裸機備份與恢復(fù)技術(shù)研究

(武漢大學(xué) a.計算機學(xué)院;b.網(wǎng)絡(luò)中心， 武漢 430072)

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摘 要：

介紹了裸機備份與恢復(fù)的概念，指出了裸機備份恢復(fù)技術(shù)與普通數(shù)據(jù)備份恢復(fù)技術(shù)的異同點，并分析了當前主流裸機備份恢復(fù)軟件的優(yōu)缺點。在分析Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)啟動流程的基礎(chǔ)上，給出了制作基于U盤上的Linux恢復(fù)平臺和基于光盤的Windows恢復(fù)平臺的方法。在Windows系統(tǒng)下實現(xiàn)了一個完整的裸機備份恢復(fù)系統(tǒng)，闡述了該軟件的詳細設(shè)計，包括需備份信息的分類、信息保存的結(jié)構(gòu)，以及該軟件的創(chuàng)新點技術(shù)——打開文件備份和虛擬加密磁盤技術(shù)，說明了軟件的工作流程。該系統(tǒng)在備份成本、恢復(fù)時間方面達到了較好的效果，在數(shù)據(jù)存儲的安全性方面具有創(chuàng)新性，是國內(nèi)首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的裸機恢復(fù)軟件。

關(guān)鍵詞：裸機備份; 裸機恢復(fù); 操作系統(tǒng); 打開文件備份; 存儲安全

中圖分類號：TP309 文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2008)12373504

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Research on bare metal backup and recovery

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WANG Dejuna， WANG Linaa， HAO Yongfangb

(a. School of Computer， b. Network Information Center， Wuhan University， Wuhan 430072， China)

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Abstract:Firstly， this paper introduced the data backup and recovery technology， explained the significance of this technology. It introduced the definition of bare metal backup and recovery， pointed out the difference between bare metal backup recovery and common backup recovery， analyzed the merit and defect of current popular bare metal backup and recovery software. Secondly， explained the Windows and Linux system boot process， discussed the methods to do bare metal backup and recovery for Windows system and Linux system in detail， and pointed out the key problems and solutions. It indicated the importance of recovery platform for bare metal recovery， put forward the methods to make a bootable Linux system on Udisk and a bootable Windows system on optical disk. Finally， implemented a completely bare metal backup and recovery system for Windows. Moreover， the software achieved good performanceand securityin contrast to traditional bare metal backup and recovery software because the new system makes use of some new technologies such asopen file backup andvirtual encrypted disk.

Key words：bare metal backup; bare metal recovery; operating system; open file backup; storage security

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0 引言 

信息技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機的廣泛應(yīng)用，在極大地提高了人類社會生產(chǎn)效率的同時，也使得整個社會變得越來越依賴于計算機系統(tǒng)。各種原因?qū)е碌挠嬎銠C系統(tǒng)崩潰引起企業(yè)數(shù)據(jù)丟失或業(yè)務(wù)中斷，使得企業(yè)或社會所付出的代價也越來越大。因此數(shù)據(jù)的安全以及業(yè)務(wù)的連續(xù)性提供能力成為企業(yè)關(guān)注的重點^[1，2]。當各種災(zāi)難發(fā)生而導(dǎo)致計算機操作系統(tǒng)崩潰時，采用傳統(tǒng)的備份恢復(fù)方案一般需要修復(fù)或更換硬件、安裝操作系統(tǒng)、安裝應(yīng)用軟件、恢復(fù)配置、恢復(fù)數(shù)據(jù)等一系列工作。該過程過于復(fù)雜，經(jīng)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法恢復(fù)，即使能正常恢復(fù)也至少需要耗費一兩天的時間，這對于面臨激烈競爭的現(xiàn)代企業(yè)來說是難以承受的。采用裸機備份與恢復(fù)方案可以保證即使在操作系統(tǒng)完全損壞的情況下也能簡單迅速地將整個計算機系統(tǒng)恢復(fù)運行。

