texto, con 8 caracteres de longitud. Debe ser "FAT32 ". Esta etiqueta no sirve para identificar el tipo de volumen, ya que este campo no es parte del BPB. Notas sobre los campos de la FAT Esta es una aclaración muy importante sobre el sector cero de un volumen FAT: si consideramos toda la estructura del sector de la FAT como un vector, el elemento sector[510] debe ser igual a "55" y el sector[511] igual a "AA". Mucha documentación sobre este tema contiene el frecuente error de decir algo como "la firma "AA55" ocupa los últimos dos bytes del sector de arranque". Esto solo es correcto si y solo si BPB_BytesPerSec = 512. Si BPB_BytesPerSec es mayor a 512, el offset (distancia desde el elemento cero) de esa firma no cambia. Revise sus presunciones sobre el valor almacenado en BPB_TotSec16 / BPB_TotSec32. Siempre suponga que el tamaño en sectores de su disco o partición es DskSz. Si el campo BPB_Totsec (el que corresponda, BPB_Totsec16 o BPB_Totsec32, es decir, el que sea distinto de cero) es menor o igual a DskSz, no hay nada equivocado en la FAT. Efectivamente, no es raro tener un valor en BPB_Totsec16/32 ligeramente menor que DskSz. Eso es perfectamente valido. Esto significa que una parte del espacio del disco esta siendo desperdiciado. No quiere decir que el volumen FAT esta dañado de alguna manera. Sin embargo, si BPB_Totsec16/32 es demasiado grande (porcentualmente hablando) para el medio (o la partición) puede redundar en una gran perdida de datos. Estructura de datos de la FAT La estructura de datos que analizaremos a continuación es tan importante como la FAT en si misma. Un directorio no es mas que un archivo regular que tiene atributos especiales que indican que se trata de un directorio. La otra característica especial de un directorio es que su contenido es una serie de "entradas de directorio" de 32 bytes (que analizaremos enseguida). En todo lo demás, es igual a un archivo. La FAT mapea la región de datos de un disco mediante el numero de cluster. El primer cluster de datos es el 2. El primer sector del cluster 2 se debe calcular utilizando los campos apropiados del BPB de la siguiente manera: Primero, determinamos el numero de sectores ocupados por el directorio raíz: RootDirSectors = ( ( BPB_RootEntCnt * 32 ) + ( BPB_BytsPerSec - 1 ) ) / BPB_BytsPerSec El resultado debe ser redondeado hacia arriba. Volviendo a la estructura del diskette bajo análisis, tenemos que BPB_RootEntCnt = 224 y BPB_BytsPerSec = 512, por lo que RootDirSectors = ( ( 224 * 32 ) + ( 512 - 1 ) ) / 512 RootDirSectors = ( ( 7168 ) + ( 511 ) ) / 512 RootDirSectors = 7679 / 512 RootDirSectors = 14,998046875 (redondeamos a 15) Es decir, en nuestro diskette el directorio raíz utiliza 15 sectores de 512 bytes cada uno, o sea, 7680 bytes. En los volúmenes con FAT32, BPB_RootEntCnt siempre es 0, por lo tanto RootDirSectors también es 0. El comienzo de la región de datos, es decir, el primer sector del segundo cluster, se calcula de la siguiente manera si se trata de un volumen FAT12/FAT16: FirstDataSector = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * BPB_FATs16 ) + RootDirSectors Con los datos del diskette de ejemplo, RootDirSectors = 15 , BPB_ResvdSecCnt = 1, BPB_NumFATs = 2 y BPB_FATs16 = 9, por lo que la formula quedaría: FirstDataSector = 1 + ( 2 * 9 ) + 15 FirstDataSector = 1 + 18 + 15 FirstDataSector = 34 Si se trata de un volumen con FAT32, la formula a utilizar para