Sistemas de archivos, particiones y gestión de discos: tipos, funciones y herramientas

Introducción

Sistema de archivos: conjunto de estructuras y reglas que permiten organizar, almacenar y recuperar la información en una unidad de almacenamiento. Se especifica al formatear una partición, y su diseño influye directamente en el rendimiento, la seguridad, la flexibilidad y la capacidad de crecimiento del sistema operativo.

Funciones principales

• Control del espacio disponible y asignado.
• Mantenimiento de directorios y nombres de archivos.
• Control del lugar donde las distintas porciones de cada archivo se encuentran físicamente almacenadas en el disco.

La información se organiza de forma jerárquica, ramificada o en árbol, partiendo del directorio raíz.

Compatibilidad y tipos de sistemas de archivos

Cada sistema operativo utiliza su propio sistema de archivos, aunque puede existir compatibilidad entre versiones. El tipo se determina al formatear el disco o la partición.

Sistemas más conocidos

• FAT (FAT12, FAT16, FAT32): utilizados hasta Windows ME.
• exFAT (Extended File Allocation Table): mejora las limitaciones de FAT32.
• NTFS (New Technology File System): usado en Windows NT, 2000, XP, 7 y Server.
• ReFS (Resilient File System): posible sucesor de NTFS.
• UFS (Unix File System).
• EXT2, EXT3, EXT4: estandarizados en Linux.
• HFS+, APFS (Apple).

Unidades, discos, particiones y volúmenes

Unidad física: dispositivo físico de almacenamiento reconocido por el sistema (disco duro, pendrive, CD/DVD).

Disco: unidad física que contiene uno o más volúmenes y particiones.

Partición: división lógica de un disco físico tratada como entidad independiente; puede contener un sistema de archivos diferente o incluso otro sistema operativo.

Volumen: unidad de almacenamiento formada por una partición o varias combinadas; puede abarcar varios discos (RAID o LVM). En Windows se identifica con letra (C:, D:); en Linux con punto de montaje.

Rutas y directorios

Ruta (path): cadena que indica la ubicación precisa de un archivo o directorio; sucesión jerárquica separada por '/' o '\\'. Puede ser absoluta (desde raíz) o relativa (desde el directorio actual).

Directorio o carpeta: estructura lógica que permite organizar archivos y otros directorios según criterios funcionales o jerárquicos. Se organizan en forma de árbol partiendo del directorio raíz. Cada directorio actúa como contenedor y facilita la localización y gestión de la información.

Directorio raíz: primer nivel jerárquico del sistema de archivos. En Windows cada volumen tiene su propio raíz (C:). En GNU/Linux existe una única raíz (/).

Directorios especiales

• . → directorio actual.
• .. → directorio padre.
• ~ → directorio personal del usuario (Linux).

Propiedades de directorios: nombre (longitud máxima depende del sistema), ruta absoluta y relativa, tamaño acumulado de su contenido, fecha de creación/modificación/acceso, propietario y grupo (Linux), atributos (Windows), permisos de lectura, escritura y ejecución.

Archivos y metadatos

Archivo o fichero: unidad básica de almacenamiento que contiene información estructurada. Puede ser archivo de texto, binario, ejecutable, de sistema o de configuración. Se identifica por nombre + extensión. La extensión no determina el tipo real, pero el sistema la usa para asociar aplicaciones.

Metadatos de archivo: tamaño, propietario, grupo, permisos, fechas (creación, modificación, acceso), número de enlaces, ubicación física en disco (bloques).

Windows (NTFS)

• Soporta compresión, cifrado (EFS), cuotas de disco y journaling (registro de transacciones).
• ACL (Access Control List) permite permisos detallados por usuario y grupo.
• Permisos básicos: lectura, escritura, ejecución, modificación, control total.

Comandos y herramientas en Windows

• ATTRIB (modificar atributos).
• CHKDSK (comprobar disco).
• FORMAT (formatear).
• DISKPART (gestión avanzada).
• ROBOCOPY (copia avanzada).

