TEMA 37: Arquitecturas Cliente / Servidor. Tipos de cliente. Tipos de Servidor. Clasificación del software.

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1 . TEMA 37: Arquitecturas Cliente / Servidor. Tipos de cliente. Tipos de Servidor. Clasificación del software. Índice 1 INTRODUCCIÓN 2 2 CARACTERÍSTICAS Características del cliente Características del servidor Ventajas e inconvenientes de la arquitectura C/S TIPOS DE SERVIDOR Servidores iterativos vs. concurrentes Servidores orientados a la conexión vs. no orientados a la conexión Diseños básicos de los servidores Tipos de servicios de los servidores Servicios proporcionados por múltiples servidores TIPOS DE CLIENTES Clientes pesado vs. Clientes ligeros TIPOS DE ARQUITECTURA CLIENTE/SERVIDOR Representación distribuida Representación remota Lógica distribuida Gestión remota de datos Bases de datos distribuidas Arquitectura N capas DISEÑO DE ARQUITECTURAS CLIENTE-SERVIDOR EN UNA ORGANIZACIÓN 10 7 OTRA ARQUITECTURA DISTRIBUIDA 11 Página 1 de 11

2 1 Introducción La arquitectura cliente/servidor es el diseño más habitual en los sistemas distribuidos. En este diseño, la aplicación se distribuye en dos tipos de ordenadores (clientes-servidores) que trabajan de forma coordinada para ofrecer un servicio integrado. La finalidad de está arquitectura es poder distribuir las necesidades de proceso (cpu, memoria RAM, almacenamiento de disco ) entre dos equipos y facilitar el diseño de las aplicaciones, al hacerlas más claras al separar las funciones y responsabilidades en dos partes. En el paradigma cliente-servidor, el cliente es la parte que, normalmente, inicia la comunicación y el servidor recibe la petición del cliente, la procesa i devuelve el resultado. Cliente Petición Respuesta Servidor Por extensión, se aplica el concepto cliente/servidor a los procesos dentro de una misma máquina. Existen procesos cliente y un proceso servidor independientes que interactúan utilizando el mismo paradigma. La arquitectura cliente/servidor genérica se denomina de dos niveles: El cliente es el nivel 1 y el servidor el nivel 2. A su vez, el servidor puede comunicarse con otra máquina adoptando la figura de cliente. Este encadenamiento de clientes/servidores se denomina arquitecturas de n- niveles, siendo la más frecuente la de 3 niveles. Petición Cliente Respuesta Servidor 1 Petición Respuesta Servidor 2 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 2 Características Las características de una arquitectura cliente-servidor clásica son: 2.1 Características del cliente 1. Tiene un comportamiento activo, es la parte que inicia la comunicación. 2. Espera y recibe respuestas del servidor. 3. En general, para cada servicio necesitado se conecta a un servidor en particular. 4. El usuario es quien controla el cliente. Página 2 de 11

3 2.2 Características del servidor 1. Tiene un comportamiento pasivo, esta a la espera de recibir peticiones. 2. Tras recibir una petición, la procesan y envían la respuesta al cliente. 3. Suele ofrecer servicio a varios clientes simultáneamente. 4. Funciona de forma automática, sin intervención humana. El servidor ofrece a todos sus clientes una interfaz única y bien definida. Los clientes sólo necesitan conocer la interfaz del servidor para interactuar. La comunicación no depende de las características físicas o SO del servidor. Es más, mientras el servidor mantenga el mismo interfaz con los clientes, cualquier cambio es transparente para ellos. (Por ejemplo una migración de SO). 2.3 Ventajas e inconvenientes de la arquitectura C/S Ventajas: Centralización del control: El control de acceso y autorización de acciones son gestionados en los servidores. Reduce los riesgos de seguridad en los sistemas. Escalabilidad: Se pueden aumentar las prestaciones de los servidores o clientes por separado y en cualquier momento. Facilidad de mantenimiento. Al estar distribuidas las funciones en equipos diferentes, es posible administrarlos o repararlos de forma independiente al resto. Facilidad de compartir datos entre usuarios. Por ejemplo, ficheros Word almacenados en un servidor de ficheros. Esta concurrencia obliga al servidor a gestionar la concurrencia sobre los componentes compartidos Inconvenientes: Provoca congestión de tráfico: Si muchos de clientes envían una petición de forma simultánea, puedan saturar el servidor. Esto es un problema sobretodo en aplicaciones Web públicas, donde es difícil prever el número máximo de usuarios. Falta de robustez. Si cae el servidor, todos sus clientes se ven afectados. Es por ello, que los servidores implementan tecnologías de alta disponibilidad, como el uso de clusters. Página 3 de 11

