04 - Memoria virtual. Técnicas de gestión

Las necesidades de manejar memoria crecen dado que el tamaño de la memoria real estaba limitado, los programas eran cada vez más grandes y los procesadores tenían mayor potencia.

Así surge la Memoria virtual, capaz de manejar mas espacio en memoria que la memoria principal, valiéndose tanto de la memoria principal como de una cantidad determinada de almacenamiento secundario.

Esta estrategia permite utilizar el disco como si fuera RAM, así, cuando un programa es más grande que el tamaño físico de la RAM, lo que se hace es pasar a disco las porciones de RAM que no se estén utilizando en un momento determinado, dejando solo en memoria las partes del programa que se estén ejecutando. Los programas no se dan cuenta de todo lo que esta ocurriendo por debajo, sin embargo como la velocidad de acceso a disco es miles de veces mas lenta que la de la RAM, a la hora de devolver porciones del programa a memoria desde el disco, el sistema puede comportarse de manera más lenta (sobre todo cuando se cargan muchos procesos de forma simultánea).

La clave del concepto de memoria virtual está en la disociación entre direcciones virtuales a las que hace referencia un programa y direcciones reales que son las disponibles en memoria real.

El funcionamiento consiste en lo siguiente:

• El SO intercambia en memoria principal programas o procesos enteros en particiones de memoria y al mismo tiempo maneja segmentos y páginas, entre memoria real y memoria secundaria.
• Los procesos hacen referencia a direcciones virtuales pero éstas deben ejecutarse en la memoria, así se produce un proceso de traducción entre direcciones virtuales y reales, mientras el proceso está en ejecución.
• El proceso de traducción debe ser suficientemente rápido para no degradar el sistema. 

Los métodos más comunes de implementación de memoria virtual son:

• Técnicas de Paginación.
• Técnicas de Segmentación.
• Una combinación de ambas técnicas (Paginación Segmentada o Segmentación Paginada). 

1- Paginación

Técnica que consiste en dividir la memoria en zonas iguales llamadas marcos de página. A su vez los los procesos (un proceso es un programa en ejecución) también se dividen en partes del mismo tamaño, denominadas páginas. El SO se encarga de asignar los marcos de página necesarios a cada proceso y mantiene una estructura llamada tabla de páginas que indica en que marco está cada página y también una lista de marcos libres.

La asignación de los marcos de página a las páginas no tiene que ser consecutiva y un proceso puede estar ubicado en marcos no contiguos.

Uno de los principales inconvenientes de esta técnica es la Fragmentación Interna.

Esquema de paginación de memoria

Nota: El tamaño de los marcos de página se diseña mediante hardware

2- Segmentación

A diferencia de la paginación, en la segmentación la memoria principal no se particiona. Lo que se hace es dividir los procesos en zonas de tamaño variable denominadas segmentos. El SO mantiene una tabla de segmentos para cada proceso indicando la dirección de carga y la longitud de cada segmento. La asignación de segmentos tampoco tiene que ser contigua.

Uno de los principales inconvenientes de esta técnica es la Fragmentación Externa.

Fragmentación

La fragmentación de la memoria es la memoria que queda desperdiciada al usar los métodos de gestión de memoria. La hay de dos tipos: Externa e Interna

Fragmentación externa e interna

Externa

Existe espacio total de memoria para satisfacer un requerimiento, pero no es contigua. La fragmentación externa se puede reducir mediante la compactación para colocar toda la memoria libre en un solo gran bloque, pero solo es posible si la relocalización es dinámica y en tiempo de ejecución.

Interna

El hecho de asignar memoria en bloques de tamaño fijo y predefinido se traduce en que la memoria asignada puede ser ligeramente mayor que la que realmente se necesita, en cuyo caso se desperdicia cierta cantidad. Se podría evitar permitiendo la asignación exacta de memoria que necesite cada proceso de forma dinámica.

Observación

Una estrategia común para reducir el impacto de la fragmentación es separar las zonas del sistema de archivos que experimenten muchas mas lecturas y escrituras de otras zonas más volátiles donde se crean y borran continuamente archivos. Por ejemplo el SO se compone de carpetas estáticas que se modifican con mucha menor frecuencia que los Perfiles de los usuarios donde se suele estar creando y destruyendo información continuamente. Al separar ambas zonas en particiones independientes logramos que el desfragmentador trabaje de forma mucho más eficiente.

03 - Particiones Windows 10 - BIOS/UEFI

Se puede realizar una instalación de Windows en modo legacy  BIOS para que sea compatible con el viejo particionado MBR o en modo UEFI para utilizar el nuevo particionado GPT. La instalación por defecto en el caso de que no haya particiones creadas (disco limpio), crea un esquema de particiones diferente en cada caso.

