Tối đa hóa phục hồi dữ liệu: Sử dụng kính hiển vi laser kỹ thuật số 3D để chụp ảnh phương tiện quang học bị hỏng bằng Kính hiển vi quét laser LEXT™ OLS5100 Olympus

Tóm tắt

Nghiên cứu và thực hành của chúng tôi trong Công nghệ thông tin và Pháp y kỹ thuật số đã gặp phải nhiều tình huống mà thông tin kỹ thuật số được lưu trữ rất mong muốn nhưng phương tiện lưu trữ của nó đã bị hỏng. Điều này dẫn đến sự phát triển của một dự án nghiên cứu được tài trợ với Quỹ Khoa học Quốc gia để khám phá tiềm năng phục hồi dữ liệu từ phương tiện bị hỏng.

Kính hiển vi đồng tiêu quét laser Olympus LEXT OLS4100

Phương tiện quang học – chủ yếu là đĩa CD và DVD – đã được sử dụng rộng rãi trong 20 năm qua. Sự hiện diện hàng ngày của đầu ghi CD và DVD trong máy tính gia đình và doanh nghiệp, và chi phí thấp của phương tiện có thể ghi, có nghĩa là công chúng nói chung có thể đốt cháy hầu hết mọi thứ trong tầm tay với phương tiện quang học. Gần đây, chúng tôi đã học được rằng phương tiện truyền thông như vậy không bền như chúng tôi từng tưởng tượng, nhưng điều này đã cho thấy có thể dễ dàng giải quyết bằng cách sử dụng thay thế và nhiều tùy chọn lưu trữ vĩnh viễn hơn. Quan tâm nhiều hơn là các tình huống trong đó bản sao dữ liệu duy nhất có sẵn nằm trên phương tiện quang học và phương tiện đó đã bị hỏng. Bằng cách hư hỏng, chúng tôi có nghĩa là bị trầy xước đáng kể, thay đổi hóa học, bị phá hủy bề mặt hoặc vỡ thành nhiều mảnh. Trong những trường hợp như vậy, chúng tôi có thể chỉ có một phần của phương tiện gốc và muốn khôi phục bất kỳ dữ liệu nào chúng tôi có thể.

Phương pháp luận

Hình 1: Hình ảnh đĩa CD bị hư hỏng tại nhà. Các hố và vùng đất (dữ liệu được mã hóa) có thể nhìn thấy dưới dạng các chấm và dấu gạch ngang màu xám và trắng. Các mẫu này được chuyển đổi thành 0 và 1, sau đó được giải mã để khôi phục dữ liệu gốc.

Phương tiện quang học ép tại nhà máy và đốt tại nhà sử dụng các công nghệ khác nhau: ép nhà máy đốt các hố vật lý vào môi trường, trong khi đốt nhà gây ra sự thay đổi màu sắc trên lớp phim. May mắn thay, chúng tôi đã có thể chụp ảnh cả hai công nghệ bằng kính hiển vi đồng tiêu quét laser 3D OLYMPUS LEXT OLS4100 (Hình 1). Cách tiếp cận được nêu ở đây hoạt động bất kể phương tiện truyền thông ban đầu được tạo ra như thế nào.

Hình 2: Một chuỗi các dấu chấm và dấu gạch ngang được chọn để giải mã.

Khi chúng ta có hình ảnh phóng to của phương tiện, một vùng gồm các dấu chấm và dấu gạch ngang liên tiếp (Hình 2) sẽ được chọn. Mặc dù các dấu chấm và dấu gạch ngang dường như tạo thành các vòng tròn đồng tâm, chúng thực sự tạo thành một hình xoắn ốc, do đó không có sự bắt đầu và kết thúc cho các dấu vết rõ ràng. Chúng tôi đo từng dấu chấm và dấu gạch ngang, sau đó đảo ngược thuật toán mã hóa được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu gốc thành các dấu chấm và dấu gạch ngang sau đó được ghi vào phương tiện truyền thông. Chỉ có một số ít các thuật toán mã hóa được sử dụng rộng rãi và hầu hết trong số này đều có sẵn công khai. Các thuật toán này không mã hóa dữ liệu, thay vào đó chúng chỉ đơn giản mã hóa nó để thông tin được lưu trữ hiệu quả và dư thừa. Sự dư thừa này rất quan trọng đối với dữ liệu Phục hồi vì điều đó có nghĩa là thiệt hại hạn chế có thể không phá hủy tất cả các bản sao của dữ liệu gốc và chúng tôi có cơ hội tốt hơn để khôi phục nhiều dữ liệu gốc hơn ngay cả trong trường hợp chúng tôi không có phương tiện gốc hoàn chỉnh.

