¿Qué es un núcleo y cómo funciona?

¿Qué es el núcleo?

En el corazón de cada sistema operativo se encuentra el núcleo, un software fundamental que actúa como mediador entre el software de aplicación y los componentes de hardware de su computadora.Es responsable de administrar el hardware de la computadora (CPU, RAM, almacenamiento, etc.), dictando cómo y cuándo se utilizan esos diversos recursos en las aplicaciones en ejecución y inactiva.

Por ejemplo, imagine que se está uniendo a una llamada de conferencia en su computadora, utilizando una aplicación como Zoom o Google Meet.Cuando se abra, la aplicación le pedirá al núcleo que acceda a la cámara y al micrófono de su computadora.El núcleo procesa la solicitud activando el hardware necesario en su computadora.También le dirá a la computadora que asigne una cierta cantidad de recursos de CPU para mantener una conexión sin problemas.

Funciones del núcleo

La función central del kernel es garantizar que el software y el hardware se comuniquen de manera efectiva.

Aquí hay un desglose de algunas de las funciones centrales del kernel que le permiten que su computadora se ejecute sin problemas por

Administracion de recursos

El núcleo permite que las aplicaciones compartan recursos de hardware, orquestando cuándo y cuánto de un recurso de hardware particular se necesita para una tarea dada (proceso).

• UPC: El núcleo puede programar diferentes procesos para usar la CPU para que todo funcione sin problemas y eficientemente.
• Memoria: El núcleo asigna el espacio a cada proceso según sea necesario, realizando un seguimiento de lo que está en uso y lo que es gratis, y cambia las cosas por dentro y fuera según sea necesario.
• Gestión de dispositivos de E/S: Cuando usa su teclado, mouse u otros dispositivos, el kernel administra estas interacciones para que los datos fluyan sin problemas entre su hardware y software.

Gestión de proceso

El núcleo maneja todos los aspectos de la gestión de procesos, incluida la creación de nuevos procesos, la programación cuando se ejecutan y la limpieza una vez que hayan terminado.Se asegura de que cada proceso tenga los recursos que necesita para operar mientras los protege de interferir entre sí.

Gestión de la memoria

El núcleo supervisa la memoria física y virtual, asegurándose de que cada proceso tenga suficiente espacio para trabajar.Utiliza técnicas como paginación (fija) y segmentación (variable) para mantener todo organizado y eficiente.

Administración de archivos del sistema

El kernel organiza cómo los datos se almacenan en el disco duro o SSD de su computadora al garantizar que sus archivos se guarden y recuperen de forma rápida y segura.

Controladores de dispositivo

Los controladores de dispositivos son como traductores para diferentes componentes de hardware (impresoras, tarjetas gráficas, etc.).El núcleo se comunica con estos controladores para controlar y coordinar el uso de dispositivos.

Seguridad y protección

El núcleo aplica el control de acceso y los permisos para proteger el sistema del acceso no autorizado.Aisliza los procesos entre sí, ayudando a evitar que el código malicioso afecte a otras partes del sistema.

Tipos de núcleos

Existen diferentes tipos de núcleos, cada uno con su propio diseño y enfoque únicos para administrar los recursos de su computadora.Exploremos los principales tipos de núcleos y lo que hace que cada uno sea especial:

Núcleo monolítico

Piense en un núcleo monolítico como un paquete grande y todo en uno.Incluye no solo las funciones centrales del sistema operativo sino también los controladores de dispositivos, la administración del sistema de archivos y otros servicios del sistema.

Todo se ejecuta en un solo espacio de núcleo, lo que puede conducir a un alto rendimiento y eficiencia.

Ejemplos: Linux y versiones más antiguas de Unix.

Microkernel

Los microkernels adoptan un enfoque minimalista.Manejan solo las funciones más esenciales, como la comunicación entre hardware y software, y delegan otras tareas (como los controladores de dispositivos) para separar los procesos en modo de usuario.

Este diseño puede conducir a una mejor estabilidad y modularidad, lo que hace que sea más fácil aislar y reparar problemas del sistema.

Ejemplos: Mach (utilizado en MacOS X) y QNX.

Nanokernel

Los nanokernels son aún más pequeños y más livianos que los microkernels.Su objetivo es manejar solo el mínimo absoluto de las tareas, como el cambio de contexto y la abstracción de hardware.

Este tipo de núcleo está diseñado para aplicaciones especializadas, como sistemas integrados o dispositivos IoT, donde la simplicidad y el uso de recursos mínimos son clave.

Núcleo híbrido

Un núcleo híbrido es una mezcla de diseños monolíticos y de microkernas, con el objetivo de llevar lo mejor de ambos mundos.