Veamos diferencias entre ambos modos a la hora de instalar Windows 10 Edu 1904 en un disco de 60GB y dejando que el SO decida por defecto. Los resultados los muestro con Gparted que tira información más detallada.

BIOS

Se crean dos particiones

Partición Reservada para el sistema de 579MB y Partición para el SO/Datos con todo el espacio restante. Ambas tienen formato ntfs

¿Para que sirve la reservada en MBR?

Contiene los ficheros de arranque de Windows (bootmgr, \Boot, etc.). A partir de W7 se pensó que era buena idea crear una partición extra para el arranque. La razón principal fue por necesidades de Bitlocker una herramienta nativa de cifrado de Windows.

¿Se puede prescindir de esta partición?

Antes de instalar el SO y si no se tiene pensado usar Bitlocker es posible evitar su creación. Después de instalar el SO se puede pero no es muy recomendable

¿Cómo evitar la creación de la reservada durante la instalación?

Desde el propio gestor gráfico de particiones, elimina (si existen) todas las particiones. Crea una nueva partición. Te saldrá el mensaje y se creará la partición reservada junto a la principal.

Sólo hay que eliminar la principal y extender la partición reservada para que ocupe el espacio que se desee. Al finalizar la instalación del SO podrás comprobar la existencia de una partición que contendrá los ficheros de arranque y el resto de ficheros del sistema.

UEFI

Si vamos a instalar Windows en modo UEFI, el SO debe ser de 64 bits, la unidad de disco que alberga la partición de Windows tiene que tener formato GPT. Si hay otras unidades de disco pueden tener formato MBR o GPT.

Se crean cuatro particiones

• Recuperación (529MB - ntfs): Contiene herramientas del entorno de recuperación.
• Sistema EFI (100MB - fat32): Aloja el cargador. El SO administra esta partición y arranca desde ella. No debe contener nada más.
• Reservada de Microsoft (16MB - formato desconocido). Se añade en unidades GPT para ayudar con la administración de particiones. No puede almacenar datos.
• Básica (mínimo 20GB - ntfs). Contiene SO/Datos.

En UEFI no se puede evitar la creación de ninguna de las particiones como en el caso de MBR. Se puede eliminar la partición de recuperación pero no es recomendable. Para borrar una partición protegida y oculta del estilo de la reservada de 16 MB se hace desde diskpart con delete partition override

Separar SO y Datos

Independientemente del modo de instalación (BIOS o UEFI), en SO Windows o Linux, es muy recomendable separar la partición que alberga el SO/Datos en dos, una para el Sistema Operativo y otra para los datos de usuario.

La partición que alberga el SO suele ser la que más daños sufre debido a diversos problemas como ataques, apagones, corrupción de información, actualizaciones entre otros muchos. En una situación difícil, podríamos tener que reinstalar el SO desde el principio y si los datos están junto al SO es posible que los pongamos en riesgo o que tengamos que sacarlos antes de la instalación, con el trabajo que eso conlleva.

Si almacenamos los datos en una partición aparte, solo tendríamos que arreglar la partición del SO sin poner en peligro los datos, y sin trabajo innecesario. Si ademas, esa partición esta en un segundo disco, todavía tendríamos un mayor nivel de seguridad ya que aunque se rompiera definitivamente el disco del SO, el de los Datos podría conservarse intacto. 

Hoy en día con las unidades de estado sólido SSD, se hace casi obligatorio almacenar los datos fuera del SSD, que normalmente alberga el SO, porque además, estas unidades en muchas situaciones no permiten recuperar los datos tan fácilmente como los discos duros.

Como veremos en una entrada posterior, además de estas razones también se reduce el impacto de la fragmentación beneficiando al rendimiento del disco.

Instalaciones UEFI

En primer lugar volvemos a recordad que instalar el SO operativo en modo UEFI implica elegir esquema de particionado GPT. También es recomendable que el disco se encuentre limpio sin particiones antes de proceder (Shift + F10 y Diskpart pueden ayudar con esto)

Además el dispositivo de arranque desde donde vamos a instalar el sistema tiene que arrancar en modo UEFI. Si es un USB, hay que montar la iso de Windows 10 con alguna herramienta tipo Rufus en modo UEFI.

Si el SO no está certificado (firmado por Microsoft), habría que desactivar el arranque seguro en la UEFI porque la instalación fallaría a la hora de actualizar la configuración de arranque. Si el SO no esta preparado para instalación UEFI además habrá que seleccionar en la UEFI el modo CSM que permite arranques compatibles con BIOS y montar la iso con Rufus de la forma que corresponde.

