Sistema de archivos

Sistema de Archivos Lógico

Este nivel proporciona una vista unificada al usuario y al kernel, abstraendo las diferencias entre distintos tipos de almacenamiento físico o remoto. Permite operaciones como abrir, leer o cerrar archivos mediante llamadas al sistema, independientemente de si son locales o de red. Gestiona tablas de archivos abiertos y descriptores por proceso, asegurando coherencia en la interfaz. ^[5]

Sistema de Archivos Virtual

Se refiere a la abstracción que el sistema operativo presenta al usuario, como una estructura jerárquica de directorios y archivos (ej. en Unix/Linux o Windows). Incluye vistas lógicas como archivos reales (almacenados físicamente) versus virtuales (generados dinámicamente, como /proc en Linux), facilitando el acceso sin exponer el hardware subyacente. ^[5]

Sistema de Archivos Físico

Maneja la organización real en el disco, a nivel de pistas, sectores y bloques de asignación. Incluye métodos de asignación de espacio libre (contiguo, enlazado o indexado) y define cómo se almacenan los datos físicamente para optimizar el acceso. Ejemplos incluyen estructuras como bloques lógicos en HFS o ext4 en Linux.

Nombre de archivo o fichero

El nombre de archivo es la cadena de texto que identifica un archivo en un sistema de archivos. Generalmente consta de un nombre base y una extensión opcional, separados por un punto, como en "documento.txt" donde "documento" es el nombre y ".txt" indica el tipo. Puede formar parte de una ruta completa, absoluta (desde la raíz, ej. C:\Documentos\archivo.txt) o relativa, para especificar su posición en la estructura de directorios. ^[6]

Restricciones por sistemaLos sistemas operativos imponen límites en longitud y caracteres permitidos; por ejemplo, Windows no distingue mayúsculas/minúsculas en NTFS, mientras que Unix sí.^[7]

Carpeta o directorio

En un sistema de archivos, una carpeta (Hispanoamérica) o directorio (España) es un contenedor virtual que organiza y agrupa archivos y otras subcarpetas de forma jerárquica.^[8] Sirve para estructurar datos lógicamente, facilitando su almacenamiento, búsqueda y acceso, sin contener datos propios sino solo referencias a su contenido. Estructura típica Se representa como un árbol: hay un directorio raíz (ej. C:\ en Windows) del que parten subdirectorios anidados. Puede incluir archivos de cualquier tipo (documentos, imágenes) y permisos de acceso. A diferencia de un archivo, que almacena datos reales, la carpeta solo organiza sin guardar información directa.

Metadatos

Los metadatos en un sistema de archivos son datos descriptivos que acompañan a los archivos y proporcionan información sobre sus propiedades, sin formar parte del contenido principal. Estos permiten organizar, buscar y gestionar archivos de manera eficiente.^[9]Los metadatos, conocidos como "datos sobre datos", incluyen detalles como fechas de creación, modificación o acceso, tamaño del archivo y permisos de seguridad. En sistemas como NTFS o ext4, se almacenan en estructuras como inodos o tablas de archivos. Tipos comunes

• Técnicos: Tamaño, extensión, ruta completa y propietario.
• Administrativos: Atributos como "oculto", "solo lectura" o lista de control de accesos (ACL).
• Descriptivos: Fechas de acceso, modificación y creación, útiles para auditorías.

Unidades de asignación

Las unidades de asignación son bloques mínimos de espacio que un sistema de archivos asigna a los archivos para almacenarlos en disco. También conocidas como clústeres, representan la unidad básica de almacenamiento en sistemas como NTFS, FAT o ext4; por ejemplo, un archivo de 1 KB en un clúster de 4 KB ocupará todo el clúster, generando espacio desperdiciado (fragmentación interna).^[10] Los tamaños varían según el sistema de archivos y la capacidad del disco: en NTFS suelen ir de 512 bytes a 64 KB, con 4 KB como predeterminado en discos grandes; FAT32 usa 4 KB para volúmenes de 8-16 GB, y ext4 en Linux emplea 1-4 KB por defecto.^[11] Un tamaño pequeño (ej. 512 B) maximiza el uso del espacio para muchos archivos pequeños, pero aumenta la fragmentación y la sobrecarga de metadatos; uno grande (ej. 64 KB) mejora la velocidad en SSD/HDD con archivos grandes, pero desperdicia más espacio en archivos pequeños.

