5. Entrada/salida y seguridad

Dos últimas funciones completan el cuadro. La primera es la gestión de la entrada/salida: cómo puede un programa usar una impresora, un disco o un teclado sin saber cómo funciona cada uno. La segunda es la seguridad: quién puede abrir, cambiar o ejecutar cada archivo y cada recurso compartido. Las dos están en todas partes en tu trabajo diario con un ordenador.

Cómo usar esta página

1. Lee los apartados 1 a 3 (unos 35 minutos) y prueba la pestaña Gestor de E/S del Laboratorio del planificador de procesos.
2. Lee los apartados 4 a 7 (unos 50 minutos) y ten a mano un terminal de Linux y un equipo con Windows (o máquinas virtuales).
3. Haz la actividad 7.

1. Cómo usa una aplicación un dispositivo

Los dispositivos son muy distintos: un teclado envía unos pocos bytes por segundo, un SSD mueve gigabytes por segundo, una impresora puede quedarse sin papel. El SO oculta estas diferencias con capas:

1. La aplicación pide al SO que haga una operación («imprime esto», «lee este archivo»).
2. El gestor de E/S del núcleo comprueba la petición, busca el dispositivo adecuado y pone la petición en cola si el dispositivo está ocupado.
3. El controlador (driver) es un programa que conoce una familia de dispositivos. Traduce la petición general a las órdenes de ese dispositivo. Cada dispositivo necesita su propio controlador, y por eso un dispositivo nuevo a veces necesita instalar un controlador.
4. La controladora es la electrónica del dispositivo. Recibe los datos y las órdenes en sus registros y gestiona la mecánica (mover el cabezal, calentar el papel…).
5. El dispositivo hace el trabajo, y la respuesta vuelve por el mismo camino. La controladora escribe el resultado en un registro de estado que lee el controlador.

Linux muestra muchos dispositivos como archivos en /dev. Los discos son dispositivos de bloques (trabajan con bloques de datos, /dev/sda). Los teclados y los puertos serie son dispositivos de caracteres (trabajan con un flujo de bytes). Windows nombra sus dispositivos en el Administrador de dispositivos (devmgmt.msc).

2. Cómo sabe la CPU que un dispositivo ha terminado

La CPU es mucho más rápida que cualquier dispositivo. Hay tres formas de afrontar la diferencia.

Sondeo (E/S programada, polling). La CPU pregunta al dispositivo una y otra vez «¿estás listo?». Es simple, pero la CPU está en espera activa: trabaja solo para esperar.

Interrupciones. La CPU inicia la operación y sigue con otro trabajo. Cuando el dispositivo está listo, envía una petición de interrupción (IRQ), una señal eléctrica. La CPU detiene lo que hace, guarda su estado, ejecuta una pequeña rutina de tratamiento de la interrupción (interrupt handler) del controlador y después vuelve al trabajo anterior. El teclado y el ratón usan interrupciones para cada tecla y cada movimiento. Un proceso que pidió la operación espera en el estado Bloqueado, y la interrupción es lo que lo devuelve a Listo (véase el diagrama de estados de la página 1).

DMA (acceso directo a memoria). Con las interrupciones, la CPU todavía copia cada dato. Para transferencias grandes es demasiado. Con DMA, una controladora especial mueve ella sola todo el bloque entre el dispositivo y la RAM. La CPU solo prepara la transferencia (da a la controladora la dirección y el tamaño) y recibe una única interrupción al final. Los discos, las tarjetas de red y las tarjetas gráficas usan DMA.

	Sondeo	Interrupciones	DMA
Quién copia los datos	CPU	CPU	Controladora DMA
CPU mientras trabaja el dispositivo	Espera (ocupada)	Libre para otros procesos	Libre para otros procesos
Interrupciones	Ninguna	Una por cada dato	Una por transferencia
Bueno para	Dispositivos muy rápidos, sistemas simples	Teclados, ratones, transferencias pequeñas	Discos, red, transferencias grandes

Ejemplo (simplificado). Transferimos 4 palabras desde un dispositivo que necesita 5 unidades de tiempo para preparar cada palabra. Copiar una palabra o ejecutar una rutina cuesta 1 unidad.

