Dise

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Tema 4. Sistemas de Ficheros

• Dos módulos
• Interfaz del sistema de ficheros
• Implementación del sistema de ficheros
• Objetivos
• Que el alumno entienda los conceptos de fichero y
  directorio
• Mostrar los métodos de acceso y los mecanismos de
  protección
• Estudiar las semánticas de compartición
• Que el alumno comprenda la estructura del
  sistema de ficheros
• Presentar distintas técnicas de gestión de
  archivos y directorios a nivel de diseño.

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Módulo 1.Interfaz del Sistema de Ficheros
Concepto de fichero? Métodos de
acceso Estructura de directorio Protección Semánti
cas de compartición
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Concepto de Fichero

• Un espacio lógico de direcciones contiguas usado
  para almacenar datos
• Tipos de ficheros
• Datos
• numéricos
• carácter
• binarios
• Programas
• código fuente
• ficheros objetos (imagen de carga)
• Documentos

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Estructura del Fichero

• Ninguna - secuencia de palabras o bytes (UNIX)
• Estructura sencilla de registros
• Líneas
• Longitud fija
• Longitud variable
• Estructuras complejas
• Documentos con formato (HTML, postscript)
• Fichero de carga reubicable (módulo de carga)
• Se puede simular estructuras de registro y
  complejas con una estructura plana y secuencias
  de control
• Quién decide la estructura?
• Interna El sistema operativo
• Externa Las aplicaciones

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Estructura del Fichero Ejecutable
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Atributos del Fichero

• Nombre la única información en formato legible
  por una persona
• Tipo necesario en sistemas que proporciona
  distintos formatos
• Posición apuntador a la posición del fichero en
  un dispositivo
• Tamaño tamaño actual del fichero
• Protección control de accesos y de las
  operaciones sobre ficheros
• Tiempos de creación, de acceso, de modificación,
  etc.
• Identificación de usuario dueño, y grupo, del
  fichero
• La información relacionada con el fichero se
  mantiene en el descriptor del fichero, al que se
  apunta desde los directorios.

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Atributos del Fichero
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Operaciones sobre Ficheros

• fd create(nombre, protección) crea un fichero
  con ese nombre y esa protección y devuelve un
  descriptor
• delete(nombre) borra el fichero con ese nombre
• fd open(nombre, operación) abre un fichero con
  ese nombre para esa(s) operación(es) y devuelve
  un descriptor
• close(fd) cierra un fichero abierto con
  descriptor fd
• read(fd, almacén, cantidad) lee cantidad del
  fichero fd, abierto, al almacén.
• write(fd, almacén, cantidad) escribe cantidad al
  fichero fd, abierto, desde el almacén.
• truncate(fd) vacía el fichero fd.
• lseek(fd, desplazamiento, relativo_a) mueve el
  apuntador a relativo_a desplazamiento.

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Nombres de Fichero y Extensiones

• Tiras de caracteres
• Longitud fija o variable
• Sensibles a tipografía
• Extensión obligatoria o no
• Los usuarios usan nombres lógicos de este estilo
• Los directorios relacionan nombres lógicos y
  descriptores internos de ficheros
• El sistema de ficheros trabaja con descriptores
  internos

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Métodos de Acceso

• Acceso secuencial
• read next, write next, reset, no read after last
  write,
• rewind ir al principio para buscar hacia delante
• Dispositivos de cinta
• Acceso Directo
• read n, write n, goto n, rewrite n, read next,
  write next,
• n número de bloque relativo al origen
• Dispositivos discos magnéticos

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Visiones del Fichero
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Concepto de Directorio

• Una colección de nodos que contienen información
  acerca de los ficheros
• Tanto la estructura del directorio como los
  ficheros residen en discos
• Los directorios se suelen implementar como
  archivos
• Copias de respaldo en cintas, por seguridad
• Información en un directorio nombre, tipo,
  dirección, longitud máxima y actual, tiempos de
  acceso y modificación, dueño, etc.
• Hay estructuras de directorio muy distintas. La
  información depende de esa estructura.

