Sistemas de ficheros: Introducción y objetivos

Sistemas de ficheros

• Es el índice de un libro que localiza todos los archivos y carpetas en un dispositivo
• Es un programa que trabaja a bajo nivel
• Permite la traducción entre la realidad física y la lógica de la información

Introducción y objetivos

• Los sistemas operativos estructuran jerarquías de ficheros
• Permiten la administración de metadatos
• Los objetivos incluyen entender el funcionamiento de los sistemas de ficheros, cómo los dispositivos de almacenamiento manejan la información, y la relación entre la información visualizada por el usuario, el sistema de ficheros, y el dispositivo de almacenamiento
• Se busca conocer sistemas como FAT, NTFS, Ext4 y APFS

Dispositivos de almacenamiento

• Un dispositivo de almacenamiento de datos es un conjunto de componentes electrónicos que leen o graban datos
• Abarca desde tarjetas perforadas hasta SSDs, discos duros, memorias flash y sistemas ópticos como CDs, DVDs y Blu-Rays
• Los datos se representan con una larga cadena de unos y ceros,
• Para dar sentido a los datos se organizan en particiones, volúmenes y sistemas de ficheros

Estructura Típica

• Dispositivo de almacenamiento: Disco duro, Pendrive, Tarjeta de memoria
• Particiones: Divisiones lógicas del dispositivo
• Volúmenes: Unidad C, Unidad D
• Sistemas de ficheros: NTFS, FAT, APFS
• Archivos y carpetas: Archivos ofimáticos, archivos multimedia

Particiones

• División lógica del espacio disponible en el dispositivo de almacenamiento
• El espacio disponible se asigna a una única partición o se divide en varias

Esquema de particionado

• Es la manera en que se estructuran las particiones de un dispositivo, incluyendo cuántas particiones tiene y cuál es el tamaño de estas
• Se define cuando se inicializa el disco y no suele modificarse
• Existen dos esquemas: MBR (Master Boot Record) y GPT (GUID Partition Table)

Master Boot Record (MBR)

• Comprende los primeros 512 bytes de un dispositivo de almacenamiento y está reservado para el cargador del sistema operativo y la tabla de particiones
• Nació en 1983 con PC DOS 2.0
• Una limitación de este tipo de tabla de particiones es la limitación del espacio de almacenamiento máximo direccionable a 2TB

Gestor de arranque en MBR

• El gestor de arranque comprueba la tabla de particiones para buscar la partición activa que iniciará el sistema operativo
• El gestor de arranque no puede arrancar una partición Linux
• Originalmente sólo admitía cuatro particiones, se ampliaron al introducir particiones lógicas
• Existen tres tipos de particiones: primaria, extendida y lógica
• Las particiones primarias pueden ser todas configuradas como particiones de arranque, y están limitadas a cuatro por dispositivo de almacenamiento
• Si se necesitan más de cuatro particiones, se crean particiones extendidas que pueden contener particiones lógicas
• Un disco duro no puede contener más de una partición extendida, que también se cuenta como primaria
• Solo son posibles tres particiones primarias adicionales si hay una extendida
• El número de particiones lógicas en una partición extendida es ilimitado
• En la tabla de particiones solo puede haber una partición extendida, identificada por el valor 0x05 o 0x0F en el campo ID del Sistema de Ficheros

GUID Partition Table (GPT)

• Es un nuevo formato de particionado que forma parte de la especificación Unified Extensible Firmware Interface (UEFI)
• Realiza un identificador único global para los dispositivos, con objetivo de sustituir al sistema MBR
• No utiliza código de arranque en ensamblador, sino que se basa en las capacidades proporcionadas por la UEFI
• Ubica una tabla de particiones MBR en el primer sector del dispositivo como un MBR de protección y por compatibilidad con el viejo esquema BIOS PC

Volúmenes

• En general, un volumen es una partición formateada con un sistema de ficheros
• Es posible crear un volumen utilizando varias particiones de varios dispositivos de almacenamiento distintos como discos RAID o volúmenes lógicos de Linux

RAID

• Un volumen es una partición formateada, pero un RAID es un único volumen que utiliza varios dispositivos de almacenamiento en conjunto
• Se utiliza para obtener redundancia (tolerancia a fallos) y/o velocidad
• Se identifican por un número: RAID 0, RAID 1, etc
• Los niveles RAID más típicos son
  • RAID 0: proporciona un alto rendimiento de escritura dividiendo los datos en dos o más discos de forma paralela
  • RAID 1: crea una copia exacta (espejo) de un conjunto de datos en dos o más discos
  • RAID 5: bandas + paridad. Como el RAID 0 pero, además, utiliza uno o varios discos para paridad, lo que aporta redundancia

Sistemas de ficheros

• Es el mecanismo que permite pasar de la abstracción lógica de la información a la realidad física
• Los sistemas de fichero permiten que las aplicaciones que necesitan acceder a los datos contenidos en un dispositivo no tengan que conocer la ubicación física de dichos datos, y que sea necesario solo conocer la ruta de los archivos a los se pretende acceder
• Sin un sistema de ficheros, la información sólo sería ceros y unos sin ningún orden
• Al formatear una partición, se implanta un nuevo sistema de ficheros para que el sistema pueda almacenar información de manera ordenada