GNU/Linux

GNU/Linux es un sistema multiusuario y multitarea. Su estructura jerárquica está unificada bajo un único raíz (/). En este entorno, todo se representa como archivo (incluidos dispositivos).

Sistema ext4

ext4 soporta journaling (registro de cambios antes de aplicarlos), ofrece mayor rendimiento y admite mayor tamaño de archivos y volúmenes.

i-node

i-node: estructura que almacena metadatos excepto el nombre. Contiene punteros directos e indirectos a bloques de datos. El nombre del archivo se almacena en el directorio que apunta al i-node.

Permisos en Linux

Los permisos se representan como rwx (read, write, execute) y se aplican a tres niveles: usuario (u), grupo (g) y otros (o).

Ejemplo: -rwxr-xr--

Se pueden modificar con chmod, cambiar propietario con chown y grupo con chgrp.

Tipos de archivos en Linux

• Ordinarios (-).
• Directorios (d).
• Enlaces simbólicos (l).
• Dispositivos de bloque (b).
• Dispositivos de carácter (c).

Enlace simbólico: acceso indirecto, puede apuntar a otra partición.

Enlace duro: comparte el mismo i-node; no distingue original/copia y no puede cruzar particiones.

Variables de entorno

• PATH (rutas de búsqueda de comandos).
• HOME (directorio del usuario).
• USER (nombre del usuario).

Redirección y descriptores

Descriptores estándar:
0 → entrada estándar (stdin).
1 → salida estándar (stdout).
2 → salida de error (stderr).

Redirección avanzada:

• > sobrescribe la salida en un archivo.
• > añade al final del archivo (append).
• 2> redirige la salida de errores.
• < redirige la entrada.
• | tubería (encadena comandos).

Comandos adicionales en Linux

• df (espacio libre).
• du (uso de espacio).
• chmod, chown, ln (crear enlaces).
• grep (buscar patrones).
• ps (procesos), top (monitor).

Comodines

Comodines: caracteres especiales que permiten seleccionar varios archivos. Son interpretados por la shell antes de ejecutar el comando.

Windows: ? sustituye un carácter; * sustituye cero o más caracteres.

Linux: ?, *, [abc] (uno de los indicados), [a-z] (rango).

Procesos

Procesos: programa en ejecución identificado por un PID. Cada proceso tiene estado (ejecución, listo, bloqueado), prioridad y usuario propietario.

El primer plano ocupa la terminal; para ejecutar en segundo plano se utiliza &.

Comandos: ps (listar), top (monitorizar), kill (finalizar).

Entrada/Salida estándar y redireccionamiento

Entrada/Salida estándar:
0 → stdin
1 → stdout
2 → stderr

Redireccionamiento:

Ejemplos: comando > archivo (sobrescribe), comando >> archivo (añade), comando 2> errores (redirige errores), comando < entrada (redirige entrada), comando1 | comando2 (tubería).

Administración de discos

Sector → unidad mínima direccionable.

Cluster → agrupación de sectores.

Fragmentación → archivo almacenado en zonas no contiguas.

Desfragmentación → reorganiza datos para mejorar rendimiento (necesaria en FAT/NTFS).

Tabla de particiones

Tabla de particiones: estructura que define tamaño y tipo de particiones.

• MBR → sector de 512 bytes, máximo 4 particiones primarias, límite ~2 TB.
• GPT → compatible con UEFI, hasta 128 particiones, mayor capacidad y copia de seguridad de la tabla.

Formateo: creación del sistema de archivos en una partición. Puede ser rápido o completo.

Herramientas

• Windows → Administración de discos, diskpart.
• Linux → fdisk, mkfs, lsblk.

Particionado (definición adicional)

Partición: división lógica de un disco físico tratada como unidad independiente. Permite instalar distintos sistemas operativos, separar datos del sistema y mejorar la organización y seguridad.