裸機備份和恢復(fù)技術(shù)是一種重要的災(zāi)難備份和恢復(fù)技術(shù)^[3]。災(zāi)難恢復(fù)是指在發(fā)生災(zāi)難性事故時，能利用已備份的數(shù)據(jù)或其他手段，及時對原系統(tǒng)進行恢復(fù)，以保證數(shù)據(jù)的安全性及業(yè)務(wù)的連續(xù)性。它能夠使重要的計算機系統(tǒng)在各種意外事故發(fā)生時仍能保持持續(xù)運行的能力。所謂裸機，實際上是計算機硬件的集合，在這里指的是可供信息系統(tǒng)正常運行的計算機硬件環(huán)境。裸機恢復(fù)就是指由于硬件或軟件的原因?qū)е掠嬎銠C操作系統(tǒng)崩潰后，使用系統(tǒng)正常時對系統(tǒng)作過的備份，在良好的硬件環(huán)境下將系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)的過程。裸機備份則是指為了裸機恢復(fù)而對正常系統(tǒng)信息作備份的過程。裸機備份和恢復(fù)包含整個信息系統(tǒng)：操作系統(tǒng)、配置環(huán)境、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、用戶設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)等所有信息的備份與恢復(fù)。

裸機備份恢復(fù)與普通的備份恢復(fù)是有區(qū)別的，這分別體現(xiàn)在備份和恢復(fù)兩個方面：裸機備份既需要備份文件，又需要備份一些不以文件形式存在的信息，缺少這些信息，操作系統(tǒng)將無法啟動；裸機恢復(fù)，由于原操作系統(tǒng)已損壞，需要額外提供一個正常的操作系統(tǒng)來執(zhí)行恢復(fù)程序，這樣在整個系統(tǒng)都失效時，用災(zāi)難恢復(fù)措施能夠迅速恢復(fù)系統(tǒng)而不必重裝系統(tǒng)。評價一個裸機備份與恢復(fù)機制的優(yōu)劣主要看以下兩點^[4]：a)備份的成本高低，包括備份所需時間與備份所耗費的容量；b)恢復(fù)的成本高低，即系統(tǒng)恢復(fù)正常所需時間，這一點與恢復(fù)過程是否簡單易行直接相關(guān)。

當前實現(xiàn)裸機備份與恢復(fù)的技術(shù)大致可以分為三類：a)基于磁盤塊拷貝的技術(shù)；b)備份文件系統(tǒng)的技術(shù)；c)基于文件復(fù)制的技術(shù)。

這些技術(shù)均不同程度地存在以下問題：

(a)不支持打開文件備份，無法在操作系統(tǒng)運行時對系統(tǒng)盤進行備份；

(b)備份后的數(shù)據(jù)沒有加密保存，存在著備份數(shù)據(jù)泄密的可能；

(c)不支持網(wǎng)絡(luò)，無法在網(wǎng)絡(luò)上進行備份恢復(fù)；

(d)不提供恢復(fù)平臺，用戶在恢復(fù)時需要自己制作平臺。

本文設(shè)計和實現(xiàn)的針對Windows系統(tǒng)的裸機備份恢復(fù)系統(tǒng)可以較好地解決上述問題。

1 運行在移動介質(zhì)上的裸機恢復(fù)平臺

當操作系統(tǒng)崩潰時，裸機恢復(fù)提出了一個新的要求，即必須要有一個能正常運行的操作系統(tǒng)來作為恢復(fù)平臺。本文所述的裸機備份恢復(fù)方案的亮點之一就是提供了恢復(fù)平臺，使得用戶在恢復(fù)時的工作大大減少。

這種定制的操作系統(tǒng)應(yīng)能直接運行在相應(yīng)的移動介質(zhì)（U盤或光盤）上，支持多種文件系統(tǒng)、支持網(wǎng)絡(luò)通信，能夠運行程序。本文分別給出了制作運行在U盤上的Linux和運行在光盤上的Windows的方法。

1. 1 運行在U盤上的Linux

筆者可以利用Linux內(nèi)核的開放性制作出支持大磁盤、兼容多種文件系統(tǒng)、支持網(wǎng)絡(luò)通信的安裝在U盤上的Linux系統(tǒng)來作為恢復(fù)平臺^[5]。要使得U盤上的Linux能夠啟動，必須滿足下面兩個條件：a)主板支持USB設(shè)備啟動；b)U盤必須是啟動型的。當前的絕大部分主板以及U盤都滿足這兩個條件。

