Arquitectura de sistemas distribuidos

Arquitectura de
sistemas distribuidos
TEMA 1 ARQUITECTURA DISTRIBUIDA A ESCALA INTERNET
1. CONCEPTOS PREVIOS
Existen muchas definiciones de sistemas distribuidos, aunque la más
completa dice así: Un sistema distribuido es una colección de ordenadores
autónomos, enlazados por una red de ordenadores y soportados por un software
que hace que la colección actúe como un servicio integrado.
La escala Internet confiere dificultad a estos sistemas distribuidos, por la
gran cantidad de ordenadores y usuarios conectados, por la dispersión geográfica
de éstos, por la calidad del servicio, la seguridad, autonomía, porqué algunos
ordenadores se conectan y desconectan sin control, etc.
A la hora de diseñar un sistema distribuido, deberemos tener en cuenta
las siguientes características:
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Heterogeneidad: Pueden coexistir distintos tipos de dispositivos
(ordenadores, PDA, etc) con distintos sistemas operativos, hardware y distinto
lenguaje de programación.
Seguridad: Puede existir información valiosa para los usuarios que se está
compartiendo, se pueden usar técnicas de cifrado para que siga siendo lo más
confidencial posible.
Escalabilidad: Debemos poder añadir nuevos recursos, usuarios, etc, evitando
que se pierda el rendimiento y el control; es especialmente perjudicial la
existencia de cuellos de botella que, a la larga, disminuirán el rendimiento del
sistema.
Fallos: El sistema debe ser capaz de detectar la existencia de fallos, funcionar
con el error derivando recursos (tolerar los fallos) y ser capaz de recuperarse
completamente cuando el fallo se haya solventado.
Concurrencia: Debe permitirse acceder a varios usuarios a un recurso
simultáneo (datos) y ser capaz de cambiarlo sin que afecte y de resultados
erróneos.
Transparencia: Ciertos aspectos del sistema están ocultos a las aplicaciones,
como por ejemplo la transparencia de ubicación  acceso a un recurso sin
saber su ubicación.
2. CLIENTE-SERVIDOR
En el modelo cliente-servidor hay dos tipos de procesos, los clientes son
procesos que hacen peticiones de servicio y los servidores proveen esos servicios.
Hay ejemplos híbridos, como por ejemplo un buscador de Internet, que es servidor
de la petición que nosotros podemos hacerle a través de su página web, pero a su
vez es cliente de otros servidores de Internet buscando la información para
nosotros.
Arquitectura multiestrato
La funcionalidad está distribuida entre distintas plataformas u ordenadores,
y hay tres niveles: interfaz de usuario del sistema, capacidad de procesamiento y
gestión de los datos. Dependiendo a qué nivel se sitúen estos tres niveles podemos
tener distintos tipos de arquitecturas:
2 · Arquitectura de sistemas distribuidos
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
Arquitectura de dos estratos: La interfaz de usuario está ubicada en el
cliente, y la gestión de base de datos en el servidor; la capacidad de
procesamiento está repartida tanto entre el cliente como en Arquitecturas multiestrato
el servidor. Así se mejora la usabilidad, escalabilidad y
flexibilidad de las aplicaciones.
Arquitectura de tres estratos: Se sitúa un tercer estrato
entre el cliente y el servidor, encargado de la capacidad de
procesamiento.
Aplicaciones basadas en web
Este tipo de aplicaciones son un caso especial de
arquitectura cliente-servidor. Cuando un usuario hace clic en un
enlace se genera una petición al servidor que pone en marcha
el código CGI, Java, etc y que acaba generando como
respuesta una página en formato web con todos los datos
procesados en el script y que visualizamos directamente en
nuestro navegador en formato HTML.
La gran ventaja de este tipo de aplicaciones es que son
accesibles desde cualquier ordenador que disponga de un navegador web, sin
necesidad de incluir más código o instalar más programas en el cliente, y esta
facilidad y universalidad ha sido uno de los elementos responsables del boom de
empresas en Internet.
3. PUBLICACIÓN-SUSCRIPCIÓN
En el modelo cliente-servidor, cada vez que el cliente Publicación-suscripción
necesita cierta información, la pide o la busca en el servidor;
pero hay servicios en los que esta forma de actuar no es útil.
Por ejemplo, si somos un inversos en bolsa y nos interesan las
cotizaciones del IBEX 35, no podemos estar constantemente
buscando la última cotización y monitorizando si hay cambios o
no.
En este caso, es mucho más útil la publicaciónsuscripción: un productor de información anuncia la
disponibilidad de cierto tipo de información y un consumidor
interesado se suscribe para recibir esta información de la que el
productor periódicamente le va a proveer.
El modo de funcionamiento se detalla en la tabla
adjunta y se caracteriza por:
 Localización: La información no hay que buscarla, ya está
localizada.
 Personalización: Recibimos justo la información que queremos y a la que nos
hemos suscrito.
 Actualización permanente de los datos.
 Reducción del tráfico: El tráfico en la red se reduce ya que no buscamos ni
actualizamos periódicamente los datos como clientes, sino que ya está
localizada y se nos envíe (síncrona o asíncronamente) cuando hay algún
cambio.
4. DE IGUAL A IGUAL
Un sistema de igual a igual (peer-to-peer) se caracteriza por ser un sistema
distribuido en el que todos los nodos tienen las mismas capacidades y
responsabilidades, y en el que toda la comunicación es simétrica. Ejemplo de estos
sistemas son napster, emule, etc, usados frecuentemente para la compartición de
ficheros, pero existen otras aplicaciones como la computación distribuida,
comunicación, colaboración…
Las características de estos sistemas son las siguientes:
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Descentralización: Los distintos iguales (miembros) del sistema son los
propietarios y tienen el control de los datos y recursos de su ordenador, no hay
ningún nodo que tenga una idea completa del sistema.
Escalabilidad: Una consecuencia directa de la descentralización es la mejora
de la escalabilidad, ya que se pueden soportar muchas más operaciones que si
se tiene que recurrir a un nodo que centralizara las operaciones.
Anonimato: Puede haber anonimato de autor (de documentos), de publicador
(no se puede identificar quién publicó o introdujo un determinado documento
en el sistema), de lector, de servidor (no se puede saber en qué servidores se
encuentra un documento), de documento (no se sabe qué documentos tienen
almacenados los servidores), de petición.
Autoorganización: el sistema crece o cambia su organización sin que esta
evolución esté supervisada.
Coste de la propiedad: La propiedad compartida reduce el coste de poseer el
sistema y los contenidos.
Conectividad puntual: Los iguales pueden conectarse y desconectarse del
sistema a voluntad.
Rendimiento: Suele ser una preopcupación en este tipo de sistemas, se
mejora con la reproducción (acerca copias de objetos o ficheros a iguales), uso
de memorias caché (reduce la distancia necesaria para obtener un objeto) y
encaminamiento inteligente (los iguales que se comunican más frecuentemente
que tienen intereses comunes).
Seguridad: A través de cifrados multicalave, derechos digitales, cortafuegos…
Transparencia y usabilidad: Deben funcionar los sistemas de igual a igual
independientemente de la red utilizada, del dispositivo que se conecte, del
sistema operativo instalado…
Resiliencia a fallos: si falla uno o varios componentes del sistema, éste debe
seguir funcionando. Algunos sistemas tienen almacenes temporales que
registran las modificaciones o comunicación y cuando el igual vuelve a estar
activo, recibe las actualizaciones. En otras ocasiones se encolan los mensajes
hasta que los iguales estén disponibles.
Interoperabilidad: Hay muchos sistemas de igual a igual, pero actualmente
ninguno puede interoperar con otro existente, aunque se dan tímidos avances
en este sentido como la red emule y eKad.
5. SISTEMAS DISTRIBUIDOS BASADOS EN EVENTOS
El uso de eventos permite que un objeto pueda reaccionar a cambios que
han ocurrido en otro objeto. Un componente puede anunciar o difundir uno o más
eventos y otros componentes del sistema pueden registrar que están interesados
en este tipo de eventos y, cuando un evento se anuncia, el sistema invoca a todos
los componentes interesados que estén registrados.
Los sistemas basados en eventos tienen dos características principales: son
heterogéneos y son asíncronos. Por ello aunque inicialmente se parezcan a los
sistemas de publicación-suscripción, no tienen nada que ver, dado que los roles son
muy diferentes (en publicación-suscripción están diferenciados, aquí no), la
frecuencia de la información es muy variable (mucho mayor en los sistemas
basados en eventos) y la cantidad también (más elevada la información por
publicación-suscripción que en eventos, que tiende a ser mínima, frecuente, pero
mínima).
6. CÓDIGO MÓVIL
Los sistemas de código móvil pretender usar la movilidad para cambiar
dinámicamente la distancia entre el procesamiento y la fuente de datos o destino
de los resultados, así cambiando de ubicación, un componente puede mejorar la
4 · Arquitectura de sistemas distribuidos
proximidad y la calidad de las interacciones, reducir el coste de las mismas y así,
mejorar la eficacia y la percepción del usuario sobre el rendimiento.
Básicamente se trata de ejecutar partes de código en máquinas distintas,
tanto enviando el código, los datos o una mezcla de ellos:

