Almacenamiento de datos informáticos

Por motivos de seguridad , ciertos tipos de datos pueden cifrarse en el almacenamiento para evitar la posibilidad de reconstrucción no autorizada de información a partir de fragmentos de instantáneas de almacenamiento. El cifrado en tránsito protege los datos mientras se transmiten. ^{[ 4 ]}

Los métodos de compresión de datos permiten, en muchos casos (como en una base de datos), representar una cadena de bits mediante una cadena más corta ("comprimir") y reconstruir la cadena original ("descomprimir") cuando sea necesario. Esto reduce considerablemente el espacio de almacenamiento (en decenas de puntos porcentuales) para muchos tipos de datos, a costa de un mayor procesamiento (comprimir y descomprimir según sea necesario). Antes de decidir si se deben mantener ciertos datos comprimidos o no, se analiza la relación entre el ahorro en costos de almacenamiento, los costos de los cálculos asociados y los posibles retrasos en la disponibilidad de los datos.

Los distintos tipos de almacenamiento de datos presentan diferentes puntos de fallo y diversos métodos de análisis predictivo de fallos . Las vulnerabilidades que pueden provocar una pérdida total de forma instantánea son el bloqueo del cabezal en los discos duros mecánicos y el fallo de los componentes electrónicos en el almacenamiento flash.

Detección de errores

La inminente falla de las unidades de disco duro se puede estimar utilizando datos de diagnóstico SMART que incluyen las horas de funcionamiento y el número de arranques, aunque su fiabilidad es cuestionable. ^{[ 5 ]} El estado de los soportes ópticos se puede determinar midiendo los errores menores corregibles , de los cuales un número elevado indica un soporte deteriorado o de baja calidad. Demasiados errores menores consecutivos pueden provocar la corrupción de datos. No todos los fabricantes y modelos de unidades ópticas admiten el escaneo de errores. ^{[ 6 ]}

En el uso contemporáneo, el término "almacenamiento" generalmente se refiere a un subconjunto del almacenamiento de datos de la computadora que comprende dispositivos de almacenamiento y sus medios no directamente accesibles por la CPU , es decir, almacenamiento secundario o terciario . Las formas comunes de almacenamiento incluyen unidades de disco duro , unidades de disco óptico y dispositivos no volátiles (es decir, dispositivos que conservan su contenido cuando la computadora está apagada). ^{[ 7 ]} Por otro lado, el término " memoria " se usa para referirse al almacenamiento de datos de lectura y escritura de semiconductores , típicamente memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM). La memoria de acceso aleatorio dinámico es una forma de memoria volátil que también requiere que la información almacenada se vuelva a leer y reescribir periódicamente, o se actualice ; la RAM estática (SRAM) es similar a la DRAM, aunque nunca necesita actualizarse mientras se le aplique energía.

En el uso contemporáneo, la jerarquía de memoria de almacenamiento primario y almacenamiento secundario en algunos usos se refiere a lo que históricamente se denominó, respectivamente, almacenamiento secundario y almacenamiento terciario . ^{[ 8 ]}

Primario

La memoria principal (también conocida como memoria primaria , memoria interna o almacenamiento primario ), a menudo denominada simplemente memoria , es un almacenamiento directamente accesible para la CPU. La CPU lee continuamente las instrucciones almacenadas allí y las ejecuta según sea necesario. Cualquier dato que se esté procesando activamente también se almacena allí de forma uniforme. Históricamente, los primeros ordenadores utilizaban líneas de retardo , tubos Williams o tambores magnéticos giratorios como almacenamiento primario. Hacia 1954, estos métodos poco fiables fueron reemplazados en su mayoría por la memoria de núcleo magnético . La memoria de núcleo magnético siguió siendo dominante hasta la década de 1970, cuando los avances en la tecnología de circuitos integrados permitieron que la memoria de semiconductores se volviera económicamente competitiva.