將Linux安裝在U盤上分為兩個部分：一是安裝操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序GRUB到U盤；二是定制一個具有相應(yīng)功能、大小合適的Linux系統(tǒng)。

在制作啟動U盤過程中必須要有一個啟動了的支持USB存儲設(shè)備的Linux系統(tǒng)。制作可啟動的U盤的具體實現(xiàn)步驟如下：

a)分區(qū)U盤；

b)對分區(qū)進行格式化，并掛載到系統(tǒng)；

c)在掛載后的分區(qū)上建立boot文件夾，將硬盤上的GRUB文件夾拷貝到該文件夾；

d)安裝GRUB到U盤上；

e)修改menu.lst文件，建立啟動選項。

定制Linux系統(tǒng)的步驟如下：

a)編譯Linux內(nèi)核；

b)建立根文件系統(tǒng)；

c)網(wǎng)卡設(shè)置。

1.2 光盤上的Windows

WinPE（Windows預(yù)安裝環(huán)境）基于在保護模式下運行的Windows XP個人版內(nèi)核，是一個只擁有較少但是非常核心服務(wù)的Win32子系統(tǒng)。這些服務(wù)為Windows安裝、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享、自動底層處理進程和實現(xiàn)硬件驗證。WinPE可創(chuàng)建和格式化硬盤分區(qū)，提供訪問NTFS文件系統(tǒng)分區(qū)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限。此預(yù)安裝環(huán)境支持所有能用Windows 2000和Windows XP驅(qū)動的大容量存儲設(shè)備，可以很容易地為新設(shè)備添加驅(qū)動程序。

使用WinPE可以把現(xiàn)有基于MSDOS的工具轉(zhuǎn)換為32位的Windows APIs，以便在標準的開發(fā)環(huán)境中更容易地維護這些應(yīng)用程序。WinPE所包含的硬件診斷和其他預(yù)安裝工具都支持標準的Windows XP驅(qū)動，無須做任何其他特別的工作。對于程序開發(fā)者來講，可以把主要精力放在程序的診斷、調(diào)試和開發(fā)的環(huán)節(jié)上。

相比Windows XP，WinPE雖然精簡但還是不能用一張普通軟盤裝下，不過完全可以把自定義過的WinPE放在其他的一些可啟動媒介上，如CDROM光盤、DVD（ISO格式化過的）光盤以及遠程安裝服務(wù)器（RIS）。

從上面說明來看，WinPE本身并非是為備份恢復(fù)出現(xiàn)的，但由于它所具有的功能剛好能夠滿足本文作為恢復(fù)平臺的需求，使用它作為基于光盤的恢復(fù)平臺就是順理成章的。本文使用該技術(shù)創(chuàng)建了一個具有GUI圖形界面的恢復(fù)平臺，如圖1所示。

2 裸機備份恢復(fù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)計思想是采用虛擬加密磁盤(即文件保密柜)技術(shù)將一個文件虛擬成為NTFS分區(qū)來打包保存數(shù)據(jù)，在保存必要的操作系統(tǒng)啟動相關(guān)信息的同時，采用文件復(fù)制的技術(shù)來進行數(shù)據(jù)的備份。本軟件內(nèi)部集成了打開文件備份(即前面所講的基于Windows文件系統(tǒng)的熱快照)模塊，可以在系統(tǒng)運行時對系統(tǒng)盤進行備份。