Fragmentación

La fragmentación de un sistema de archivos ocurre cuando los archivos se dividen en fragmentos no contiguos en el almacenamiento, lo que aumenta los tiempos de acceso y reduce el rendimiento. Esto es especialmente relevante en medios magnéticos, pero varía según el tipo de dispositivo. ^[12] En discos duros tradicionales, la fragmentación es común porque usan platos giratorios y cabezales mecánicos que deben desplazarse para leer fragmentos dispersos. Archivos grandes como videos se fragmentan más al editarse o eliminarse repetidamente, causando lentitud. Las SSD, basadas en memoria flash, sufren menos fragmentación ya que no tienen partes mecánicas y acceden electrónicamente a los datos. Sin embargo, un uso excesivo del 85-95% de capacidad puede inducirla, aunque sistemas modernos como NTFS o Ext4 la minimizan con asignación retrasada.^[13] Los discos ópticos son de solo lectura o escritura secuencial limitada, por lo que no sufren fragmentación significativa una vez grabados. Su diseño lineal evita la dispersión de archivos, aunque la grabación multisesión puede simularla mínimamente. Las cintas magnéticas almacenan datos de forma estrictamente secuencial, haciendo imposible la fragmentación interna; los archivos se escriben en bloques contiguos durante el volcado lineal. Solo hay "fragmentación externa" si se intercalan archivos, pero no afecta el acceso como en HDD.

Control de acceso

El control de acceso en un sistema de archivos es el conjunto de mecanismos que determinan quién puede acceder a cada archivo o directorio y qué puede hacer con él (leer, escribir, ejecutar, borrar, etc.). ^[14]

Conceptos básicos

• Objetos: archivos, directorios y otros recursos del sistema de archivos.
• Sujetos: usuarios, grupos o procesos que intentan acceder a esos objetos.
• Operaciones: lectura, escritura, ejecución, borrado, cambio de permisos, cambio de propietario.
• Política: reglas que deciden si una operación está permitida o denegada (por ejemplo, “usuario Juan puede leer pero no escribir este archivo”).

Modelos de control de acceso

• DAC (Discretionary Access Control): el propietario del archivo decide quién tiene qué permisos; típico en Unix/Linux con permisos rwx para propietario, grupo y otros.
• MAC (Mandatory Access Control): reglas centralizadas, basadas en etiquetas o niveles de seguridad (por ejemplo “Confidencial”, “Secreto”), que ni siquiera el propietario puede cambiar libremente.
• RBAC (Role-Based Access Control): se asignan permisos a roles (admin, contabilidad, recursos humanos) y los usuarios heredan permisos según sus roles.

Muchas plataformas usan Listas de Control de Acceso (ACL) para definir permisos detallados por usuario o grupo sobre cada objeto del sistema de archivos. Cada entrada de una ACL indica: identidad (usuario/grupo) + tipo de acceso (permitir/denegar) + permisos concretos (leer, escribir, ejecutar, etc.). Las ACL permiten un control muy granular, mucho más fino que solo “propietario/grupo/otros”.

Objetivos de seguridad

El control de acceso en sistemas de archivos busca:

• Confidencialidad: que solo quienes estén autorizados vean el contenido.
• Integridad: que solo usuarios autorizados puedan modificar o borrar archivos.
• Disponibilidad: evitar que cambios indebidos en permisos bloqueen el acceso legítimo.

Cuotas de almacenamiento

Las cuotas de almacenamiento en un sistema de archivos son límites establecidos por administradores para controlar el uso de espacio en disco por usuarios o grupos, evitando el agotamiento de recursos compartidos. ^[15] Permiten restringir bloques de datos (espacio en disco) e inodos (número de archivos), aplicándose por sistema de archivos de forma individual. Se aplican en servidores de correo, HTTP, archivos compartidos o escritorios para gestionar espacio eficientemente y notificar excesos vía correo electrónico o políticas.

