PVS架構(gòu)之VHD虛擬磁盤

在Citrix PVS架構(gòu)和產(chǎn)品中，位于最后端的存儲(chǔ)硬盤采用的是虛擬化時(shí)代，微軟開發(fā)的虛擬硬盤VHD/VHDX。VHD/VHDX格式是一種公開可用的映像格式規(guī)范，允許將硬盤封裝到單個(gè)文件中，以供操作系統(tǒng)作為虛擬硬盤以物理硬盤的方式使用。這些虛擬硬盤能夠托管本地文件系統(tǒng)（NTFS，FAT，exFAT和UDFS），同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)硬盤和文件操作。VHD文件的最開始用于Windows7，Windows Server 2008，Virtual Server和Windows Virtual PC以及Hyper-V。隨后Citrix PVS也使用了VHD虛擬硬盤。隨著微軟Windows Server 2012的發(fā)布以及新文件系統(tǒng)的開發(fā)，VHD格式需要適應(yīng)這些變化。于是就在Windows Server 2012 中引入了一個(gè)新版本的 VHD 格式，稱為 VHDX。新的VHDX支持最新的ReFS文件系統(tǒng)以及具有更大的存儲(chǔ)容量。它還在電源故障期間提供數(shù)據(jù)損壞保護(hù)并且優(yōu)化動(dòng)態(tài)硬盤和差異硬盤的結(jié)構(gòu)對(duì)齊方式，以防止在新的大型扇區(qū)在物理硬盤上性能降級(jí)。

我們今天來介紹下VHD/VHDX虛擬硬盤的相關(guān)技術(shù)：

1、它是如何與操作系統(tǒng)通信？

2、VHD/VHDX虛擬硬盤的架構(gòu)是什么，和物理的硬盤相比，VHD/VHDX虛擬硬盤有何不同？

一、VHD/VHDX虛擬硬盤如何與操作系統(tǒng)通信？

VHD/VHDX我們可以說她是一個(gè)映像文件，也可以說是一個(gè)虛擬硬盤。因?yàn)樗齻儽旧韺?duì)于文件系統(tǒng)，表示的是一個(gè)映像文件，對(duì)于硬盤系統(tǒng)，表示的是一個(gè)硬盤。因此微軟的VHD/VHDX虛擬硬盤我們可以給出一個(gè)定義是：使用一個(gè)映像文件來模擬物理硬盤并且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

在我們的操作系統(tǒng)里面，文件系統(tǒng)會(huì)識(shí)別VHD/VHDX映像文件為.vhd或.vhdx的文件。然后操作系統(tǒng)里面集成或安裝的虛擬硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過加載VHD/VHDX映像文件操作，把映像文件虛擬成一個(gè)本地硬盤分區(qū)，像正常的物理分區(qū)一樣進(jìn)行讀寫操作。而卸載虛擬硬盤之后，該虛擬硬盤分區(qū)消失，唯一留下的就是映像文件。虛擬硬盤消失之后，系統(tǒng)就無法訪問其中的文件，也不能對(duì)虛擬硬盤內(nèi)存儲(chǔ)的文件進(jìn)行任何操作。

那么Citrix PVS架構(gòu)下，Windows操作系統(tǒng)如果來識(shí)別和管理VHX/VHDX虛擬硬盤呢？

我們先來說VHD：

在Windows中對(duì)于VHD虛擬硬盤是通過VHDAPI來管理、掛載和創(chuàng)建的。其架構(gòu)圖如下所示：

基于VDS的VHD APIs

在圖中，基于用戶模式下，通過VDS的Windows VHD API我們可以來管理、掛載、創(chuàng)建和銷毀VHD虛擬硬盤。VDS就是Virtual Disk Service，中文簡稱虛擬磁盤服務(wù)，是一種Microsoft Windows服務(wù)，可根據(jù)最終用戶，腳本和應(yīng)用程序的請(qǐng)求執(zhí)行查詢和配置操作。該服務(wù)通過以下方式擴(kuò)展Windows Server操作系統(tǒng)的現(xiàn)有存儲(chǔ)功能：