Evaluación remota: El cliente envía el conocimiento al servidor ubicado en un
ordenador remoto, allí se ejecuta el código recibido con los recursos que tiene y
se devuelve el resultado al cliente. Un ejemplo práctico sucede entre un
procesador de textos y una impresora PostScript.
 Código bajo demanda: El cliente envía una petición a un servidor remoto
para que le envíe el código necesario y el cliente con los datos con los que ya
contaba, ejecuta totalmente y obtiene los resultados esperados. En este caso el
cliente tiene los recursos, pero no el conocimiento necesario. Un ejemplo son
las miniaplicaciones web que bajamos y ejecutamos constantemente desde
nuestros navegadores web, pues las bajamos y ejecutamos en nuestro
ordenador.
 Agentes móviles: Una unidad de computación se nueve a un ordenador
remoto, y se lleva su estado, la parte de código que necesita y los datos
necesarios (si los requiere) para llevar a cabo la tarea. Es una combinación de
las dos anteriores.
En todos los casos la seguridad es importante, la confidencialidad de los datos,
y sobre todo por el hecho de ejecutar código ajeno en nuestro ordenador o enviarlo
a otro para que lo ejecute, es por ello que el cliente y el servidor deben ser de
mutua confianza.
7. TOPOLOGÍAS DE LOS SISTEMAS DISTRIBUIDOS
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Centralizada: Es la que estamos más habituados a ver (primera figura de la
imagen lateral), un nodo servidor contiene la información y los nodos clientes
obtienen la información de este servidor. Es un sistema simple en
administración y consistencia de datos, pero es muy vulnerable a fallos.
En anillo: Se utiliza cuando un servidor se satura porque tiene muchas
peticiones, y consiste en tener un conjunto de servidores conectados entre sí
de manera que se coordinen para tener un estado común, balanceando la
carga y obteniendo un buen resultado frente a fallos (segunda figura de la
imagen lateral).
Jerárquica: (tercera figura) Un conjunto de nodos tiene un nodo superior que
les ofrece la información que éstos necesitan, si un nodo no tiene la
información, la reclama a su inmediato superior. Son sistemas muy escalables y
bastante resistentes a fallos, pero con un punto débil: el nodo raíz.
Descentralizada: Cualquier nodo se conecta a cualquier otro, como podemos
ver en la cuarta figura de la imagen lateral. Son sistemas muy extensibles y
muy tolerantes a fallos, pero son difíciles de administrar y suelen ser bastante
inseguros.
Centralizada y en anillo: Es una topología híbrida, y se comporta como un
sistema centralizado, pero el nodo servidor no es un único ordenador, sino que
está formado por un conjunto de ellos, así el usuario ve un único punto de
conexión pero con las ventajas que ofrece tener un conjunto de ordenadores
que responden a las peticiones de los clientes. Es una combinación simple pero
potente.
Centralizada y descentralizada: Este tipo de topología intenta que cualquier
nodo puede relacionarse con cualquier otro, que es la principal desventaja de
las topologías descentralizadas. Así con cierta centralización se aporta sencillez
a la hora de conseguir coherencia dentro del sistema, aunque sigue siendo
difícil de administrar y bastante inseguro.
Topologías de los sistemas
distribuidos: Centralizada,
en anillo, jerárquica,
descentralizada,
centralizada y en anillo, y
centralizada y
descentralizada.
Arquitectura de sistemas distribuidos · 5
TEMA 2 CONCEPTOS DE SISTEMAS DISTRIBUIDOS
Tema 2
Conceptos de sistemas
distribuidos
1. La observación de un sistema
distribuido
2. Tiempos y relojes
3. Tolerancia a fallos
4. Comunicación en grupo
1. LA OBSERVACIÓN DE UN SISTEMA DISTRIBUIDO
Un sistema distribuido está formado por personas, máquinas, procesos,
agentes situados en lugares distintos. Puede entenderse de manera abstracta como
un conjunto de procesos que cooperan para solucionar un problema
intercambiando mensajes.
Y éste último punto es el que hace imposible la observación fotográfica de
un sistema distribuido, es decir, no es posible poder construir una imagen del
sistema en un momento dado, ya que varios procesos nunca se pueden observar a
la vez y, por tanto, no se pueden hacer afirmaciones sobre el estado global del
sistema.
El efecto relativista ocurre en Internet todos los días: velocidad de
propagación menor, datos que circulan formando colas y sufriendo retrasos para
atravesar routers, datos que se pierden porque una cola rebosa o un bit cambia de
valor por error, datos desordenados que tardan en ser procesados por la carga del
servidor, etc.
2. TIEMPOS Y RELOJES
Es necesario en todo sistema distribuido medir el tiempo y saber con la
mayor exactitud el momento en el que ocurrió un evento determinado: es
necesario sincronizar el reloj del computador con una fuente de referencia externa.
Cada computador tiene su reloj propio, con valor temporal que varía de manera
distinta y que requiere un ajuste continuo para que todos los computadores de un
sistema tengan un valor de tiempo aproximadamente igual. Por medio de
intercambiar mensajes, los relojes de varias máquinas se pueden coordinar entre
éstas, teniendo en cuenta el tiempo de ida y vuelta del mensaje, se puede ajustar
el reloj local sin dar saltos, es decir, acelerándolo o ralentizándolo durante un
período de tiempo hasta que incorpore el ajuste.
Así si sabemos el Treal y el Tdespl, los valores para ajustar el reloj de un
computador en N ciclo, según el método Christian, serían:
A = (Treal – Tdespl) / N
B = Tdespl – (1+a) h
Además, si en una red local solo hay un servidor al que consultar el tiempo, puede
ser problemático en caso de fallos y por eso se suelen usar mecanismos de
sincronización con varias referencias de tiempo: el algoritmo de Berkeley permite
que una máquina pregunte el tiempo a otra e incorpore los ajustes necesarios con
tolerancia a fallos y envía a cada máquina del conjunto el ajuste de reloj que
necesite; el protocolo de tiempo en red permite que una máquina puede ajustar su
hora por Internet.
Otra forma de actuar son los relojes lógicos que en lugar de usar la hora,
determinan el orden relativo de ocurrencia de dos eventos; es decir, se trata de
contadores de eventos que siempre aumentan y que no tienen relación con el reloj
físico. Así cada proceso P tiene un reloj lógico L que se usa para marcar el tiempo
virtual en el que se ha producido un evento. Las relaciones importantes entre
eventos y relojes lógicos son las siguientes:


Procedencia: si dos eventos e1 y e2 se dan ene el mismo proceso P, el orden
es claro para todo el sistema e1 e2. El envío de un mensaje ocurre antes de
la recepción envio(e1) recepción(e1); y si e1, e2 y e3 son eventos que e1
e2 y e2e3 entonces por transitividad e1e3.
Concurrencia: (||) entre eventos, cuando dos no están relacionados por  no
hay una relación causal
6 · Arquitectura de sistemas distribuidos
La ordenación causal de eventos captura en muchos casos la información
esencial para describir una ejecución, pero como hay un reloj Lamport para cada
proceso, y comparando su valor en dos mensajes que nos llegan, no podemos
concluir si uno precede al otro o son concurrentes, para esto se inventaron los
relojes vectoriales.
3. TOLERANCIA A FALLOS
Podría esperarse que la fiabilidad de un sistema distribuido dependiera de
la fiabilidad de sus componentes, pero no es así, ya que un sistema distribuido está
formado por componentes que interactúan y nuestro objetivo de funcionamiento es
no fallar cuando falla un componente, sino funcionar con componentes averiados o
en mantenimiento.
Una forma tradicional y sencilla, aunque cara de obtener este objetivo es
tener el sistema replicado, aunque es posible obtener tolerancia a fallos a partir de
hardware sin replicar y una capa de programas que ofrezcan un modelo de
programación y algunos servicios esenciales para programar aplicaciones
distribuidas tolerantes a fallos. Varios de estos servicios son los siguientes.
La gestión de replicación tiene lugar cuando se replican los datos en
varios servidores y es necesario saber quién gestiona qué y como se gestionan
estas réplicas. Hay dos tipos de operaciones, las de servidor a servidor (sirven para
ajustar el rendimiento, prevenir y reaccionar ante fallos) y las de cliente a servidor
que se pueden encontrar varios casos:


