¿Qué es un sistema de archivos?

Un sistema de archivos (a veces también un sistema de archivos escrito) es un método para estructurar datos que un sistema operativo utiliza para controlar cómo se almacenan y recuperan los datos. organiza archivos y directorios para garantizar una asignación adecuada de espacio en el dispositivo.

Un sistema de archivos organiza los datos en una estructura jerárquica y permite la creación, movimiento, modificación y eliminación de archivos y directorios. Los sistemas de archivos son esenciales para optimizar el rendimiento, garantizar integridad de los datosy facilitar la gestión de datos y backups.

¿Cómo funcionan los sistemas de archivos?

Un sistema de archivos gestiona el almacenamiento y la recuperación de datos en un dispositivo de almacenamiento, como un disco duro, SSDo almacenamiento en red. Así es como funciona un sistema de archivos:

1. Asignación de almacenamiento. El sistema de archivos divide el espacio de almacenamiento disponible en un dispositivo en las unidades manejables más pequeñas, llamadas bloques o sectores.
2. Almacenamiento de archivos. Cuando se guarda un archivo, el sistema de archivos asigna estas unidades para almacenar los datos del archivo. Los archivos más grandes se dividen en segmentos más pequeños, que se distribuyen en varias unidades no contiguas.
3. Gestión de metadatos. El sistema de archivos mantiene metadatos sobre cada archivo y directorio, incluido su nombre, tamaño, fechas de creación y modificación, permisos, etc.
4. Estructura de directorios. El sistema de archivos organiza los archivos en una estructura de directorios jerárquica, lo que permite a los usuarios y aplicaciones para navegar y localizar fácilmente los archivos.
5. Control de acceso. Los sistemas de archivos administran el acceso y los permisos de archivos y directorios para controlar qué usuarios pueden leer, escribir y ejecutar los archivos.
6. Operaciones de archivo. El sistema de archivos proporciona mecanismos para realizar operaciones en archivos y directorios. Estas operaciones implican actualizar los metadatos según sea necesario.
7. Coherencia e integridad. Los sistemas de archivos avanzados implementan medidas para garantizar la coherencia e integridad de los datos y la detección y corrección de errores en caso de falla del sistema.
8. Mejoramiento. Los sistemas de archivos utilizan varios mecanismos para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, pueden realizar almacenamiento en caché para acelerar el acceso a los datos utilizados con frecuencia u organizar los datos de manera que minimice los tiempos de búsqueda en el disco.

Cada tipo de sistema de archivos implementa de manera única estos principios, asegurando que los requisitos de rendimiento y confiabilidad coincidan con diversos tipos de almacenamiento y hardware configuraciones.

Tipos de sistemas de archivos

Los sistemas de archivos están diseñados teniendo en cuenta necesidades de almacenamiento y entornos informáticos específicos. Aquí hay una lista de diferentes tipos de sistemas de archivos:

Sistemas de archivos de disco

Los sistemas de archivos de disco están diseñados para su uso en unidades de disco físicas, como unidades de disco duro (HDD) or unidades de estado sólido (SSD). Gestionan la asignación de espacio en disco, mantienen archivos metadatosy garantizar la integridad y seguridad de los datos. Los sistemas de archivos en disco son esenciales para el rendimiento y la confiabilidad de los sistemas informáticos, ya que influyen directamente en la velocidad de acceso a los datos, la utilización de la capacidad de almacenamiento y los mecanismos de recuperación en caso de errores o fallas del sistema.

Los sistemas de archivos en disco satisfacen diversos requisitos de almacenamiento, incluida la necesidad de archivos de gran tamaño, altas capacidades de almacenamiento y funciones sólidas de recuperación de datos. Estos sistemas de archivos incluyen características para administrar el espacio en disco de manera eficiente, como soporte para bloques de gran tamaño, lo que reduce la sobrecarga y compresión, lo que aprovecha mejor el espacio disponible.

Algunos ejemplos de sistemas de archivos de disco son:

• NTFS (Sistema de archivos de nueva tecnología) para Windows.
• Ext4 (cuarto sistema de archivos extendido) para Linux.
• HFS + (Sistema de archivos jerárquico Plus) para macOS.
• exFAT (Tabla de asignación de archivos extendida) para compatibilidad multiplataforma.

Sistemas de archivos flash

Los sistemas de archivos flash están diseñados para dispositivos de almacenamiento de memoria flash, como unidades de estado sólido (SSD), USB unidades flash y tarjetas de memoria. Están diseñados para complementar las características y limitaciones específicas de memoria flash, como la ausencia de piezas móviles, tiempos de acceso más rápidos y un número finito de ciclos de escritura antes de que las celdas de memoria se desgasten.

Los sistemas de archivos flash están diseñados para mantener el rendimiento y la eficiencia durante las operaciones de lectura/escritura minimizando la amplificación de escritura, es decir, la escritura y el borrado innecesarios de celdas flash. Estos sistemas de archivos también incorporan frecuentemente códigos de corrección de errores (ECC) integrados, que detectan y corrigen corrupción de datos.

