Sistemas de Archivos

1. Introducción
2. Funciones del Sistema de Archivos
3. El Sistema de Archivos
4. Archivos
1. Nombre de los Archivos
2. Estructura de un Archivo
3. Tipos de Archivos
4. Acceso a un Archivo
5. Atributos de Archivo
6. Operaciones con Archivos
7. Archivos Mapeados a Memoria
5. Directorios
1. Sistemas Jerárquicos de Directorios
2. Nombre de las Rutas de Acceso
3. Operaciones con Directorios
6. Implantación del Sistema de Archivos y sus Relaciones con la Asignación y Liberación de Espacio
1. Implantación de Archivos
2. Implantación de Directorios
3. Archivos Compartidos
4. Administración del Espacio en Disco
5. Confiabilidad del Sistema de Archivos
6. Desempeño del Sistema de Archivos
7. Descriptor de Archivos
8. Seguridad
1. El Ambiente de Seguridad
2. Virus
3. Principios del Diseño Para la Seguridad
4. Autentificación del Usuario
5. Contraseñas
6. Identificación Física
7. Medidas Preventivas
9. Mecanismos de Protección
1. Dominios de Protección
2. Listas Para Control de Acceso
3. Posibilidades
4. Modelos de Protección
5. Control de Acceso Por Clases de Usuarios
10. Respaldo y Recuperación
11. Fin

Introducción

Todas las aplicaciones computarizadas necesitan almacenar y recuperar la información [7, Deitel]:

• Superando las limitaciones del almacenamiento real.
• Trascendiendo a la duración de los procesos que las utilizan o generan.
• Independizando a la información de los procesos permitiendo el acceso a la misma a través de varios procesos.

• Debe ser posible almacenar una cantidad muy grande de información.
• La información debe sobrevivir a la conclusión del proceso que la utiliza.
• Debe ser posible que varios procesos tengan acceso concurrente a la información.

• Los archivos deben ser persistentes, es decir que no deben verse afectados por la creación o terminación de un proceso.
• Los archivos son una colección de datos con nombre.
• Pueden ser manipulados como una unidad por operaciones como: open, close, create, destroy, copy, rename, list.
• Los elementos de datos individuales dentro del archivo pueden ser manipulados por operaciones como: read, write, update, insert, delete.

Es la parte del S. O. responsable de permitir “compartir controladamente” la información de los archivos.

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Funciones del Sistema de Archivos

Los usuarios deben poder crear, modificar y borrar archivos.

Se deben poder compartir los archivos de una manera cuidadosamente controlada [7, Deitel].

El mecanismo encargado de compartir los archivos debe proporcionar varios tipos de acceso controlado:

• Ej.: “Acceso de Lectura”, “Acceso de Escritura”, “Acceso de Ejecución”, varias combinaciones de estos, etc.

Los usuarios deben poder ordenar la transferencia de información entre archivos.

Se deben proporcionar posibilidades de “respaldo” y “recuperación” para prevenirse contra:

• La pérdida accidental de información.
• La destrucción maliciosa de información.

En ambientes sensibles, el sistema de archivos debe proporcionar posibilidades de “Cifrado” y “Descifrado”.

El sistema de archivos debe brindar una interfase favorable al usuario:

• Debe suministrar una “visión lógica” de los datos y de las funciones que serán ejecutadas, en vez de una “visión física”.
• El usuario no debe tener que preocuparse por:
• Los dispositivos particulares.
• Dónde serán almacenados los datos.
• El formato de los datos en los dispositivos.
• Los medios físicos de la transferencia de datos hacia y desde los dispositivos.

 

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El Sistema de Archivos

Un “Archivo” es un conjunto de registros relacionados [23, Tanenbaum].

El “Sistema de Archivos” es un componente importante de un S. O. y suele contener [7, Deitel]:

• “Métodos de acceso” relacionados con la manera de acceder a los datos almacenados en archivos.
• “Administración de archivos” referida a la provisión de mecanismos para que los archivos sean almacenados, referenciados, compartidos y asegurados.
• “Administración del almacenamiento auxiliar” para la asignación de espacio a los archivos en los dispositivos de almacenamiento secundario.
• “Integridad del archivo” para garantizar la integridad de la información del archivo.

Una forma de organización de un sistema de archivos puede ser la siguiente:

• Se utiliza una “raíz ” para indicar en qué parte del disco comienza el “directorio raíz ”.
• El “directorio raíz ” apunta a los “directorios de usuarios”.
• Un “directorio de usuario” contiene una entrada para cada uno de los archivos del usuario.
• Cada entrada de archivo apunta al lugar del disco donde está almacenado el archivo referenciado.

El nombre del sistema para un archivo dado debe ser único para el sistema de archivos.

En sistemas de archivo “jerárquicos” el nombre del sistema para un archivo suele estar formado como el “nombre de la trayectoria” del directorio raíz al archivo.

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Archivos

Se considerará el punto de vista del usuario.

Nombre de los Archivos

Las reglas exactas para los nombres de archivos varían de sistema a sistema [23, Tanenbaum].

Algunos sistemas de archivos distinguen entre las letras mayúsculas y minúsculas, mientras que otros no.

Muchos S. O. utilizan nombres de archivo con dos partes, separadas por un punto:

• La parte posterior al punto es la extensión de archivo y generalmente indica algo relativo al archivo, aunque las extensiones suelen ser meras convenciones.

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Estructura de un Archivo

Los archivos se pueden estructurar de varias maneras, las más comunes son [23, Tanenbaum]:

• “Secuencia de bytes”:
• El archivo es una serie no estructurada de bytes.
• Posee máxima flexibilidad.
• El S. O. no ayuda pero tampoco estorba.
• “Secuencia de registros”:
• El archivo es una secuencia de registros de longitud fija, cada uno con su propia estructura interna.
• “Árbol ”:
• El archivo consta de un árbol de registros, no necesariamente de la misma longitud.
• Cada registro tiene un campo key (llave o clave) en una posición fija del registro.
• El árbol se ordena mediante el campo de clave para permitir una rápida búsqueda de una clave particular.