• 為Windows中現(xiàn)有的卷和磁盤管理功能提供API。其中就包含對(duì)于VHD虛擬硬盤功能提供相應(yīng)API。

• 在單個(gè)API下統(tǒng)一卷管理和硬件冗余獨(dú)立磁盤陣列（RAID）管理。

但是VDS不執(zhí)行以下存儲(chǔ)管理功能：

• 硬件子系統(tǒng)管理，如溫度監(jiān)控或磁盤陣列性能統(tǒng)計(jì)的監(jiān)控。

• 存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）架構(gòu)管理，例如基于主機(jī)的適配器（HBA）連接的存儲(chǔ)分區(qū)。

為了進(jìn)一步了解應(yīng)用程序或者操作系統(tǒng)如何來調(diào)用VDS提供的VHD API，我們來看一下VDS的架構(gòu)。

VDS定義三個(gè)接口：應(yīng)用層和服務(wù)之間的單個(gè)接口，以及數(shù)據(jù)層中的服務(wù)和提供商程序之間的兩個(gè)接口。下圖顯示了VDS的架構(gòu)：

N層架構(gòu)使得VDS能夠與文件系統(tǒng)功能協(xié)調(diào)，同步提供程序活動(dòng)和在應(yīng)用程序之間進(jìn)行仲裁。在應(yīng)用和提供者之間，VDS向應(yīng)用提供統(tǒng)一的功能，即使一些底層提供者可能缺乏這樣的一致性。

該服務(wù)實(shí)現(xiàn)了常用功能：格式化卷，添加和刪除驅(qū)動(dòng)器盤符或掛載文件夾，以及管理未分配的磁盤（沒有分區(qū)信息的磁盤）。VDS還會(huì)向已注冊(cè)的應(yīng)用程序返回事件通知。

也就是說，在Citrix PVS架構(gòu)下，PVS控制臺(tái)可以通過調(diào)用Windows的VDS的VHD API來管理存儲(chǔ)于PVS物理硬盤上的VHD虛擬硬盤。

VirtDisk.dll組件

我們說操作系統(tǒng)通過調(diào)用存儲(chǔ)系統(tǒng)的VDS VHD API來實(shí)現(xiàn)對(duì)于VHD虛擬硬盤的管理操作，但是具體的VHD API函數(shù)則存儲(chǔ)于也是位于用戶模式下VirtDisk.dll里面，該DLL是VHD管理API的通用庫。

內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序

以上的兩個(gè)組件是位于用戶模式下的組件，是可以供開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)自定義的模塊。而位于內(nèi)核模式的驅(qū)動(dòng)程序，則不易被修改。在內(nèi)核模式下，有三個(gè)組件：

• VDrvRoot.sys ：根虛擬驅(qū)動(dòng)器枚舉。

• FsDepends.sys ：嵌套卷依賴關(guān)系管理。

• Vhdmp.sys ：VHD解析器和依賴屬性提供程序。

用戶模式下VirtDisk.dll通過向下調(diào)用內(nèi)核模式下的這三個(gè)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)真正的VHD映像文件操作。

這三個(gè)驅(qū)動(dòng)是虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)，把一個(gè)映像文件虛擬成一個(gè)磁盤設(shè)備，對(duì)虛擬設(shè)備直接進(jìn)行操作；同時(shí)它們又是一個(gè)過濾驅(qū)動(dòng)，它修改IRP流【應(yīng)用程序的各種操作通過內(nèi)核的I/O管理器轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣NIRP請(qǐng)求。虛擬磁盤驅(qū)動(dòng)相應(yīng)文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的IRP對(duì)虛擬磁盤進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作?！?，使IRP在傳遞過程中兩次經(jīng)過文件系統(tǒng)。把對(duì)文件的位置請(qǐng)求，經(jīng)過處理，指定到真實(shí)的磁盤位置，并把命令和數(shù)據(jù)傳遞下去。由于虛擬磁盤驅(qū)動(dòng)主要在內(nèi)核態(tài)修改IRP流，所以用戶態(tài)的讀寫流程保持不變，而內(nèi)核態(tài)的IRP流要兩次經(jīng)過文件系統(tǒng)：第一次經(jīng)過文件系統(tǒng)是操作虛擬磁盤內(nèi)的文件，第二次經(jīng)過文件系統(tǒng)是操作映像文件。