Esto dio lugar a la memoria de acceso aleatorio moderna , que es de tamaño reducido, ligera y relativamente cara. La RAM utilizada para el almacenamiento primario es volátil , lo que significa que pierde la información cuando no recibe alimentación durante un tiempo determinado . Además de almacenar los programas abiertos, sirve como caché de disco y búfer de escritura para mejorar el rendimiento de lectura y escritura. Los sistemas operativos toman prestada capacidad de RAM para el almacenamiento en caché siempre que no la necesite el software en ejecución. ^{[ 9 ]} La memoria sobrante se puede utilizar como unidad de RAM para el almacenamiento temporal de datos a alta velocidad. Además de la RAM principal de gran capacidad, existen dos subcapas más de almacenamiento primario:

• Los registros del procesador son la forma más rápida de almacenamiento de datos, ya que se encuentran dentro del procesador. Cada registro suele almacenar una palabra de datos (generalmente de 32 o 64  bits). Las instrucciones de la CPU indican a la unidad aritmético-lógica que realice diversos cálculos u otras operaciones con estos datos.
• La caché del procesador es una etapa intermedia entre los registros, que son más rápidos, y la memoria principal, que es más lenta. Si bien es más rápida que la memoria principal, tiene mucha menos capacidad. También es común usar una configuración de caché jerárquica multinivel , donde la caché primaria es la más pequeña y rápida, mientras que la caché secundaria es más grande y lenta.

El almacenamiento primario, que incluye ROM , EEPROM , memoria flash NOR y RAM , ^{[ 10 ]} suele ser direccionable por bytes . Dicha memoria está conectada directa o indirectamente a la unidad central de procesamiento a través de un bus de memoria , que comprende un bus de direcciones y un bus de datos . La CPU primero envía un número llamado dirección de memoria a través del bus de direcciones que indica la ubicación deseada de los datos. Luego lee o escribe los datos en las celdas de memoria utilizando el bus de datos. Además, una unidad de gestión de memoria (MMU) es un pequeño dispositivo entre la CPU y la RAM que recalcula la dirección de memoria real. Las unidades de gestión de memoria permiten la gestión de la memoria ; pueden, por ejemplo, proporcionar una abstracción de la memoria virtual u otras tareas.

BIOS

El almacenamiento primario no volátil que contiene un pequeño programa de inicio ( BIOS ) se utiliza para arrancar el ordenador, es decir, para leer un programa más grande desde el almacenamiento secundario no volátil a la RAM y comenzar a ejecutarlo. Una tecnología no volátil utilizada para este propósito se denomina memoria de solo lectura (ROM). La mayoría de los tipos de "ROM" no son literalmente de solo lectura, pero son difíciles y lentos de escribir . Algunos sistemas embebidos ejecutan programas directamente desde la ROM, porque dichos programas rara vez se modifican. Los ordenadores estándar generalmente no almacenan muchos programas en la ROM, aparte del firmware , y utilizan grandes capacidades de almacenamiento secundario.

Terciario

El almacenamiento terciario o memoria terciaria generalmente implica un brazo robótico que monta y desmonta medios de almacenamiento masivo extraíbles desde una base de datos de catálogo a un dispositivo de almacenamiento según las demandas del sistema. Se utiliza principalmente para archivar información a la que se accede con poca frecuencia, ya que es mucho más lento que el almacenamiento secundario (por ejemplo, de 5 a 60 segundos frente a 1 a 10 milisegundos). Esto es especialmente útil para almacenes de datos extraordinariamente grandes, a los que se accede sin operadores humanos. Ejemplos típicos incluyen bibliotecas de cintas , jukeboxes ópticos y matrices masivas de discos inactivos ( MAID ). El almacenamiento terciario también se conoce como almacenamiento nearline porque está "cerca de la línea". ^{[ 12 ]} La gestión jerárquica del almacenamiento es una estrategia de archivado que implica la migración automática de archivos que llevan mucho tiempo sin usarse desde almacenamiento rápido en disco duro a bibliotecas o jukeboxes.