• Sondeo: 4 × (5 + 1) = 24 unidades, y la CPU está ocupada todo el tiempo. 0 unidades libres.
• Interrupciones: 24 unidades en total, pero la CPU solo trabaja 4 unidades (4 rutinas). 20 unidades libres (83 %).
• DMA: 1 unidad para empezar, 20 unidades de transferencia y 1 unidad para terminar: 22 unidades. La CPU trabaja 2 unidades. 20 unidades libres (91 %).

La pestaña Gestor de E/S del laboratorio te permite cambiar los números.

3. Caché, búfer y spooling

El SO también usa memoria para acelerar la E/S. Las tres técnicas son distintas:

Técnica	Qué es	Ejemplo
Caché	Una copia rápida de los datos que usas a menudo	El archivo que lees dos veces llega la segunda vez desde la RAM, no desde el disco
Búfer (buffer)	Una zona temporal que conecta dos dispositivos o procesos de distinta velocidad	Un reproductor de vídeo carga unos segundos por adelantado para no pararse
Spooling	Una cola de trabajos completos para un dispositivo que no se puede compartir	La cola de impresión

Caché. Si una lectura encuentra el dato en la caché, es un acierto (hit); si no, es un fallo (miss) y el SO lee el dispositivo lento y copia el dato en la caché. Imagina que un acierto cuesta 1 unidad y un fallo 10 unidades. Con un 80 % de aciertos, el coste medio es 0,8 × 1 + 0,2 × 10 = 2,8 unidades, casi cuatro veces más rápido que leer siempre el dispositivo.

Búfer. Mientras el dispositivo lento llena o vacía el búfer, la CPU puede continuar. Cuando copias un archivo grande a una memoria USB, los datos van primero a un búfer en la RAM, y por eso debes quitar la unidad de forma segura: puede que el búfer todavía no esté vacío.

Spooling (Simultaneous Peripheral Operations On-Line). Una impresora solo puede imprimir un documento a la vez, pero varios programas y usuarios quieren imprimir. Los trabajos se guardan en un spool (una carpeta del disco) y un servicio los envía a la impresora uno a uno. Los programas quedan libres al instante, y puedes ver, pausar o cancelar trabajos. En Linux, lpstat -o lista los trabajos; en Windows abres la cola de la impresora.

4. Seguridad

El SO debe proteger el sistema contra errores (un programa que escribe en memoria que no es suya), el mal uso por parte de un usuario, el acceso no autorizado (físico, por la red o por malware como virus, gusanos o troyanos) y los fallos. Ningún sistema es completamente seguro, pero los buenos hábitos reducen el riesgo. Los objetivos de la seguridad son:

• Confidencialidad: solo las personas autorizadas pueden leer los datos.
• Integridad: solo las personas autorizadas pueden cambiarlos, y los cambios no son accidentales.
• Disponibilidad: los datos y los servicios funcionan cuando los necesitas.

Medidas lógicas (software)	Medidas físicas
Cuentas con contraseñas robustas	Sala o caja cerrada con llave
Permisos sobre archivos y carpetas	Control de acceso con tarjetas o huellas
Actualizaciones y antivirus	SAI (sistema de alimentación ininterrumpida)
Cortafuegos	Candados de cable, cámaras de seguridad
Cifrado de discos y archivos	Copias de seguridad guardadas en otro lugar

Tres ideas están detrás de cada decisión de acceso:

1. Autenticación: demostrar quién eres (contraseña, huella…).
2. Autorización: decidir qué puedes hacer (permisos).
3. Registro (accounting): guardar constancia de lo que ocurrió (logs).

Mínimo privilegio: da a cada usuario y a cada programa solo los derechos que necesitan. Por eso trabajas con una cuenta estándar y usas los derechos de administrador solo cuando hace falta (sudo en Linux, el icono del escudo y la ventana del UAC en Windows). Un proceso que se ejecuta con tu cuenta solo puede hacer lo que tú puedes hacer: un programa que abres por error no puede cambiar archivos del sistema.

5. Atributos y permisos

Cada archivo y cada directorio tienen metadatos. Además del nombre, el tamaño y las fechas, tienen atributos y permisos.