說完VHD，我們來介紹VHDX：

VHDX格式由于是在WindowsServer 2012中才會(huì)被支持，而Windows Server2012對(duì)于存儲(chǔ)功能的管理相較與2008是有所區(qū)別的。比如說在2008中不支持的硬件子系統(tǒng)管理，如溫度監(jiān)控或磁盤陣列性能統(tǒng)計(jì)的監(jiān)控以及存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）架構(gòu)管理，例如基于主機(jī)的適配器（HBA）連接的存儲(chǔ)分區(qū)。在Windows Server 2012中均受到支持。我們可以這樣理解，Wind我是 Server 2008就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，而Windows Server 2012即是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)又是一款存儲(chǔ)操作系統(tǒng)。什么是存儲(chǔ)操作系統(tǒng)呢？就和傳統(tǒng)的存儲(chǔ)控制器一樣，其運(yùn)行于存儲(chǔ)控制器中，具有管理NAS和SAN功能的操作系統(tǒng)。即我們可以將Windows Server 2012安裝到服務(wù)器中，并將該服務(wù)器當(dāng)做存儲(chǔ)控制器使用。

在Windows Server 2012中，Windows Storage Management API取取代了VDS(Virtual Disk Service)的角色和位置。也就是說在Windows Server 2012以及R2中，對(duì)于VHDX虛擬硬盤的管理是通過WindowsStorage Management API來進(jìn)行的。CitrixPVS控制臺(tái)通過調(diào)用WindowsStorage Management API來最終進(jìn)行VHDX文件的管理。具體的讀寫流程和VHD是一樣的，只是相對(duì)應(yīng)的服務(wù)有所區(qū)別而已。

二、VHD/VHDX虛擬硬盤的架構(gòu)是什么，和物理的硬盤相比，VHD/VHDX虛擬硬盤有何不同？

一個(gè)傳統(tǒng)的物理硬盤拋開物理組成部分的話，物理組成部分無非就是：接口、Buffer、主控芯片、RAM、電機(jī)（SSD就是Flash顆粒）。剩下的就是一個(gè)地址序列，這個(gè)序列從0~n-1,每個(gè)地址包含512B（字節(jié)）的控件。一般我們將這些地址稱作邏輯塊地址（LBA），每塊由512B組成。分區(qū)表的作用是：告訴系統(tǒng)，磁盤的分區(qū)有幾個(gè)，開始位置和結(jié)束位置。磁盤分區(qū)表格式目前主要有兩種MBR分區(qū)表和GUID分區(qū)表（GPT）。

VHD/VHDX虛擬硬盤是沒有所謂的物理組成部分的，因此VHD/VHDX虛擬硬盤的架構(gòu)其實(shí)就表現(xiàn)為是一個(gè)地址序列。

同樣，我們先來說說VHD：

在微軟的VHD 文件格式規(guī)范中【http://download.microsoft.com/download/f/f/e/ffef50a5-07dd-4cf8-aaa3-442c0673a029/Virtual%20Hard%20Disk%20Format%20Spec_10_18_06.doc】，虛擬硬盤VHD文件格式有三種類型：

• 固定虛擬硬盤：VHD映像文件在存儲(chǔ)上預(yù)分配為所請(qǐng)求的最大大小。固定虛擬硬盤是用相同容量的VHD 文件模擬同樣容量的一個(gè)虛擬硬盤，固定虛擬硬盤的VHD 文件在創(chuàng)建時(shí)，已分配了全部的空間，確定了大小，不隨著數(shù)據(jù)的寫入而改變。

• 可擴(kuò)展方式：也稱為“動(dòng)態(tài)”和“可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展”方式，VHD映像文件僅使用存儲(chǔ)上足夠空間來存儲(chǔ)虛擬磁盤當(dāng)前包含的實(shí)際數(shù)據(jù)。創(chuàng)建此類型的虛擬磁盤時(shí)，VHD API不會(huì)根據(jù)請(qǐng)求的最大大小測(cè)試物理磁盤上的可用空間，因此可以成功創(chuàng)建最大大小大于可用物理磁盤空間的動(dòng)態(tài)虛擬磁盤空間。值得注意的是，VHD動(dòng)態(tài)虛擬磁盤的最大大小為2,040GB。

• 差異方式：這種方式是建立在母盤（固定、動(dòng)態(tài)或差分VHD）上的快照，必須有一個(gè)基本的VHD虛擬硬盤作為父虛擬磁盤，不能獨(dú)立存在。在父虛擬磁盤之上創(chuàng)建差異磁盤之后，任何后續(xù)寫入都寫入到差異VHD映像文件中，并且不會(huì)修改父VHD映像文件。而且，差異磁盤可以在差異磁盤之上再建立差異磁盤。這也就是CitrixPVS多版本管理的技術(shù)。