4 3 Tipos de servidor Los servidores son los elementos responsables de realizar las tareas (servicios) que les solicitan las máquinas cliente. Una forma de clasificar los servidores es según su comportamiento: 3.1 Servidores iterativos vs. concurrentes Se usa el término servidor iterativo para describir un servidor que procesa una sola petición al mismo tiempo, y el término servidor concurrente para describir un servidor que procesa más de una petición de forma simultánea. En general, los servidores concurrentes son más difíciles de diseñar y el código resultante es más complejo y difícil de modificar. En cambio, los servidores iterativos pueden provocar un pobre rendimiento debido a que hacen esperar a los clientes. La principal razón para introducir concurrencia en un servidor es la necesidad de ofrecer tiempos de respuesta más rápidos para múltiples clientes. La concurrencia mejora el tiempo de respuesta si: Elaborar una respuesta requiere un tiempo significativo de entrada / salida. En este caso, se consigue que se solapen el uso del procesador y los dispositivos externos. El tiempo de procesamiento requerido varía drásticamente según la petición. Parecido al sistema round-robin de los SO. Permite que las peticiones ligeras no se vean afectadas por las peticiones pesadas. El servidor se ejecuta en una máquina con múltiples procesadores o multinúcleo. Cada procesador/núcleo puede estar procesando una petición diferente a la vez. La mayoría de servidores concurrente se implementan como aplicaciones multiproceso o multihilo. Un proceso maestro se encarga de recibir las peticiones, cuando recibe una, la transmite a un proceso esclavo para que la atienda. Los servidores iterativos mientras procesan una petición, utilizan una estructura de cola para almacenar el resto de peticiones que reciben. 3.2 Servidores orientados a la conexión vs. no orientados a la conexión Según cómo se realiza la comunicación entre el servidor y el cliente, los servidores se pueden clasificar en: Los servidores orientados a conexión (o servidores con estado), son los obligatoriamente debe establecerse una conexión, entre el origen y el destino antes de que cualquier dato pueda transmitirse. La comunicación con estos servidores cumplen tres etapas en su tiempo de vida: 1. Negociación del establecimiento de la conexión 2. Sesión de envió de peticiones-respuesta entre el cliente y el servidor 3. Negociación del fin de la conexión Durante la comunicación el servidor mantiene información sobre el estado de todas las conexiones en marcha. Página 4 de 11

5 Este tipo de servidores permite proporcionar servicios más confiables, pues permite realizar el control del flujo de las comunicaciones que asegura el orden de las comunicaciones, evita repeticiones y pérdidas. Un ejemplo son los servidores de FTP, donde se mantiene una sesión interactiva con el cliente. Cada petición de un fichero, asume de forma implícita el directorio sobre el cual se trabaja, sin necesidad de tener que indicarlo en cada petición. Los servidores no orientados a conexión (o servidores sin estado), son los que cada interacción entre el cliente y el servidor se trata como una transacción independiente, sin necesidad de ningún paso anterior. Esto simplifica el diseño del servidor y es más escalable al no necesitar mantener ningún tipo de información sobre el estado de la comunicación. Los inconvenientes de estos servidores es que las comunicaciones son menos fiables, y cada interacción debe contener información extra para que el servidor la interprete. Un ejemplo de estos servidores son las conexiones HTTP, donde cada petición de un recurso (una imagen, un documento html...) se gestiona de forma independiente. 3.3 Diseños básicos de los servidores Combinando estos dos factores, aparecen cuatro diseños básicos de servidores: Servidores iterativos y sin estado: Es el caso de diseño de simple y fácil, pero que solo permite servicios con pocas prestaciones. Se utiliza en comunicaciones que necesiten poco tiempo para ser procesadas y sin requerimientos de confiabilidad. Servidores iterativos orientados a conexión: Es un tipo de diseño poco extendido, pues las comunicaciones orientadas a conexión suelen una excesiva sobrecarga. Se utiliza en los casos en que la ejecución iterativa da una respuesta suficientemente rápido a la carga esperada. Servidores concurrentes sin estado: En este diseño aparece un proceso coordinador que recibe las peticiones de los clientes, y una serie de hilos o procesos esclavos que proporcionan el servicio a la petición realizada. El proceso coordinador es el encargado de distribuir las peticiones entre los procesos esclavos. La creación de un hilo o proceso es una actividad que consume muchos recursos de la máquina, por ello, muchos diseños de estos servidores no crean un hilo por petición, sino que tiene un grupo de procesos esclavos y el coordinador distribuye las peticiones a los que estén desocupados ( Pool de procesos esclavos). Servidores concurrentes con estado: Son muy parecidos a los anteriores. Se diferencian en que el servidor coordinador solo recibe la petición de establecimiento de conexión, que transmite a un proceso esclavo. Éste se encarga de llevar la negociación de la conexión, atender todas las peticiones realizadas por el cliente en esa conexión y, finalmente, cerrar la conexión. Página 5 de 11

