Los fundamentos de los sistemas de archivos

El mercado de computadoras ofrece una gran variedad de oportunidades para almacenar información en forma digital. Según las necesidades, se puede elegir entre una amplia gama de dispositivos de almacenamiento de datos como discos duros internos y externos, SSD, tarjetas de memoria, lápices USB, matrices RAID y otros tipos de almacenamientos complejos. Pero independientemente de sus especificidades individuales, todos ellos simplemente almacenan muchos bits de datos y no tienen ningún mecanismo interno para determinar dónde debe colocarse cada bit individual en un momento dado. Y se requiere cierta lógica para organizar esas piezas de información en archivos con sentido, como documentos, imágenes, bases de datos, etc. y para acceder a ellos fácilmente a pedido. El siguiente artículo presenta una descripción general de los principales medios de administración de datos en cualquier almacenamiento que se conocen como sistemas de archivos (sistemas de ficheros), y explica por qué existen diferentes tipos de sistemas de archivos.

¿Qué es un sistema de archivos?

El sistema de archivos (o sistema de ficheros) es un conjunto de métodos y estructuras utilizados por el sistema operativo de la computadora para la disposición de datos en cualquier dispositivo de almacenamiento digital, así como para el control sobre el espacio de almacenamiento libre. Para comprender mejor la esencia de una tecnología tan complicada, no está de más familiarizarse con los principios básicos que la sustentan.

Para empezar, cualquier archivo digital se almacena en un medio de almacenamiento (por ejemplo, un HDD, una unidad SSD, un memoria USB, etc.) que tiene una capacidad particular. Dicho medio puede verse como un espacio de almacenamiento lineal disponible para leer o para leer y escribir información digital. Cada byte de información tiene un offset (desplazamiento) particular desde el inicio del almacenamiento conocido como una dirección y puede ser referenciado por esta última. En este sentido, un almacenamiento puede tratarse como una cuadrícula (grid) con un conjunto de celdas numeradas (cada celda es un solo byte). Y cualquier elemento que se guarda en un almacenamiento obtiene sus propias celdas.

Tradicionalmente, los almacenamientos informáticos utilizan el conjunto de un sector y un offset (desplazamiento) dentro del sector para hacer referencia a cualquier byte de información. Un sector es un grupo de bytes (generalmente, 512 bytes, o 4096 bytes en caso de unidades más nuevas de capacidades grandes) que sirve como una unidad mínima direccionable de un dispositivo de almacenamiento físico. Por ejemplo, al byte 1040 en una unidad de disco duro se hará referencia como un sector #3 y un offset en el sector 16 bytes ([sector]+[sector]+[16 bytes]). Este esquema se emplea para optimizar el direccionamiento del almacenamiento y para utilizar un número menor para referirse a cualquier porción de información ubicada en él.

Para omitir la segunda parte de la dirección (el offset en el sector), los archivos generalmente se almacenan a partir del inicio del sector y ocupan sectores completos (por ejemplo, un archivo de 10 bytes ocupa todo el sector, uno de 512 bytes también ocupa un sector por completo, mientras que uno de 514 bytes ocupa dos sectores completos).

Cada archivo se guarda en los sectores "no utilizados" y se puede leer más tarde siempre que se conozcan su posición y tamaño. Sin embargo, ¿cómo sabe el sistema operativo cuáles de los sectores están ocupados y cuáles, libres? ¿Dónde se almacenan el tamaño, la posición y el nombre de cada archivo? Esto es algo de lo que se encarga el sistema de archivos.

Como un todo único, el sistema de archivos es una representación estructurada de datos y un conjunto de metadatos que describen estos datos. Se crea en un dispositivo de almacenamiento cuando se formatea. Esta estructura sirve para un almacenamiento de datos completo y también forma parte de un segmento aislado – una partición de disco. Por lo general, opera en bloques, no en sectores. Los bloques del sistema de ficheros son grupos de sectores que optimizan el direccionamiento del almacenamiento. Los sistemas de archivos modernos generalmente usan bloques de 1 a 128 sectores de tamaño (512-65536 bytes). Los archivos generalmente se almacenan al comienzo de un bloque y ocupan bloques completos.

Además de realizar las funciones ya mencionadas, el sistema de ficheros también se encarga de:

• Asignación de bloques para nuevos archivos;

• Asignación de nombres y otras propiedades importantes asociados con un archivo;

• Agrupación de archivos en directorios;

• Lectura de archivos existentes y escritura en ellos;

• Realización de la eliminación de archivos.

Las operaciones de escritura/eliminación constantes en un almacenamiento pueden causar su fragmentación. Es decir, los archivos no se almacenan como unidades completas, sino que se dividen en fragmentos. Por ejemplo, un volumen está completamente ocupado por un número de archivos de aproximadamente 4 bloques cada uno (por ejemplo, una colección de fotos). Un usuario necesita guardar un nuevo fichero de 8 bloques y, para esto, elimina el primero y el último archivo. Así se libera el espacio de 8 bloques, pero el primer segmento está cerca del inicio del almacenamiento, mientras que el segundo, al final del almacenamiento. Por lo tanto, el archivo de 8 bloques se divide en dos partes (de 4 bloques cada una) que ocupan los "agujeros" del espacio libre. La información sobre los ambos fragmentos se almacena en el sistema de archivos.