上述的三種，每一種類型都有著自己的文件格式。

1、固定虛擬硬盤

VHD虛擬硬盤的固定虛擬硬盤的格式：

固定虛擬硬盤的VHD 格式分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)區(qū)域和頁腳區(qū)域。數(shù)據(jù)區(qū)域結(jié)構(gòu)和虛擬硬盤相同，即數(shù)據(jù)區(qū)的扇區(qū)與虛擬硬盤的扇區(qū)順序映射。頁腳結(jié)構(gòu)是所有類型的VHD 文件共有的結(jié)構(gòu)，位于文件的尾部，占據(jù)一個(gè)扇區(qū)的大小（512B字節(jié)）。整個(gè)文件的大小是設(shè)定的VHD虛擬硬盤大小加上頁腳大?。ㄒ粋€(gè)扇區(qū)），即VHD虛擬硬盤的真實(shí)大小是我們?cè)O(shè)置的值（比如40GB）加上一個(gè)扇區(qū)的大?。?/span>512B字節(jié)）。 固定虛擬硬盤所支持的硬盤大小受到操作系統(tǒng)的限制。例如，在FAT32文件系統(tǒng)上，虛擬硬盤的最大大小為4 GB。

而固定虛擬硬盤的VHD虛擬硬盤頁腳區(qū)域里面有什么呢？根據(jù)VHD文件格式的規(guī)范文檔說明，該頁腳格式是所有的VHD類型都共享的格式，也就是該頁腳區(qū)域的格式是通用的。其頁腳區(qū)域規(guī)定：

其完整格式如下所示：

從圖上可以看出，頁腳結(jié)構(gòu)共有512 字節(jié)，其定義了VHD 文件標(biāo)志、類型、容量等相關(guān)信息。下面介紹頁腳區(qū)域各個(gè)字段的意義。

（1）Cookie標(biāo)識(shí)占8 字節(jié)。Cookie用于標(biāo)識(shí)硬盤映像的原始唯一創(chuàng)建者。值區(qū)分大小寫。固定虛擬硬盤的值是“conectix”字符串。cookie存儲(chǔ)為8個(gè)字符的ASCII字符串，其中“c”在第一個(gè)字節(jié)，“o”在第二個(gè)字節(jié)，依此類推。

（2）特性占4 字節(jié)。這個(gè)字段說明該文件支持的特定功能，常用特性有：無、臨時(shí)、保留。無特性表明該文件沒有嵌入特定功能；特性為臨時(shí)，表明這是一個(gè)臨時(shí)的VHD 文件，當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)被刪除；保留特性下，這一位的值必須置為1。

（3）文件格式版本占4 字節(jié)。表明VHD 的版本信息。此字段分為主要/次要版本，并與創(chuàng)建文件時(shí)使用的規(guī)范的版本相匹配。最高有效的兩個(gè)字節(jié)用于主要版本。最低有效兩個(gè)字節(jié)是次要版本。這必須與文件格式規(guī)范匹配。對(duì)于當(dāng)前規(guī)范，此字段必須初始化為0x00010000。

（4）數(shù)據(jù)偏移量占8字節(jié)。該字段保存從文件開頭到下一個(gè)結(jié)構(gòu)的絕對(duì)字節(jié)偏移量。此字段用于動(dòng)態(tài)磁盤和差異磁盤，但不用于固定磁盤。對(duì)于固定磁盤，此字段應(yīng)設(shè)置為0xFFFFFFFF。

（5）時(shí)間戳占4字節(jié)。此字段存儲(chǔ)硬盤映像的創(chuàng)建時(shí)間。這是從UTC/ GMT時(shí)區(qū)2000年1月1日12:00:00:00開始計(jì)時(shí)以來的秒數(shù)。

（6）應(yīng)用程序創(chuàng)建者占4字節(jié)。此字段用于記錄哪個(gè)應(yīng)用程序創(chuàng)建了硬盤。該字段是一個(gè)左對(duì)齊的文本字段。它使用單字節(jié)字符集。如果硬盤由Microsoft Virtual PC創(chuàng)建，則在此字段中寫入“vpc”。如果硬盤映像由MicrosoftVirtual Server創(chuàng)建，則在此字段中寫入“vs”。其他應(yīng)用程序應(yīng)使用自己的唯一標(biāo)識(shí)符。每個(gè)應(yīng)用程序在Windwos中都會(huì)有一個(gè)自己唯一的標(biāo)識(shí)符。