2. 1 備份信息分類

要進行備份，就必須清楚備份的對象即備份的內(nèi)容是什么。針對Windows系統(tǒng)，需要備份的信息包括以下幾點：

a) MBR（master boot record）及分區(qū)表。MBR即主引導(dǎo)記錄，有時也稱為主引導(dǎo)扇區(qū)，位于整個硬盤的0柱面0磁頭1扇區(qū)。總共512 Byte的主引導(dǎo)記錄中，MBR的引導(dǎo)程序占了其中的前446 Byte，隨后的64 Byte為DPT(硬盤分區(qū)表)；最后的2 Byte“55 AA”是分區(qū)有效結(jié)束標志。MBR不隨操作系統(tǒng)的不同而不同，即不同的操作系統(tǒng)可能會存在相同的MBR，即使不同，MBR也不會帶有操作系統(tǒng)的性質(zhì)，具有公共引導(dǎo)的特性。分區(qū)表是記錄硬盤如何劃分信息的一塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這一記錄極為重要。如果此信息損壞，系統(tǒng)將無法啟動，甚至所有磁盤所有信息都將無法訪問。

b)各個分區(qū)的文件系統(tǒng)類型和操作系統(tǒng)類型。文件系統(tǒng)提供在計算機上命名、存儲、安排和管理文件的方法，它是操作系統(tǒng)通過格式化操作來建立的。不同的文件系統(tǒng)有自己的特性，如NTFS文件系統(tǒng)具有FAT文件系統(tǒng)所沒有的加密和壓縮等特性，這樣如果將NTFS恢復(fù)成FAT，將丟掉相當一部分信息。所以需要備份文件系統(tǒng)的類型，以利于在恢復(fù)時將分區(qū)格式化為相同的文件系統(tǒng)，同時也便于采用操作系統(tǒng)為各文件系統(tǒng)提供的備份恢復(fù)API。備份操作系統(tǒng)類型是為了在恢復(fù)時采用同類的操作系統(tǒng)來恢復(fù)平臺。另外由于Windows系列不同的操作系統(tǒng)在相同的文件系統(tǒng)下的操作系統(tǒng)引導(dǎo)代碼也是不盡相同的，恢復(fù)時要知道是何種操作系統(tǒng)以及何種文件系統(tǒng)才可能采取對應(yīng)的措施。

c)各分區(qū)隱藏信息。所謂隱藏扇區(qū)^[6]是指從分區(qū)起始扇區(qū)開始的僅為系統(tǒng)所有的扇區(qū)，它們不作為文件系統(tǒng)的部分進行管理。現(xiàn)在有些軟件如加密軟件利用了這些隱藏扇區(qū)來保存某些信息，要使這些軟件正確運行就必須備份這些信息。

d)操作系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序。這個程序?qū)崿F(xiàn)的功能是提供給用戶選擇進入操作系統(tǒng)的能力，并裝入被選擇的操作系統(tǒng)的內(nèi)核；然后將控制權(quán)交給內(nèi)核，達到啟動操作系統(tǒng)的目的。不同的文件系統(tǒng)下的匯編引導(dǎo)代碼是不同的，所以也需要備份。實際上在Windows系統(tǒng)下，每個分區(qū)都具有操作系統(tǒng)引導(dǎo)匯編代碼，只不過在系統(tǒng)分區(qū)的那一個才起作用而已。為方便起見，本文不區(qū)分哪一個是起了作用的，一律進行備份。

e)文件。文件在系統(tǒng)運行期間可以分為兩類，即打開的和未打開的。對打開的文件需要采用打開文件備份技術(shù)才能保證其備份。

2. 2 信息保存的結(jié)構(gòu)

使用文件虛擬成的NTFS分區(qū)來保存信息，給筆者帶來了很大的方便，可以借助于NTFS文件系統(tǒng)的管理功能迅速高效地定位數(shù)據(jù)。在該分區(qū)中采用與備份卷同名的目錄來保存該卷下的所有文件。例如使用C目錄保存Windows系統(tǒng)下的卷C:\\下的所有文件。在虛擬卷根目錄下保存啟動信息。結(jié)果如圖2所示。

虛擬磁盤根目錄下一級目錄為備份卷目錄，與實際需要備份的卷一一對應(yīng)。SysInfo文件存儲MBR以及分區(qū)表和一切非文件信息。

2. 3 打開文件備份技術(shù)