Atributos

Sistema	Atributos	Cómo verlos o cambiarlos
Windows	Solo lectura, Oculto, Sistema, Archivo	Propiedades → General, o attrib +h file.txt
Linux	Un nombre que empieza por punto está oculto. En ext4, indicadores adicionales como inmutable (nadie puede modificarlo ni borrarlo)	ls -a, lsattr, sudo chattr +i file

Permisos en Linux

Linux da a cada archivo un propietario, un grupo y tres conjuntos de permisos, para el propietario (u), el grupo (g) y otros (o). Cada conjunto tiene tres permisos: r (lectura), w (escritura) y x (ejecución). Lee la salida de ls -l:

-rwxr-x---  1 student teachers  4096 Oct  5 10:00 backup.sh
│└┬┘└┬┘└┬┘    │        │
│ │  │  │     │        └── grupo
│ │  │  │     └── propietario
│ │  │  └── otros: --- (nada)
│ │  └── grupo: r-x (lectura y ejecución)
│ └── propietario: rwx (lectura, escritura, ejecución)
└── tipo: - archivo, d directorio, l enlace

Cada permiso tiene un número: r = 4, w = 2, x = 1. Súmalos para cada conjunto y obtienes la notación octal: rwx = 7, r-x = 5, --- = 0, así que este archivo es 750.

Octal	Permisos	Uso típico
644	rw-r--r--	Un archivo normal: tú lo editas, todos pueden leerlo
600	rw-------	Un archivo privado (por ejemplo, una clave SSH)
755	rwxr-xr-x	Un programa o una carpeta pública
750	rwxr-x---	Un script solo para un grupo
700	rwx------	Una carpeta privada

chmod 640 notes.txt        # rw-r----- (octal)
chmod u+x backup.sh        # añadir ejecución para el propietario
chmod g-w,o-rwx report.txt # quitar escritura al grupo y todo a otros
sudo chown student:teachers report.txt   # cambiar el propietario y el grupo

Los permisos significan algo distinto en un directorio:

	En un archivo	En un directorio
r	Leer el contenido	Listar los nombres de dentro
w	Cambiar el contenido	Crear, borrar y renombrar archivos de dentro
x	Ejecutarlo como programa	Entrar en él (cd) y llegar a lo que hay dentro

Los archivos nuevos se crean con permisos que dependen de la umask (un valor típico, 022, da 644 a los archivos y 755 a los directorios).

Permisos en Windows (NTFS)

En un disco NTFS, clic derecho → Propiedades → Seguridad muestra una lista de usuarios y grupos con sus permisos. Los básicos son:

Permiso	Qué permite
Lectura	Ver el contenido y los atributos
Escritura	Crear archivos y cambiar el contenido
Lectura y ejecución	Leer y ejecutar programas (en carpetas: también Mostrar el contenido de la carpeta)
Modificar	Leer, escribir, ejecutar y borrar
Control total	Todo, incluido cambiar los permisos y tomar posesión

Reglas que debes recordar:

• Los permisos se heredan de la carpeta superior, salvo que desactives la herencia.
• Un usuario recibe la suma de los permisos de su propia entrada y de todos sus grupos.
• Una entrada Denegar es más fuerte que una entrada Permitir.
• icacls file los muestra y los cambia desde la línea de órdenes.

Linux	NTFS (aproximadamente)
r--	Lectura
r-x	Lectura y ejecución
rw-	Modificar (sin ejecución)
rwx	Control total (más o menos)
Propietario / grupo / otros	Cualquier número de usuarios y grupos

NTFS es más flexible porque puede dar permisos distintos a muchos usuarios en el mismo archivo. En Linux, las ACL (setfacl) dan la misma flexibilidad cuando la necesitas.

6. Recursos compartidos

Un recurso compartido es una carpeta, una impresora o un disco que otros ordenadores de la red pueden usar. Compartir es útil, pero abre una puerta, así que debes configurarlo con cuidado.

Windows

1. Clic derecho en la carpeta → Propiedades → Compartir → Uso compartido avanzado.
2. Marca Compartir esta carpeta, ponle un nombre y pulsa Permisos para elegir quién puede usarla y con qué nivel (Lectura, Cambiar o Control total).
3. En la pestaña Seguridad, comprueba los permisos NTFS.

Cuando se accede a una carpeta por la red, Windows aplica los dos, los permisos del recurso compartido y los permisos NTFS, y gana el más restrictivo. Los demás ordenadores la abren con \\NOMBREEQUIPO\nombrerecurso. Órdenes útiles: net share (lista lo que compartes) y net use Z: \\PC\recurso (conecta una unidad de red).