（7）創(chuàng)建者版本占4字節(jié)。此字段保存創(chuàng)建硬盤映像的應(yīng)用程序的主要/次要版本。

（8）創(chuàng)建者系統(tǒng)占4字節(jié)。此字段存儲(chǔ)在其上創(chuàng)建此磁盤映像的主機(jī)操作系統(tǒng)的類型。

（9）原始長度占8字節(jié)。此字段存儲(chǔ)創(chuàng)建時(shí)從虛擬機(jī)的角度來看的硬盤大?。ㄒ宰止?jié)為單位）。此字段用于信息目的。

（10）當(dāng)前長度占8字節(jié)。此字段從虛擬機(jī)的角度存儲(chǔ)硬盤的當(dāng)前大?。ㄒ宰止?jié)為單位）。在固定虛擬硬盤格式下，此值與創(chuàng)建硬盤時(shí)的原始大小相同。在動(dòng)態(tài)方式下，此值可根據(jù)硬盤是否擴(kuò)展而更改。

（11）硬盤參數(shù)占4字節(jié)。此字段存儲(chǔ)硬盤的磁道，磁頭和每磁道的扇區(qū)值。

當(dāng)硬盤被配置為ATA硬盤時(shí)，ATA控制器使用CHS值（即，磁道，磁頭，每磁道的扇區(qū)）來確定磁盤的大小。當(dāng)用戶創(chuàng)建具有一定大小的硬盤時(shí)，虛擬機(jī)中的硬盤映像的大小小于用戶創(chuàng)建的硬盤映像的大小。這是因?yàn)閺挠脖P大小計(jì)算的CHS值向下取整。

（12）磁盤類型占4字節(jié)。

（13）校驗(yàn)和占4字節(jié)。此字段只檢驗(yàn)VHD 文件的頁腳區(qū)域，不包括數(shù)據(jù)部分。校驗(yàn)和是由頁腳中除去校驗(yàn)和字段的信息之后計(jì)算得到的。如果校驗(yàn)和出錯(cuò)，則認(rèn)定文件損壞。

（14）唯一ID占16字節(jié)。每一塊硬盤都有一個(gè)唯一ID用于識(shí)別硬盤。該唯一的ID是一個(gè)128位的通用唯一標(biāo)識(shí)符（UUID）。此字段用于將父硬盤映像與其差異硬盤映像進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（15）已保存狀態(tài)占1字節(jié)。此字段保存一個(gè)字節(jié)標(biāo)志，描述系統(tǒng)是否處于保存狀態(tài)。如果硬盤處于保存狀態(tài)，則該值設(shè)置為1。無法在保存狀態(tài)的硬盤上執(zhí)行壓縮和擴(kuò)展操作。

（16）保留占427字節(jié)。此字段顧名思義的保留字段，用于今后可能的參數(shù)以及字段擴(kuò)展，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)全部是0。它的大小是427字節(jié)。

2、可擴(kuò)展方式（動(dòng)態(tài)）虛擬硬盤

由于可擴(kuò)展的VHD虛擬硬盤的動(dòng)態(tài)性，因此不同于固定虛擬硬盤的VHD的格式?？蓴U(kuò)展的VHD 大小隨著寫入的數(shù)據(jù)而動(dòng)態(tài)變化。比如創(chuàng)建一個(gè)60GB的可擴(kuò)展的VHD文件時(shí)，它的初始大小可能僅為幾百MB，但是隨著后期數(shù)據(jù)的不斷寫入，可擴(kuò)展的VHD文件逐漸增加，并最終達(dá)到60GB的最大值。這中間存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，雜亂無章的。因此就必須得有一個(gè)類似于記錄本一樣的東西來記錄后來增加的這些數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)于那個(gè)柱面的那個(gè)扇區(qū)上。