Además de los datos del usuario, el sistema de archivos también contiene sus propios parámetros (como el tamaño de bloque), los descriptores de archivos (incluidos sus tamaños, ubicaciones, fragmentos, etc.), los nombres de los últimos y la jerarquía de directorios. Asimismo, puede almacenar la información de seguridad, los atributos extendidos y otras propiedades.

Sin embargo, los sistemas de archivos no son todos iguales. Pueden diferir significativamente en sus estrategias de organización de datos, así como en las características como el rendimiento, la estabilidad y la confiabilidad. Algunos de ellos también pueden servir sólo para propósitos específicos.

¿Por qué existen diferentes tipos de sistemas de archivos?

Al formatear un medio de almacenamiento, a menudo se le presentan al usuario varias variantes de sistema de archivos que se llaman tipos o formatos. La cantidad de opciones puede parecer abrumadora y, naturalmente, da lugar a la pregunta de por qué no tener un único sistema de archivos para todas las ocasiones. La implementación de un formato unificado probablemente facilitaría muchas cosas, pero, desafortunadamente, no es viable en las circunstancias actuales.

En primer lugar, no existe un solo sistema de ficheros para todo tipo de propósitos. Cada uno de ellos tiene sus ventajas y desventajas que deben tenerse en cuenta al dar formato a un medio. Algunos de ellos son adecuados para uso general, mientras que otros sirven para fines particulares o se dedican a un tipo específico de dispositivos. Además, las tecnologías siguen evolucionando, y los sistemas de archivos más nuevos se vuelven más rápidos y resistentes, se escalan mejor a los dispositivos de almacenamiento más grandes y ofrecen funciones más avanzadas que sus predecesores.

En segundo lugar, el sistema de archivos está estrechamente relacionado con el sistema operativo, y este último influye sensiblemente en la elección de un formato apropiado. Como regla general, cada SO suele ser compatible con su propio conjunto de sistemas de archivos en el que trabajan los desarrolladores del primero. Como resultado, los entornos de código abierto ofrecen una gran cantidad de sistemas de archivos para elegir, mientras que los propietarios, solo unas pocas alternativas. Para obtener más información sobre los formatos nativos comunes de los sistemas operativos modernos, por favor, consulte el artículo correspondiente:

• Los sistemas de archivos de Windows: FAT/FAT32, exFAT, NTFS, ReFS, HPFS

• Los sistemas de archivos de macOS: HFS+, APFS

• Los sistemas de archivos de Linux: Ext2, Ext3, Ext4, XFS, Btrfs, F2FS, JFS, ReiserFS

• Los sistemas de archivos de BSD, Solaris, Unix: UFS, ZFS

También hay una categoría especial de sistemas de archivos empleados en entornos distribuidos, como redes de área de almacenamiento:

• Los sistemas de archivos en clúster

Por regla general, la diversidad de sistemas de archivos se considera algo positivo. Permite a los desarrolladores optimizar el rendimiento, la eficiencia y la fiabilidad de almacenamientos en correspondencia con las plataformas respectivas, mientras que los usuarios obtienen la oportunidad de elegir los formatos que mejor se adapten a sus necesidades específicas. No obstante, tener a disposición diferentes tipos de sistemas de ficheros también genera problemas de compatibilidad, especialmente a la hora de acceder a archivos desde varios entornos o transferirlos entre los últimos. Cuando los datos se almacenan en un sistema de archivos no compatible, el sistema operativo no puede leerlos correctamente y se debe utilizar un software especializado para obtener los archivos inaccesibles.

Esta circunstancia también puede obstaculizar la recuperación de datos. Como ya se mencionó, cada sistema de ficheros tiene sus propias características distintivas. Organiza los datos de una manera específica y emplea un formato particular para almacenar sus metadatos, así como reglas determinadas para tratar los archivos eliminados. El software de recuperación de datos debe estar familiarizado con todas las peculiaridades del sistema de archivos en cuestión y ser capaz de interpretar y reproducir sus estructuras esenciales, lo que requiere el uso de algoritmos de análisis (parsing) dedicados. Así que, para ser lo suficientemente flexible y poder restaurar datos independientemente del formato subyacente del almacenamiento, este tipo de software debe soportar una amplia gama de sistemas de archivos.

En vista de esto, se recomiendan UFS Explorer y Recovery Explorer como programas de recuperación de datos eficaces, confiables y compatibles con una variedad excepcionalmente amplia de sistemas de archivos. Funcionan sin problemas en diferentes sistemas operativos y permiten recuperar archivos eliminados, perdidos o inaccesibles de una variedad de dispositivos formateados con diferentes tipos de sistemas de ficheros de Windows, Linux, macOS, Unix, BSD y Solaris.

Última actualización: el 04 de noviembre de 2024