Hình 3: Hình ảnh đĩa quang thành nhiều mảnh.

Phương tiện quang học bị hỏng đưa ra nhiều thách thức cho những người cố gắng khôi phục dữ liệu vì thiệt hại có thể thay đổi đáng kể. Hình 3 cho thấy hình ảnh của một đĩa quang thành nhiều mảnh. Một đĩa có thể không thể đọc được bằng các phương tiện thông thường vì nó bị vỡ thành từng mảnh hoặc đơn giản là do mòn như trầy xước bề mặt. Phương tiện đã bị cố ý phá hủy, chẳng hạn như một đĩa bị vỡ thành nhiều mảnh, là điều đặc biệt thu hút sự chú ý của chúng tôi bởi vì ở một mức độ lớn, dữ liệu thường vẫn còn nguyên vẹn — nó chỉ có một “thùng chứa” bị hỏng. Hình 3 mô tả một đĩa như vậy – chúng ta có thể thấy trực quan rằng dữ liệu dường như đã chịu ít tác động do chấn thương. Sử dụng OLS4100 LEXT, chúng ta có thể đo lường các mẫu dữ liệu để xác nhận xem có hay không hoặc không có tác động dữ liệu đã xảy ra. Nếu có, vẫn có thể điều chỉnh các thuật toán để xử lý tác động của thiệt hại và khôi phục dữ liệu dựa trên các phép đo.

Độ phóng đại cao cho phép đo lường chính xác có thể được sử dụng để giúp phát triển các tỷ lệ tiềm năng để phân tích và phục hồi dữ liệu. Hình 4 là một ví dụ về hình ảnh zoom tối đa độ phân giải cao của dữ liệu trên đĩa quang.

Khi viết bài này, chúng tôi đã khôi phục dữ liệu bằng cách sử dụng giải mã thủ công. Những nỗ lực hiện đang được tiến hành để tự động hóa quá trình này với một chương trình máy tính. Công cụ chính mà chúng tôi sử dụng để thu thập thông tin từ phương tiện quang học để đánh giá khả năng phục hồi tiềm năng là OLS4100, cung cấp các khía cạnh đo lường và trực quan hóa 3D quan trọng để có được thông tin có thể sử dụng từ phương tiện quang học. Hình 5 là hình ảnh dữ liệu 3D từ đĩa quang.

Hình 4: Hình ảnh zoom tối đa 17120x của một đĩa DVD bị hỏng

Hình 5: Hình ảnh 3D của dữ liệu trên đĩa quang.

Kết luận

Có nhiều ý nghĩa đối với công việc của chúng tôi. Một chỉ đơn giản là khôi phục dữ liệu được cho là bị mất. Một cái khác thì ngược lại. Bằng cách hiểu các đặc điểm cho phép phục hồi dữ liệu tiềm năng, các kỹ thuật bảo mật có thể được điều chỉnh để dữ liệu không thể khôi phục được. Ví dụ, một cách phổ biến để phá hủy một tài liệu giấy được sử dụng là đốt nó. Tuy nhiên, các kỹ thuật pháp y đã được phát triển cho phép phục hồi thông tin trên một tài liệu bị đốt cháy. Kỹ thuật tiêu hủy tài liệu sau đó đã được cải thiện để tính đến các kỹ thuật pháp y tiềm năng.

Mặc dù chúng tôi không có ý định giải quyết tất cả các thách thức cần thiết để phục hồi dữ liệu hiệu quả từ phương tiện quang học bị hỏng, chúng tôi đã di chuyển quả bóng về phía trước về mặt tinh chỉnh những gì có thể.

Công việc của chúng tôi đã được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia theo Khoản tài trợ số 1116268. Bất kỳ ý kiến, phát hiện và kết luận hoặc khuyến nghị nào được thể hiện trong tài liệu này là của các tác giả và không nhất thiết phản ánh quan điểm của Quỹ Khoa học Quốc gia.

Greg Gogolin, tiến sĩ (Đại học bang Ferris)
James Jones, tiến sĩ (Đại học George Mason)
Derek Brower, MS (Đại học bang Ferris)