VHD可擴(kuò)展的虛擬硬盤格式在規(guī)范文檔中表示如下：

邏輯結(jié)構(gòu)圖表示如下：

由上圖可看出，一個(gè)擴(kuò)展的VHD文件由頁腳備份區(qū)域、頭部區(qū)域、塊分配表、數(shù)據(jù)區(qū)和頁腳區(qū)域組成。頁腳備份區(qū)域是對(duì)頁腳區(qū)域的備份，位于文件的第0 扇區(qū)；頭部區(qū)域是1024字節(jié)的固定長度，位于文件的第1、2 扇區(qū)；塊分配表位于頭部區(qū)域之后，每個(gè)條目占4 字節(jié)，其隨著數(shù)據(jù)的增長而動(dòng)態(tài)擴(kuò)展扇區(qū)，不固定長度；數(shù)據(jù)區(qū)位于塊分配表之后，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包括扇區(qū)位圖和塊數(shù)據(jù)，分別為512 字節(jié)和2 MB，同樣其隨著數(shù)據(jù)的增長而動(dòng)態(tài)擴(kuò)展扇區(qū)，不固定長度；頁腳區(qū)域是512字節(jié)，與固定虛擬硬盤VHD的頁腳區(qū)域是一樣的大小，只是其中關(guān)鍵值不同，其位于文件的最后一個(gè)扇區(qū)；

1、頁腳備份區(qū)域

是對(duì)頁腳區(qū)域的備份，其數(shù)據(jù)和頁腳區(qū)域一摸一樣，因此了解了頁腳區(qū)域就行，頁腳區(qū)域在上述的固定虛擬硬盤中以及進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)介紹。

2、頭部區(qū)域

可擴(kuò)展的VHD的頭部區(qū)域表示文件的概況，包括數(shù)據(jù)塊大小，塊分配表位置和數(shù)量，以及關(guān)于差分等重要信息。

在VHD格式規(guī)范文檔中，可擴(kuò)展的VHD文件頭部的格式如下表所示：

其邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示：

下面提供了可擴(kuò)展VHD虛擬硬盤頭部字段的詳細(xì)說明。

（1）Cookie標(biāo)識(shí)占8字節(jié)。此字段保存值為“cxsparse”。此字段標(biāo)識(shí)頭部是否為合法的頭部字段。

（2）數(shù)據(jù)偏移量占8字節(jié)。此字段包含硬盤映像中下一個(gè)結(jié)構(gòu)的絕對(duì)字節(jié)偏移量。目前未被現(xiàn)有任何所格式使用，默認(rèn)設(shè)置為0xFFFFFFFF。

（3）表偏移量占8字節(jié)。此字段存儲(chǔ)文件中塊分配表（BAT）的絕對(duì)字節(jié)偏移量。由于前兩個(gè)字段為固定長度，因此塊分配表總是從0x600 處開始，字段固定為0x600。

（4）頭部版本占4字節(jié)。此字段用于存儲(chǔ)可擴(kuò)展VHD虛擬硬盤頭部的版本。該字段分為主/次版本。最低有效兩個(gè)字節(jié)表示次版本，最高有效兩個(gè)字節(jié)表示主版本。這必須與文件格式規(guī)范匹配。對(duì)于本規(guī)范，此字段必須初始化為0x00010000。主版本將僅在標(biāo)頭格式修改為不再與產(chǎn)品的舊版本兼容時(shí)增加。

（5）最大表?xiàng)l目占4字節(jié)。此字段保存BAT中存在的最大條目。這應(yīng)該等于磁盤中的塊數(shù)（即磁盤大小除以塊大?。?。

（6）塊大小占4字節(jié)。該字段定義了塊的容量。塊是動(dòng)態(tài)和差異硬盤的擴(kuò)展單元。它以字節(jié)存儲(chǔ)。此大小不包括塊位圖的大小。它只是塊的數(shù)據(jù)部分的大小。每個(gè)塊的扇區(qū)必須總是2的冪次方。默認(rèn)值為0x00200000（表示塊大小為2 MB）。

（7）校驗(yàn)和占4字節(jié)。此字段持有動(dòng)態(tài)頭部的基本校驗(yàn)和。它是除去頭部字段之外其他所有字段之和的一個(gè)補(bǔ)碼，和頁腳區(qū)域的校驗(yàn)和計(jì)算是一樣的。如果校驗(yàn)和驗(yàn)證失敗，則會(huì)判定文件已損壞。

（8）母盤唯一ID占16字節(jié)。此字段用于區(qū)分硬盤。差異硬盤存儲(chǔ)母盤的128位UUID?？蓴U(kuò)展的VHD 虛擬硬盤中這個(gè)字段置零。

（9）母盤時(shí)間戳占4字節(jié)。此字段存儲(chǔ)母盤的修改時(shí)間戳。這是從時(shí)區(qū)UTC / GMT 2000年1月1日12:00:00:00開始計(jì)算以來的秒數(shù)。