在Windows系統(tǒng)運行時，有許多文件處于以獨占方式打開的狀態(tài)，這時使用普通文件打開方式的備份進程是無法打開這些文件的，結(jié)果造成這些文件無法備份，除非停掉系統(tǒng)。例如，在Windows系統(tǒng)運行時，Ghost之類的軟件是無法對系統(tǒng)盤進行備份的。所謂打開文件備份^[7，8]技術(shù)，就是為了解決這個問題而開發(fā)的。該技術(shù)通過一系列特殊的方法將本以獨占方式打開的文件打開，并能夠讀取里面的內(nèi)容，保證數(shù)據(jù)的一致性。本軟件采用打開文件備份技術(shù)，可以對已經(jīng)被獨占打開的文件進行備份，避免了需要停止業(yè)務(wù)的麻煩。

2. 4 虛擬加密磁盤技術(shù)

該虛擬加密磁盤可以分成兩部分，即底層驅(qū)動(即虛擬加密硬盤驅(qū)動)和應(yīng)用層(包括動態(tài)鏈接庫、用戶操作界面應(yīng)用程序)。每部分都完成了該系統(tǒng)的部分功能。用戶操作界面應(yīng)用程序主要是實現(xiàn)符合用戶操作習(xí)慣的友好界面，盡量將虛擬加密硬盤驅(qū)動提供的功能較全面地反映到界面上，負責(zé)與用戶的交互；動態(tài)鏈接庫主要是實現(xiàn)用戶對驅(qū)動程序中創(chuàng)建的虛擬加密硬盤設(shè)備的訪問和控制；虛擬加密硬盤設(shè)備驅(qū)動則創(chuàng)建虛擬硬盤設(shè)備和管理應(yīng)用層對它們的訪問和控制。它們之間的關(guān)系可以用圖3來表示。

在這兩個部分中，底層驅(qū)動部分是實現(xiàn)的重點和難點，因為文件保密柜系統(tǒng)的所有功能都要有底層驅(qū)動為其提供支持。對文件保密柜的所有操作都最終轉(zhuǎn)變?yōu)閷μ摂M加密硬盤設(shè)備的操作，而虛擬加密硬盤驅(qū)動正是負責(zé)創(chuàng)建和具體操作這些設(shè)備的，如果沒有這個驅(qū)動，上層的任何操作就沒有意義。

該文件保密柜系統(tǒng)實現(xiàn)了創(chuàng)建、加載、卸載、刪除文件保密柜等功能。值得強調(diào)的是，為了保證存儲在文件保密柜中數(shù)據(jù)的安全性，必須做到以下兩點：

a)當創(chuàng)建文件保密柜時，用戶要指定加載它的用戶口令；

b)當加載文件保密柜時，用戶必須提供它的用戶口令，否則就無法加載它。

文件保密柜的主功能界面如圖4所示。

備份恢復(fù)軟件使用虛擬加密磁盤對文件進行打包封裝，采用類RC4算法，在不影響速度的情況下大大加強了數(shù)據(jù)存放的安全性^[9]。

2. 5 恢復(fù)光盤上驅(qū)動安裝方法

由于虛擬加密磁盤技術(shù)將加/解密模塊寫入驅(qū)動程序，而裸機恢復(fù)光盤是不可寫的，必須采取特殊的方法將驅(qū)動在刻錄光盤時就安裝上去。Windows在引導(dǎo)時通過掃描注冊表來構(gòu)造驅(qū)動程序列表，這個列表其實就是控制面板中設(shè)備applet所列出來的所有設(shè)備。加載驅(qū)動時使用的注冊表鍵值說明如表1所示。

表1 驅(qū)動加載注冊表鍵值說明

名稱數(shù)據(jù)類型說明

typeREG_DWORD驅(qū)動程序的種類

startREG_DWORD驅(qū)動程序的起始啟動時間

errorControlREG_DWORD驅(qū)動裝入失敗的錯誤處理

groupREG_SZ驅(qū)動程序的組名

dependOnGroupREG_MULTI_SZ所依賴的其他驅(qū)動程序

tagREG_BINARY同組內(nèi)驅(qū)動程序裝入順序

parameters(key)驅(qū)動程序特定的參數(shù)鍵

首先需要在HKEY_LOCAL_MACHINE\\System\\Current ControlSet\\Services下添加一個子項，該子項的名稱應(yīng)與驅(qū)動程序的名稱相一致。接著需要按照表1所述創(chuàng)建相應(yīng)鍵值。Type值為1表示內(nèi)核模式驅(qū)動程序；為2表示文件系統(tǒng)驅(qū)動程序。ErrorControl值為0表示日志記錄錯誤并忽略；為1表示日志記錄錯誤并顯示一個對話框；為2表示日志記錄錯誤，并用最后的正確配置重新啟動；為3表示日志記錄錯誤，如果已經(jīng)使用過正確配置，返回失敗。