Ejemplos de sistemas de archivos flash incluyen:

• F2FS (sistema de archivos compatible con Flash)
• JFFS (sistema de archivos Flash de registro)

Sistemas de archivos de cinta

Los sistemas de archivos en cinta están diseñados para gestionar datos almacenados en cinta magnética. Esta tecnología se utiliza principalmente para backup, archivado y recuperación de datos debido a su rentabilidad. Los sistemas de archivos de cinta están optimizados para transferencias de datos secuenciales de gran tamaño e incorporan mecanismos sólidos de corrección de errores para garantizar la integridad de los datos a lo largo del tiempo.

Los sistemas de archivos de cinta modernos, como el Linear Tape File System (LTFS), permiten a los usuarios interactuar con el almacenamiento en cinta de manera similar a otros medios extraíbles, como las unidades USB, al permitir arrastrar y soltar archivos. Esta característica mejora significativamente la usabilidad del almacenamiento en cinta, haciéndolo adecuado para una amplia gama de aplicaciones y usuarios.

Sistemas de archivos de bases de datos

Los sistemas de archivos de bases de datos almacenan archivos y sus metadatos en bases de datos, lo que permite relaciones más complejas entre datos y atributos de metadatos más ricos. Este enfoque permite capacidades de consulta avanzadas, proporciona soporte transaccional y mejora la integridad y seguridad de los datos. Los sistemas de archivos de bases de datos incorporan indexación eficiente, control de concurrencia y mecanismos de recuperación, que son cruciales para administrar grandes volúmenes de archivos.

Los sistemas de archivos de bases de datos permiten búsquedas y operaciones complejas en archivos en función de sus metadatos o contenido. Esta capacidad mejora la eficiencia de la recuperación y manipulación de datos, especialmente en entornos altamente dinámicos. Estos sistemas de archivos también proporcionan integridad y coherencia de los datos al garantizar que los cambios en los archivos y metadatos se adhieran a las propiedades ACID:

• Atomicidad. Cada transacción se trata como una sola unidad, que se completa en su totalidad o no se completa en absoluto.
• Consistencia. Cada transacción lleva al sistema de un estado válido a otro, manteniendo las reglas predefinidas de la base de datos.
• Aislamiento. Garantiza que las transacciones se produzcan de forma independiente, evitando que las transacciones simultáneas interfieran entre sí.
• Durabilidad. Garantiza que una vez que se confirma una transacción, permanezca así, incluso en caso de una falla del sistema.

Sistemas de archivos transaccionales

Los sistemas de archivos transaccionales garantizan la integridad y coherencia de los datos mediante la aplicación de principios similares a los que se encuentran en las bases de datos transaccionales. Agrupan una serie de operaciones de archivos en una sola transacción. Las operaciones tienen éxito o fracasan en su conjunto, lo que lleva al sistema de un estado consistente a otro. Esta atomicidad evita actualizaciones parciales y garantiza que el sistema de archivos permanezca consistente incluso en caso de interrupciones o fallas del sistema. Estas características hacen que los sistemas de archivos transaccionales sean especialmente valiosos para aplicaciones críticas, como los sistemas de procesamiento de datos financieros o en tiempo real.

Los sistemas de archivos transaccionales utilizan el registro en diario, el registro de escritura anticipada y la creación de instantáneas para realizar un seguimiento de los cambios y permitir la reversión o rehacer si la transacción no se completa correctamente. Al automatizar la gestión de la coherencia a través de estos mecanismos, los sistemas de archivos transaccionales reducen la complejidad del desarrollo de aplicaciones. Los desarrolladores pueden concentrarse en sus tareas sin preocuparse por operaciones parcialmente completadas o corrupción de datos. Los sistemas de archivos transaccionales también mejoran la recuperación del sistema y ayudan a las organizaciones a volver rápidamente a las operaciones normales sin intervención manual ni controles exhaustivos.

Sistemas de archivos de red

Los sistemas de archivos en red permiten que múltiples usuarios y sistemas compartan archivos a través de una red informática en lugar de un almacenamiento local. Al abstraer las complejidades de la red, estos sistemas proporcionan una interfaz perfecta para leer, escribir y ejecutar archivos. Estos tipos de sistemas de archivos son esenciales en entornos colaborativos, ya que facilitan el intercambio y la gestión eficiente de recursos entre diversos sistemas y plataformas.

Los protocolos comunes para sistemas de archivos de red incluyen:

• Sistema de archivos de red (NFS) para Unix y Linux.
• Server Bloque de mensajes (SMB) para Windows.
• Protocolo de llenado de Apple (AFP) para macOS.