encontrar el comienzo de la región de datos es: FirstDataSector = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * BPB_FATs32 ) (Recordemos que en FAT32, RootDirSectors = 0). Tengamos en cuenta que todas estas direcciones que estamos calculando son referidas al primer sector del volumen que contiene el BPB (que seria el "0"). En aquellos volúmenes que tengan particiones estas direcciones pueden no coincidir con sector 0 del disco. Determinación del tipo de FAT Existe todo un folclore sobre como debe determinarse el tipo de fat de un volumen. La realidad es que existe una sola forma de determinar el tipo de FAT, y se basa únicamente en el numero de clusters existentes en el volumen, y nada mas. Lea atentamente los párrafos siguientes. Cuando decimos "numero de clusters" nos referimos exactamente a eso y no al "numero de clusters máximo que es valido", ya que difieren, debido a que el primer cluster de datos es el 2 y no el 0 o el 1. Vamos a comenzar viendo la manera exacta de calcular el numero de clusters. Nos basaremos en el contenido del BPB. Primero, determinamos el numero de sectores ocupados por el directorio raíz, como hicimos antes: RootDirSectors = ( ( BPB_RootEntCnt * 32 ) + ( BPB_BytsPerSec - 1 ) ) / BPB_BytsPerSec El segundo paso consiste en calcular, utilizando RootDirSectors, el numero de sectores en la región de datos del volumen. Tenemos dos casos, según se trate o no de una FAT32: FAT12/16: DataSec = BPB_TotSec16 - (BPB_ResvdSecCnt + (BPB_NumFATs * BPB_FATSz16 ) + RootDisrSectors) FAT32: DataSec = BPB_TotSec32 - (BPB_ResvdSecCnt + (BPB_NumFATs * BPB_FATSz32) ) (Recordemos que en FAT32, RootDirSectors = 0) En nuestro diskette, DataSec = 2880 - ( 1 + ( 2 * 9 ) + 15) = 2880 - (1 +18 + 15) = 2880 - 34 = 2846 Ahora determinamos el numero de clusters: CountOfClusters = DataSec / BPB_SecPerClus Este resultado, de no ser entero, debe redondearse hacia abajo. En nuestro diskette, CountOfClusters = 2846 / 1 = 2846 Con estos datos, ya somos capaces de determinar el tipo de FAT del volumen. Importante: los números mencionados son CORRECTOS, es decir, donde dice 4085 efectivamente se trata de ese numero. Lo mismo que los signos: si dice "<", utilizar "<=" es incorrecto. Si CountOfClusters < 4085, el volumen es FAT12. Si CountOfClusters >4084 y CountOfClusters < 65525, el volumen es FAT16. Si CountOfClusters > 65524, el volumen es FAT32. En nuestro diskette, CountOfClusters = 2846, por lo que se trata de una FAT12. Cálculos con clusters Esta es la única manera correcta de determinar el tipo de FAT. No existen cosas como FAT12 con mas de 4084 clusters, ni FAT32 con menos de 65.525 clusters. Es posible escribir en el BPB valores que arrojen esos resultados, pero esos volúmenes violaran las especificaciones del formato, por lo que ningún sistema operativo Microsoft los interpretara correctamente. Es una muy buena idea mantener el numero de clusters de los volúmenes a los que demos formato "alejados" de las fronteras entre uno y otro tipo de FATs. Existe mucho software que esta escrito de manera errónea, y yerra por 1, 2, 8, 10 o 16 al hacer el calculo del tipo de FAT. Mantener el numero de clusters a una "distancia" mayor a 16 unidades de los limites (4.085 o 65.525) es una buena idea para que nuestro volumen sea reconocido correctamente en la mayor cantidad de sistemas. Si al numero CountOfClusters le sumamos 1, obtenemos el numero de clusters máximo