6 3.4 Tipos de servicios de los servidores Los servicios que proporcionan los servidores en una aplicación pueden clasificarse en tres tipos: Interacción con el usuario: Proporcionan el servicio a los usuarios de las aplicaciones. Reciben las peticiones de los usuarios y se responsabilizan de su realización. Por ejemplo los servidores Web. Reciben peticiones de los usuarios y según la petición actúan: Enviando un fichero (imagen, página html...), ejecutando un script, enviando una petición al servidor de aplicaciones... Lógica de aplicación: Se encarga de ejecutar los algoritmos que proporcionan la funcionalidad de la aplicación. Por ejemplo: Un servidor de aplicaciones J2EE que ejecute componentes EJB. Repositorio de datos: Realiza la gestión de los datos utilizados en la aplicación. Proporciona los servicios de almacenamiento y acceso a los datos. Por ejemplo: Un servidor de bases de datos relacional, que da soporte a varios esquemas de bases de datos y proporciona acceso a los datos a través de sentencia SQL. 3.5 Servicios proporcionados por múltiples servidores Como hemos visto, uno de los inconvenientes de la arquitectura C/S es que se falla el servidor, todo el sistema queda interrumpido. La solución a este problema es disponer de múltiples servidores que se distribuyan las peticiones (cluster). Los clientes sólo ven un servidor. Existe un módulo de coordinación que reparte las peticiones de los clientes entre los servidores. Evidentemente, este módulo debe ser de alta fiabilidad. En caso de fallo de uno de los servidores, el sistema pierde rendimiento pero sigue en funcionamiento. En los sistemas que no se quiera perder rendimiento aún en caso de una avería de un servidor, tiene que haber servidores inactivos que se utilizan para sustituir a los servidores incidentados. Los sistemas de múltiples servidores también se utilizan para ganar prestaciones, al poder tener los servidores trabajando en paralelo. Permite crear sistemas de altas prestaciones o de balanceo de carga. El uso de varios servidores activos simultáneamente es posible cuando las peticiones son independientes entre sí. Por ejemplo, en servidores Web. Página 6 de 11