Integridad de los datos

La integridad de datos en sistemas de archivo se refiere a la capacidad del sistema para mantener los datos correctos, completos y consistentes durante su almacenamiento, uso y recuperación, incluso frente a errores, accidentes, cortes de energía y corrupción del soporte. ^[16]

Características principales para proteger los datos

• Exactitud y consistencia: los archivos deben almacenarse y recuperarse sin alteración no autorizada, de forma que los contenidos coincidan siempre con la versión original.
• Protección contra fallos físicos: los sistemas deben soportar cortes de energía, desgaste del soporte, fallos de hardware y desastres naturales, usando mecanismos como discos redundantes (RAID), UPS y sistemas de almacenamiento resiliente.
• Control de acceso y autorización: solo usuarios y procesos autorizados pueden modificar los archivos, evitando cambios accidentales o maliciosos.

Características para detectar corrupción

• Uso de hashes y sumas de verificación: los sistemas calculan huellas digitales (como MD5, SHA‑256) al almacenar y al leer los archivos; si el hash cambia, se detecta corrupción del soporte o error de lectura.
• Monitoreo de integridad de archivos (FIM): herramientas que comparan periódicamente el estado de los archivos (hash, permisos, tamaños) para identificar modificaciones no autorizadas o daños.

Características para recuperación ante errores

• Copias de seguridad (backups): versiones periódicas y versionadas de los datos permiten restaurar archivos a un estado previo ante corrupción, pérdida o accidente.
• Replicación y redundancia: almacenar copias en múltiples dispositivos o ubicaciones (por ejemplo, en la nube o en servidores remotos) permite recuperar datos si falla un disco o un sitio.
• Registros de transacciones y logs: sistemas de archivo avanzados registran operaciones (creación, modificación, eliminación) para poder “rebotar” el estado del sistema o reconstruir archivos tras un fallo inesperado.^[17]

Ejemplo de 'ruta' en un sistema Unix

En un sistema tipo Unix como GNU/Linux, la ruta para la canción llamada "La canción.ogg" del usuario "Alvaro" sería algo como:

/home/Alvaro/Mi música/La canción.ogg

donde:

• / representa el directorio raíz donde está montado todo el sistema de archivos.
  • home/Alvaro/Mi música/ es la ruta del archivo.
    • La canción.ogg es el nombre del archivo que se establece como único.
    • .ogg es la extensión del archivo.

Ejemplo de 'ruta' en un sistema Windows

Un ejemplo análogo, en un sistema de archivos de Windows se vería como:

C:\Users\Alvaro\Music\canción.mp3

donde:

• C: es la unidad de almacenamiento en la que se encuentra el archivo.

• \Users\Alvaro\Music\ es la ruta del archivo.
• canción es el nombre del archivo.

• .mp3 es la extensión del archivo, este elemento (parte del nombre) es especialmente relevante en los sistemas Microsoft Windows, porque sirve para identificar qué tipo de archivo es y la aplicación que está asociada con el archivo en cuestión, es decir, con qué programa se puede abrir y leer, editar o reproducir el archivo. Para la mayoría de los sistemas operativos modernos la extensión del archivo es un complemento burocrático solo útil para la observación del usuario, ya que los entornos de administración de archivos y aplicaciones varias, analizan la información contenida en el principio del interior del archivo (MIME headers) para determinar su función o asociación, la cual normalmente está catalogada en la tabla MIME Content-Type en el sistema. El sistema Windows permite ocultar la extensión de los archivos si el usuario lo desea, de no hacerlo la extensión aparece en los nombres de todos los archivos. En el sistema operativo Windows, si el usuario cambia la extensión de un archivo, el archivo puede quedar inutilizable si la nueva extensión lo asocia a un programa que no tenga la capacidad de editar o reproducir ese tipo de archivo. Algunos usuarios igual habilitan la visualización de las extensiones en los sistemas Windows como medida de precaución para evitar virus que utilicen íconos o nombres parecidos a los archivos personales del usuario, ya que la extensión permite identificar a los ficheros .EXE (ejecutables en Windows) y diferenciar más fácilmente los distintos formatos para el mismo tipo de contenido (como separar los archivos de audio MP3 de otros formatos de audio como OGG y WMA).