Un sistema de almacenamiento secundario o terciario puede conectarse a una computadora mediante redes informáticas . Este concepto no se aplica al almacenamiento primario.

• El almacenamiento de conexión directa (DAS) es un sistema de almacenamiento masivo tradicional que no utiliza ninguna red.
• El almacenamiento conectado a la red (NAS) es un sistema de almacenamiento masivo conectado a un ordenador al que otro ordenador puede acceder a nivel de archivo a través de una red de área local , una red de área amplia privada o, en el caso del almacenamiento de archivos en línea , a través de Internet . El NAS se asocia comúnmente con los protocolos NFS y CIFS/SMB .
• Una red de área de almacenamiento (SAN) es una red especializada que proporciona capacidad de almacenamiento a otros ordenadores. Las redes SAN suelen asociarse con las redes Fibre Channel .

Los modelos de despliegue en la nube definen las interacciones entre los proveedores de la nube y los clientes. ^{[ 16 ]}

• Las nubes privadas , por ejemplo, se utilizan en la seguridad de la nube para mitigar el aumento de la superficie de ataque que supone la externalización del almacenamiento de datos. ^{[ 17 ]} Una nube privada es una infraestructura en la nube operada exclusivamente para una sola organización, ya sea gestionada internamente o por un tercero, o alojada interna o externamente. ^{[ 18 ]}
• El almacenamiento en la nube híbrida es otra solución de seguridad en la nube, que implica una infraestructura de almacenamiento que utiliza una combinación de recursos de almacenamiento locales con almacenamiento en la nube. El almacenamiento local suele ser administrado por la organización, mientras que el proveedor de almacenamiento en la nube pública es responsable de la administración y la seguridad de los datos almacenados en la nube. ^{[ 19 ] [ 20 ]} El uso de un modelo híbrido permite que los datos se ingieran en un formato cifrado donde la clave se encuentra dentro de la infraestructura local y puede limitar el acceso al uso de pasarelas de almacenamiento en la nube locales , que pueden tener opciones para cifrar los datos antes de la transferencia. ^{[ 21 ]}
• Los servicios en la nube se consideran "públicos" cuando se entregan a través de Internet pública. ^{[ 22 ]}
  • Una nube privada virtual (VPC) es un conjunto de recursos compartidos dentro de una nube pública que proporciona cierto nivel de aislamiento entre los diferentes usuarios que utilizan dichos recursos. Las VPC logran el aislamiento de usuarios mediante la asignación de una subred IP privada y una estructura de comunicación virtual (como una VLAN o un conjunto de canales de comunicación cifrados ) entre usuarios, así como el uso de una red privada virtual (VPN) por usuario de VPC, lo que garantiza, mediante autenticación y cifrado, el acceso remoto de la organización a sus recursos de VPC. ^{[ 23 ]}

Existen tres tipos de almacenamiento en la nube:

• Almacenamiento de objetos ^{[ 24 ] [ 25 ]}
• Almacenamiento de archivos
• El almacenamiento a nivel de bloque es un concepto en la persistencia de datos alojada en la nube donde los servicios en la nube emulan el comportamiento de un dispositivo de bloques tradicional , como un disco duro físico , ^{[ 26 ]} donde el almacenamiento se organiza en bloques . El almacenamiento a nivel de bloque difiere de los almacenes de objetos o "almacenes de cubos" o de las bases de datos en la nube . Estos operan en un nivel de abstracción superior y pueden trabajar con entidades como archivos, documentos, imágenes, videos o registros de bases de datos. ^{[ 27 ]} En un momento dado, el almacenamiento a nivel de bloque lo proporcionaba SAN , y NAS proporcionaba almacenamiento a nivel de archivo. ^{[ 28 ]} Con el cambio del alojamiento local a los servicios en la nube, esta distinción ha cambiado. ^{[ 29 ]}
  • Los almacenes de instancia son una forma de almacenamiento a nivel de bloques alojado en la nube, que se proporciona como parte de una instancia en la nube . ^{[ 30 ]} A diferencia de otras formas de almacenamiento de bloques, los datos del almacén de instancia se perderán cuando se detenga la instancia en la nube. ^{[ 31 ]}

