La arquitectura Von Neumann constituye uno de los pilares históricos de la computación moderna y sigue siendo, con variaciones, la base conceptual de la mayoría de los sistemas actuales. Este modelo surge como una propuesta para organizar de manera eficiente los componentes de un computador, permitiendo que un mismo sistema físico pueda ejecutar distintos programas sin necesidad de modificar su estructura interna. De acuerdo con los textos base de arquitectura de computadoras, este enfoque marcó el inicio de la computación de propósito general y posibilitó la rápida evolución del software .

El principio esencial de la arquitectura Von Neumann es la utilización de una única memoria principal para almacenar tanto las instrucciones del programa como los datos que dichas instrucciones procesan. Esta característica introdujo una gran flexibilidad operativa, ya que permitió que los programas se cargaran, modificaran y ejecutaran dinámicamente. Sin embargo, desde una perspectiva contemporánea, este mismo principio representa una de las principales fuentes de riesgo en términos de seguridad informática.

La arquitectura Von Neumann permite que instrucciones y datos compartan el mismo espacio de memoria, lo que facilita la programación, pero incrementa la superficie de ataque del sistema.

Estructura funcional de la arquitectura Von Neumann

La arquitectura Von Neumann se organiza a partir de una estructura lógica compuesta por varios elementos claramente definidos. Entre ellos se encuentran la Unidad Central de Procesamiento (CPU), la memoria principal, los dispositivos de entrada y salida, y el sistema de buses que interconecta todos los componentes. Esta organización ha sido descrita y analizada en los textos fundamentales de arquitectura de computadoras utilizados en la formación universitaria .

La CPU es el componente encargado de interpretar y ejecutar las instrucciones almacenadas en memoria. La memoria principal, por su parte, actúa como un repositorio único donde coexisten código y datos. El sistema de buses permite el transporte de información entre la CPU y la memoria, así como entre los dispositivos periféricos. Esta estructura simplificada fue clave para el desarrollo de sistemas eficientes y económicamente viables.

No obstante, el uso de un único espacio de memoria implica que la CPU no distingue, a nivel físico, entre lo que es una instrucción y lo que es un dato. Esta falta de diferenciación, aunque transparente para el funcionamiento normal del sistema, tiene implicaciones profundas desde el punto de vista de la seguridad.

En la Figura 1, se muestra el modelo básico de la arquitectura de Von Neumann.

Arquitectura Von Neumann y ejecución del software

En un sistema basado en arquitectura Von Neumann, el software se ejecuta siguiendo un flujo secuencial de instrucciones que la CPU obtiene desde la memoria principal. Cada instrucción es tratada como un conjunto de bits que debe ser interpretado y ejecutado. Este enfoque permite que el programa pueda modificarse a sí mismo o cargar nuevas instrucciones durante su ejecución, lo cual fue considerado una ventaja significativa en los primeros sistemas computacionales.

El tratamiento homogéneo de código y datos es una característica clave del modelo Von Neumann y una de las causas estructurales de múltiples vulnerabilidades.

Desde el punto de vista de la seguridad, esta característica implica que cualquier error que permita escribir en una región de memoria puede ser explotado para alterar el comportamiento del programa. Los textos de evolución de las arquitecturas de computadoras destacan que muchos de los ataques clásicos a sistemas informáticos se apoyan precisamente en esta característica estructural .

Implicaciones de seguridad del modelo Von Neumann

En los primeros años de la computación, la seguridad no era una preocupación prioritaria. Los sistemas eran utilizados por un número reducido de usuarios en entornos controlados. Sin embargo, con la masificación del uso de computadoras y la interconexión mediante redes, las debilidades del modelo Von Neumann se hicieron evidentes.

Uno de los principales problemas es que la arquitectura no impide, por sí misma, que datos introducidos desde el exterior sean interpretados como instrucciones ejecutables. Esta situación se presenta cuando existen errores de programación, especialmente en la gestión de memoria.