Copia disponible: (leer uno, escribir todos). Las actualizaciones se aplican a
todas las copias, y las lecturas se hacen de cualquier réplica.
Votación: Cada réplica tiene uno o más votos, cada operación recolecta votos
de las replicas hasta conseguir quórum y, entonces, se aplicará la operación.
La detección de fallos puede asumir varios tipos de fallos:


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Fallo y parada: un proceso funciona bien, y de pronto se para, es el modelo de
fallo más fácil de detectar.
Funcionamiento erróneo: todo parece ir bien hasta que se empiezan a percibir
resultados erróneos; es un fallo peligrado pues es difícil detectar la situación y
desde cuando se llevan cometiendo errores.
Sistema más lento: todo parece funcionar, pero la velocidad general del
sistema va decreciendo paulatinamente.
Una manera de simplificar todos estos fallos es disponer una capa de software
que vista todos los fallos como si fueran paradas. Así que se trata de preguntar a
los procesos para verificar que no están funcionando erróneamente, y si se
ralentizan o dan errores, se les considera parados y se les ignora.
La gestión de grupos de procesos se hace enviando mensajes a todos los
miembros del grupo para comprobar que todo funciona bien, pero existen según el
número de miembros varias técnicas:


Enviar el mensaje a un proceso que gestiona y grupo y éste se encarga de
reenviarlo a todos los miembros; este proceso se convierte en un punto débil,
que si falla, falla la comunicación con todo el grupo.
El proceso que quiere enviar pide primero la lista de miembros al proceso que
gestiona el grupo, y el emisor manda el mensaje a cada destinatario; el
problema es que si el número de miembros aumenta o disminuye desde que se
pide la lista hasta que se envía el mensaje, la entrega a todos los miembros
puede no ser correcta.
Arquitectura de sistemas distribuidos · 7

Una lista compartida entre emisores y algoritmo de cardinalidad; los mensajes
se entregan cuando el número de miembros no varía y nos aseguramos que
todos reciben el mensaje.
La entrega de mensajes es esencial para garantizar ciertas propiedades del
sistema. Así nos aseguramos de determinar la fiabilidad, orden y latencia.