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Tipos de Archivos

Muchos S. O. soportan varios tipos de archivos, por ej.: archivos regulares, directorios, archivos especiales de caracteres, archivos especiales de bloques, etc., donde [23, Tanenbaum]:

• Los Archivos Regulares son aquellos que contienen información del usuario.
• Los Directorios son archivos de sistema para el mantenimiento de una estructura del sistema de archivos.
• Los Archivos Especiales de Caracteres:
• Tienen relación con la e / s.
• Se utilizan para modelar dispositivos seriales de e / s (terminales, impresoras, redes, etc.).
• Los Archivos Especiales de Bloques se utilizan para modelar discos.

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Acceso a un Archivo

Los tipos de acceso más conocidos son:

• Acceso Secuencial: el proceso lee en orden todos los registros del archivo comenzando por el principio, sin poder:
• Saltar registros.
• Leer en otro orden.
• Acceso Aleatorio: el proceso puede leer los registros en cualquier orden utilizando dos métodos para determinar el punto de inicio de la lectura:
• Cada operación de lectura (read) da la posición en el archivo con la cual iniciar.
• Una operación especial (seek) establece la posición de trabajo pudiendo luego leerse el archivo secuencialmente.

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Atributos de Archivo

Cada archivo tiene:

• Su nombre y datos.
• Elementos adicionales llamados atributos, que varían considerablemente de sistema a sistema.

• “Protección”: quién debe tener acceso y de qué forma.
• “Contraseña”: contraseña necesaria para acceder al archivo.
• “Creador”: identificador de la persona que creó el archivo.
• “Propietario”: propietario actual.
• “Bandera exclusivo - para - lectura”: 0 lectura / escritura, 1 para lectura exclusivamente.
• “Bandera de ocultamiento”: 0 normal, 1 para no exhibirse en listas.
• “Bandera de sistema”: 0 archivo normal, 1 archivo de sistema.
• “Bandera de biblioteca”: 0 ya se ha respaldado, 1 necesita respaldo.
• “Bandera ascii / binario”: 0 archivo en ascii, 1 archivo en binario.
• “Bandera de acceso aleatorio”: 0 solo acceso secuencial, 1 acceso aleatorio.
• “Bandera temporal”: 0 normal, 1 eliminar al salir del proceso.
• “Banderas de cerradura”: 0 no bloqueado, distinto de 0 bloqueado.
• “Longitud del registro”: número de bytes en un registro.
• “Posición de la llave”: ajuste de la llave dentro de cada registro.
• “Longitud de la llave”: número de bytes en el campo llave.
• “Tiempo de creación”: fecha y hora de creación del archivo.
• “Tiempo del último acceso”: fecha y hora del último acceso al archivo.
• “Tiempo de la última modificación”: fecha y hora de la última modificación al archivo.
• “Tamaño actual”: número de bytes en el archivo.
• “Tamaño máximo”: tamaño máximo al que puede crecer el archivo.

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Operaciones con Archivos

Las llamadas más comunes al sistema relacionadas con los archivos son [23, Tanenbaum]:

• Create (crear): el archivo se crea sin datos.
• Delete (eliminar): si el archivo ya no es necesario debe eliminarse para liberar espacio en disco. Ciertos S. O. eliminan automáticamente un archivo no utilizado durante “n” días.
• Open (abrir): antes de utilizar un archivo, un proceso debe abrirlo. La finalidad es permitir que el sistema traslade los atributos y la lista de direcciones en disco a la memoria principal para un rápido acceso en llamadas posteriores.
• Close (cerrar): cuando concluyen los accesos, los atributos y direcciones del disco ya no son necesarios, por lo que el archivo debe cerrarse y liberar la tabla de espacio interno.
• Read (leer): los datos se leen del archivo; quien hace la llamada debe especificar la cantidad de datos necesarios y proporcionar un buffer para colocarlos.
• Write (escribir): los datos se escriben en el archivo, en la posición actual. El tamaño del archivo puede aumentar (agregado de registros) o no (actualización de registros).
• Append (añadir): es una forma restringida de “write”. Solo puede añadir datos al final del archivo.
• Seek (buscar): especifica el punto donde posicionarse. Cambia la posición del apuntador a la posición activa en cierto lugar del archivo.
• Get attributes (obtener atributos): permite a los procesos obtener los atributos del archivo.
• Set attributes (establecer atributos): algunos atributos pueden ser determinados por el usuario y modificados luego de la creación del archivo. La información relativa al modo de protección y la mayoría de las banderas son un ejemplo obvio.
• Rename (cambiar de nombre): permite modificar el nombre de un archivo ya existente.

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Archivos Mapeados a Memoria

Algunos S. O. permiten asociar los archivos con un espacio de direcciones de un proceso en ejecución [23, Tanenbaum].

Se utilizan las llamadas al sistema “map” y “unmap”:

• “Map”: utiliza un nombre de archivo y una dirección virtual y hace que el S. O. asocie al archivo con la dirección virtual en el espacio de direcciones, por lo cual las lecturas o escrituras de las áreas de memoria asociadas al archivo se efectúan también sobre el archivo mapeado.
• “Unmap”: elimina los archivos del espacio de direcciones y concluye la operación de asociación.

Los principales problemas relacionados son:

• Imposibilidad de conocer a priori la longitud del archivo de salida, el que podría superar a la memoria.
• Dificultad para compartir los archivos mapeados evitando inconsistencias, ya que las modificaciones hechas en las páginas no se verán reflejadas en el disco hasta que dichas páginas sean eliminadas de la memoria.

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Directorios

Generalmente son utilizados por los S. O. para llevar un registro de los archivos [23, Tanenbaum].

En muchos sistemas son a su vez también archivos.

Sistemas Jerárquicos de Directorios

El directorio contiene un conjunto de datos por cada archivo referenciado.

Una posibilidad es que el directorio contenga por cada archivo referenciado [7, Deitel]:

• El nombre.
• Sus atributos.
• Las direcciones en disco donde se almacenan los datos.

• El nombre del archivo.
• Un apuntador a otra estructura de datos donde se encuentran los atributos y las direcciones en disco.

• Busca en su directorio el nombre del archivo.
• Extrae los atributos y direcciones en disco.
• Graba esta información en una tabla de memoria real.
• Todas las referencias subsecuentes al archivo utilizarán la información de la memoria principal.

• Directorio único: el sistema tiene un solo directorio con todos los archivos de todos los usuarios (ver Figura 4.1 [23, Tanenbaum]).
• Un directorio por usuario: el sistema habilita un solo directorio por cada usuario (ver Figura 4.2 [23, Tanenbaum]).
• Un árbol de directorios por usuario: el sistema permite que cada usuario tenga tantos directorios como necesite, respetando una jerarquía general (ver Figura 4.3 [23, Tanenbaum]).