Sistemas operativos y ficheros

• Sistemas Operativos Windows: NTFS Y FAT (FAT32 0 FAT16)
• Sistemas Operativos Linux: Ext3 Y Ext4
• Sistemas Operativos MacOS e iOS: hfs+ y apfs

Funcionamiento de un sistema de ficheros

• Se puede asimilar a un índice de un libro, donde aparecen todos los archivos y carpetas del dispositivo, su ubicación y algunos datos más
• Cuando se accede a un archivo concreto, el sistema operativo va al índice, busca el archivo y sigue el enlace que apunta al comienzo del archivo
• El índice es un conjunto de archivos especiales que mantiene la información del sistema de ficheros
• Todos los sistemas de ficheros tienen: un archivo para la gestión de todos los archivos del dispositivo y un mapa de bits para gestionar el estado de los bloques

Sistemas de Ficheros FAT (File Allocation Table)

• Es un sistema de ficheros desarrollado por Microsoft e incorporado por primera vez a un sistema operativo en 1980.
• Existen versiones como FAT12, FAT16 y FAT32, variando en el tamaño de las direcciones de bloque
• En un sistema de ficheros FAT, los archivos que componen el índice son las entradas de directorio y los archivos FAT1 y FAT2

Archivos FAT

• Las entradas de directorio registran cada archivo existente en la carpeta y se marcan como "disponibles" cuando un archivo es borrado
• Los archivos FAT1 y FAT2 almacenan el estado de cada uno de los clústeres en los que se encuentra dividido el dispositivo de almacenamiento, indicando si están libres u ocupados. El archivo FAT2 es una copia de seguridad para evitar la pérdida de datos en el caso de que el primer archivo FAT se corrompa

NTFS (New Technology File System)

• Es un sistema de ficheros desarrollado por Microsoft e introducido por primera vez en 1993.
• Es capaz de manejar particiones de hasta 16EB de capacidad, aunque actualmente el máximo permitido es de 256TB
• NTFS permite el manejo de forma nativa de archivos comprimidos y cifrados
• El Sistema de Ficheros NTFS está compuesto por multitud de archivos propios del sistema

Archivos proprios NTFS

• $Bitmap almacena el estado de cada uno de los clústeres en los que se encuentra dividido el disco
• $BadClus: sirve para almacenar los clústeres dañados
• $MFT o Master File Table contiene una entrada por cada archivo contenido en la partición, incluida una entrada para la propia $MFT. Toda la información acerca del archivo se almacenan en la $MFT. Si el archivo es menor a 512bytes, el propio contenido del archivo también es almacenado en la $MFT.
• $MFTMirr: es la copia de seguridad la $MFT
• $i30: dentro de cada carpeta existe además un archivo especial con información sobre los archivos que contiene

Otros Archivos en NTFS

• $AttrDef: contiene información sobre todos los atributos del archivo utilizables en un volumen
• $Boot: archivo que permite el arranque del sistema al apuntar al sector de arranque del volumen
• $LogFile: archivo encargado de gestionar el sistema transaccional de NTFS.
• $Secure: contiene información sobre descriptores de seguridad y propietarios de los archivos
• $UpCase es un archivo lleno de letras mayúsculas para cada carácter del alfabeto Unicode (se utiliza para comparar caracteres)
• $Volume: contiene información sobre todos los volúmenes

Sistemas de Ficheros Ext4

• Es la cuarta versión de Extended FileSystem, anunciado en octubre de 2006 como una mejora de su predecesor Ext3
• Añadido:
• Maneja volúmenes de hasta 1EB y ficheros de hasta 16TB
• Mayor rendimiento
• Uso de checksums en journaling
• Desfragmentación online
• Capacidad de asignar múltiples bloques para un archivo en una única operación
• Se encuentra dividido en grupos de bloques
• Los bloques son grupo de sectores (potencia de dos) con un tamaño entre 1KB y 64KB
• Cuenta con grupos de bloques flexibles
• El uso de una estructura de bloques permite una mayor tolerancia a fallos, y una mayor rapidez en el acceso
• El Block Bitmap almacena el uso de los bloques de datos dentro del grupo, mientras que los Inode Bitmap, almacenan las tablas de inodos que están en uso
• La tabla de inodos (Inode Table) almacena los distintos inodos del grupo, los cuales, a su vez, almacenan información sobre el archivo concreto

Eliminación de archivos en Ext4

• Cuando se elimina un archivo, los enlaces desde el inodo hasta las distintas partes del archivo se borran
• La información inaccesible para el usuario

Sistemas de Ficheros APFS (Apple File System)

• Es el nuevo Sistema de Ficheros propietario de Apple (MacOS Sierra y posteriores, iOS 10.3, tvOS 10.2, watchOS 3.2)
• Anunciado en 2016 como sustituto de HFS+
• Utiliza clones: genera una copia idéntica de un archivo sin ocupar espacio
• Se guarda los cambios entre uno y otro.
• Encriptación del disco completo
• Espacio libre compartido: varios volúmenes pueden compartir el espacio disponible y se irá usando conforme lo necesiten
• Catalog: estructura jerárquica de archivos y carpetas del volumen como un Árbol-B para agilizar las búsquedas
• Bitmap: similar al archivo $Bitmap en NTFS, mantiene una lista de los bloques utilizados y disponibles