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Estructuras de Directorio
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Operaciones de Directorio

• mkdir (nombre, proteccion)
• rmdir (nombre)
• dirpopendir (nombre) devuelve un descriptor de
  directorio
• closedir (dirp)
• dirent readdir (dirp) devuelve una entrada del
  directorio
• chdir (nombre)
• link (origen, destino)

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Organización del Directorio

• Eficiencia localizar un fichero rápidamente
• Nombrado conveniente y sencillo para los
  usuarios
• Dos usuarios pueden tener el mismo nombre para
  ficheros distintos
• Los mismos ficheros pueden tener nombres
  distintos
• Nombres de longitud variable
• Agrupación agrupación lógica de los ficheros
  según sus propiedades (por ejemplo programas
  Pascal, juegos, etc.)
• Estructurado operaciones claramente definidas y
  ocultación
• Sencillez la entrada de directorio debe ser lo
  más sencilla posible.

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Directorio de un Nivel

• Un único directorio para todos los usuarios
• Problemas de nombrado y agrupación

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Directorio de dos Niveles

• Un directorio por cada usuario
• Camino de acceso automático o manual
• El mismo nombre de fichero para varios usuarios
• Búsqueda eficiente, pero problemas de agrupación

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Directorio con Estructura de Árbol

• Búsqueda eficiente y agrupación
• Nombres relativos y absolutos -gt directorio de
  trabajo

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Directorio con Estructura de Árbol

• Los nombres absolutos contienen todo el camino
• Los nombres relativos parten del directorio de
  trabajo o actual
• Cambio de directorio
• cd /spell/mail/prog
• cd prog
• Borrar un fichero rm ltnombre-ficherogt
• Crear un subdirectorio mkdir ltnombre_dirgt
• Ejemplo
• cd /spell/mail
• mkdir count
• ls /spell/mail/count
• Borrar un subdirectorio rm -r mail

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Directorio de Grafo Acíclico I

• Tienen ficheros y subdirectorios compartidos
• Este concepto no existe en Windows

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Directorio de Grafo Acíclico II

• link Un fichero con varios nombres -gt control de
  enlaces
• un único fichero con contador enlaces en
  descriptor (e. Físicos)
• ficheros nuevos con el nombre destino dentro (e.
  simbólicos)
• Borrado de enlaces
• a) decrementar contador si 0 borrar fichero
• b) recorrer los enlaces y borrar todos
• c) borrar únicamente el enlace y dejar los demás
• Problema grave existencia de bucles en el árbol.
  Soluciones
• Permitir sólo enlaces a ficheros, no
  subdirectorios
• Algoritmo de búsqueda de bucle cuando se hace un
  enlace
• Limitación de implementación en UNIX sólo
  enlaces físicos dentro del mismo sistema de
  ficheros.

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Protección

• El dueño (creador) de un fichero debería ser
  capaz de controlar
• lo que se puede hacer
• por quién
• Tipos de acceso read, write, execute, append,
  delete, list
• Políticas de protección restrictivas, conocidas,
  sencillas,
• Dominio conjunto de usuarios a los que se agrupa
  con los mismos criterios de seguridad
• Mecanismos de protección
• matriz de protección (objeto, usuario) -gt
  derechos
• listas de control de acceso matriz de protección
  por columnas
• capacidades matriz de protección por filas

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Matriz de Protección

• Mecanismo general (dominio, objeto) -gt derechos
  positivos o negativos
• Problema muy grande y dispersa -gt implementación
  difícil y costosa
• Vale como modelo teórico (HRU), pero poco práctca
• Base de los mecanismos usados más frecuentemente
  ACL, CAP

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Listas de Control de Acceso

• Lista por objeto con una entrada por usuario o
  dominio especificando derechos de acceso
• Si es muy larga, su manejo es complejo.
• Habitual denegaciones primero y encadenamiento
  doble
• Fácil denegar acceso total eliminando la ACL del
  objeto

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Listas de Control de Acceso y Grupos

• Modo de acceso read, write, execute
• UNIX tres clases de usuarios
• a) dueño 7 111 rwx
• b) grupo 6 110 rw-
• c) público 1 001 --x
• El administrador crea usuarios y grupos. Un grupo
  puede tener múltiples usuarios. Un usuario puede
  estar en varios grupos.
• Cambiar protección chmod 761 fichero
• Cambiar dueño chown usuario fichero
• Cambiar grupo chgrp grupo fichero
• Windows NT más selectivo permisos positivos y
  negativos específicos por objeto y usuario.