Sistemas de archivos de disco

Un sistema de archivo de disco está diseñado para el almacenamiento de archivos en una unidad de disco, que puede estar conectada directa o indirectamente a la computadora.

Sistemas de archivos de red

Un sistema de archivos de red es el que accede a sus archivos a través de una red de computadoras.

Dentro de esta clasificación encontramos dos tipos de sistemas de archivos:

1. los sistemas de archivos distribuidos (no proporcionan E/S en paralelo);
2. los sistemas de archivos paralelos (proporcionan una E/S de datos en paralelo).

Sistemas de archivos de propósito especial

Los sistemas de archivos de propósito especial (special purpose file system) son aquellos tipos de sistemas de archivos que no son ni sistemas de archivos de disco, ni sistemas de archivos de red.

Ejemplos: acme (Plan 9), archfs, cdfs, cfs, devfs, udev, ftpfs, lnfs, nntpfs, plumber (Plan 9), procfs, ROMFS, swap, sysfs, TMPFS, wikifs, LUFS, etcétera.

Sistemas de archivos por Sistema Operativo y Uso

En cada sistema operativo existen distintas formas de utilización de los tipos de acceso para la organización óptima de sus archivos y su información. Cada sistema operativo cuenta con uno o varios sistemas diferentes de organización, los cuales trabajan acorde a las necesidades del usuario y su uso de la información. 

Sistemas de archivos en Windows

Los sistemas de organización de archivos que emplea Microsoft Windows utilizan el acceso secuencial indexado (acceso secuencial y acceso indexado adjuntos en un mismo método), el acceso directo en algunos casos en la utilización de los sistemas de organización por tablas.

• Tabla de asignación de archivos: comúnmente conocido como FAT (del inglés File Allocation Table), es un sistema de archivos. Es un formato popular para memorias USB y tarjetas de memoria admitido prácticamente por todos los sistemas operativos existentes para computadora personal. Se utiliza como mecanismo de intercambio de datos entre sistemas operativos distintos que coexisten en la misma computadora, lo que se conoce como entorno multiarranque y en el intercambio entre diferentes dispositivos de fabricantes distintos.^[18]
• HPFS (High Performance File System). El sistema de archivos HPFS (High Performance File System) es un formato desarrollado por IBM y Microsoft para OS/2. Sirve para gestionar archivos de manera más eficiente que FAT, con soporte para nombres largos y mejor rendimiento. Aunque reemplazado por NTFS, aún se usa en sistemas embebidos, versiones antiguas de OS/2 y eWarp, o Linux/FreeBSD con drivers. No es común en Windows modernos.

• NTFS (New Technology File System). El sistema de archivos NTFS (New Technology File System) es el estándar propietario desarrollado por Microsoft para organizar y gestionar datos en discos duros y unidades de almacenamiento en sistemas Windows. ^[19] NTFS organiza los datos mediante una tabla maestra de archivos (MFT) que rastrea archivos y carpetas, facilitando su almacenamiento, recuperación y administración eficiente. Se introdujo con Windows NT 3.1 y es el predeterminado en versiones modernas como Windows 10 y 11, superando limitaciones de sistemas anteriores como FAT. ^[20] Es ideal para estaciones de trabajo y servidores por su robustez y compatibilidad con clústeres de alta disponibilidad. Sin embargo, tiene menor compatibilidad nativa con otros SO como Linux comparado con FAT32 o exFAT. ^[21]

Sistema de archivos en Linux

GNU/Linux es el segundo sistema operativo que soporta más sistemas de organización que lo convierte en uno de los más versátiles.^[22] Además Linux, implementado en su kernel, admite la administración de manera transparente al usuario de más de 15 tipos diferentes de sistemas de archivos, incluyendo NTFS (Microsoft Windows), iso9660, msdos y vfat.^[23] La estructura de archivos es una estructura jerárquica en forma de árbol invertido, donde el directorio principal (raíz) es el directorio "/", del que cuelga toda la estructura del sistema. Este sistema de archivos permite al usuario crear, borrar y acceder a los archivos sin necesidad de saber el lugar exacto en el que se encuentran. No existen unidades físicas, sino archivos que hacen referencia a ellas. Consta de tres partes importantes, superbloque, tabla de i-nodos y bloques de datos.