（10）保留占4字節(jié)。此字段置為零。

（11）母盤Unicode名稱占512字節(jié)。此字段包含母盤文件名的Unicode字符串（UTF-16）。

（12）母盤定位器條目占192字節(jié)（8個(gè)條目，每個(gè)條目24字節(jié)）。這些條目在存儲(chǔ)差異硬盤的母盤定位器的文件中存儲(chǔ)絕對(duì)字節(jié)偏移量。用來在不同平臺(tái)之間遷移VHD文件。此字段僅用于差異磁盤，對(duì)于動(dòng)態(tài)磁盤設(shè)置為零。

下表描述了每個(gè)定位器條目內(nèi)的字段。

平臺(tái)代碼占4字節(jié)。平臺(tái)代碼描述了哪種平臺(tái)特定的格式用于文件定位器。對(duì)于Windows，文件定位器存儲(chǔ)為路徑（例如，“c\disksp_w_picpaths\ParentDisk.vhd”）。在Macintosh系統(tǒng)上，文件定位器是包含“別名”的二進(jìn)制大對(duì)象（blob）。母盤定位器表用于支持跨平臺(tái)移動(dòng)硬盤映像。

一些當(dāng)前的平臺(tái)代碼包括以下：

平臺(tái)數(shù)據(jù)空間占4字節(jié)。此字段存儲(chǔ)存儲(chǔ)母盤定位器所需的512字節(jié)扇區(qū)數(shù)。

平臺(tái)數(shù)據(jù)長度占4字節(jié)。此字段存儲(chǔ)母盤定位器的實(shí)際長度（以字節(jié)為單位）。

保留占4字節(jié)。此字段必須設(shè)置為零。

平臺(tái)數(shù)據(jù)偏移占8字節(jié)。該字段存儲(chǔ)存儲(chǔ)平臺(tái)特定文件定位器數(shù)據(jù)的絕對(duì)文件偏移量（以字節(jié)為單位）。

（13）保留占256字節(jié)。初始化為零。

3、塊分配表

塊分配表簡稱BAT，是可擴(kuò)展VHD文件格式中一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)了虛擬硬盤到VHD文件的地址映射信息。它由可擴(kuò)展虛擬硬盤頭部的“表偏移”字段指向。

BAT的大小是在創(chuàng)建硬盤期間計(jì)算的。BAT中的條目數(shù)是完全展開時(shí)存儲(chǔ)磁盤內(nèi)容所需的塊數(shù)。例如，使用2 MB塊的基本單位數(shù)據(jù)塊來存儲(chǔ)2GB數(shù)據(jù)，磁盤映像需要1024個(gè)BAT條目。 每個(gè)條目都是4個(gè)字節(jié)長，那么大小就為4096個(gè)字節(jié)。，從塊分配表的第1個(gè)字節(jié)（0x600）開始，所有未使用的表?xiàng)l目都初始化為0xFFFFFFFF。

BAT總是擴(kuò)展到扇區(qū)邊界。 可擴(kuò)展磁盤頭部中的“最大表?xiàng)l目”字段指示有多少條目有效。

BAT的條目存儲(chǔ)了虛擬硬盤的塊地址映射到VHD文件的絕對(duì)扇區(qū)偏移量，表示虛擬硬盤的塊中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在VHD 文件中以該扇區(qū)開始的數(shù)據(jù)塊內(nèi)。如果向虛擬硬盤的塊寫入數(shù)據(jù)，那對(duì)應(yīng)的塊分配表的條目為該塊在VHD文件分配空間；如果虛擬硬盤的塊沒有數(shù)據(jù)寫入，那對(duì)應(yīng)的塊分配表?xiàng)l目就不分配空間。這保證了虛擬硬盤通過塊分配表的動(dòng)態(tài)更新可以隨時(shí)向VHD 文件寫入數(shù)據(jù)，也闡明了VHD文件容量的動(dòng)態(tài)變化。