Arranque seguro (Secure Boot)

Es un firmware propio de UEFI,  embebido en la máquina, que exige que el SO y sus drivers estén firmados digitalmente y que dicha firma concuerde con el firmware embebido.

Microsoft, con la excusa de evitar la carga de malware o aplicaciones no fiables,  lo implementa en la propia arquitectura del SO a partir de W8, obligando a que el SO y sus drivers estén firmados digitalmente. Además para que los equipos comercializados con W8 puedan tener la pegatina oficial tienen que implementar arranque seguro UEFI.

El arranque seguro debe ser posible desactivarlo ya que muchos sistemas operativos no lo implementan y por lo tanto no podrían instalarse. La mayoría de fabricantes permiten la posibilidad de desactivarlo en UEFI pero ya no es obligatorio y algunos no lo hacen generando malestar.

Actualmente gran parte de Linux 64 bit modernos ya entregan sus SO firmados para poder utilizar arranque seguro.

https://www.xataka.com/basics/que-secure-boot-uefi-como-puedes-desactivarlo

Ejercicio

Practica inicios de instalación de Windows en ambos modos para ver los distintos esquemas que se crean por defecto. Comprueba que BIOS permite prescindir de la reservada. Verifica que con UEFI se vuelven a generar reservada y EFI aunque las elimines, pero si se puede prescindir de la de recuperación. Aprende a separar partición de datos de la del sistema. No es necesario terminar la instalación, puedes empezarla, reiniciar la máquina y ver que particiones se han creado. Puedes usar particionado Gráfico o Diskpart (Shift + F10).

02 - Esquema GPT. Arranque UEFI

Esquema GPT

El nuevo estándar GPT (GUID Partition Table) está sustituyendo a MBR y está asociado con los nuevos sistemas UEFI. Su nombre viene de que a cada partición se le asocia un único identificador global, GUID. A día de hoy, GPT no tiene ningún límite más allá que los que establezcan los propios SO, tanto en tamaño de disco (mas de 2TB), como en número de particiones (por ejemplo, Windows tiene un límite de 128 particiones).

LBA= 512 bytes. LBA negativo= por el final

MBR heredado

Se ha mantenido un MBR al principio del disco para evitar que las herramientas antiguas de manejo de discos basados en MBR, que no reconocen GPT, se confundan y puedan estropear el disco. Este MBR de seguridad especifica, contiene una única entrada de partición que abarca toda la unidad GPT.

Cabecera de tabla de particiones (primaria)

Define el número y tamaño de las entradas de partición que conforman la tabla de particiones y los bloques de disco que pueden ser utilizados por el usuario.

Contiene el GUID del disco y registra su propio tamaño y localización (LBA 1), y el tamaño y la localización de la cabecera y tabla de la GPT secundarias (siempre en el último sector del disco).

Entradas de partición

Contienen el GUID, tipo, comienzo, final, nombre y otros atributos de partición.

Cabecera de tabla de particiones (secundaria)

Copia redundante de la cabecera de tabla de particiones primaria que sirve de seguridad para poderse recuperar en caso de error.

Consideraciones

Mientas que en MBR la tabla de particiones se almacena en el primer sector del disco, con los consiguientes problemas en caso de que dicho sector se pierda, corrompa o sobrescriba, con GPT obtendremos mayor seguridad en nuestro disco duro en cuanto a la pérdida de datos, ya que tenemos una copia de la propia tabla de particiones replicada en nuestro disco.

Arranque UEFI

El arranque UEFI es radicalmente opuesto a MBR.

• Mantiene un cargador propio EFI (Extendible Firmware Interface) en una partición EFI de tipo FAT (Ej. en Windows 10 ocupa 100 MB y se etiqueta como Sistema)
• Dispone también de un gestor de arranque propio que incorpora entradas según los SO que se vayan instalando en modo UEFI además de entradas tradicionales Legacy (compatibilidad con MBR).
• Se ejecuta el cargador EFI y se pasa el control al dispositivo de la lista del gestor de arranque en el orden que esté establecido (si no fuera válido se pasaría al siguiente).

Ejemplo de gestor de arranque EFI

El cargador de arranque EFI es mucho más complejo y tiene mucho mayor conocimiento de los arranques posibles de los diferentes SO, de esa forma quedan integrados dentro del propio cargador acelerándose el proceso de carga del Kernel.

UEFI permite configurar el comportamiento de arranque del sistema desde el propio SO a través de herramientas como efibootmgr.