Los sistemas de archivos de red se basan en sólidas medidas de seguridad, como autenticación y cifrado. Estos protocolos protegen los datos confidenciales durante la transmisión y garantizan que solo las personas autorizadas puedan acceder a ellos. Mejorar Latencia de conexion y ancho de banda, los sistemas de archivos de red aplican técnicas como el almacenamiento en caché y la compresión de archivos, que mejoran la capacidad de respuesta y reducen los tiempos de transferencia de datos. Además, mecanismos como el bloqueo de archivos y el control de versiones ayudan a prevenir la corrupción de datos debido a que varios usuarios acceden y modifican archivos.

Sistemas de archivos de disco compartido

Los sistemas de archivos de disco compartido, también conocidos como sistemas de archivos de clúster, brindan acceso simultáneo a una parte del almacenamiento en disco desde múltiples servers o nodos. Permiten un alto nivel de intercambio de datos y colaboración entre sistemas en clúster, lo que es adecuado para entornos que requieren alta disponibilidad, escalabilidad y rendimiento, como clústeres de bases de datos y sistemas de almacenamiento empresarial.

Los sistemas de archivos de disco compartido dependen de una infraestructura de almacenamiento en red, como SAN (Storage Area Network). Las SAN proporcionan una red de alta velocidad que conecta múltiples servers, lo que permite de manera efectiva la distribución de la carga de trabajo y mejora la redundancia del sistema. Funciones como el registro en diario, la creación de instantáneas y la replicación respaldan la integridad de los datos, backupy recuperación, lo que convierte a los sistemas de archivos de discos duros en una solución sólida para gestionar datos críticos en entornos informáticos complejos.

Sistemas de archivos mínimos

Los sistemas de archivos mínimos están diseñados para ocupar una cantidad mínima de espacio de almacenamiento y requieren recursos de procesamiento mínimos. Este enfoque de diseño los hace adecuados para sistemas integrados, cargadores de arranque y sistemas de bajo consumo. Dispositivos IoT (Internet de las cosas), que tienen requisitos operativos bien definidos y capacidades informáticas limitadas.

Los sistemas de archivos mínimos suelen ofrecer una estructura básica para almacenar archivos sin funciones avanzadas, como NTFS, ext4 o HFS+. En cambio, su objetivo principal es proporcionar funcionalidad suficiente para administrar archivos de manera eficiente dentro de las limitaciones de los recursos del dispositivo.

Sistemas de archivos planos

Los sistemas de archivos planos son un enfoque simplista para el almacenamiento de archivos que no utiliza directorios ni carpetas para almacenar archivos. En cambio, todos los archivos se almacenan en el mismo nivel o en un único directorio, lo que simplifica la administración y el acceso a los archivos. Los sistemas de archivos planos son adecuados para sistemas con almacenamiento limitado o aplicaciones que no pueden permitirse la sobrecarga de una estructura jerárquica.

Sin embargo, sin directorios, los sistemas de archivos planos no pueden administrar de manera eficiente una cantidad grande o creciente de archivos. Por este motivo, son más adecuados para sistemas especializados o integrados con un alcance limitado.

Ejemplos de sistemas de archivos

Estos son los ejemplos de sistemas de archivos más comunes:

• Tabla de asignación de archivos (FAT). FAT es compatible con muchos sistemas operativos, como DOS, Windows, Mac OS y Sistema basado en Unixs. Se utiliza más comúnmente para medios extraíbles como unidades flash USB o tarjetas SD. La variante FAT32 está limitada a un tamaño de archivo máximo de 4 GB y un volumen de 2 TB.
• Tabla de asignación de archivos extendida (exFAT). Esta es una versión actualizada del sistema FAT que amplía su tamaño hasta 16EB y volumen hasta 128PB.
• Cuarto sistema de archivos extendido (Ext4). Linux utiliza este sistema de archivos y admite archivos y volúmenes más grandes (hasta 1 EB para archivos y de 16 TB a 1 EB para volúmenes).
• Sistema de archivos global (GFS). GFS es un sistema de archivos de disco compartido para clústeres de computadoras Linux. Permite el acceso simultáneo al mismo almacenamiento en bloque compartido para todos los nodos.
• Sistema de archivos jerárquico (HFS). HFS es un sistema de archivos desarrollado por Apple para su uso en computadoras Macintosh. Ha sido reemplazado por HFS+, que ofrece un mejor rendimiento y admite archivos y volúmenes más grandes.
• Formato de disco universal (UDF). UDF es un estándar de sistema de archivos para medios ópticos, como CD, DVD y discos Blu-ray. Admite archivos y volúmenes más grandes que su predecesor, ISO9660.
• Sistema de archivos de nueva tecnología (NTFS). NTFS es un sistema de archivos desarrollado por Microsoft para el sistema operativo Windows. A partir de Windows NT, NTFS ofrece soporte para archivos y volúmenes grandes, capacidades avanzadas de protección y recuperación de datos y seguridad a nivel de archivos.
• Sistema de archivos de Apple (APFS). APFS es un sistema de archivos desarrollado por Apple como reemplazo de HFS+. Mejora la eficiencia, la confiabilidad y la seguridad del almacenamiento flash/SSD. También cuenta con cifrado sólido, uso compartido de espacio y cambio rápido de tamaño de directorio.