其具體的流程圖如下圖所示：

上圖中描述了虛擬硬盤的數(shù)據(jù)塊到VHD文件的數(shù)據(jù)塊的映射關(guān)系。塊分配表的條目與虛擬硬盤塊的數(shù)目是保持一致的，且硬盤的第n個(gè)塊對(duì)應(yīng)塊分配表的條目n，也就是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這樣的好處是方便的進(jìn)行讀取的時(shí)候按順序查找所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在哪個(gè)數(shù)據(jù)塊上。但VHD文件的數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)塊的順序不與此對(duì)應(yīng)。圖中，塊分配表的條目0為虛擬硬盤的第0塊分配到VHD文件中以某扇區(qū)開始的第1塊，即寫入虛擬硬盤第0 塊的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在VHD 文件的某扇區(qū)第1塊數(shù)據(jù)塊區(qū)域，這里的某扇區(qū)即是VHD文件存儲(chǔ)在真實(shí)硬盤上的扇區(qū)。因此我們就可以理順VHD虛擬硬盤快分配表的工作模式了：

1）、數(shù)據(jù)寫入到虛擬硬盤數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)首先寫入到VHD虛擬硬盤的數(shù)據(jù)塊中；

2）、記錄塊分配表。然后根據(jù)其數(shù)據(jù)塊寫入的對(duì)應(yīng)塊分配表，記錄相應(yīng)的虛擬硬盤數(shù)據(jù)塊到VHD文件的數(shù)據(jù)區(qū)域的數(shù)據(jù)塊的地址映射信息。

4、數(shù)據(jù)塊

數(shù)據(jù)塊由扇區(qū)位圖和數(shù)據(jù)組成。對(duì)于VHD可擴(kuò)展硬盤，扇區(qū)位圖指示了哪些扇區(qū)包含有效數(shù)據(jù)（值為1），以及哪些扇區(qū)未被使用（值為0）。對(duì)于差異硬盤，扇區(qū)位圖指示哪些扇區(qū)位于差異磁盤（值為1）內(nèi)，哪些扇區(qū)位于母盤（值為0）中。位圖總計(jì)有512字節(jié)即一個(gè)扇區(qū)大小。

塊是扇區(qū)倍數(shù)的乘方。默認(rèn)情況下，塊的大小為4096個(gè)512字節(jié)扇區(qū)（2 MB）。虛擬硬盤的所有塊必須具有相同的大小。此大小在可擴(kuò)展虛擬硬盤頭部的“塊大小”字段中定義。

位圖中的相應(yīng)位為零的塊中的所有扇區(qū)必須在虛擬硬盤上包含512字節(jié)的零。訪問磁盤映像的軟件可以利用該假設(shè)來提高性能。

虛擬硬盤的塊經(jīng)塊分配表分配空間后，指向數(shù)據(jù)塊中的扇區(qū)位圖，通過查看扇區(qū)位圖的每一位，確認(rèn)塊數(shù)據(jù)區(qū)的使用情況，然后進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的操作。

明白了上述的基本知識(shí)之后，我們來說說如何實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的虛擬硬盤？

首先，數(shù)據(jù)塊按需分配。創(chuàng)建可擴(kuò)展的虛擬硬盤時(shí)，最初不為其分配數(shù)據(jù)塊。新創(chuàng)建的映像僅包含前面描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（包括可擴(kuò)展的虛擬硬盤頭部和塊分配表BAT）。

當(dāng)數(shù)據(jù)寫入映像時(shí)，可擴(kuò)展的虛擬硬盤將為寫入的數(shù)據(jù)擴(kuò)展一個(gè)個(gè)新的數(shù)據(jù)塊。然后BAT被一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行更新，以包含在映像內(nèi)分配的每個(gè)新數(shù)據(jù)塊的偏移量。

VHD有一個(gè)計(jì)算公式可以讓虛擬硬盤知道其將虛擬硬盤的數(shù)據(jù)塊中的扇區(qū)映射到VHD映像文件塊中的那個(gè)扇區(qū)。

要從引用的扇區(qū)號(hào)計(jì)算塊號(hào)，該公式如下所示：

BlockNumber = floor（RawSectorNumber / SectorsPerBlock）

SectorInBlock = RawSectorNumber％SectorsPerBlock

BlockNumber用作BAT的索引。 BAT條目包含塊位圖開始的絕對(duì)扇區(qū)偏移，后面跟塊的數(shù)據(jù)。以下公式可用于計(jì)算數(shù)據(jù)的位置：

ActualSectorLocation = BAT[BlockNumber] + BlockBitmapSectorCount + SectorInBlock

以這種方式，可以以任何順序分配塊，同時(shí)保持其通過BAT的排序找到數(shù)據(jù)。

5、頁腳區(qū)域

當(dāng)新分配一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，頁腳區(qū)域必須被推回到文件的末尾。