Tipos en esquema MBR

• Primaria: puede contener sistema operativo y ser activa para arranque (máximo 4).
• Extendida: contenedor de particiones lógicas (solo una).
• Lógica: creada dentro de la extendida, no puede ser activa directamente.

En esquema GPT todas las particiones son primarias, identificadas por GUID, sin límite práctico de 4 y con mayor tolerancia a fallos.

Proceso de arranque

Proceso de arranque: BIOS/UEFI realiza POST → localiza dispositivo de arranque → lee MBR o GPT → ejecuta cargador de arranque (Windows Boot Manager o GRUB) → carga kernel → inicia servicios del sistema operativo.

Partición activa: en MBR indica desde qué partición se inicia el sistema.

Montaje y desmontaje

Montaje: proceso mediante el cual un sistema de archivos se integra en el árbol jerárquico.

En Windows se asigna automáticamente una letra (C:, D:). En GNU/Linux se monta en un punto dentro del árbol (/mnt, /media, /home, /boot). Si no está montado, el sistema de archivos no es accesible.

Desmontaje (umount): obligatorio antes de retirar dispositivos externos para evitar corrupción o pérdida de datos.

Archivo /etc/fstab

/etc/fstab: define sistemas de archivos que se montan automáticamente al iniciar el sistema.

Campos típicos: <dispositivo> <punto de montaje> <tipo> <opciones> <dump> <pass>

Opciones comunes: rw (lectura/escritura), ro (solo lectura), auto (montaje automático), noauto, defaults, noatime (no actualizar fecha de acceso), user (permite montaje por usuario).

LVM y swap

LVM (Logical Volume Manager): sistema de gestión que permite agrupar discos físicos en grupos de volúmenes y crear volúmenes lógicos redimensionables. Facilita ampliación de espacio y snapshots para copias de seguridad.

Swap: partición o archivo de intercambio utilizado como memoria virtual cuando la RAM es insuficiente.

Ventajas del particionado y RAID

Ventajas del particionado:

• Separación entre sistema y datos.
• Mayor seguridad ante fallos.
• Facilita copias de seguridad y recuperación.
• Permite múltiples sistemas operativos.

RAID (Redundant Array of Independent Disks): conjunto de discos conectados para tolerancia a fallos y/o mejora de rendimiento. Puede implementarse por hardware o software.

Tipos comunes de RAID

• RAID 0 (seccionado sin paridad): divide información entre discos, sin redundancia, mayor velocidad, sin recuperación de datos; tamaño = disco menor × número de discos.
• RAID 1 (reflejado): discos por parejas almacenan la misma información; disco primario y disco espejo; pierde 50% de capacidad pero garantiza recuperación.
• RAID 5 (seccionado con paridad): mínimo 3 discos; datos y paridad distribuidos; permite reconstrucción si falla uno; mejora velocidad.

Volumen distribuido: ocupa espacio libre de varios discos secuencialmente; si falla uno se pierde todo.

Copias de seguridad

Copias de seguridad: mecanismo para asegurar la información.

Niveles mencionados:

• Nivel 0 (normal/completa): copia todos los archivos y borra el bit de modificado.
• Nivel 1 (diferencial): copia archivos modificados desde la última total y no borra el bit.
• Nivel 2 (incremental): copia archivos modificados desde la última copia incremental o normal y borra el bit.

La política debe considerar volumen e importancia de datos, frecuencia, medio de almacenamiento y tiempo de restauración.

Herramientas: Windows (utilidad gráfica); Linux: tar, rsync, scp, dump, restore.

Cuotas de disco

Cuotas de disco: limitación del espacio asignado a usuarios en un volumen o carpeta. NTFS permite cuotas; FAT32 no. Tipos: cuota máxima o dura. Permite controlar consumo de espacio y aplicar políticas de almacenamiento.