que es valido. Si le sumamos 2, obtenemos el numero de total de clusters, incluidos los dos reservados. Otro dato que podemos necesitar conocer es la posición de un cluster N dentro de la FAT. Esto es bastante simple de realizar en FAT16 y FAT32, y algo mas complejo en FAT12. Veamos: FAT16: ThisFATSecNum = BPB_ResvdSecCnt + ( ( N * 2 ) / BPB_BytsPerSec ) ThisFATEntOffset = RESTO ( ( N * 2 ) / BPBBytsPerSec ) Donde ThisFATSecNum es el numero de sector de la FAT que contiene la entrada para el cluster "N" en la primer FAT. Si se desea calcular el numero de sector de la segunda FAT, se debe sumar a este valor BPB_FATz16. Para la tercer copia de la FAT sumamos 2 * BPB_FATz16, y así sucesivamente. FAT32: ThisFATSecNum = BPB_ResvdSecCnt + ( ( N * 4 ) / BPB_BytsPerSec ) ThisFATEntOffset = RESTO ( ( N * 4 ) / BPBBytsPerSec ) Donde ThisFATSecNum es el numero de sector de la FAT que contiene la entrada para el cluster "N" en la primer FAT. Si se desea calcular el numero de sector de la segunda FAT, se debe sumar a este valor BPB_FATz32. Para la tercer copia de la FAT sumamos 2 * BPB_FATz32 y así sucesivamente. FAT12: Este calculo, como dijimos, es mas complicado debido a que los 12 bits de la dirección son un byte y medio, lo que dificulta las cuentas. FATOffset = N + (N/2) (redondear hacia abajo) ThisFATSecNum = BPB_ResvdSecCnt + ( FATOffset / BPB_BytsPerSec ) ThisFATEntOffset = RESTO ( FATOffset / BPBBytsPerSec ) Estructura de directorios en la FAT Un directorio es simplemente un archivo compuesto por una lista de estructuras de 32 bits. El único directorio "especial" es el directorio raíz. En los volúmenes FAT12 y FAT16, el directorio raíz se encuentra localizado inmediatamente después de la ultima copia de la FAT, y su tamaño en sectores se puede calcular a partir de BPB_RootEntCnt, como ya vimos. Asumiremos nombres cortos de archivo, únicamente, y mas adelante veremos como se almacenan los nombres largos. En los volúmenes FAT12 y FAT16, el primer sector del directorio raíz se encuentra en FirstRootDirSecNum = BPB_ResvdSecCnt + (BPB_NumFATs * BPB_FATSz16 ) En nuestro diskette, FirstRootDirSecNum = 1 + ( 2 * 9 ) = 19 En el caso de las FAT32, el directorio raíz puede tener un tamaño variable, y ser una cadena de clusters, como cualquier otro directorio. El primer cluster del directorio raíz de una FAT32 esta almacenado, por supuesto, en BPB_RootClus. A diferencia de los demás directorios, el directorio raíz no tiene datos en los campos correspondientes a la fecha, hora y nombre (salvo el "/"), y no contiene los archivos "." ni "..", que generalmente están en las dos primeras entradas en cualquier directorio. Además, es el único archivo en que es valido tener activado el bit "ATTR_VOLUME_ID", como veremos mas abajo. Esta es la estructura de directorios de una FAT32, explicada campo por campo: DIR_Name Offset (Bytes): 0 Tamaño (Bytes): 11 Nombre corto del directorio. Se divide en dos partes, una de 8 caracteres para el nombre, y otra de 3 para la extensión. Ambas deben rellenarse con espacios al final. DIR_Name[0] no pueden ser un espacio ("20" o 32 en decimal). El "." entre el nombre y la extensión es implícito, y no esta almacenado en la estructura. No se permiten caracteres en minúsculas en DIR_Name debido a que pueden ser específicos de algún idioma. Si DIR_Name[0] = "E5", esta entrada esta libre, es decir, no hay archivo o directorio. Si DIR_Name[0] = "00", esta