• EXT: el "sistema de archivos extendido" (extended file system, ext), fue el primer sistema de archivos de Linux. Tiene metadatos estructura inspirada en el tradicional Unix File System o sistema de archivos UNIX (UFS). Fue diseñado por Rémy Card para vencer las limitaciones del sistema de archivos MINIX.
• ext2: El sistema de archivos EXT2 es un formato diseñado para Linux, conocido como el segundo sistema de archivos extendido. Fue creado en 1993 por Rémy Card para superar limitaciones del EXT original, mejorando el rendimiento y el manejo de archivos grandes. EXT2 organiza los datos en bloques de tamaño fijo (desde 512 bytes hasta 4 KiB), decididos al formatear con mke2fs, lo que optimiza el espacio para archivos pequeños. Usa inodos para almacenar metadatos como tamaño, permisos, propietario y punteros a bloques de datos, permitiendo hasta 2 TB por archivo (hasta 32 TB según bloque). Soporta nombres de archivo de hasta 255 bytes y un máximo de 10^18 archivos, sin journaling, por lo que es ideal para USB o flash pero vulnerable a corrupción en fallos. Ventajas: Alto rendimiento en lecturas/escrituras, compatible con Linux, BSD, ReactOS y Windows/macOS vía drivers. Desventajas: Sin journaling (a diferencia de EXT3/EXT4), requiere fsck tras fallos y no es ideal para discos grandes o uso intensivo.
• ext3: El sistema de archivos ext3 es el tercer sistema de archivos extendido utilizado principalmente en Linux. Fue la evolución de ext2, incorporando journaling (registro por diario) para mayor fiabilidad y recuperación rápida tras fallos como cortes de energía. Soporta archivos de hasta 2 TB y sistemas de hasta 32 TB, con compatibilidad hacia atrás para montarse como ext2.^[24] Ofrece flexibilidad en actualizaciones sin migrar datos y menor uso de CPU comparado con otros. Sin embargo, ha sido superado por ext4, que permite tamaños mayores y más funciones avanzadas.
• ext4: El sistema de archivos ext4 es el estándar predeterminado en muchas distribuciones de Linux modernas, conocido como el cuarto sistema de archivos extendido.^[25] Soporta volúmenes de hasta 1 exabyte y archivos individuales de hasta 16 tebibytes, superando ampliamente los límites de ext3 (16 TB de volumen y 2 TB por archivo). Utiliza extensiones para una asignación de bloques más eficiente, lo que reduce la fragmentación y mejora el rendimiento con archivos grandes. Incluye compatibilidad con versiones anteriores (ext2 y ext3), desfragmentación en línea, asignación retardada y marcas de tiempo en nanosegundos. Ext4 ofrece un journaling más robusto y verificación rápida de integridad, permitiendo subdirectorios ilimitados (a diferencia de los 32.000 en ext3). Se lanzó en 2008 como evolución estable de ext3, estabilizándose en el kernel Linux 2.6.28. Es ideal para servidores y escritorios Linux por su velocidad y escalabilidad. Se crea con comandos como mkfs.ext4 y es el sistema nativo de distribuciones como Red Hat Enterprise Linux desde la versión 6. No es nativo en Windows, pero se puede leer con herramientas de terceros. ^[26]

Sistema de archivos de MacOS

Los sistemas de archivos que utiliza MacOS tienen su forma peculiar de trabajar, la cual es totalmente distinta a la de Microsoft Windows y GNU/Linux, trabajan por medio de jerarquías.

• HFS: el "sistema de archivos jerárquico" (Hierarchical File System, HFS) divide un volumen en bloques lógicos de 512 bytes. Estos bloques lógicos están agrupados juntos en bloques de asignación (allocation blocks) que pueden contener uno o más bloques lógicos dependiendo del tamaño total del volumen.
• HFS+: es el sistema de archivos jerárquico mejorado desarrollado por Apple para macOS. Fue el estándar predeterminado en Macs desde 1998 hasta la llegada de APFS en 2017. ^[27] Soporta nombres de archivo de hasta 255 caracteres en Unicode (UTF-16), permitiendo mayor compatibilidad internacional y descripciones largas. Usa bloques de asignación de 32 bits para manejar discos más grandes y archivos de hasta 2^63 bytes, superando las limitaciones de HFS original. Incluye journaling (registro en diario) desde Mac OS X 10.3 para mayor estabilidad ante fallos, recuperando datos corruptos más rápido. Divide el volumen en sectores de 512 bytes agrupados en bloques, con estructuras como árboles B para catálogos y asignaciones. Lanzado con Mac OS 8.1 como "Mac OS Extended", reemplazó a HFS y se usó en iPods formateados desde Mac. También conocido como HFS Extended, su nombre clave durante desarrollo fue Sequoia. Fue el sistema por defecto en discos mecánicos e híbridos hasta macOS High Sierra, que introdujo APFS para SSDs y optimizaciones modernas. ^[28]