7 4 Tipos de clientes En el diseño de una aplicación cliente/servidor, hay que tomar la decisión de que tareas de la aplicación debe realizar el cliente y cuales el servidor. Según el grado de complejidad en las tareas que debe realizar el cliente encontramos dos tipos de clientes: 4.1 Clientes pesado vs. Clientes ligeros Los aplicaciones con clientes pesados, son aquellas en que los clientes ejecutan una parte significativa de la lógica de negocio, en contra posición a los clientes ligeros, que ejecutan poca o nada. En las arquitecturas con clientes ligeros, el servidor transmite al cliente sobretodo información de los que tiene que mostrar al usuario, y el cliente al servidor las acciones del usuario. En cambio, los clientes pesados intercambian con el servidor la información necesaria para la lógica de negocio y los datos que el servidor debe almacenar. Ventajas de los clientes ligeros: 1. Menor coste de mantenimiento de la aplicación. La mayor parte del esfuerzo de mantenimiento se realiza sobre el servidor al estar gran parte de la aplicación contenida en él. Reduce el número de desplazamientos a la localización de los clientes o las complicaciones del mantenimiento a distancia. 2. Coste de adquisición del hardware menor. Las prestaciones necesarias para un cliente ligero son menores que uno pesado, por ello su precio de adquisición es menor. Aunque esta ventaja tiene una importancia relativa ante la reducción de precios del hardware (PCs). 3. Mejora la seguridad: Al procesarse la mayor parte de la información en el servidor, se evita que esta tenga que ser transmitida por la red, pudiendo ser interceptada, o quede almacenada en los clientes. El control de acceso puede realizarse de forma centralizada. 4. Menos susceptibles a los robos. En entornos públicos poco seguros: bibliotecas, stands de ferias... es menos probable que roben un cliente ligero, pues su coste es bajo, y muchos no tienen utilidad fuera de un entorno cliente-servidor. Ventajas de los clientes pesados: 1. Necesitan menos ancho de banda: Los clientes pesados no necesitan que se les envíe la información de como representar la interfaz de usuario. Ejemplo: Los juegos online. 2. Menores requisitos del servidor: El servidor necesita menos prestaciones al estar distribuidas las necesidades de procesamiento entre los clientes y el servidor. El servicio escala mejor. 3. Mejor rendimiento multimedia: Las aplicaciones con una gran carga multimedia tienen que utilizar clientes pesados ante las dificultades de enviar toda la información multimedia a través de la red. Ej: Al transmitir video, un cliente pesado permite transmitirla utilizando un formato con compresión. Otra clasificación importante de los clientes está relacionada con la especificidad del software utilizado. Existe un conjunto de programas cliente apoyado en tecnologías estándares que se pueden utilizar en la gran mayoría de las aplicaciones. Por ejemplo la navegadores Web, los terminales x11... Página 7 de 11

8 El uso de un cliente estándar en vez de un programa hecho a medida es que tiene las ventajas de reducir el esfuerzo de desarrollo y mantenimiento y proporciona una interfaz de usuario común con otras aplicaciones. Su inconveniente, es que la aplicación debe adaptarse a la funcionalidad proporcionada por el cliente estándar. 5 Tipos de arquitectura cliente/servidor Las arquitecturas cliente/servidor se clasifican según la distribución de funciones que hay entre el cliente y el servidor. Las expondré en orden ascendente de complejidad del cliente. 5.1 Representación distribuida La función del cliente es hace de simple pasarela entre el usuario y el servidor. Proporciona una funcionalidad básica de acceso a los dispositivos de interacción con el usuario como el monitor, el teclado y el ratón y nada más. Por ello, el hardware del cliente puede tener pocas prestaciones (cliente ligero) y todo el trabajo lo realiza el servidor. Tiene el inconveniente de necesitar un gran ancho de banda en caso de utilizar una interfaz de usuario gráfica, tan frecuente actualmente. El motivo es que toda la información de representación debe ser enviada por la red. Ejemplo: Terminal Telnet Pasarela 5.2 Representación remota Mainframe Lógica de representación Lógica de negocio Gestión de datos El cliente realiza más funciones relacionada con la interfaz de usuario. Se encarga de la lógica de representación y de realizar el formateo de los datos introducidos por los usuarios. A pesar de tener más funciones, se puede considerar un cliente ligero. Ejemplo: Los primeros navegadores Web, encargados de representar las páginas html y mostrar formularios. Navegador web con html Lógica de representación Servidor Web Lógica de negocio Gestión de datos Páginas estáticas Página 8 de 11