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Nombre de las Rutas de Acceso

Cuando el sistema de archivos está organizado como un árbol de directorios se necesita una forma de determinar los nombres de los archivos.

Los principales métodos para nombres de los archivos son [23, Tanenbaum]:

• Ruta de Acceso Absoluta:
• Cada archivo tiene una ruta de acceso absoluta.
• Consta de la ruta de acceso desde el directorio raíz hasta el archivo.
• Los componentes de la ruta de acceso se separan mediante algún carácter llamado “separador”.
• Ruta de Acceso Relativa:
• Se utiliza junto con el concepto de directorio de trabajo o directorio activo.
• Todos los nombres que no comiencen en el directorio raíz se toman en relación con el directorio de trabajo.
• El nombre absoluto de la ruta de acceso siempre funciona, sin importar cual sea el directorio de trabajo.

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Operaciones con Directorios

Las llamadas al sistema permitidas para el manejo de los directorios tienen variación de sistema a sistema [23, Tanenbaum].

Las más comunes son las siguientes:

• Create (crear): se crea un directorio vacío.
• Delete (eliminar): se elimina un directorio, que debe estar vacío.
• Opendir (abrir directorio): se pueden leer los directorios:
• Antes de poder leer un directorio, éste debe ser abierto.
• Closedir (cerrar directorio): cuando se ha leído un directorio, éste debe ser cerrado para liberar el espacio correspondiente de la tabla interna.
• Readdir (leer directorio): regresa la siguiente entrada en un directorio abierto, sin importar el tipo de estructura de directorios que se utilice.
• Rename (cambiar de nombre): cambia el nombre de un directorio de manera similar al cambio para archivos.
• Link (ligar): es una técnica que permite que un archivo aparezca en más de un directorio:
• Especifica un archivo existente y el nombre de una ruta de acceso.
• Crea un enlace del archivo ya existente con el nombre especificado en la ruta de acceso.
• Unlink (desligar): se elimina una entrada del directorio:
• Si el archivo que se desea desligar aparece solo en un directorio (el caso normal):
• Se elimina del sistema de archivos.
• Si el archivo que se desea desligar, está presente en varios directorios:
• Solo se elimina la ruta de acceso especificada.
• Las demás rutas permanecen.

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Implantación del Sistema de Archivos y sus Relaciones con la Asignación y Liberación de Espacio

Se consideran aspectos tales como [7, Deitel]:

• La forma de almacenamiento de archivos y directorios.
• La administración del espacio en disco.
• La forma de hacerlo de manera eficiente y confiable.

• Ocasiona problemas de performance al hacer que los archivos se desperdiguen a través de bloques muy dispersos.
• Una técnica para aliviar el problema de la “fragmentación” consiste en realizar periódicamente:
• “Condensación”: se pueden “reorganizar” los archivos expresamente o automáticamente según algún criterio predefinido.
• “Recolección de basura o residuos”: se puede hacer fuera de línea o en línea, con el sistema activo, según la implementación.

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Implantación de Archivos

El aspecto clave de la implantación del almacenamiento de archivos es el registro de los bloques asociados a cada archivo [7, Deitel].

Algunos de los métodos utilizados son los siguientes:

• Asignación contigua o adyacente:
• Los archivos son asignados a áreas contiguas de almacenamiento secundario.
• Las principales ventajas son:
• Facilidad de implantación, ya que solo se precisa el número del bloque de inicio para localizar un archivo.
• Rendimiento excelente respecto de la e / s.
• Los principales defectos son:
• Se debe conocer el tamaño máximo del archivo al crearlo.
• Produce una gran fragmentación de los discos.
• Asignación no contigua:
• Son esquemas de almacenamiento más dinámicos, destacándose los siguientes:
• Asignación encadenada orientada hacia el sector:
• El disco se considera compuesto de sectores individuales.
• Los archivos constan de varios sectores que pueden estar dispersos por todo el disco.
• Los sectores que pertenecen a un archivo común contienen apuntadores de uno a otro formando una “lista encadenada”.
• Una “lista de espacio libre” contiene entradas para todos los sectores libres del disco.
• Las ampliaciones o reducciones en el tamaño de los archivos se resuelven actualizando la “lista de espacio libre” y no hay necesidad de condensación.
• Las principales desventajas son:
• Debido a la posible dispersión en el disco, la recuperación de registros lógicamente contiguos puede significar largas búsquedas.
• El mantenimiento de la estructura de “listas encadenadas” significa una sobrecarga en tiempo de ejecución.
• Los apuntadores de la estructura de lista consumen espacio en disco.
• Asignación por bloques:
• Es más eficiente y reduce la sobrecarga en ejecución.
• Es una mezcla de los métodos de asignación contigua y no contigua.
• Se asignan bloques de sectores contiguos en vez de sectores individuales.
• El sistema trata de asignar nuevos bloques a un archivo eligiendo bloques libres lo más próximos posible a los bloques del archivo existentes.
• Las formas más comunes de implementar la asignación por bloques son:
• Encadenamiento de bloques.
• Encadenamiento de bloques de índice.
• Transformación de archivos orientada hacia bloques.
• Encadenamiento de bloques o lista ligada:
• Las entradas en el directorio de usuarios apuntan al primer bloque de cada archivo.
• Cada uno de los bloques de longitud fija que forman un archivo contiene dos partes:
• Un bloque de datos.
• Un apuntador al bloque siguiente.
• Cada bloque contiene varios sectores.
• Frecuentemente el tamaño de un bloque se corresponde con el de una pista completa del disco.
• Localizar un registro determinado requiere:
• Buscar en la cadena de bloques hasta encontrar el bloque apropiado.
• Buscar en el bloque hasta encontrar el registro.
• El examen de la cadena desde el principio puede ser lento ya que debe realizarse de bloque en bloque, y pueden estar dispersos por todo el disco.
• La inserción y el retiro son inmediatos, dado que se deben modificar los apuntadores del bloque precedente.
• Se pueden usar “listas de encadenamiento doble”, hacia adelante y hacia atrás, con lo que se facilita la búsqueda (ver Figura 4.4 [23, Tanenbaum]).

