Kernel: qué es y para qué sirve

En muchas ocasiones habrás oído la palabra kernel, e incluso puede que te hayas animado a utilizarla aunque no tengas una idea completamente exacta de qué es y qué función desempeña dentro del sistema operativo. En este post queremos aclarar todos los puntos que necesitas saber para poder entender el kernel y su importancia en aspectos diversos como las funciones básicas del sistema, la seguridad, la actualización, etc.

¿Qué es kernel?

Podemos entender el kernel del sistema operativo como su núcleo, es decir, su pieza central y más esencial. El kernel se encarga de actuar como intermediario entre el hardware y el software, desempeñando la función más básica de los sistemas operativos. Esto quiere decir que hace tareas de gestión de los recursos del sistema para que las aplicaciones instaladas en el ordenador puedan funcionar sin tener que interactuar directamente con los componentes físicos, lo que permite aislarse de complejidades como el acceso a la memoria, al disco, los buffers, etc.

Por tanto, el kernel hace de soporte a todos los servicios del sistema operativo dentro de una máquina. Sin él sería imposible ejecutar las aplicaciones y a la vez permite que desarrollarlas no sea tan complejo, pudiendo trabajar a un nivel más elevado.

Funciones principales del kernel

Para entender mejor qué es es el kernel vamos a ver con detalle cuáles son las funciones que nos ofrece dentro del sistema operativo.

Gestión de procesos y recursos

El kernel se encarga de la gestión de los procesos, lo que quiere decir que organiza su ejecución, asignando tiempo de CPU y gestionando las prioridades entre ellos.

Por supuesto, también se encarga de las tareas de coordinación y comunicación entre procesos, evitando además conflictos que puedan surgir durante el uso de los recursos.

Administración de memoria

Otra tarea fundamental es el acceso a la memoria RAM del ordenador, algo que resulta esencial para el buen funcionamiento de la máquina. La administración de la memoria es un asunto delicado que el kernel consigue realizar por su cuenta, liberando a otros de sus complejidades.

Entre sus principales tareas se encuentra la asignación de espacios de memoria, la liberación del espacio cuando esa memoria ya no se necesita, etc. Todo ello garantiza que cada proceso tenga acceso a la memoria que requiere cuando lo necesita, evitando colisiones con el uso de memoria de otros procesos.

Control de dispositivos y drivers

El kernel se encarga de la comunicación con los distintos dispositivos del sistema, como discos duros, impresoras, tarjetas de red o cualquier otro periférico de entrada/salida. Para ello utiliza los controladores, comúnmente llamados drivers, que cada fabricante aporta de sus dispositivos.

Gestión del sistema de archivos

El kernel también se encarga de gestionar los espacios de almacenamiento en disco, haciendo posible las operaciones de lectura y escritura.

Gracias al kernel, los programas pueden acceder al disco a un nivel superior, para manipular archivos o documentos sin preocuparse sobre cómo se almacenan físicamente los datos.

Seguridad y control de privilegios

Además de todo lo anterior, el kernel también realiza las tareas de control de los privilegios de los procesos, que vienen definidos por los usuarios que los ejecutan. Estos permisos sirven para mejorar la seguridad del sistema, ya que protegen de accesos no autorizados y fallos críticos.

Importancia del kernel en un sistema operativo

Hablar de la importancia del kernel es equivalente a hablar de la importancia del sistema operativo, ya que sus funcionalidades son indispensables para el funcionamiento de todos los otros componentes del sistema.

Comunicación entre hardware y software

Entre los puntos a destacar comenzamos por la comunicación entre el hardware y el software, donde el kernel se encarga de traducir las instrucciones de los programas en operaciones que el hardware pueda ejecutar. Esta función garantiza que ambas partes puedan entenderse.

Optimización del rendimiento del sistema

La planificación de los procesos realizada por el kernel ayuda a la gestión eficiente de los recursos de las máquinas. Por tanto, cuando hablamos del kernel también debemos considerar que es un elemento que permite la optimización del rendimiento y el aprovechamiento de los recursos existentes en los ordenadores.

Estabilidad y fiabilidad del sistema operativo

Por supuesto, también debemos mencionar la estabilidad que nos proporciona la gestión de los procesos y recursos, así el control de las operaciones nos permite aumentar la fiabilidad del sistema.

Diferentes tipos de kernel y sus características

Debido a la variedad de arquitecturas de hardware y software existen diferentes tipos de kernel que vamos a resumir a continuación.

Kernel monolítico

El kernel monolítico contiene todas las funcionalidades en un único componente de software. Esto le permite reducir su complejidad y mantener un rendimiento más elevado.

Este tipo de kernel es el implementado en los sistemas Linux y BSD. Es el más común, si tenemos en cuenta que el propio Android usa el kernel de Linux.

Microkernel

El Microkernel es una simplificación del kernel, en el sentido en que solamente incluye las funciones esenciales, como la comunicación entre procesos y la gestión básica de memoria. El resto de funciones las delega en otros módulos externos. lo que los hacen un poco más estables y seguros. Un ejemplo típico sería Minix.

Kernel híbrido

Este tipo de kernel combina características de los kernel monolíticos y los microkernel, en busca de una mejora del rendimiento y la modularidad de los sistemas. Los sistemas operativos Windows modernos y MacOs, incluso iOS, tienen un enfoque de kernel híbrido.

