¿Cómo funcionan los sistemas basados en inodos?
14/06/2018
Después de ver como funcionan de forma genérica los sistemas FAT, saltamos a los sistemas de inodos. Estos se han usado tradicionalmente en sistemas UNIX (UFS, ext2), así que tradicionalmente ha existido una cierta rivalidad en las redes entre FAT e inodos similar a la de Windows/Linux. Lo cierto es que a nivel técnico cada uno tiene fortalezas y debilidades.
Tomando la base de FAT, una partición de un sistema basado en inodos también contiene un sector de arranque y un superbloque con metadatos. También es necesario un bloque dedicado al directorio raíz presente en el disco. Además es necesario espacio para almacenar todos los inodos y un mapa de bits de espacio libre que en FAT no hacía falta, ya que la propia tabla nos indicaba que bloques del disco estaban libres.
¿Qué es inodo te podrás preguntar? Es una estructura de datos, su nombre proviene de index node y es que los inodos no son más que índices, que almacenan los números de bloque de las diferentes partes del archivo. Además, contienen metadatos como permisos, propietario, tamaño, fecha de modificación, referencias, tipo de fichero (directorio, archivo, enlace duro, enlace blando,...) salvo el nombre del propio archivo, que en ningún sitio del inodo aparece.
Este sistema tiene una ventaja de rendimiento respecto a FAT en cuanto al acceso aleatorio a los archivos, ya que es mucho más rápido de esta forma que con FAT. En FAT para hacer lo mismo tenemos que ir recorriendo la tabla arriba y abajo siguiendo los números de bloque hasta encontrar el bloque deseado.
Normalmente un inodo tiene un tamaño fijo, lo que implica que el índice no se puede alargar hasta el infinito. Esto hace que haya un número limitado de bloques que puede usar un archivo y por ende, que haya un tamaño máximo de archivo que no es muy elevado. Para solventar este problema hay varias soluciones. El enfoque de UFS y de ext2/3/4 consiste en múltiples niveles de indexado progresivo.
Esto significa que los primeros bloques son números de bloque directos pero los siguientes son números de bloque que llevan a tablas de inodo secundarias que ya sí, hacen referencia al archivo real. Más adelante los números de bloque hacen referencias a tablas de inodo secundarias que a su vez llaman a tablas de inodos terciarias.
Esto provoca algo que en principio puede parecer paradójico y es que es más lento leer una zona final de un archivo que una zona del principio, aunque en una lectura secuencial no se nota demasiado.
Otra solución a esto es enlazar los inodos a modo de lista enlazada añadiendo al final de cada inodo un número de inodo al que continuar la lectura de índices.
Los inodos se crean cuando se formatea el disco y permanecen en un estado libre. No se pueden añadir más inodos ni quitar inodos y no puede haber más archivos y directorios que inodos por esta misma razón. Esto es una desventaja respecto a FAT, ya que en FAT puede haber tantos archivos como bloques haya/entradas tenga la tabla. En sistemas de inodos como ext2/3/4 puede ocurrir que no queden inodos libres pero haya todavía bloques libres, dejando todo ese espacio inutilizado (aunque en realidad lo podrían usar los archivos existentes si creciesen).
Los inodos se pueden ubicar de dos formas distintas. Un enfoque consiste en ponerlos al principio del disco todos juntos. Otro enfoque, el que sigue ext3, consiste en dividir el disco en 4 zonas y ubicar inodos en cada inicio de zona. La idea es que los inodos de esa zona usen bloques de esa zona y de esta forma reducir los desplazamientos de las cabezas lectoras del disco (en unidades SSD esto da completamente igual como podréis suponer).
Una de las grandes ventajas de FAT era que la tabla podía mantener a la vez un listado de bloques libres, listos para ser usados. Con inodos no tenemos esa facilidad y tenemos que recurrir a otros tipos de estructura. Aquí hay muchos planteamientos siendo el más común el mapa de bits. El mapa de bits es una estructura que se compone de un listado de bits. Cada bit corresponde a un bloque y dependiendo de si el bit es 1 o 0 podemos saber si el bloque está libre u ocupado.
Como veis, los sistemas basados en inodos tienen que mantener varias estructuras de datos de forma paralela. Esto aumenta las probabilidades de inconsistencias en el sistema. Por este motivo, muchos sistemas más avanzados como ext4 mantienen un journal o diario.
Veamos como se comportan los sistemas de inodos ante los tres tipos de fragmentación. Respecto a la fragmentación interna, que es aquella que sucede cuando asignamos espacio de más a archivos que no necesitan tanto, tiene los mismos valores que FAT, ya que los bloques siguen pudiendo pertenecer únicamente a un archivo. Realmente, para mejorar la fragmentación interna tenemos que saltar a sistemas como XFS o JFS.