• Encadenamiento de bloques de índices:
• Los apuntadores son colocados en varios bloques de índices separados:
• Cada bloque de índices contiene un número fijo de elementos.
• Cada entrada contiene un identificador de registros y un apuntador a ese registro.
• Si es necesario utilizar más de un bloque de índices para describir un archivo, se encadena una serie de bloques de índices.
• La gran ventaja es que la búsqueda puede realizarse en los propios bloques de índices.
• Los bloques de índices pueden mantenerse juntos en el almacenamiento secundario para acortar la búsqueda, pero para mejor performance podrían mantenerse en el almacenamiento primario.
• La principal desventaja es que las inserciones pueden requerir la reconstrucción completa de los bloques de índices:
• Una posibilidad es dejar vacía una parte de los bloques de índices para facilitar inserciones futuras y retardar las reconstrucciones.
• Es suficiente que el dato del directorio contenga el número de bloque inicial para localizar todos los bloques restantes, sin importar el tamaño del archivo (ver Figura 4.5 [7, Deitel]).

• Transformación de archivos orientada hacia bloques:
• Se utilizan números de bloques en vez de apuntadores.
• Los números de bloques se convierten fácilmente a direcciones de bloques gracias a la geometría del disco.
• Se conserva un mapa del archivo, conteniendo una entrada para cada bloque del disco.
• Las entradas en el directorio del usuario apuntan a la primera entrada al mapa del archivo para cada archivo.
• Cada entrada al mapa del archivo contiene el número del bloque siguiente de ese archivo.
• La entrada al mapa del archivo correspondiente a la última entrada de un archivo determinado se ajusta a algún valor “centinela” (“nil”) para indicar que se alcanzó el último bloque de un archivo.
• El sistema puede mantener una lista de bloques libres.
• La principal ventaja es que las cercanías físicas del disco se reflejan en el mapa del archivo (ver Figura 4.6 [7, Deitel]).

• Nodos-i (nodos índices):
• Se asocia a cada archivo una pequeña tabla, llamada nodo-i (nodo índice):
• Contiene los atributos y direcciones en disco de los bloques del archivo.
• Se traslada del disco a la memoria principal al abrir el archivo.
• En rigor, almacena solo las primeras direcciones en disco:
• o Si el archivo es pequeño, toda la información está en el nodo-i.
• o Si el archivo es grande, una de las direcciones en el nodo-i es la dirección de un bloque en el disco llamado bloque simplemente indirecto:
• Contiene las direcciones en disco adicionales.
• Si resulta insuficiente, otra dirección en el nodo-i, el bloque doblemente indirecto, contiene la dirección de un bloque que presenta una lista de los bloques simplemente indirectos:
• Cada bloque simplemente indirecto apunta a un grupo de bloques de datos.
• De ser necesario se pueden utilizar bloques triplemente indirectos (ver Figura 4.7 [23, Tanenbaum]).

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Implantación de Directorios

Para abrir un archivo el S. O. utiliza información del directorio:

• El directorio contiene la información necesaria para encontrar los bloques en el disco.
• El tipo de información varía según el sistema.

Un aspecto íntimamente ligado con esto es la posición de almacenamiento de los atributos:

• Una posibilidad es almacenarlos en forma directa dentro del dato del directorio.
• Otra posibilidad es almacenar los atributos en el nodo-i en vez de utilizar la entrada del directorio.

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Archivos Compartidos

Frecuentemente conviene que los archivos compartidos aparezcan simultáneamente en distintos directorios de distintos usuarios.

El propio sistema de archivos es una gráfica dirigida acíclica en vez de un árbol [23, Tanenbaum].

La conexión entre un directorio y un archivo de otro directorio al cual comparten se denomina enlace.

Si los directorios realmente contienen direcciones en disco:

• Se debe tener una copia de las direcciones en disco en el directorio que accede al archivo compartido al enlazar el archivo.
• Se debe evitar que los cambios hechos por un usuario a través de un directorio no sean visibles por los demás usuarios, para lo que se consideraran dos soluciones posibles.

• Los bloques del disco no se enlistan en los directorios, sino en una pequeña estructura de datos asociada al propio archivo.
• Los directorios apuntarían solo a esa pequeña estructura de datos, que podría ser el nodo-i.

• El enlace se produce haciendo que el sistema cree un nuevo archivo de tipo “link”.
• El archivo “link”:
• Ingresa al directorio del usuario que accede a un archivo de otro directorio y usuario.
• Solo contiene el nombre de la ruta de acceso del archivo al cual se enlaza.
• Este criterio se denomina enlace simbólico.

• La creación de un enlace:
• No modifica la propiedad respecto de un archivo.
• Aumenta el contador de enlaces del nodo-i:
• El sistema sabe el número de entradas de directorio que apuntan en cierto momento al archivo.
• Si el propietario inicial del archivo intenta eliminarlo, surge un problema para el sistema:
• Si elimina el archivo y limpia el nodo-i, el directorio que enlazo al archivo tendrá una entrada que apunta a un nodo-i no válido.
• Si el nodo-i se reasigna a otro archivo el enlace apuntará al archivo incorrecto.
• El sistema:
• Puede ver por medio del contador de enlaces en el nodo-i que el archivo sigue utilizándose.
• No puede localizar todas las entradas de directorio asociadas a ese archivo para eliminarlas.
• La solución podría ser:
• Eliminar la entrada del directorio inicialmente propietario del archivo.
• Dejar intacto el nodo-i:
• Se daría el caso que el directorio que posee el enlace es el único que posee una entrada de directorio para un archivo de otro directorio, para el cual dicho archivo ya no existe.
• Esto no ocurre con los enlaces simbólicos ya que solo el propietario verdadero tiene un apuntador al nodo-i:
• Los usuarios enlazados al archivo solo tienen nombres de rutas de acceso y no apuntadores a nodo-i.
• Cuando el propietario elimina un archivo, este se destruye.

• El principal problema es su costo excesivo, especialmente en accesos a disco, puesto que se debe leer el archivo que contiene la ruta de acceso, analizarla y seguirla componente a componente hasta alcanzar el nodo-i.
• Se precisa un nodo-i adicional por cada enlace simbólico y un bloque adicional en disco para almacenar la ruta de acceso.
• Los archivos pueden tener dos o más rutas de acceso, debido a lo cual, en búsquedas genéricas se podría encontrar el mismo archivo por distintas rutas y tratárselo como si fueran archivos distintos.