La arquitectura Von Neumann depende en gran medida de la correcta gestión de la memoria por parte del software para garantizar la seguridad.

Según los textos base de la asignatura, esta dependencia del software convierte a la arquitectura en un factor de riesgo cuando se combina con prácticas de programación deficientes o con aplicaciones desarrolladas sin considerar principios de seguridad .

Ataques asociados a la arquitectura Von Neumann

Entre los ataques más comunes asociados a esta arquitectura se encuentran los desbordamientos de búfer, la inyección de código y la alteración del flujo de ejecución. Estos ataques explotan la posibilidad de sobrescribir regiones de memoria y redirigir la ejecución del programa hacia instrucciones no autorizadas.

El desbordamiento de búfer ocurre cuando un programa escribe más datos de los que una región de memoria puede contener. Como consecuencia, se sobrescriben áreas adyacentes que pueden incluir direcciones de retorno o instrucciones críticas. Este tipo de ataque ha sido ampliamente documentado en estudios comparativos sobre contenidos de arquitectura y seguridad informática .

Los ataques basados en corrupción de memoria son una consecuencia directa de la organización propuesta por la arquitectura Von Neumann.

Para comprender de manera visual cómo la memoria compartida puede convertirse en un punto crítico de vulnerabilidad en la arquitectura Von Neumann, en la Figura 2 se presenta un esquema que ilustra el impacto de una escritura indebida en memoria de datos sobre las zonas destinadas a instrucciones.

3.1 Comparación de modelos arquitectónicos y su influencia en la ejecución de código malicioso y la protección de datos

La arquitectura Von Neumann no es el único modelo existente para organizar un sistema computacional. A lo largo de la evolución de la informática han surgido otros enfoques arquitectónicos cuyo objetivo ha sido mejorar el rendimiento, la eficiencia y, especialmente, la seguridad. Comparar estos modelos permite comprender cómo las decisiones de diseño influyen en la ejecución de código malicioso y en la protección de los datos.

Arquitectura Harvard

La arquitectura Harvard se presenta como una alternativa directa al modelo Von Neumann. Su característica principal es la separación física entre la memoria de instrucciones y la memoria de datos. Esto significa que el procesador accede a dos espacios de memoria distintos, cada uno con su propio bus.

Desde el punto de vista de la seguridad, esta separación introduce una barrera significativa frente a ciertos tipos de ataques. Al no compartir el mismo espacio de memoria, resulta mucho más difícil que datos maliciosos sean ejecutados como instrucciones.

La separación física entre código y datos en la arquitectura Harvard reduce significativamente la posibilidad de ejecución de código malicioso.

Los textos de arquitectura de computadoras con enfoque en competencias destacan que este modelo es especialmente adecuado para sistemas embebidos y aplicaciones críticas, donde la seguridad y la predictibilidad son prioritarias .

La comparación entre las arquitecturas Von Neumann y Harvard permite identificar cómo la organización de la memoria y los buses incide en la flexibilidad del sistema y en su nivel de seguridad frente a la ejecución de código no autorizado, esta comparación se observa en la Tabla1.

Arquitecturas híbridas o modificadas

En la práctica, muchos sistemas modernos utilizan arquitecturas híbridas que combinan elementos de los modelos Von Neumann y Harvard. Un ejemplo común es la utilización de memorias caché separadas para instrucciones y datos, mientras que la memoria principal sigue siendo compartida.

Este enfoque busca equilibrar flexibilidad, rendimiento y seguridad. Aunque no elimina completamente los riesgos asociados al modelo Von Neumann, sí dificulta ciertos ataques y mejora la eficiencia del procesamiento, tal como se describe en los textos sobre evolución de arquitecturas .

Las arquitecturas híbridas representan un compromiso entre simplicidad, rendimiento y seguridad.