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Capabilities

• Cada usuario tiene una protección por objeto.
  Bueno para sistemas distribuidos
• Fácil dar permisos
• Difícil revocar todos los permisos. Soluciones
• Envíos masivos a los usuarios
• Cambiar el objeto origen por otro
• Usar una capability intermedia y eliminarla

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Módulo 2.Implementación del Sistema de Ficheros
Estructura del sistema de ficheros Estructura del
servidor de ficheros Métodos de
asignación Gestión del espacio libre Incremento
de prestaciones Fiabilidad y recuperación
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Estructura del Sistema de Ficheros

• Sistema de ficheros unidad lógica de
  almacenamiento donde se recolecta información
  relacionada
• El sistema de ficheros reside en particiones, o
  volúmenes, de almacenamiento secundario

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Superbloque

• Contiene la información de estructura del sistema
  de ficheros
• Uno por sistema de ficheros. Si falla, el SF
  queda inaccesible.

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Estructura del Servidor de Ficheros
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El Servidor de Ficheros Virtuales

• Interfaz de usuario para un fichero genérico
  nodo-v.
• Operaciones del fichero genérico fechas,
  posición,
• Operaciones específicas cada servidor de
  ficheros particular

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Flujo de datos en el Servidor de Ficheros
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Tablas de Datos del Servidor de Archivos
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Asignación Contigua

• Fichero conjunto de bloques de disco contiguos
• Simple 1er bloque longitud / tamaño bloque
• Acceso aleatorio sencillo
• Problema 1 ficheros no pueden crecer -gt buscar
  hueco nuevo -gt fragmentación externa
• Problema 2 fragmentación -gt búsqueda huecos muy
  difícil
• Mapa lógico-físico
• num. bloque posición / tamaño bloque
• desplazamiento posición MOD tamaño bloque
• No se usa en sistemas operativos de propósito
  general.

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Asignación Enlazada I

• Fichero lista enlazada (doblemente) de bloques
  de disco dispersos
• Acceso aleatorio costoso muchos accesos a disco
• Ejemplo FAT de MS-DOS y OS/2

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Asignación Enlazada II

• No hay fragmentación externa, pero tiene la
  sobrecarga de los bloques de enlaces
• Mapa lógico-físico
• Bloque destino (D) Posición / Tamaño bloque
  
• Desplazamiento en el bloque Posición MOD Tamaño
  bloque
• Accesos 1er bloque en lista D
• Problema recorridos hacia atrás listas con
  enlaces dobles
• Optimización
• Listas con grupos de bloques contiguos asociados
  a un fichero
• Reducen el número de accesos hasta llegar al
  bloque, pero en el peor caso serían los mismos
  que sin optimizar

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Asignación Indexada I

• Fichero índice ordenado de bloques de disco
  dispersos
• Necesita una tabla de índice
• Acceso aleatorio rápido
• No hay fragmentación externa, pero tiene la
  sobrecarga de los índices de bloques
• Mapa lógico-físico puntero a bloque destino
• Bloque destino Posición / Tamaño bloque
• Desplazamiento en el bloque Posición MOD Tamaño
  bloque
• Posición en índice Bloque destino Tamaño
  puntero
• Ejemplo Nodo-i de UNIX

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Asignación Indexada II

• Problema hacen falta muchos bloques de índices
  -gt muchos accesos a disco. Ejemplo
• Bloque de 4 Kbytes y puntero de 4 bytes -gt 1
  Kíndice por bloque -gt 4 Mbytes tamaño fichero
  máximo.
• Fichero 4 Gbytes -gt 1 Kbloques de índices
• Solución índices de varios niveles.
• Dos niveles 1Míndice -gt 4 Gbytes
• Tres niveles 1 Gíndice -gt 4 Tbytes
• Problema más niveles -gt más accesos a disco,
  incluso para accesos pequeños.
• Solución esquema combinado (ejemplo nodo -i de
  UNIX)