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Administración del Espacio en Disco

Existen dos estrategias generales para almacenar un archivo de “n” bytes [23, Tanenbaum]:

Asignar “n” bytes consecutivos de espacio en el disco:

• Tiene el problema de que si un archivo crece será muy probable que deba desplazarse en el disco, lo que puede afectar seriamente al rendimiento.

• Generalmente los sistemas de archivos utilizan esta estrategia con bloques de tamaño fijo.

Dada la forma en que están organizados los bloques, el sector, la pista y el cilindro son los candidatos obvios como unidades de asignación.

Si se tiene una unidad de asignación grande, como un cilindro, esto significa que cada archivo, inclusive uno pequeño, ocupará todo un cilindro; con esto se desperdicia espacio de almacenamiento en disco.

Si se utiliza una unidad de asignación pequeña, como un sector, implica que cada archivo constará de muchos bloques; con esto su lectura generará muchas operaciones de e / s afectando la performance.

Lo anterior indica que la eficiencia en tiempo y espacio tienen un conflicto inherente.

Generalmente se utilizan como solución de compromiso bloques de 1/2 k, 1k, 2k o 4k. (ver Figura 4.8 [23, Tanenbaum]).

Hay que recordar que el tiempo de lectura de un bloque de disco es la suma de los tiempos de:

• Búsqueda.
• Demora rotacional.
• Transferencia.

Se utilizan por lo general dos métodos:

• La lista de bloques libres como lista ligada.
• Un mapa de bits.

• Cada bloque contiene tantos números de bloques libres como pueda.
• Los bloques libres se utilizan para contener a la lista de bloques libres.

• Un disco con “n” bloques necesita un mapa de bits con “n” bits.
• Los bloques libres se representa con “1” y los asignados con “0” (o viceversa).
• Generalmente este método es preferible cuando existe espacio suficiente en la memoria principal para contener completo el mapa de bits.

Para evitar que los usuarios se apropien de un espacio excesivo en disco, los S. O. multiusuario proporcionan generalmente un mecanismo para establecer las cuotas en el disco.

La idea es que:

• Un administrador del sistema asigne a cada usuario una proporción máxima de archivos y bloques.
• El S. O. garantice que los usuarios no excedan sus cuotas.

• Cuando un usuario abre un archivo:
• Se localizan los atributos y direcciones en disco.
• Se colocan en una tabla de archivos abiertos en la memoria principal.
• Uno de los atributos indica el propietario del archivo; cualquier aumento del tamaño del archivo se carga a la cuota del propietario.
• Una segunda tabla contiene el registro de las cuotas para cada uno de los usuarios que tengan un archivo abierto en ese momento, aún cuando el archivo lo haya abierto otro usuario.
• Cuando se escribe una nueva entrada en la tabla de archivos abiertos:
• Se introduce un apuntador al registro de la cuota del propietario para localizar los límites.
• Cuando se añade un bloque a un archivo:
• Se incrementa el total de bloques cargados al propietario.
• Se verifica este valor contra los límites estricto y flexible (el primero no se puede superar, el segundo sí).
• También se verifica el número de archivos.

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Confiabilidad del Sistema de Archivos

Es necesario proteger la información alojada en el sistema de archivos, efectuando los resguardos correspondientes [23, Tanenbaum].

De esta manera se evitan las consecuencias generalmente catastróficas de la pérdida de los sistemas de archivos.

Las pérdidas se pueden deber a problemas de hardware, software, hechos externos, etc.

Manejo de un bloque defectuoso:

Se utilizan soluciones por hardware y por software.

La solución en hardware:

• Consiste en dedicar un sector del disco a la lista de bloques defectuosos.
• Al inicializar el controlador por primera vez:
• Lee la “lista de bloques defectuosos”.
• Elige un bloque (o pista) de reserva para reemplazar los defectuosos.
• Registra la asociación en la lista de bloques defectuosos.
• En lo sucesivo, las solicitudes del bloque defectuoso utilizarán el de repuesto.

• Requiere que el usuario o el sistema de archivos construyan un archivo con todos los bloques defectuosos.
• Se los elimina de la “lista de bloques libres”.
• Se crea un “archivo de bloques defectuosos”:
• Esta constituido por los bloques defectuosos.
• No debe ser leído ni escrito.
• No se debe intentar obtener copias de respaldo de este archivo.

Es muy importante respaldar los archivos con frecuencia.

Los respaldos pueden consistir en efectuar copias completas del contenido de los discos (flexibles o rígidos).

Una estrategia de respaldo consiste en dividir los discos en áreas de datos y áreas de respaldo, utilizándolas de a pares:

• Se desperdicia la mitad del almacenamiento de datos en disco para respaldo.
• Cada noche (o en el momento que se establezca), la parte de datos de la unidad 0 se copia a la parte de respaldo de la unidad 1 y viceversa.

• Se obtiene una copia de respaldo periódicamente (por ej.: una vez por mes o por semana), llamada copia total.
• Se obtiene una copia diaria solo de aquellos archivos modificados desde la última copia total; en estrategias mejoradas, se copian solo aquellos archivos modificados desde la última vez que dichos archivos fueron copiados.
• Se debe mantener en el disco información de control como una “lista de los tiempos de copiado” de cada archivo, la que debe ser actualizada cada vez que se obtienen copias de los archivos y cada vez que los archivos son modificados.
• Puede requerir una gran cantidad de cintas de respaldo dedicadas a los respaldos diarios entre respaldos completos.

Muchos sistemas de archivos leen bloques, los modifican y escriben en ellos después.

Si el sistema falla antes de escribir en los bloques modificados, el sistema de archivos puede quedar en un “estado inconsistente”.

La inconsistencia es particularmente crítica si alguno de los bloques afectados son:

• Bloques de nodos-i.
• Bloques de directorios.
• Bloques de la lista de bloques libres.

• Se pueden ejecutar al arrancar el sistema o a pedido.
• Pueden actuar sobre todos o algunos de los discos.
• Pueden efectuar verificaciones a nivel de bloques y a nivel de archivos.
• La consistencia del sistema de archivos no asegura la consistencia interna de cada archivo, respecto de su contenido.
• Generalmente pueden verificar también el sistema de directorios y / o de bibliotecas.

• Tabla de bloques en uso.
• Tabla de bloques libres.
• Cada bloque debe estar referenciado en una de ellas.