La memoria semiconductora utiliza chips de circuitos integrados (CI) basados ​​en semiconductores para almacenar información. Los datos se almacenan típicamente en celdas de memoria de metal-óxido-semiconductor (MOS) . Un chip de memoria semiconductora puede contener millones de celdas de memoria, compuestas por pequeños transistores de efecto de campo MOS (MOSFET) y/o condensadores MOS . Existen formas volátiles y no volátiles de memoria semiconductora; las primeras utilizan MOSFET estándar y las segundas, MOSFET de puerta flotante .

En los ordenadores modernos, el almacenamiento primario consiste casi exclusivamente en memoria de acceso aleatorio (RAM) de semiconductores volátiles dinámicos, en particular memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM). Desde principios de siglo, un tipo de memoria de semiconductores de puerta flotante no volátil, conocida como memoria flash, ha ido ganando terreno como almacenamiento fuera de línea para ordenadores domésticos. La memoria de semiconductores no volátil también se utiliza para el almacenamiento secundario en diversos dispositivos electrónicos avanzados y ordenadores especializados diseñados para ellos.

Ya en 2006, los fabricantes de computadoras portátiles y de escritorio comenzaron a utilizar unidades de estado sólido (SSD) basadas en memoria flash como opciones de configuración predeterminadas para el almacenamiento secundario, ya sea como complemento o en lugar del HDD más tradicional. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

El almacenamiento magnético utiliza diferentes patrones de magnetización en una superficie recubierta magnéticamente para almacenar información. El almacenamiento magnético es no volátil . Se accede a la información mediante uno o más cabezales de lectura/escritura que pueden contener uno o más transductores de grabación. Un cabezal de lectura/escritura solo cubre una parte de la superficie, por lo que el cabezal, el soporte o ambos deben moverse con respecto a otro para acceder a los datos. En las computadoras modernas, el almacenamiento magnético adopta las siguientes formas:

• Disco magnético ;
  • Disquete , utilizado para almacenamiento fuera de línea;
  • Disco duro , utilizado para almacenamiento secundario.
• Cinta magnética , utilizada para almacenamiento terciario y fuera de línea;
• Memoria de carrusel (rollos magnéticos).

En los primeros ordenadores, el almacenamiento magnético también se utilizaba como:

• Almacenamiento de microcódigo en almacenamiento de solo lectura del transformador ;
• Almacenamiento primario en forma de memoria magnética , o memoria de núcleo , memoria de cuerda de núcleo , memoria de película delgada y/o memoria twistor ;
• La cinta magnética se utilizaba con frecuencia para el almacenamiento secundario;
• Almacenamiento terciario (por ejemplo, memoria CRAM NCR ) o almacenamiento fuera de línea en forma de tarjetas magnéticas.

El almacenamiento magnético no tiene un límite definido de ciclos de reescritura como el almacenamiento flash y los medios ópticos regrabables, ya que la alteración de los campos magnéticos no provoca desgaste físico. En cambio, su vida útil está limitada por las piezas mecánicas. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

El almacenamiento óptico , en concreto el disco óptico , almacena información en deformaciones en la superficie de un disco circular y la lee iluminando la superficie con un diodo láser y observando el reflejo. El almacenamiento en disco óptico es no volátil . Las deformaciones pueden ser permanentes (soportes de solo lectura), formadas una sola vez (soportes de escritura única) o reversibles (soportes grabables o de lectura/escritura). Las siguientes formas son de uso común a partir de 2009.: ^{[ 43 ]}

• CD , CD-ROM , DVD , BD-ROM : Almacenamiento de solo lectura, utilizado para la distribución masiva de información digital (música, vídeo, programas informáticos);
• CD-R , DVD-R , DVD+R , BD-R : Almacenamiento de escritura única, utilizado para almacenamiento terciario y fuera de línea;
• CD-RW , DVD-RW , DVD+RW , DVD-RAM , BD-RE : Almacenamiento de escritura lenta y lectura rápida, utilizado para almacenamiento terciario y fuera de línea;
• La tecnología Ultra Density Optical o UDO tiene una capacidad similar a la de BD-R o BD-RE , y es un sistema de almacenamiento de escritura lenta y lectura rápida que se utiliza para almacenamiento terciario y fuera de línea.