entrada esta libre (igual que si fuera "E5") y no hay entradas después de esta. Por lo tanto, si estamos recorriendo la estructura del directorio y encontramos esta entrada, no tiene sentido seguir después de este punto. Si DIR_Name[0] = "05", el nombre de este archivo es "E5". Esto es así por que "E5" es un carácter valido en nombres de archivos escritos con caracteres KANJI, y de esta manera se evita que sistemas basados en ese juego de caracteres interpreten la entrada del directorio como vacía. Los caracteres siguientes son considerados ilegales dentro de DIR_Name: Valores menores a "20", con la excepción del "05" explicada arriba. "22", "2A", "2B","2C","2E","2F", "3A", "3B", "3C", "3D", "3E", "3F", "5B", "5C", "5D" y "7C". Por ultimo, veamos con un ejemplo como se almacena un nombre dentro de DIR_Name: Nombre: "pepe.ext" Almacenado como: "PEPE EXT" Bytes: "50 45 50 45 20 20 20 20 45 58 54" DIR_Attr Offset (Bytes): 11 Tamaño (Bytes): 1 Atributos específicos del archivo. Los dos bites altos de este byte se deben dejar en 0 y nunca modificarse. ATTR_READ_ONLY ("01"): Significa que el archivo es de solo lectura. ATTR_HIDDEN ("02"): No debe mostrarse este archivo en un listado normal del contenido de ese directorio. ATTR_SYSTEM ("04"): Se trata de un archivo perteneciente al sistema operativo. ATTR_VOLUME_ID ("08"): Debería haber solo un archivo en el volumen con este atributo en 1, y es el directorio raíz. DIR_FstClusHI y DIR_FstClusLO (ver mas abajo) deben ser cero para la etiqueta del volumen. ATTR_DIRECTORY ("10"): Indica que se trata de un directorio y no de un archivo. ATTR_ARCHIVE ("20"): Atributo pensado para las copias de seguridad. Debe ponerse a 1 cuando el software manejador de la FAT crea, renombra o escribe en un archivo. Las utilidades de backup pueden basarse en este bit para realizar sus tareas de respaldo, y ponerlo en 0 para indicar que ya fueron resguardados. ATTR_LONG_NAME: ATTR_READ_ONLY , ATTR_HIDDEN , ATTR_SYSTEM y ATTR_VOLUME_ID en 1. Esta combinación de bits indican que el "archivo" es en realidad parte del nombre largo de otro archivo. Volveremos sobre este tema mas adelante. DIR_NTRes Offset (Bytes): 12 Tamaño (Bytes): 1 Reservado para Windows NT. Debe ser dejado en cero. DIR_CrtTimeTenth Offset (Bytes): 13 Tamaño (Bytes): 1 Milisegundos de la hora en que se creo el archivo. Este campo en realidad contiene las décimas de segundos. La granularidad de los segundos almacenados en DIR_CrtTime2 es de dos segundos, por lo que este campo puede contener valores entre 0-199 . DIR_CrtTime Offset (Bytes): 14 Tamaño (Bytes): 2 Hora a la que se creo el archivo. DIR_CrtDate Offset (Bytes): 16 Tamaño (Bytes): 2 Fecha en la que se creo el archivo. DIR_LstAcctDate Offset (Bytes): 18 Tamaño (Bytes): 2 Fecha en la que se accedió por ultima vez el archivo, ya sea para escribir en el o para leerlo. En el caso de una escritura, este valor debe ser el mismo que el almacenado en DIR_WrtDate. No se guarda la hora del ultimo acceso. DIR_FstClusHI Offset (Bytes): 20 Tamaño (Bytes): 2 Parte alta de la palabra de 32 bits que contiene el primer cluster del archivo. Siempre es cero en las FAT12 o FAT16. DIR_WrtTime Offset (Bytes): 22 Tamaño (Bytes): 2 Hora de la ultima escritura. La creación del archivo se considera una escritura. DIR_WrtDate Offset (Bytes): 24 Tamaño (Bytes): 2 Fecha de la ultima escritura. La creación del archivo se considera una