• No produce daños pero desperdicia espacio en disco.
• Se soluciona añadiendo el bloque a la tabla de bloques libres.

• Esta falla no se produce en los sistemas de archivos basados en mapas de bits, sí en los basados en tablas o listas.
• La solución consiste en depurar la tabla de bloques libres.

• Como parte del mismo o de distintos archivos.
• Si uno de los archivos se borra, el bloque aparecería en la tabla de bloques libres y también en la de bloques en uso.
• Una solución es que el verificador del sistema de archivos:
• Asigne un bloque libre.
• Copie en el bloque libre el contenido del bloque conflictivo.
• Actualice las tablas afectando el bloque copia a alguno de los archivos.
• Agregue el bloque conflictivo a la tabla de bloques libres.
• Informe al usuario para que verifique el daño detectado y la solución dada.

• Se soluciona eliminándolo de la tabla de bloques libres.

• Número de directorios que apuntan a un nodo-i con los contadores de enlaces almacenados en los propios nodos-i; en un sistema consistente de archivos deben coincidir.

• Aunque se eliminaran todos los archivos de los directorios el contador sería distinto de cero y no se podría eliminar el nodo-i.
• No se trata de un error serio pero produce desperdicio de espacio en disco con archivos que no se encuentran en ningún directorio.
• Se soluciona haciendo que el contador de enlaces en el nodo-i tome el valor correcto; si el valor correcto es 0, el archivo debe eliminarse.

• Si dos entradas de un directorio se enlazan a un archivo, pero el nodo-i indica que solo existe un enlace, entonces, al eliminar cualquiera de estas entradas de directorio, el contador del nodo-i tomará el valor 0.
• Debido al valor 0 el sistema de archivos lo señala como no utilizado y libera todos sus bloques.
• Uno de los directorios apunta hacia un nodo-i no utilizado, cuyos bloques se podrían asignar entonces a otros archivos.
• La solución es forzar que el contador de enlaces del nodo-i sea igual al número de entradas del directorio.

• Cada nodo-i tiene un modo, pero algunos modos son válidos aunque extraños:
• Ej.: Se prohibe el acceso al propietario y todo su grupo, pero se permite a los extraños leer, escribir y ejecutar el archivo.
• La verificación debería detectar e informar de estas situaciones.
• Se debería informar como sospechosos aquellos directorios con excesivas entradas, por ej., más de mil.

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Desempeño del Sistema de Archivos

El acceso al disco es mucho más lento que el acceso a la memoria:

• Los tiempos se miden en milisegundos y en nanosegundos respectivamente.
• Se debe reducir el número de accesos a disco.

• Se utiliza el término ocultamiento para esta técnica (del francés “cacher”: ocultar).
• Un caché es una colección de bloques que pertenecen desde el punto de vista lógico al disco, pero que se mantienen en memoria por razones de rendimiento.

• Verificar todas las solicitudes de lectura para saber si el bloque solicitado se encuentra en el caché.
• En caso afirmativo, se satisface la solicitud sin un acceso a disco.
• En caso negativo, se lee para que ingrese al caché y luego se copia al lugar donde se necesite.
• Cuando hay que cargar un bloque en un caché totalmente ocupado:
• Hay que eliminar algún bloque y volverlo a escribir en el disco en caso de que haya sido modificado luego de haberlo traído del disco.
• Se plantea una situación muy parecida a la paginación y se resuelve con algoritmos similares.

• Si un bloque crítico, como un bloque de un nodo-i, se lee en el caché y se modifica, sin volverse a escribir en el disco, una falla total del sistema dejará al sistema de archivos en un estado inconsistente.

• ¿ Es posible que el bloque modificado se vuelva a necesitar muy pronto ?:
• Los bloques que se vayan a utilizar muy pronto, como un bloque parcialmente ocupado que se está escribiendo, deberían permanecer un “largo tiempo”.
• ¿ Es esencial el bloque para la consistencia del sistema de archivos ?:
• Si es esencial (generalmente lo será si no es bloque de datos) y ha sido modificado, debe escribirse en el disco de inmediato:
• Se reduce la probabilidad de que una falla total del sistema haga naufragar al sistema de archivos.
• Se debe elegir con cuidado el orden de escritura de los bloques críticos.
• No es recomendable mantener los bloques de datos en el caché durante mucho tiempo antes de reescribirlos.

Otra solución consiste en escribir los bloques modificados (del caché) al disco, tan pronto como haya sido escrito (el caché):

• Se dice que se trata de cachés de escritura.
• Requiere más e / s que otros tipos de cachés.

• Se deben colocar los bloques que probablemente tengan un acceso secuencial, próximos entre sí, preferentemente en el mismo cilindro.
• Los nodos-i deben estar a mitad del disco y no al principio, reduciendo a la mitad el tiempo promedio de búsqueda entre el nodo-i y el primer bloque del archivo.

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Descriptor de Archivos

El descriptor de archivos o bloque de control de archivos es un bloque de control que contiene información que el sistema necesita para administrar un archivo [7, Deitel].

Es una estructura muy dependiente del sistema.

Puede incluir la siguiente información:

• Nombre simbólico del archivo.
• Localización del archivo en el almacenamiento secundario.
• Organización del archivo (método de organización y acceso).
• Tipo de dispositivo.
• Datos de control de acceso.
• Tipo (archivo de datos, programa objeto, programa fuente, etc.).
• Disposición (permanente contra temporal).
• Fecha y tiempo de creación.
• Fecha de destrucción.
• Fecha de la última modificación.
• Suma de las actividades de acceso (número de lecturas, por ejemplo).

El descriptor de archivos es controlado por el sistema de archivos; el usuario puede no hacer referencia directa a él.

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Seguridad

Los sistemas de archivos generalmente contienen información muy valiosa para sus usuarios, razón por la que los sistemas de archivos deben protegerla [23, Tanenbaum].

El Ambiente de Seguridad

Se entenderá por seguridad a los problemas generales relativos a la garantía de que los archivos no sean leídos o modificados por personal no autorizado; esto incluye aspectos técnicos, de administración, legales y políticos.

Se consideraran mecanismos de protección a los mecanismos específicos del sistema operativo utilizados para resguardar la información de la computadora.

La frontera entre seguridad y mecanismos de protección no está bien definida.