El almacenamiento en disco magnetoóptico es un sistema de almacenamiento óptico en el que la información se almacena mediante el estado magnético de una superficie ferromagnética . La información se lee ópticamente y se escribe combinando métodos magnéticos y ópticos. El almacenamiento en disco magnetoóptico es no volátil , de acceso secuencial , con escritura lenta y lectura rápida, y se utiliza para almacenamiento terciario y fuera de línea.

También se ha propuesto el almacenamiento óptico de datos en 3D .

También se ha propuesto la fusión por magnetización inducida por luz en fotoconductores magnéticos para el almacenamiento magnetoóptico de alta velocidad y bajo consumo de energía. ^{[ 44 ]}

El almacenamiento de datos en papel , generalmente en forma de cinta de papel o tarjetas perforadas , se ha utilizado durante mucho tiempo para almacenar información para su procesamiento automático, especialmente antes de la existencia de las computadoras de uso general. La información se registraba perforando el papel o cartón y se leía mecánicamente (o posteriormente ópticamente) para determinar si una ubicación específica del soporte era sólida o contenía un orificio. Los códigos de barras permiten que los objetos que se venden o transportan lleven información legible por computadora de forma segura.

Se pueden realizar copias de seguridad de cantidades relativamente pequeñas de datos digitales (en comparación con otros sistemas de almacenamiento de datos digitales) en papel como código de barras matricial para un almacenamiento a muy largo plazo, ya que la longevidad del papel suele superar incluso la del almacenamiento de datos magnéticos. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

• Memoria de tubo de vacío:
  • Un tubo Williams utilizaba un tubo de rayos catódicos , y un tubo Selectron utilizaba un gran tubo de vacío para almacenar información.
• Memoria electroacústica: La memoria de línea de retardo utilizaba ondas sonoras en una sustancia como el mercurio para almacenar información.
• La cinta óptica es un soporte para el almacenamiento óptico, que generalmente consiste en una tira larga y estrecha de plástico, sobre la cual se pueden escribir patrones y desde la cual se pueden leer dichos patrones.
• La memoria de cambio de fase utiliza diferentes fases mecánicas de un material de cambio de fase para almacenar información en una matriz direccionable X-Y y lee la información observando la variación de la resistencia eléctrica del material.
• El almacenamiento holográfico de datos almacena información ópticamente dentro de cristales o fotopolímeros , por ejemplo, en discos holográficos versátiles (HVD ). A diferencia del almacenamiento en discos ópticos, que se limita a un pequeño número de capas superficiales, el almacenamiento holográfico puede utilizar todo el volumen del medio de almacenamiento.
• Los fotoconductores magnéticos almacenan información magnética, que puede modificarse mediante iluminación de baja intensidad. ^{[ 44 ]}
• La memoria molecular almacena información en polímeros que pueden almacenar carga eléctrica. ^{[ 47 ]}
• El ADN almacena información digital en nucleótidos de ADN . ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

• Eliminación de datos duplicados
• proliferación de datos
• Etiqueta de almacenamiento de datos utilizada para capturar datos de investigación.
• Utilidad de disco
• Sistema de archivos
• Memoria flash
• Geoplexación
• Repositorio de información
• Detección de máxima verosimilitud predictiva de ruido
• medios extraíbles
• Huso
• Biblioteca de cintas virtuales
• Estado de espera
• Búfer de escritura
• protección contra escritura
• Datos fríos