La fragmentación externa de los sistemas basados en inodos es la misma que la de FAT, 0, ya que todo se asigna mediante bloques del mismo tamaño.
Respecto a la fragmentación de datos, históricamente las implementaciones como UFS o ext2/3 se han comportado relativamente bien, aunque a nivel teórico nada impide que se comporten igual de mal que FAT, no existen mecanismos preventivos. Ext4 por contra, sí que tiene mecanismos de prevención (delayed allocation).
En los sistemas basados en inodos los directorios son más sencillos que en FAT, ya que no tienen que almacenar los metadatos del archivo en cuestión. En un fichero de directorio simplemente se almacena el nombre y el número de inodo correspondiente.
Aquí surge un concepto muy interesante, el de enlaces duros. Un enlace duro no es más que otra entrada de directorio que apunta a un mismo inodo. Realmente desde el punto de vista del sistema de archivos no existe un fichero original y su enlace. Simplemente dos entradas diferentes apuntando al mismo inodo. ¿Y cómo reacciona esto a los borrados? Imagina la siguiente situación: tengo un fichero y creo un enlace duro. Borro el fichero original y su inodo se libera. Ahora creo otro archivo y reutiliza ese mismo inodo que estaba libre. ¡Ahora el enlace duro apunta a un contenido totalmente distinto sin darse cuenta! Para prevenir esto, los inodos no se liberan hasta que no quede ninguna entrada de directorio apuntando a ellos. Para eso sirve el campo referencias dentro del inodo, para llevar la cuenta de cuántas veces se hace referencia al inodo en el sistema de archivos. Cuando el valor de referencias llega a cero, se puede liberar sin problema.
Los sistemas basados en inodos son conceptualmente algo más complejos que los basados en FAT. Comparten además limitaciones comunes, usan más espacio de disco, aunque suelen ser más rápidos.
Actualmente existen sistemas basados en inodos mucho más avanzados y complejos que UFS y ext2/3/4 y que mejoran este sistema de forma sustancial. Por ejemplo en XFS los inodos tienen una estructura totalmente distinta donde se indica un bloque de inicio y una longitud en número de bloques contiguos que pertenecen al archivo. Muchos sistemas además usan estructuras de árbol B+ como pueden ser ZFS o Btrfs.
Partición
Tomando la base de FAT, una partición de un sistema basado en inodos también contiene un sector de arranque y un superbloque con metadatos. También es necesario un bloque dedicado al directorio raíz presente en el disco. Además es necesario espacio para almacenar todos los inodos y un mapa de bits de espacio libre que en FAT no hacía falta, ya que la propia tabla nos indicaba que bloques del disco estaban libres.
Los inodos
¿Qué es inodo te podrás preguntar? Es una estructura de datos, su nombre proviene de index node y es que los inodos no son más que índices, que almacenan los números de bloque de las diferentes partes del archivo. Además, contienen metadatos como permisos, propietario, tamaño, fecha de modificación, referencias, tipo de fichero (directorio, archivo, enlace duro, enlace blando,...) salvo el nombre del propio archivo, que en ningún sitio del inodo aparece.
Este sistema tiene una ventaja de rendimiento respecto a FAT en cuanto al acceso aleatorio a los archivos, ya que es mucho más rápido de esta forma que con FAT. En FAT para hacer lo mismo tenemos que ir recorriendo la tabla arriba y abajo siguiendo los números de bloque hasta encontrar el bloque deseado.
Normalmente un inodo tiene un tamaño fijo, lo que implica que el índice no se puede alargar hasta el infinito. Esto hace que haya un número limitado de bloques que puede usar un archivo y por ende, que haya un tamaño máximo de archivo que no es muy elevado. Para solventar este problema hay varias soluciones. El enfoque de UFS y de ext2/3/4 consiste en múltiples niveles de indexado progresivo.
Esto significa que los primeros bloques son números de bloque directos pero los siguientes son números de bloque que llevan a tablas de inodo secundarias que ya sí, hacen referencia al archivo real. Más adelante los números de bloque hacen referencias a tablas de inodo secundarias que a su vez llaman a tablas de inodos terciarias.
Esto provoca algo que en principio puede parecer paradójico y es que es más lento leer una zona final de un archivo que una zona del principio, aunque en una lectura secuencial no se nota demasiado.Otra solución a esto es enlazar los inodos a modo de lista enlazada añadiendo al final de cada inodo un número de inodo al que continuar la lectura de índices.