Linux

La herramienta habitual para compartir con ordenadores Windows es Samba, que implementa el protocolo SMB. En su archivo de configuración defines el recurso:

[documents]
   path = /srv/documents
   read only = no
   valid users = @teachers

Tras un cambio se reinicia el servicio. Los clientes se conectan con smb://server/documents desde un gestor de archivos. Configurarás servicios de red en otros módulos.

Buenas prácticas

• Comparte solo lo necesario, y no el disco entero.
• Da permisos a usuarios o grupos concretos, no a Todos con Control total.
• Prefiere el acceso de solo lectura cuando los usuarios no necesitan escribir.
• No permitas el acceso anónimo o de invitado salvo que sea necesario, y mantén el cortafuegos activo.
• Revisa de vez en cuando qué se comparte (net share en Windows).

7. Todas las funciones juntas

Cuando imprimes un PDF desde una memoria USB, trabajan al menos cinco funciones: el sistema de archivos encuentra el archivo y los permisos te dejan abrirlo, el gestor de memoria carga el visor, el planificador reparte la CPU entre el visor y tu música, el gestor de E/S y el controlador hablan con la impresora, y el spooler pone el trabajo en cola. Entender qué función falla es el primer paso para resolver un problema.

Comprueba lo aprendido

1. ¿Cuál es la principal ventaja de las interrupciones sobre el sondeo y la principal ventaja del DMA sobre las interrupciones?

   Respuesta

   Con las interrupciones, la CPU no pierde tiempo esperando al dispositivo; trabaja en otras cosas. Con DMA, la CPU ni siquiera copia los datos: solo inicia la transferencia y recibe una interrupción al final, lo que es mejor para transferencias grandes.

2. Explica la diferencia entre un búfer y un spool con un ejemplo de cada uno.

   Respuesta

   Un búfer es una zona temporal de memoria que suaviza la diferencia de velocidad entre dos partes (por ejemplo, los datos de un vídeo antes de reproducirse). Un spool es una cola de trabajos completos para un dispositivo que no se puede compartir (por ejemplo, los documentos que esperan a la impresora).

3. Un archivo tiene los permisos -rw-r----- y pertenece al usuario ana y al grupo staff. Escribe el número octal e indica quién puede escribir.

   Respuesta

   rw- = 6, r-- = 4, --- = 0: el número octal es 640. Solo ana (el propietario) puede escribir. Los miembros de staff pueden leer, y los demás no pueden hacer nada.

4. Un usuario tiene el permiso r-- sobre un directorio (sin x). ¿Puede ver los nombres de los archivos? ¿Puede abrir uno de ellos?

   Respuesta

   Puede listar los nombres (r), pero no puede entrar en el directorio ni abrir los archivos (falta x), así que verá errores cuando intente leerlos.

5. Una carpeta de Windows se comparte con Control total para todos, pero los permisos NTFS solo permiten Lectura al grupo Students. ¿Qué puede hacer un alumno por la red?

   Respuesta

   Solo leer. Cuando los permisos del recurso compartido y los permisos NTFS son distintos, se aplica el resultado más restrictivo.

Glosario

English	Castellano
input/output (I/O)	entrada/salida (E/S)
device driver	controlador de dispositivo
device controller	controladora del dispositivo
polling	sondeo
interrupt / interrupt request (IRQ)	interrupción / petición de interrupción
interrupt handler	rutina de tratamiento de la interrupción
DMA (direct memory access)	DMA (acceso directo a memoria)
cache / hit / miss	caché / acierto / fallo
buffer	búfer (memoria intermedia)
spooling / spool	spooling / cola de impresión
authentication / authorisation	autenticación / autorización
least privilege	mínimo privilegio
permission	permiso
owner / group / others	propietario / grupo / otros
read / write / execute	lectura / escritura / ejecución
shared resource	recurso compartido
inheritance	herencia

Créditos

Esta página adapta los apuntes del curso de SOM de Moisés Mas Rocamora, Daniel Álvarez Santamaría y Jana Taboada León, con licencia CC BY-NC-SA 4.0. Esta página se comparte con la misma licencia.