• APFS: el "sistema de archivos de Apple" que utilizan todos los dispositivos desde MacOS High Sierra, iOS 10.3, tvOS 10.2 y watchOS 3.2 (Apple File System, APFS). Su objetivo es solucionar problemas de núcleo de HFS+. está optimizado para unidades flash y estado sólido, con un enfoque principal en encriptación. Utiliza números de inodo de 64-bits, y permite un almacenamiento más seguro. Tiene varias características como Clones, Snapshots, Encriptación, Número máximo aumentado de archivos, Protección contra accidentes y Espacio Compartido.

Sistemas de archivos de discos ópticos

• ISO 9660 El sistema de archivos ISO 9660 es un estándar internacional para organizar datos en discos ópticos como CD-ROM.Publicado en 1988 por la ISO, ISO 9660 asegura compatibilidad entre sistemas operativos como Windows, Mac OS, Unix y MS-DOS, permitiendo leer CDs en diversas plataformas. La extensión Joliet añade soporte para nombres largos y Unicode; ISO 13490 permite sesiones múltiples en CD-R. Es de solo lectura, ideal para distribución premasterizada. ^{[29] [30]}
• UDF El sistema de archivos UDF (Universal Disk Format) es un estándar diseñado para medios ópticos como CD, DVD y Blu-ray. Permite agregar, modificar o eliminar archivos de manera flexible, superando limitaciones del ISO 9660. ^[31] Se emplea en DVD-Video (versión 1.02 con UDF Bridge), Blu-ray, HD-DVD y discos ópticos regrabables (RW/RAM). Es compatible con Windows, macOS, Linux y Solaris, permitiendo lectura/escritura sin problemas entre sistemas. ^[32] Requiere software específico para escritura en algunos sistemas antiguos. La versión recomendada es 2.60 para máxima compatibilidad moderna. ^[33]

Sistemas de archivos para cintas

Los sistemas de archivos para cintas permiten acceder a datos almacenados en cintas magnéticas de manera similar a un disco o USB, superando las limitaciones secuenciales de las cintas tradicionales. El más común es el Linear Tape File System (LTFS), un estándar abierto para cintas LTO.^[34]

• LTFS LTFS divide la cinta en dos particiones: una para metadatos e índices que permiten acceso rápido por arrastre y suelta, y otra para los archivos reales. Es compatible desde LTO-5, desarrollado por IBM y adoptado por el consorcio LTO, con implementaciones open-source como LTFS-SDE. Funciona en unidades standalone o bibliotecas, simplificando copias y archivado con software como IBM Storage Archive.
• 'Otros sistemas Existen sistemas propietarios como TDO de QStar, optimizados para bibliotecas de cintas con énfasis en seguridad y rendimiento. En entornos HSM (Hierarchical Storage Management), se integran con cintas para tiers de almacenamiento de bajo costo y larga duración (más de 30 años).

Sistemas de archivos distribuidos

Los sistemas de archivos distribuidos forman la base de muchas aplicaciones distribuidas, por lo cual son un aspecto fundamental de un sistema distribuido. Un sistema de archivos distribuido es aquel que permite que programas almacenen y accedan a archivos remotos exactamente como lo hacen a archivos locales, lo que posibilita acceder a estos desde cualquier computadora en una red. Estos permiten que múltiples procesos compartan datos durante largos períodos de tiempo de forma segura y confiable. Los sistemas de archivos distribuidos se utilizan como capa básica para aplicaciones y sistemas distribuidos.