Localización de los inodos
Los inodos se crean cuando se formatea el disco y permanecen en un estado libre. No se pueden añadir más inodos ni quitar inodos y no puede haber más archivos y directorios que inodos por esta misma razón. Esto es una desventaja respecto a FAT, ya que en FAT puede haber tantos archivos como bloques haya/entradas tenga la tabla. En sistemas de inodos como ext2/3/4 puede ocurrir que no queden inodos libres pero haya todavía bloques libres, dejando todo ese espacio inutilizado (aunque en realidad lo podrían usar los archivos existentes si creciesen).
Los inodos se pueden ubicar de dos formas distintas. Un enfoque consiste en ponerlos al principio del disco todos juntos. Otro enfoque, el que sigue ext3, consiste en dividir el disco en 4 zonas y ubicar inodos en cada inicio de zona. La idea es que los inodos de esa zona usen bloques de esa zona y de esta forma reducir los desplazamientos de las cabezas lectoras del disco (en unidades SSD esto da completamente igual como podréis suponer).
Gestión del espacio libre
Una de las grandes ventajas de FAT era que la tabla podía mantener a la vez un listado de bloques libres, listos para ser usados. Con inodos no tenemos esa facilidad y tenemos que recurrir a otros tipos de estructura. Aquí hay muchos planteamientos siendo el más común el mapa de bits. El mapa de bits es una estructura que se compone de un listado de bits. Cada bit corresponde a un bloque y dependiendo de si el bit es 1 o 0 podemos saber si el bloque está libre u ocupado.
Como veis, los sistemas basados en inodos tienen que mantener varias estructuras de datos de forma paralela. Esto aumenta las probabilidades de inconsistencias en el sistema. Por este motivo, muchos sistemas más avanzados como ext4 mantienen un journal o diario.Fragmentación
Veamos como se comportan los sistemas de inodos ante los tres tipos de fragmentación. Respecto a la fragmentación interna, que es aquella que sucede cuando asignamos espacio de más a archivos que no necesitan tanto, tiene los mismos valores que FAT, ya que los bloques siguen pudiendo pertenecer únicamente a un archivo. Realmente, para mejorar la fragmentación interna tenemos que saltar a sistemas como XFS o JFS.
La fragmentación externa de los sistemas basados en inodos es la misma que la de FAT, 0, ya que todo se asigna mediante bloques del mismo tamaño.
Respecto a la fragmentación de datos, históricamente las implementaciones como UFS o ext2/3 se han comportado relativamente bien, aunque a nivel teórico nada impide que se comporten igual de mal que FAT, no existen mecanismos preventivos. Ext4 por contra, sí que tiene mecanismos de prevención (delayed allocation).
Directorios y enlaces duros
En los sistemas basados en inodos los directorios son más sencillos que en FAT, ya que no tienen que almacenar los metadatos del archivo en cuestión. En un fichero de directorio simplemente se almacena el nombre y el número de inodo correspondiente.
Aquí surge un concepto muy interesante, el de enlaces duros. Un enlace duro no es más que otra entrada de directorio que apunta a un mismo inodo. Realmente desde el punto de vista del sistema de archivos no existe un fichero original y su enlace. Simplemente dos entradas diferentes apuntando al mismo inodo. ¿Y cómo reacciona esto a los borrados? Imagina la siguiente situación: tengo un fichero y creo un enlace duro. Borro el fichero original y su inodo se libera. Ahora creo otro archivo y reutiliza ese mismo inodo que estaba libre. ¡Ahora el enlace duro apunta a un contenido totalmente distinto sin darse cuenta! Para prevenir esto, los inodos no se liberan hasta que no quede ninguna entrada de directorio apuntando a ellos. Para eso sirve el campo referencias dentro del inodo, para llevar la cuenta de cuántas veces se hace referencia al inodo en el sistema de archivos. Cuando el valor de referencias llega a cero, se puede liberar sin problema.Conclusiones
Los sistemas basados en inodos son conceptualmente algo más complejos que los basados en FAT. Comparten además limitaciones comunes, usan más espacio de disco, aunque suelen ser más rápidos.
Actualmente existen sistemas basados en inodos mucho más avanzados y complejos que UFS y ext2/3/4 y que mejoran este sistema de forma sustancial. Por ejemplo en XFS los inodos tienen una estructura totalmente distinta donde se indica un bloque de inicio y una longitud en número de bloques contiguos que pertenecen al archivo. Muchos sistemas además usan estructuras de árbol B+ como pueden ser ZFS o Btrfs.