Exokernel

Tenemos también el Exokernel, que ofrece una capa mínima de abstracción, permitiendo a las aplicaciones un mayor control directo sobre el hardware del sistema. Consiguen ser más eficientes pero en cambio es más difícil desarrollar aplicaciones para estos sistemas. Son usados principalmente en entornos de investigación y no en sistemas comerciales.

Kernel en sistemas operativos populares

Ya hemos señalado en los puntos anteriores ejemplos de los distintos tipos de kernel, pero para resumirlo vamos a ver la siguiente lista:

• Linux y sus distribuciones: usan el enfoque monolítico, pero también pueden usar algunos módulos extra para mejorar su versatilidad.
• Windows NT kernel: es el kernel de Windows actualmente y usa un enfoque de kernel híbrido.
• XNU: es el kernel de MacOS, que tiene un enfoque híbrido con un microkernel que se combina con módulos de BSD.
• Android, basado en el kernel de Linux, es monolítico
• FreeBSD tiene un enfoque monolítico

Actualización y personalización del kernel

El kernel no es un sistema estático, sino que mantiene una línea de desarrollo con actualizaciones y personalizaciones frecuentes.

Cómo se actualiza el kernel en Linux

Para usuarios normales el kernel de Linux se actualiza cuando se realiza la propia actualización del sistema operativo, por los procesos normales incluidos en la distribución que se esté usando.

Por tanto, realmente no hace necesariamente falta cambiar de versión de sistema operativo para que se actualice el kernel. No obstante, las versiones que introducen cambios más severos en el kernel se suelen aplicar en versiones mayores de los sistemas operativos.

Ya usuarios avanzados podrían cambiar el kernel del sistema operativo, instalando kernels precompilados o realizando la compilación del propio kernel desde el código fuente. Aunque, como decimos, esto no es algo frecuente.

Personalización de parámetros del kernel

También usuarios avanzados pueden realizar configuraciones del kernel de Linux a través del archivo /etc/sysctl.conf o del comando sysctl, pudiendo ajustar algunos parámetros como el límite de conexiones de red o las configuraciones de seguridad

Precauciones antes de modificar el kernel

Si algún día te aventuras a modificar el kernel te recomendamos siempre realizar una copia de seguridad de tu ordenador, para garantizar que los datos no se pierdan, o incluso las configuraciones que tengas actualmente aplicadas.

Otra recomendación es mantener una versión anterior del kernel instalada, para que puedas volver a ella si es que la nueva falla.

Problemas comunes relacionados con el kernel

Cuando trabajas a bajo nivel con tu sistema operativo pueden ocurrir problemas con el kernel que quizás tengas que resolver. Los más frecuentes son los siguientes.

Kernel panic y cómo solucionarlo

El término kernel panic lo usamos para referirnos a errores críticos del kernel que no pueden recuperarse, debidos a problemas de hardware o drivers incompatibles. También puede ocurrir si hay errores en la configuración del kernel. Lo normal para solucionarlo sería volver a la versión anterior del kernel que tuvieras en esa máquina.

Incompatibilidad con drivers

Si has hecho la actualización del kernel puede que algunos drivers te den problemas, porque dejen de ser compatibles con el kernel nuevo. Esto puede pasar sobre todo cuando se usan componentes de hardware que usan drivers propietarios y se suele solucionar descargando las versiones más modernas de los drivers de la página del fabricante.

Por ese motivo, especialmente en Linux, se recomienda usar controladores de código abierto, aunque es algo que no siempre depende de ti, sino de los dispositivos que tengas instalados.

Errores de configuración o compilación

Por último, pueden surgir errores de configuración, sobre todo cuando hayas realizado tu propia compilación del kernel desde cero. Cuando esto ocurre es posible que tu sistema no arranque bien. Es por ello que lo ideal es probar cualquier kernel compilado por ti en un entorno de prueba antes de aplicarlo en una máquina real. Por ejemplo, podrías perfectamente probar en máquinas virtuales.

Diferencias entre kernel y otros componentes del sistema operativo

El kernel es la parte más central del sistema operativo, pero es solamente una de las partes. Vamos a ver las diferencias entre otros componentes, de modo que podamos aclarar posibles dudas.

Kernel vs. Shell

Como hemos visto, el kernel gestiona recursos y comunicación entre hardware y software. La Shell es una cosa muy distinta, ya que es un programa que permite al usuario, mediante interfaz de texto, comunicarse con el sistema operativo para solicitar realizar operaciones.

Kernel vs. BIOS/UEFI

La BIOS o UEFI es un programa que se ejecuta antes de iniciar el sistema operativo y se encarga de preparar el hardware, realizando algunas configuraciones a bajo nivel. Luego que se ejecuta la BIOS es cuando arranca el kernel para poner en marcha el sistema operativo.

Kernel vs. Middleware

Son cosas totalmente distintas. Middleware se refiere a una capa intermedia de software que suele procesar acciones durante las comunicaciones entre aplicaciones y servicios. Aunque el kernel también hace de intermediario entre el hardware y el software, la diferencia fundamental es que el middleware nunca interactúa directamente con el hardware como sí hace el kernel.