escritura. DIR_FstClusLO Offset (Bytes): 26 Tamaño (Bytes): 2 Parte baja de la palabra de 32 bits que contiene el primer cluster del archivo. DIR_FileSize Offset (Bytes): 28 Tamaño (Bytes): 4 Tamaño del archivo, en bytes. Creando un directorio Cuando se crea un directorio (un archivo con ATTR_DIRECTORY en 1), se debe poner DIR_FileSize en cero. El tamaño de los directorios se calcula siguiendo su cadena de clusters hasta la marca EOC. Un cluster es asignado al directorio (a menos que se trate de una FAT12 o FAT16), y se deben apuntar DIR_FstClusLO y DIR_FstClusHI al numero del cluster, y poner EOC en la entrada correspondiente de la FAT. A continuación, se ponen todos los bytes de ese cluster en cero. Si se trata del directorio raíz, no se crean las entradas "." y "..". En caso de no ser el directorio raíz hay que crear dos entradas especiales en las primeras dos entradas de 32 bits del directorio, con DIR_Name = ". " y DIR_Name = ".. ". DIR_FileSize es cero en ambas entradas. Los campos de fecha y hora son iguales a los del directorio que acabamos de crear. Para terminar, debemos poner en la entrada "." el campo DIR_FstClusLO y DIR_FstClusHI valores iguales a los del directorio que acabamos de crear. Y en ".." ponemos en los campos DIR_FstClusLO y DIR_FstClusHI el valor del directorio "padre". Si se trata del directorio raíz, ponemos cero. Resumiendo: La entrada "." es un directorio que se apunta a si misma, y la entrada ".." es un directorio que apunta al directorio padre (cero si su "padre" es el directorio raíz) Formatos de fecha y hora Muchas implementaciones solo soportan los campos DIR_WrtTime y DIR_WrtDate. Por esta razón, los campos DIR_CrtTimeTenth, DIR_CrtTime, DIR_CrtDate y DIR_LstAcctDate se han transformado en campos opcionales. DIR_WrtTime y DIR_WrtDate deben ser empleados siempre. Todos los campos que no se empleen deben ser completados con "00" al momento de crear el archivo, y ser ignorados en las demás operaciones. Los campos que contienen fechas utilizan 16 bits (dos bytes) para codificar el día, mes y año de la fecha en cuestión, pero referidas a 1980. Es decir, al año expresado deberá sumársele 1980 para obtener la fecha correcta. De los 16 bits utilizados, llamaremos bit0 al menos significativo, y bit 16 al mas significativo. La fecha se guarda de la siguiente manera: Bits 0-4: Día del mes, valores en el rango 1..31 Bits 5-8: Número de mes, valores en el rango 1..12 Bits 9-15: Años transcurridos desde 1980, valores en el rango 0..127 Por ejemplo, la fecha "10 de febrero de 2007" se codificaría como: 01010 para el día del mes (10) 0010 para el numero de mes (2) 0011011 para el año (27, por que 1980 + 27 = 2007) Los 16 bits serian 0011 0110 0100 0101, en hexadecimal "36 45". Como se colocan en notación "Little Endian", en el soporte deben guardarse invertidos, es decir "45 36". El formato de el tiempo es similar. También se utilizan 16 bits, donde llamaremos bit0 al menos significativo, y bit 16 al mas significativo. La fecha se guarda de la siguiente manera: Bits 0-4: Numero de 2 * segundos, en el rango 0..29 (0..58 segundos). Bits 5-10: Numero de minutos, en el rango 0..59. Bits 11-15: Numero de horas, en el rango 0..23. El rango valido de tiempo va desde 00:00:00 a 23:59:58. Por ejemplo, la hora "15:25:38" se codificaría como: 10011 para los segundos (19, por que 19 * 2 = 38). 011001 para los minutos (25). 