Mantiene algunas de las ventajas de rendimiento del núcleo monolítico pero con más modularidad, como un microkernel.

Ejemplos: Windows NT y MacOS (desde la versión X).

Exokernel

Exokernels adoptan un enfoque diferente al proporcionar una interfaz de muy bajo nivel al hardware, dando más control sobre los recursos.Este kernel del sistema operativo permite una mayor personalización y posibles ganancias de rendimiento, pero puede ser complejo de administrar.

Controladores de dispositivo

Los controladores de dispositivos son componentes de software que permiten que el kernel del sistema operativo se comunique con dispositivos de hardware dentro y fuera de la computadora.

Hay 3 tipos principales de controladores de dispositivos que utiliza su sistema operativo:

Controladores de dispositivos de caracteres

Estos controladores son responsables de administrar dispositivos que transfieren los datos del carácter por carácter, incluidos teclados, ratones, puertos en serie y terminales.Por lo general, manejan las operaciones de entrada y salida sobre una base de caracteres, sin almacenar grandes cantidades de datos.Los ejemplos incluyen controladores de teclado para interpretar pulsaciones de teclas y controladores de mouse para rastrear los movimientos del cursor.

Controladores de dispositivos de bloqueo

Los controladores de dispositivos de bloques supervisan los dispositivos que almacenan y recuperan datos en bloques o sectores de tamaño fijo, como discos duros, unidades de estado sólido (SSD) y dispositivos de almacenamiento USB.Manejan datos en fragmentos, lo que permite la lectura y la redacción eficientes de grandes cantidades de datos.Los controladores de dispositivos de bloques tienen la tarea de administrar dispositivos de almacenamiento, que incluyen particiones, formateo y manejo de solicitudes de lectura y escritura.

Controladores de dispositivos de red

Los controladores de dispositivos de red son responsables de controlar las tarjetas de interfaz de red (NIC) y otro hardware de red, facilitando la comunicación a través de una red.Estos controladores administran la transmisión y recepción de paquetes de datos, implementando protocolos de red como TCP/IP.También manejan la configuración de la red, el enrutamiento de paquetes y la transmisión de datos.

Modo de kernel versus modo de usuario

El modo de usuario y el modo del núcleo son dos estados de controlador de dispositivo distintos dentro del sistema operativo.

Echemos un vistazo a lo que es cada modo y por qué importan la seguridad y la estabilidad de su computadora.

Modo de núcleo

El modo Kernel es un estado privilegiado en el que funcionan los componentes centrales del sistema operativo.En este modo, el núcleo tiene acceso sin restricciones a los recursos de hardware y puede realizar tareas críticas del sistema, como administrar la memoria, el control de los dispositivos de hardware y las interrupciones del sistema de manejo.Es como el centro de control de su computadora, donde las operaciones esenciales se llevan a cabo de manera eficiente y segura para garantizar el funcionamiento suave del sistema operativo.

Debido a que el software tiene acceso sin restricciones a recursos del sistema confidencial, ejecutar en modo núcleo requiere un alto nivel de confianza.Como tal, solo los componentes confiables del sistema operativo, como el kernel mismo y los controladores de dispositivos, funcionan en modo núcleo para mantener la integridad del sistema.

Modo de usuario

El modo de usuario es un entorno restringido donde se ejecutan la mayoría de las aplicaciones, como los navegadores y los procesadores de palabras.En este modo, el software opera dentro de los límites establecidos por el sistema operativo, sin acceso directo a hardware o recursos críticos del sistema.Está diseñado para proporcionar un entorno seguro y estable para que las aplicaciones funcionen de forma independiente sin interferir entre sí o las funciones centrales del sistema operativo.

Seguridad del núcleo

El núcleo contiene varias medidas de seguridad para salvaguardar el sistema contra posibles amenazas.

Aquí hay algunas formas en que el núcleo puede mantener un entorno seguro y mitigar las vulnerabilidades potenciales:

Control de acceso: El núcleo aplica las políticas de control de acceso mediante la asignación de permisos a usuarios y procesos, como leer, escribir y ejecutar permisos.Verifica las solicitudes de acceso contra estos permisos para garantizar que solo las entidades autorizadas puedan acceder a los recursos.

Permisos: El kernel hace cumplir los permisos al verificar los derechos de acceso de la entidad solicitante contra los permisos asociados con el recurso.Esto ayuda a prevenir el acceso no autorizado y el mal uso de los recursos del sistema.

Sandboxing: El núcleo implementa técnicas de sandboxing, como el aislamiento del proceso, la separación del espacio de nombres y la separación de privilegios, para crear entornos de ejecución seguros para aplicaciones.Esto les impide acceder o modificar los recursos críticos del sistema.