Dos de las más importantes facetas de la seguridad son:

• La pérdida de datos.
• Los intrusos.

• Actos y hechos diversos, como incendios, inundaciones, terremotos, guerras, revoluciones, roedores, etc.
• Errores de hardware o de software, como fallas en la cpu, discos o cintas ilegibles, errores de telecomunicación, errores en los programas, etc.
• Errores humanos, por ej., entrada incorrecta de datos, mal montaje de cintas o discos, ejecución incorrecta de programas, pérdida de cintas o discos, etc.

Respecto del problema de los intrusos, se los puede clasificar como:

• Pasivos: solo desean leer archivos que no están autorizados a leer.
• Activos: desean hacer cambios no autorizados a los datos.

• Hay que tener en cuenta el tipo de intrusos contra los que se desea tener protección.
• Hay que ser consciente de que la cantidad de esfuerzo que se pone en la seguridad y la protección depende claramente de quién se piensa sea el enemigo.

• Curiosidad casual de usuarios no técnicos.
• Conocidos (técnicamente capacitados) husmeando.
• Intentos deliberados por hacer dinero.
• Espionaje comercial o militar.

• Protección de las personas respecto del mal uso de la información en contra de uno mismo.
• Implica aspectos legales y morales.

• Modificar un programa normal para que haga cosas adversas además de su función usual.
• Arreglar las cosas para que la víctima utilice la versión modificada.

• Fue liberado por Robert Tappan Morris el 02/11/88 e hizo que se bloquearan la mayoría de los sistemas Sun y Vax de Internet (fue descubierto y condenado).
• Constaba de un programa arrancador y del gusano propiamente dicho.
• Utilizaba fallas se seguridad del Unix y de los programas Finger y Sendmail de Internet.

Otro aspecto importante de la seguridad consiste en no subestimar los problemas que puede causar el personal.

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Virus

Los virus computacionales:

• Constituyen una categoría especial de ataque.
• Son un enorme problema para muchos usuarios.
• Son fragmentos de programas que se añaden a programas legítimos con la intención de infectar a otros.
• Un virus difiere de un gusano en lo siguiente:
• Un virus está a cuestas de un programa existente.
• Un gusano es un programa completo en sí mismo.
• Los virus y los gusanos intentan diseminarse y pueden crear un daño severo.
• Generalmente se propagan a través de copias ilegítimas de programas.
• Comúnmente los virus se ejecutan e intentan reproducirse cada vez que se ejecuta el programa que los aloja.
• Frecuentemente los problemas con los virus son más fáciles de evitar que de curar:
• Utilizar software original adquirido en comercios respetables.
• No utilizar copias “piratas”.
• Efectuar controles rigurosos y frecuentes con programas antivirus actualizados.
• Trabajar con metodología y disciplina rigurosa en el intercambio de discos y en las copias a través de redes de comunicación de datos.

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Principios del Diseño Para la Seguridad

El diseño del sistema debe ser público, ya que pensar que el intruso no conocerá la forma de funcionamiento del sistema es un engaño.

El estado predefinido debe ser el de no acceso, dado que los errores en donde se niega el acceso válido se reportan más rápido que los errores en donde se permite el acceso no autorizado.

Verificar la autorización actual :

• El sistema no debe:
• Verificar el permiso.
• Determinar que el acceso está permitido.
• Abandonar esta información para su uso posterior.
• El sistema tampoco debe:
• Verificar el permiso al abrir un archivo y no después de abrirlo, pues un acceso habilitado permanecería como válido aunque haya cambiado la protección del archivo.

El mecanismo de protección debe ser simple, uniforme e integrado hasta las capas más bajas del sistema:

• Dotar de seguridad a un sistema inseguro es casi imposible.
• La seguridad no es una característica que se pueda añadir fácilmente.

• Los usuarios no deben sentir que la protección de sus archivos les implica demasiado trabajo:
• Podrían dejar de proteger sus archivos.
• Se quejarían en caso de problemas.
• No aceptarían fácilmente su propia culpa.

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Autentificación del Usuario

Muchos esquemas de protección se basan en la hipótesis de que el sistema conoce la identidad de cada usuario.

La identificación de los usuarios se conoce como la autentificación de los usuarios.

Muchos métodos de autentificación se basan en:

• La identificación de algo conocido por el usuario.
• Algo que posee el usuario.
• Algo que es el usuario.

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Contraseñas

Son la forma de autentificación más utilizada.

Son de fácil comprensión e implementación.

Deben almacenarse cifradas (encriptadas).

Se deben prever intentos de penetración consistentes en pruebas de combinaciones de nombres y contraseñas.

Si las contraseñas fueran de 7 caracteres elegidos al azar de los 95 caracteres ASCII que se pueden imprimir:

• El espacio de búsqueda sería de 95 ⁷ , alrededor de 7 x 10 ¹³ .
• A 1.000 ciframientos por segundo tomaría 2.000 años construir la lista a verificar contra el archivo de contraseñas.

• Asociar un número aleatorio de “n” bits a cada contraseña.
• El número aleatorio se modifica al cambiar la contraseña.
• El número se guarda en el archivo de contraseñas en forma no cifrada.
• Se concatenan la contraseña y el número aleatorio y se cifran juntos.
• El resultado cifrado se almacena en el archivo de contraseñas.
• Se aumenta por 2 ⁿ el espectro de búsqueda: a esto se llama salar el archivo de contraseñas.

Otra protección adicional consiste en que el sistema sugiera a los usuarios contraseñas generadas según ciertos criterios; con esto se evita que el usuario elija contraseñas muy sencillas.

También es conveniente que el sistema obligue al usuario a cambiar sus contraseñas con regularidad; se puede llegar a la contraseña de una sola vez.

Una variante de la idea de contraseña es solicitar al usuario respuestas sobre información de contexto que debe conocer.

Otra variante es la de reto-respuesta:

• Se acuerdan con el usuario algoritmos (por ejemplo formulas matemáticas) que se utilizarán según el día y / o la hora.
• Cuando el usuario se conecta:
• El sistema suministra un argumento.
• El usuario debe responder con el resultado correspondiente al algoritmo vigente ese día a esa hora.

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Identificación Física

Una posibilidad es la verificación de si el usuario tiene cierto elemento (generalmente una tarjeta plástica con una banda magnética), que generalmente se combina con una contraseña.