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Nodo-i de UNIX
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MFDT Windows NT

• Problema nodo-i siempre un acceso a disco, como
  mínimo, para traer datos.
• Para ficheros pequeños, se podría evitar metiendo
  datos en el descriptor del fichero. Ejemplo
  Registro MFT de Windows NT.
• Problema complica el mapa lógico-físico

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Implementación de Directorios

• Entrada directorio tamaño fijo (MS-DOS) o
  variable (UNIX)
• Listas lineales de nombres de ficheros con
  punteros a bloques de datos
• fáciles de programar
• costosas en tiempo de ejecución
• Tablas con acceso aleatorio (hash) listas
  lineales con estructura de datos aleatorios
• tiempo de búsqueda de directorios más pequeña
• colisiones dos nombres de ficheros pueden ir a
  la misma entrada aleatoria
• Siempre se implementan basándose en ficheros

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Directorios en UNIX
43
Construcción del Árbol de Nombres
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Gestión de Espacio Libre I

• Mapas de bits Un bit por bloque (o nodo-i). 0
  libre, 1 ocupado
• Espacio en disco disk_size / (8 block_size)
• La asignación funciona bien si no está muy lleno
  el disco. En caso contrario Fragmentación del
  mapa -gt difícil buscar huecos grandes
• Listas enlazadas de bloques libres simples o
  dobles.
• No hay fragmentación en la lista
• Es difícil, y lento, buscar espacio contiguo
• Optimización listas de grupos de bloques libres

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Gestión de Espacio Libre II

• Los mapas de bits son más populares actualmente
• Es necesario proteger
• Los punteros a las listas de recursos
• Los mapas de bits
• Deben estar en disco
• Las copias en disco y en memoria pueden diferir
  -gt escritura inmediata a disco
• Los mapas de recursos están en una especial del
  sistema de ficheros y no cuentan como bloques de
  datos
• Los bloques de los mapas están contiguos. La
  dirección de sus primeros bloques se guarda en el
  superbloque

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Incremento de Prestaciones

• La eficiencia depende de
• los algoritmos de asignación de ficheros y
  directorios
• el tipo de datos que hay en los descriptores de
  ficheros y directorios
• la estructura del sistema de ficheros
• Mecanismos de incremento de prestaciones
• Cache de nombres y de bloques últimos datos
  accedidos se guardan en memoria
• Lectura adelantada para optimizar accesos
  secuenciales
• Usar discos RAM para evitar accesos a discos (por
  ejemplo /proc)

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La Cache de Bloques

• Almacén de bloques de disco que se mantiene en
  memoria
• Estructura lista hash con información de bloques
  y punteros a los datos
• Tamaño máximo limitado por la memoria que ocupa.
• Todos los accesos a ficheros pasan por la cache
• Lectura estan en cache?
• Si -gt copiar a usuario
• No-gt leer de disco y copiar a usuario
• Política de reemplazo LRU, MRU, FIFO, hash. LRU
  popular
• Antes de reemplazar bloques sucios hay que
  escribir a disco
• delayed-write escribir cada n segundos
• write-through escribir inmediatamente (mapas,
  metadatos, etc.)

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Flujo de Datos con Cache de Bloques
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Fiabilidad y Recuperación

• La perdida de un sistema de ficheros es muy grave
  y, muchas veces, no se puede recuperar.
• Solución
• Copias de respaldo.
• Volcar a discos, cintas, ...
• Totales e incrementales
• Políticas de copia de respaldo
• Almacenamiento con redundancia
• Discos espejo, RAID, replicación, .
• Mucha seguridad dispositivos en instalaciones
  aisladas
• Comprobaciones de consistencia (fsck) de mapas de
  recursos, asignación de descriptores y entradas
  de directorios.

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Recuperación

• Un sistema de ficheros puede estar incoherente.
• Existen aplicaciones como fsck o scandisk que
  comprueban el SF, lo dejan coherente y, a veces,
  recuperan la información perdida.