01111 para las horas (15). Los 16 bits serian 0111 1011 0011 0011, en hexadecimal "7B 33". Como se colocan en notación "Little Endian", en el soporte deben guardarse invertidos, es decir "33 7B". Análisis de una tarjeta Flash de 1Gb con FAT32 (WinXP) Haciendo uso de todo lo expuesto anteriormente, vamos a analizar el contenido de una tarjeta Flash SD previamente formateada con WinXP, FAT32. El contenido de la tarjeta es: En el directorio raíz, una carpeta llamada "directorio1" y un archivo de texto llamado "archivo1.txt" con el texto "HOLA MUNDO" dentro. En la carpeta "directorio1" hay otro archivo de texto llamado "archivo2.txt" con el contenido "SEGUNDO ARCHIVO" en el primer renglón, y "DE TEXTO" en el segundo. Esta es la imagen de los primeros 512 bytes de la tarjeta: Analizando esta imagen podemos deducir: BS_jmpBoot: EB 58 90. BS_OEMName: "4D 53 44 4F 53 35 2E 30”, que corresponden a los caracteres “MSDOS5.0” BPB_BytsPerSec: "00 02", o sea, 512 bytes por sector. BPB_SecPerClus: "08", o sea, 8 sectores por cluster. 512 * 8 = 4096 bytes por cluster. BPB_RsvdSecCnt: "26 00", es decir, 38 sectores reservados. (26 hexadecimal es 38 en decimal) BPB_NumFATs: "02", es decir, dos copias de la FAT. BPB_RootEntCnt: "00 00", por tratarse de una FAT 32. BPB_TotSec16: "00 00", por tratarse de una FAT 32. BPB_Media: "F8", identificado como un medio NO REMOVIBLE. (?) BPB_FATz16: "00 00", por tratarse de una(26 hexadecimal es 38 decimal) FAT 32. BPB_SecPerTrk: "3F 00", o sea 63 sectores por pista (3F hexadecimal es 63 en decimal) BPB_NumHeads: "20 00", o 20 cabezas por pista. BPB_HiddSec: "F3 00 00 00", o sea 243 sectores ocultos (F3 hexadecimal es 243 en decimal) BPB_TotSec32: "0D B3 1E 00", o sea 2.011.917 de sectores. ("little endian" de 32 bits, "00 1E B3 0D" es 2.011.917 en decimal). BPB_FATSz32: "A9 07 00 00", 1961 sectores ocupados por UNA copia de la FAT. ("little endian" de 32 bits, "00 00 07 A9" es 1961 en decimal). BPB_ExtFlags: "00 00". BPB_FSVer: "00 00". Versión de FAT32 0.0. BPB_RootClus: "02 00 00 00", el numero de cluster del primer cluster del directorio raíz es 2. BPB_FSInfo: "01 00", el numero de sector de la estructura FSINFO dentro del área reservada del volumen es 1. BPB_BkBootSec: "06 00", el sector en el área reservada del volumen en que se encuentra la copia del Boot Record es el 6. BPB_Reserved: "00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00" BS_DrvNum: "00" . Indica a MS-DOS que se trata de un diskette. BS_Reserved1: "00" BS_BootSig: "29". Los siguientes tres campos están presentes. BS_VolID: "EC D2 C0 78". Es el numero de serie del volumen. BS_VolLab: "4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20" ("NO NAME ") BS_FilSysType: "46 41 54 33 32 20 20 20", o sea, "FAT32 " Ahora, veamos los datos que se pueden calcular con esta información: RootDirSectors: Es el numero de sectores ocupados por el directorio raíz: siempre es 0 para FAT32. FirstDataSector = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * BPB_FATs32 ) = 38 + ( 2 * 1961 ) = 3960 DataSec = BPB_TotSec32 - (BPB_ResvdSecCnt + (BPB_NumFATs * BPB_FATSz32) ) = 2011917 - ( 38 + ( 2 * 1961 = 2.007.957 CountOfClusters = DataSec / BPB_SecPerClus = 2007957 / 8 = 250994. Si CountOfClusters > 65524, el volumen es FAT32, lo cual es correcto. Autor Datos del Autor Nombre: Ariel Palazzesi email: arielpalazzesi@gmail.com Ver los artículos de este autor. 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