Otro aspecto consiste en la medición de características físicas difíciles de reproducir:

• Huellas digitales o vocales.
• Firmas.
• Longitud de los dedos de las manos.

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Medidas Preventivas

Limitar los intentos de acceso fallidos y registrarlos.

Registrar todos los accesos.

Tender trampas para atrapar a los intrusos.

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Mecanismos de Protección

Dominios de Protección

Muchos objetos del sistema necesitan protección, tales como la cpu, segmentos de memoria, unidades de disco, terminales, impresoras, procesos, archivos, bases de datos, etc. [23, Tanenbaum].

Cada objeto se referencia por un nombre y tiene habilitadas un conjunto de operaciones sobre él.

Un dominio es un conjunto de parejas (objeto, derechos):

• Cada pareja determina:
• Un objeto.
• Un subconjunto de las operaciones que se pueden llevar a cabo en él.

Es posible que un objeto se encuentre en varios dominios con “distintos” derechos en cada dominio.

Un proceso se ejecuta en alguno de los dominios de protección:

• Existe una colección de objetos a los que puede tener acceso.
• Cada objeto tiene cierto conjunto de derechos.

Una llamada al S. O. provoca una alternancia de dominio.

En algunos S. O. los dominios se llaman anillos.

Una forma en la que el S. O. lleva un registro de los objetos que pertenecen a cada dominio es mediante una matriz :

• Los renglones son los dominios.
• Las columnas son los objetos.
• Cada elemento de la matriz contiene los derechos correspondientes al objeto en ese dominio, por ej.: leer, escribir, ejecutar.

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Listas Para Control de Acceso

Las “matrices de protección” son muy grandes y con muchos lugares vacíos [23, Tanen-baum]:

• Desperdician espacio de almacenamiento.
• Existen métodos prácticos que almacenan solo los elementos no vacíos por filas o por columnas.

• Asocia a cada objeto una lista ordenada con:
• Todos los dominios que pueden tener acceso al objeto.
• La forma de dicho acceso (ej: lectura (r), grabación (w), ejecución (x)).

• Asignar tres bits (r, w, x) para cada archivo, para:
• El propietario, el grupo del propietario y los demás usuarios.
• Permitir que el propietario de cada objeto pueda modificar su ACL en cualquier momento:
• Permite prohibir accesos antes permitidos.

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Posibilidades

La matriz de protección también puede dividirse por renglones [23, Tanenbaum]:

• Se le asocia a cada proceso una lista de objetos a los cuales puede tener acceso.
• Se le indican las operaciones permitidas en cada uno.
• Esto define su dominio.

Cada posibilidad tiene:

• Un campo tipo:
• Indica el tipo del objeto.
• Un campo derechos:
• Mapa de bits que indica las operaciones básicas permitidas en este tipo de objeto.
• Un campo objeto:
• Apuntador al propio objeto (por ej.: su número de nodo-i).

Las listas de posibilidades o listas-c deben ser protegidas del manejo indebido por parte del usuario.

Los principales métodos de protección son:

• Arquitectura marcada:
• Necesita un diseño de hardware en el que cada palabra de memoria tiene un bit adicional:
• Indica si la palabra contiene una posibilidad o no.
• Solo puede ser modificado por el S. O.
• Lista de posibilidades dentro del S. O.:
• Los procesos hacen referencia a las posibilidades mediante su número.
• Lista de posibilidades cifrada dentro del espacio del usuario:
• Cada posibilidad está cifrada con una clave secreta desconocida por el usuario.
• Muy adecuado para sistemas distribuidos.

• Copiar posibilidad:
• Crear una nueva posibilidad para el mismo objeto.
• Copiar objeto:
• Crear un duplicado del objeto con una nueva posibilidad.
• Eliminar posibilidad:
• Eliminar un dato dentro de la lista-c sin afectar al objeto.
• Destruir objeto:
• Eliminar en forma permanente un objeto y una posibilidad.

Se utiliza la técnica de amplificación de derechos:

• Los administradores de tipo obtienen una plantilla de derechos que les da más derechos sobre un objeto de los que permitía la propia lista de posibilidades.

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Modelos de Protección

Las matrices de protección no son estáticas sino dinámicas[23, Tanenbaum].

Se pueden identificar seis operaciones primitivas en la matriz de protección:

• Crear objeto.
• Eliminar objeto.
• Crear dominio.
• Eliminar dominio.
• Insertar derecho.
• Eliminar derecho.

En cada momento, la matriz de protección determina lo que puede hacer un proceso en cualquier momento; no determina lo que no está autorizado a realizar.

La matriz es impuesta por el sistema.

La autorización tiene que ver con la política de administración.

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Control de Acceso Por Clases de Usuarios

Una matriz de control de acceso puede llegar a ser tan grande que resulte impráctico mantenerla [7, Deitel].

Una técnica que requiere menos espacio es controlar el acceso a varias clases de usuarios.

Un ejemplo de esquema de clasificación es el siguiente:

• Propietario:
• Suele ser el usuario que creó el archivo.
• Usuario especificado:
• El propietario especifica quién más puede usar el archivo.
• Grupo o proyecto:
• Los diferentes miembros de un grupo de trabajo sobre un proyecto, acceden a los diferentes archivos relacionados con el proyecto.
• Público:
• Un archivo público puede ser accedido por cualquier usuario de la computadora.
• Generalmente permite leer o ejecutar pero no escribir sobre el archivo.

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Respaldo y Recuperación

La destrucción de la información, ya sea accidental o intencional, es una realidad y tiene distintas causas [7, Deitel]:

• Fallas de hardware y de software.
• Fenómenos meteorológicos atmosféricos.
• Fallas en el suministro de energía.
• Incendios e inundaciones.
• Robos, vandalismo (incluso terrorismo).
• Etc.

• Los sistemas operativos en general.
• Los sistemas de archivos en particular.

• Hacer con regularidad una o más copias de los archivos y colocarlas en lugar seguro.
• Todas las actualizaciones realizadas luego del último respaldo pueden perderse.

• Genera una redundancia que puede ser costosa.
• En caso de fallas en el disco principal, puede reconstruirse todo el trabajo perdido si el disco de reserva no se dañó también.

• Durante una sesión de trabajo los archivos modificados quedan marcados.
• Cuando un usuario se retira del sistema (deja de trabajar), un proceso del sistema efectúa el respaldo de los archivos marcados.

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