在任何一個設(shè)備驅(qū)動程序中，表1中的前三項參數(shù)都是必需的。筆者在制作光盤鏡像時將驅(qū)動對應(yīng)的必需參數(shù)寫入光盤系統(tǒng)上的注冊表即可。

2. 6 系統(tǒng)工作流程

備份時用戶選擇要備份的分區(qū)后，軟件根據(jù)選擇預(yù)估使用空間，創(chuàng)建相應(yīng)大小的虛擬磁盤，自動格式化該磁盤，在該磁盤下創(chuàng)建對應(yīng)管理信息文件，開始文件復(fù)制過程。若遇到打開文件，則自動調(diào)用打開文件備份模塊。備份過程完成后關(guān)閉虛擬磁盤。恢復(fù)時首先修復(fù)好硬件系統(tǒng)，在光驅(qū)中放入裸機恢復(fù)光盤，利用光盤啟動進入恢復(fù)系統(tǒng)，分區(qū)磁盤，格式化文件系統(tǒng)，配置網(wǎng)絡(luò)，連上服務(wù)器，加載虛擬磁盤，等待用戶選擇需要恢復(fù)的卷，進行文件復(fù)制，完畢后卸載掉虛擬磁盤。

恢復(fù)實際上是備份的逆過程，不過備份時無所謂流程，但是在恢復(fù)時流程就很重要了^[10]。

具體流程如圖5所示。

需要注意的是，對磁盤分區(qū)時并非將原來的分區(qū)表完全的恢復(fù)出來，而主要是恢復(fù)出磁盤分區(qū)結(jié)構(gòu)以及各分區(qū)占磁盤總?cè)萘看笮〉陌俜直龋环駝t的話，由于恢復(fù)磁盤與原磁盤的容量和物理參數(shù)不同，產(chǎn)生的分區(qū)表可能會是錯誤的。這樣就會導(dǎo)致恢復(fù)后系統(tǒng)仍然是無法啟動和使用。最好是使用原分區(qū)表估算出在現(xiàn)有磁盤下各分區(qū)應(yīng)對應(yīng)多大空間，然后使用專門的分區(qū)工具進行分區(qū)。

3 結(jié)束語

本文實現(xiàn)的針對Windows系統(tǒng)的裸機備份恢復(fù)軟件，對比以往的軟件具有以下特性：

a)集成了打開文件備份技術(shù)，使得系統(tǒng)無須停止服務(wù)即可備份，最大程度地降低了備份工作對業(yè)務(wù)的影響。

b)采用了虛擬加密磁盤技術(shù)，使得操作系統(tǒng)以及其上的數(shù)據(jù)安全性得到有效的保障。

c)提供了已經(jīng)制作好的恢復(fù)平臺——裸機恢復(fù)光盤，避免了用戶在恢復(fù)時需要尋找操作系統(tǒng)的麻煩，使得裸機恢復(fù)更加容易。

d)支持Windows下的所有文件系統(tǒng)，包括FAT、FAT32、NTFS。對于NTFS，不僅能夠備份NTFS卷，而且能夠?qū)浞萁Y(jié)果文件放入NTFS卷，避免了Ghost之類軟件只能放在FAT32下的缺陷。

e)靈活的備份恢復(fù)方式可供用戶自由選擇。用戶可以在全盤備份和分卷備份中任意選擇，而且在全盤備份結(jié)果中也可以選擇只恢復(fù)其中的某一個或幾個卷。

f)簡潔友好的用戶界面。對各卷的命名采用Windows的C、D、E命名法，減少了用戶的陌生感。

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