Influencia del modelo arquitectónico en la protección de datos

La protección de los datos no depende únicamente del software o del sistema operativo, sino también de la arquitectura subyacente. En modelos con memoria compartida, la protección se logra mediante mecanismos adicionales como paginación, segmentación y permisos de acceso. En modelos con separación física, parte de la protección está integrada en el propio hardware.

Este análisis comparativo permite al estudiante comprender que la seguridad informática no es un problema aislado, sino el resultado de múltiples decisiones de diseño que se interrelacionan.

La Figura 3, muestra una línea conceptual de la evolución desde Von Neumann hasta arquitecturas híbridas, destacando mejoras progresivas en protección de datos.

El procesador o Unidad Central de Procesamiento (CPU) es el componente encargado de ejecutar las instrucciones de los programas y coordinar el funcionamiento general del sistema. Comprender su funcionamiento básico es esencial para analizar cómo se ejecuta el software y cómo se implementan mecanismos de control y seguridad.

Desde una perspectiva introductoria, la CPU puede entenderse como un sistema secuencial que procesa instrucciones una tras otra, transformando datos de entrada en resultados de salida. Este comportamiento ha sido ampliamente descrito en los textos fundamentales de arquitectura de computadoras utilizados en el sílabo .

La CPU es el núcleo operativo del sistema computacional y el punto donde convergen arquitectura, rendimiento y seguridad.

La Figura 4 permite visualizar cómo fluye la información desde el programa hasta la obtención del resultado, destacando el papel central del CPU en la ejecución de instrucciones.

4.1 Arquitectura interna del CPU

La arquitectura interna del CPU está compuesta por varios bloques funcionales que trabajan de manera coordinada. Entre los más importantes se encuentran la Unidad de Control, la Unidad Aritmético-Lógica, los registros y los mecanismos de almacenamiento interno.

La Unidad de Control es responsable de interpretar las instrucciones y generar las señales necesarias para que los demás componentes actúen de forma sincronizada. La Unidad Aritmético-Lógica realiza las operaciones matemáticas y lógicas fundamentales. Los registros almacenan temporalmente datos e instrucciones, permitiendo un acceso extremadamente rápido.

Los registros del CPU son esenciales para el rendimiento y la correcta ejecución de las instrucciones.

Los textos base destacan que la organización interna del procesador influye directamente en la forma en que se implementan mecanismos de control y protección, ya que ciertas instrucciones solo pueden ejecutarse bajo condiciones específicas .

La Figura 5 muestra los principales componentes internos del procesador: unidad de control, ALU, registros y memorias caché, y su interconexión durante la ejecución de instrucciones.

4.2 Ejecución de instrucciones y niveles de privilegio (usuario y kernel)

La ejecución de instrucciones en la CPU sigue un proceso cíclico conocido como ciclo de instrucción, que incluye la captación, decodificación, ejecución y escritura de resultados. Este ciclo se repite millones de veces por segundo y constituye la base del funcionamiento del sistema.

Desde el punto de vista de la seguridad, uno de los conceptos más importantes asociados a la ejecución de instrucciones es el de niveles de privilegio. Estos niveles determinan qué instrucciones puede ejecutar un programa y a qué recursos del sistema puede acceder.

Los niveles de privilegio permiten separar las acciones del usuario de las funciones críticas del sistema operativo.

En términos generales, se distinguen dos niveles básicos: el modo usuario y el modo kernel. El modo usuario está destinado a la ejecución de aplicaciones comunes y tiene acceso restringido al hardware. El modo kernel, en cambio, está reservado para el sistema operativo y permite un control total de los recursos.

Esta separación es fundamental para evitar que programas maliciosos comprometan el sistema completo, tal como se analiza en los textos de arquitectura y sistemas operativos incluidos en la bibliografía del sílabo .

La Figura 6 representa el ciclo de ejecución de instrucciones y la separación entre modo usuario y modo kernel, destacando las transiciones controladas mediante llamadas al sistema.