9 5.3 Lógica distribuida En este caso, el cliente realiza más funciones además de las concernientes a la interacción con el usuario. Realiza parte de las tareas más sencillas de la lógica de negocio, como el control de valores del formulario. Ejemplo: Dentro de esta clasificación encontraríamos las aplicaciones Web actuales, en que el navegador se encarga de representar las páginas Web y de ejecutar la lógica incluida como JavaScript. Navegador web con Html dinámico Lógica de representación Lógica de negocio 5.4 Gestión remota de datos El cliente se encarga de ejecutar la lógica de negocio y de la interfaz de usuario. El servidor realiza la gestión de los datos. Es una arquitectura pensada para poder tener los datos de forma centralizada y nada más. Evidentemente, los clientes son pesados. El ancho de banda depende del tipo de aplicación que sea. Las aplicaciones OLTP Procesado de transacciones online- que son la mayoría, el ancho de banda necesitado es reducido. En las aplicaciones OLAP Procesado Analítico Online el ancho de banda necesario es grande al procesar grandes cantidades de información. Ejemplo: Esta arquitectura de aplicaciones era la común en las aplicaciones empresariales a finales de los 90. Apl. Delphi Lógica de representación Lógica de negocio Gestión de los datos 5.5 Bases de datos distribuidas Servidor Web Lógica de negocio Gestión de datos SGBD Gestión de datos Páginas estáticas En este tipo de arquitecturas, los datos que maneja la aplicación no están centralizados, sino distribuidos entre varios servidores. La aplicación cliente debe gestionar la información de la localización de los datos, además de encargarse de la lógica de representación y la lógica de negocio. Es un cliente pesado. Ejemplo: El cliente de correo en un PC, que mantiene la información de las diferentes cuentas de usuario. Cliente POP3 Servidor POP3 ( Cuenta A ) Lógica de representación Lógica de negocio Gestión de los datos (cuentas) Servidor POP3 ( Cuenta B ) Gestión de datos ( s) Página 9 de 11

10 5.6 Arquitectura N capas En esta arquitectura, diferentes funciones de una aplicación se distribuyen en varias capas y cada capa se puede distribuir en equipos diferentes. La interacción entre capas se realiza siguiendo el paradigma cliente-servidor. Es la arquitectura utilizada actualmente en las aplicaciones Web. Con la distribución en capas se reduce las dependencias entre cada parte de la aplicación y la distribución entre máquinas permite configurar cada equipo para la función especializada a que se someterá. Una aplicación WAP podría tener esta arquitectura Móvil WAP Interficie Servidor Wap Lógica de representación Servidor aplicaciones Lógica de negocio 6 Diseño de arquitecturas cliente-servidor en una organización Es necesario que en una organización exista una infraestructura cliente/servidor normalizada o estándar que evite que se vayan desarrollando soluciones cliente/servidor aisladas, que luego dificulten su integración y gestión. Las infraestructuras cliente/servidor se componen de tres elementos: SGBD Gestión de datos 1. La plataforma operativa. Es el conjunto de software y hardware necesario para que las aplicaciones cliente/servidor estén operativas: software cliente, middleware, sistemas operativos Se debe seleccionar preferentemente el software que ofrezca todos los modelos cliente/servidor que necesite o prevea necesitar la organización. 2. El entorno de desarrollo de aplicaciones. Se selecciona tras la plataforma operativa. Debe permitir un enlace ágil con la plataforma operativa. Se buscan herramientas productivas que creen productos de calidad. 3. La gestión del sistema. La plataforma operativa y las aplicaciones desplegadas en ella necesitan ser gestionada para su correcto funcionamiento. Es necesario tener en cuenta las necesidades de gestión a la hora de diseñar una solución cliente/servidor. Hay que definir una arquitectura completa de forma conceptual, indicando sus componentes funcionales y sus relaciones. Se determina la plataforma operativa que implementará la arquitectura (Servidores,SO, Middleware ). Finalmente se definen las especificaciones para seleccionar o diseñar las aplicaciones que se ejecutarán en la plataforma. Después, al variar las necesidades de la organización, se actualiza la infraestructura y especificaciones estándares de la organización. Página 10 de 11

11 7 Otra arquitectura distribuida La arquitectura C/S es la mejor solución de forma genérica para aplicaciones distribuidas, aunque en ciertos casos existen otras arquitecturas distribuidas mejores. Por ejemplo: La arquitectura Peer to Peer (De igual a igual). En esta arquitectura cada componente tiene las mismas funciones y responsabilidades. Sus principales ventajas son la gran escalabilidad y robustez. Su principal inconveniente es la falta de control y dificultad de administración al ser un sistema descentralizado. Se utiliza en aplicaciones de intercambio de ficheros o de cálculo numérico masivo. Página 11 de 11

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