Fiabilidad: Determina qué procesos pueden recibir una copia del mensaje, y
cada participante tendrá que guardar información de estado y una copia de los
mensajes, para ofrecer atomicidad (a todos los miembros del grupo o a
ninguno), fiabilidad (a todos los miembros en funcionamiento), quórum (a una
fracción del grupo), intent (a cada miembro del grupo, pero ninguno garantiza
haber recibido el mensaje).
Orden: Cada receptor tendrá una cola de entregas que reordenará según
restricciones: total causal (en el mismo orden a cada uno respetando el orden
de causalidad), total no causal (a todos los miembros sin tener en cuenta el
orden causal), causal (respetando las relaciones causales), FIFO (en orden
desde cada uno, pero los mensajes provenientes de otros pueden llegar en
cualquier orden) y desordenado.
Latencia: los procesos que se comunican deberán tener en cuenta la latencia
elegida para determinar si un mensaje se ha entregado correctamente o no:
síncrona (comienza y se completa en tiempo limitado inmediatamente),
interactiva (comienza inmediatamente, pero no tiene tiempo limitado), limitada
(los mensajes pueden encolarse o retrasarse, pero hay un tiempo límite para
recibirlos) o eventual (los mensajes se pueden encolar o retrasar pero no hay
tiempo límite para la entrega).
Las transacciones en presencia de fallos para saber que se ha ejecutado
correctamente y se ha entregado de forma atómica a todos los miembros del grupo
puede requerir varias rondas de comunicación: una primera en la que el emisor
Transacciones en presencia de fallos
propone la operación y recoge el acuerdo de los
receptores. Si todos están de acuerdo, el emisor
confirma de nuevo a todos que la operación se puede
llevar a cabo (o notifica que se cancela) y por último
puede haber una tercera ronda en que los receptores
pueden confirmar que han podido llevar a cabo la
operación y el emisor comunica a todos los receptores
que la operación ha ido bien.
Con todo ello observamos que la entrega de
un solo mensaje a tres destinatarios con ciertas
garantías, como en la figura lateral, puede generar
mucho más que los tres mensajes que inicialmente
podríamos imaginar que se requerirían.
4. COMUNICACIÓN EN GRUPO
Una forma segura que evite todos los inconvenientes mencionados
anteriormente sería un modelo de cuasisincronía en la que los eventos duran
internos, envios, recepciones y cambios de cardinalidad, donde los mensajes fueran
de difusión selectiva a grupos de procesos, donde cualquier pareja de procesos
recibe los eventos en orden total y causal y donde una difusión selectiva se entrega
a todos los miembros: el vento de entrega y recepción concurren al mismo tiempo.
Es una imagen bonita pero irrealizable, la cuasisincronía es imposible en
presencia de fallos, pues los fallos no se puede programar para que no ocurran
durante las entregas; además el sistema avanza paso a paso, tan lento como el
más lento de los procesos y una operación que bloquease el sistema, cuando lo
desbloquease, seguramente se seguiría de otra que lo volvería a bloquear, por ello
es mucho más realizable y realista hablar de sincronía virtual.
8 · Arquitectura de sistemas distribuidos
En este orden de cosas se sitúa ISIS, es un entorno de programación de
sistemas tolerante a fallos que ofrece este modelo de sincronía virtual, se consigue
con ello cierto equilibrio entre velocidad del sistema y tolerancia a fallos.
Arquitectura de sistemas distribuidos · 9
TEMA 3 REPRESENTACIÓN DE DATOS
Tema 3
Representación de datos
1. Antecedentes: el hipertexto
2. Hojas de estilo HTML
3. XML
4. XHTML
5. XSLT
1. ANTECEDENTES: EL HIPERTEXTO
La publicación de páginas mediante HTML ha sido muy útil durante muchos
años, pero su principal virtud, que es su publicación por Internet, se convierte
tiempo después en su principal defecto, pues quizá nos interesaría optimizar
páginas para pantallas de ordenador, pero también para teléfonos móviles,
mediante archivos de voz, para dispositivos sin teclado o con pantalla táctil, etc. La
familia de aplicaciones XML ofrece varias ventajas en su lugar:




EN XML se puede escribir información estructurada independiente de la
presentación.
Los documentos XML se pueden asociar a información de presentación que
puede particularizarse para cada medio de presentación (hojas de estilo).
Los documentos XML se pueden transformar en otros documentos XML o de
otro tipo.
Se pueden expresar operaciones y secuencias de interacción complejas,
específicas para comunidades de personas, denominadas vocabularios.
2. HOJAS DE ESTILO HTML
Dos de los problemas más importantes que tiene el lenguaje HTML son que
la información de formato y estructura está mezclada y que la variedad de maneras
aceptables de expresar una marca es elevada, ya que los pequeños errores siguen
siendo bien interpretados por la mayoría de los navegadores de Internet.
El primer problema se soluciona con las hojas de estilo en cascada (CSS)
que podemos aplicar sin problemas en el lenguaje HTML actual; el segundo, en
cambio, requiere un nuevo lenguaje más estricto basado en XML: el XHTML.
Suele ser recomendable dejar toda la información de estilo de un sitio web
completo en u documento aparte, compartido por todos los documentos HTML; así
un cambio en el documento de estilo afectará inmediatamente a todos los
documentos que usen ese estilo. Se les llama hojas de estilo en cascada o
superpuestas porque a un mismo documento se le pueden aplicar varios estilos
antes de ser presentado, siendo el orden de aplicación el siguiente:
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Declaraciones importantes del autor.
Declaraciones importantes del lector.
Declaraciones normales del autor.
Declaraciones implícitas (atributos HTML) del autor.
Declaraciones normales del lector.
Valores por defecto del agente de usuario (navegador).
Estas hojas en cascada crecen y evolucionan con la web, pero a pesar de ello, el
lenguaje HTML está limitado desde el comienzo para la representación de páginas
web; en éstas y otras muchas situaciones es necesario un lenguaje para
representar datos estructurados: el XML.
3. XML
El lenguaje XML (extensible markup language) es el formato universal para
documentos estructurados y datos en la web. Un documento XML puede ser
perfectamente presentado en la web con formato tanto de forma como de
contenido, y además una persona o un programa podrán automáticamente obtener
datos del mismo que pueden ser de nuevo procesados.
10 · Arquitectura de sistemas distribuidos
Por tanto XML puede servir para representar y transportar
información estructurada como la que se puede guardar en una base de datos,
también sirve para representar información.
El XML es más restrictivo que el HTML, pero se permite que diferentes
comunidades pueden intercambiar documentos siempre que se pongan de acuerdo
en el nombre de los elementos a incluir y la forma de organizarlos; varias
organizaciones han definido su propio vocabulario (nombres de elementos y
atributos particulares) y conjuntos de restricciones para construir documentos
aceptables dentro de su comunidad.
También XML puede combinar elementos o atributos definidos por
varias comunidades, así el mecanismo de declaración de espacios de nombres
permite asociar un prefijo a cada espacio de nombres o incluso definir el espacio de
nombres por defecto para no tener que escribir constantemente el prefijo.
La función de los esquemas XML es definir y restringir el contenido y
estructura de documentos XML expresado en XML y, por tanto, sustituir los DTD
(herencia de SGML) por esquemas XML. Un esquema XML resulta bastante más
largo que un DTD, pero a cambio, la verificación de los datos es más rigurosa y la
exportación e importación de datos es más sencilla para cualquiera que use un
procesador de documentos XML que previamente valide el documento contra un
esquema.
4. XHTML
XHTML es la formulación de HTML 4.01 en lenguaje XML 1.0; el objetivo es
reducir la complejidad que supone procesar documentos HTML y que hace difícil
incorporar un navegador a un dispositivo de capacidad reducida. Se trata de
“limpiar” HTML, de crear una nueva base para modularizar y extender el lenguaje,
de facilitar que nuevos dispositivos puedan “navegar” por la web, pero sin romper
con HTML.
5. XSLT
Es un lenguaje para expresar hojas de estilo; un documento que describe
cómo mostrar un documento XML de cierto tipo. Tiene 3 partes:



Transformaciones XSL: un lenguaje para transformar documentos XML
(representados como una estructura de datos arborescente).
El lenguaje de caminos (XPath): un lenguaje de expresiones que usa XSLT para
acceder a partes de un documento XML o referenciarlas.
Objetos de formato XSL: Un vocabulario XML para expresar el formato de
presentación de un documento, que define objetos y propiedades del formato
de un documento y sus componentes.
El lenguaje XSL es muy extenso y sigue evolucionando.
Arquitectura de sistemas distribuidos · 11
TEMA 4 MECANISMOS DE INVOCACIÓN
Tema 4
Mecanismos de invocación
1. El mecanismo de invocación
remota
2. Codificación de datos para el
intercambio
3. Formatos de codificación de
datos
4. Invocación de operaciones
remotas (RPC)
5. Tipos de protocolos RPC
1. EL MECANISMO DE INVOCACIÓN REMOTA
El mecanismo fundamental de construcción de programas se basa en la
invocación de trozos de programa entre la memoria y el procesador con la
mediación del bus PCI. Resulta tentador extender este modelo para la invocación
entre máquinas diferentes y sustituyendo el bus PCI por la red. Sería además ideal
que la separación no se notara, que fuese transparente, pero es difícil dado que la
red tiene un comportamiento más complejo que el bus interno de un PC: se
pierden, desordenan, duplican paquetes y, a veces, la red falla.
La separación entre la máquina y el proceso que solicita un servicio y quien
realmente lo lleva a cabo da pie a introducir nuevas variantes o parámetros como la
arquitectura (tamaño y organización de los datos), lenguaje de programación,
sistema operativo de ejecución (puede ser diferente entre las dos máquinas), etc.
En general se tratará de pasar toda la información, lo más encapsulada y
comprimida posible, pero siendo entendida por las dos máquinas que actúan como
cliente y servidor respectivamente.
2. CODIFICACIÓN DE DATOS PARA EL INTERCAMBIO
Cualquier mecanismo de invocación remota necesita pasar datos por la red
en forma de secuencia de octetos. Obviamente hay que acordar un mecanismo de
codificación (el emisor) y una interpretación de los datos recibidos (receptor).
El problema es más complejo de lo que parece a priori: hay que definir qué
tipos de datos se van a utilizar (enteros, caracteres, reales), el orden en que se van
a enviar estos datos, repertorio o juego de caracteres a utilizar. Es decir, hay que
representar “en serie” un conjunto de datos que inicialmente no estaban pensados
para este tipo de representación y además si es posible, debemos intentar
compactarlo tanto como sea posible para disminuir el tráfico en la red y mejorar la
velocidad de ejecución. Hay varios formatos para reducir la complejidad y el coste
de los datos:




Enviar en el formato interno del emisor o transformar los datos en el formato
interno del receptor. En cualquiera de los dos casos el problema es complejo
pues uno de los extremos no debe hacer nada y el otro debería conocer como
representar los datos para cualquier arquitectura, no parece una solución
viable.
Enviar en forma canónica intermedia que debe ser conocida por cada
computador.
No conversión si los dos computadores son similares. Es decir en el caso
anterior si los dos computadores son iguales, estamos haciendo dos
conversiones innecesarias.
En el formato del emisor incluyendo una indicación del formato, para que el
receptor a la llegada de los mismos, pueda convertirlos.
Otro aspecto interesante es el endian, el orden de representación de datos de
varios bytes de longitud. Puede ser de dos tipos:


Little-endian: el byte menos representativo se guarda en la dirección de
memoria menor, son little-endian los Pentium, el sistema operativo Windows y
distintos tipos de archivos; su ventaja es que las operaciones matemáticas son
más fáciles de hacer porque el primer byte que se encuentran es el más
pequeño y a partir de ahí en orden creciente, se van encontrando los siguientes
bytes para operar.
Big-endian: El byte más significativo se guarda en la dirección de memoria
menor. Son de este tipo los procesadores motorola, el superSparc de Sun, el
12 · Arquitectura de sistemas distribuidos
sistema operativo Macintosh y sirve para saber rápidamente si un número es
positivo o negativo, se guarda tal como se escribe.
Cada valor de datos necesita una etiqueta que aporta información para
delimitar e identificar el valor, suele indicar el tipo de valor, la longitud o la
arquitectura (endian).
Otra duda es la codificación textual o binaria; con la primera todo se
convierte a texto, es una opción muy legible y se prefiere por su facilidad para
analizar por si algo falla, pero tiene el inconveniente que se usan muchos bits de
información para expresar algo corto y por tanto la velocidad de ejecución y la
transmisión por la red se resienten.
Por el contrario, con la codificación binaria no se busca legibilidad, sino
eficiencia, minimizando el número de bits que ocupa la información y así
minimizando el tiempo de conversión de datos.
Para delimitar los elementos a codificar hay varios opciones habituales:




Longitud fija: es compacta e inflexible, precisamente el efecto 2000 Formas de delimitar datos
se debió a este tipo de codificación. Solo es recomendable para datos
que tengan siempre la misma longitud, pues en otro caso o
desperdiciamos mucho espacio o corremos el riesgo de no poder
expresar algún dato.
Por longitud: Se debe conocer la longitud con antelación y así al
receptor lo primero que le llega es la medida exacta del dato, lo malo es que el
emisor debe recorrer todo el dato para poder enviar esta información lo
primero de todo.
Delimitada: En lugar de calcular la longitud, se reserva un símbolo para separar
datos (en el ejemplo lateral es “;”.
Por longitud a fragmentos: Cuando se desconoce la longitud total del dato se
utiliza para ser menos lesivo para el emisor; esto posibilita que los datos
comiencen a emitirse antes y que el productor pueda ahorrar memoria
dedicada a mantener datos preparados para el envío.
Como ya hemos dicho anteriormente, para expresar los datos solemos
necesitar una etiqueta que distingue su presencia del resto de datos, la longitud del
mismo (si no se usan delimitadores) y el valor que tiene. En general, para
minimizar la información que se envía por la red podemos usar varios mecanismos:



Si todos los datos de un conjunto aparecen siempre y en el mismo orden, la
etiqueta se puede omitir.
Si la longitud la conocen de antemano los participantes en la comunicación,
también se puede omitir.
Si los participantes conocen de antemano el valor por defecto que suele tomar
el dato, también se puede omitir.
3. FORMATOS DE CODIFICACIÓN DE DATOS
Tenemos varios formatos para codificar los datos que
estudiaremos a continuación: XML (el único textual, el resto son
binarios), XDR, ASN.1, Network data representation, Common data
representation y serialización de objetos java.
XML
Es el único sistema que representa datos en forma textual, no siendo
una representación nada compacta (como se ve en la tabla lateral), pero
sí que muy informativa y fácil de entender.
XML
<?xml version=“1.0”?>
<methodCall>
<methodName>buscar</methodName>
<params>
<param>
<value>
<struct>
<member><name>nombre</name><value>Juan
</value></member>
<member><name>edad</name><value><i4>
42 </i4></value></member>
</struct></value></param>
</params></methodCall>
Arquitectura de sistemas distribuidos · 13
External data representation (XDR)
Soporta todos los tipos del lenguaje C, define la forma canónica
intermedia, no usa etiquetas y utiliza big-endian.
XDR
Abstract suntax notation 1 (ASN.1)
Su formato es [etiqueta, longitud, valor], si ocupa menos de 127 bits,
ocupa 1 byte, utiliza big-endian.
Network data representation
Adoptado por Microsoft para invocación remota binaria; el emisor envía en
su orden endian preferido y el receptor se encargará de arreglarlo, las
etiquetas se indican en cada mensaje, pero los datos no las llevan.
Common Data Representation
Common data representation (CDR)
Definido en Corba 2.0 permite representar tanto big como little-endian.
Los valores se transmiten en el orden del emisor: se envía etiqueta de
arquitectura, pero no se envían etiquetas de tipo pues es implícito: el
emisor y el receptor ya lo han acordado previamente.
Serialización de objetos Java
Es específico para el lenguaje Java.
En general la ventaja principal de XDR es su simplicidad, pues usa enteros
de longitud fija y todos los datos ocupan múltiplos de 4 bytes, los más pequeños se
redondean con bits a 0.
CDR es más complejo que XDR y permite seleccionar entre big y little
endian, lo que permite ahorrar conversiones entre máquinas.
ASN.1 es más ineficiente en espacio y codificación; el mecanismo de
empaquetado de tipos y longitudes hace que requiera más instrucciones para
procesar los datos.
Por último, XML ocupa mucho más espacio, el código para (des)codificar es
más complejo y lento, pero su forma textual hace que sea muy fácil de depurar.
4. INVOCACIÓN DE OPERACIONES REMOTAS (RPC)
La invocación de operaciones remotas exige un protocolo mucho más
ordenado que a nivel local, y suele tener 4 fases:




Recogida del proceso.
Envío de los datos por la red.
Selección del proceso.
Invocación de la petición
Y todo esto x2 para devolver los resultados, claro. Esta comunicación podría
realizarse por TCP pero como tiene bajo rendimiento para transferencias breves no
sabemos si es lo más adecuado.
Los principales problemas que surgen al convertir una llamada local en
remota son:


Gestión de la memoria y referencias: Todo esto es muy problemático, en
especial los apuntadores. Estas referencias a espacios de memoria local que a
veces no tienen longitud definida son poco propensos a ser eficientes en
invocaciones remotas.
Tratamiento de errores: Puede fallar además del cliente, la red o el servidor,
y el cliente debe poder reaccionar, reenviando la información si el fallo es
temporal o informando del error cuando no se pueda solucionar. El tratamiento
de estas situaciones se hace con construcción de excepciones, como en Java o
C++.
14 · Arquitectura de sistemas distribuidos

Garantías de ejecución: No es lo mismo que la invocación falle a la ida, que
falle a la vuelta. Para diferenciarlas se pueden ofrecer garantías de entrega.
5. TIPOS DE PROTOCOLOS RPC
RPC:





Veamos algunas características muy someras de los distintos protocolos
ONC-RPC: Basado en los tipos de datos del lenguaje C, se ha popularizado por
su uso en NFS.
Corba, DCOM: Desarrollado por la Open Software Foundation y adoptado por
Microsoft.
RMI (Remote method invocation): Es el mecanismo de invocación remota de
Java, y sirve para indicar métodos de otros objetos dentro de la misma o en
otra máquina virtual; en este último caso los objetos deben declarar que
implementan
la
interfaz
remote
y
también
la
excepción
java.rmi.remoteException para el tratamiento de excepciones. Es el método
más sencillo porque originariamente ya estaba pensado para la invocación
remota y es un método muy homogéneo
HTTP (Invocación sobre web): Fue concebido como un mecanismo de
petición/respuesta en el que se intercambian mensajes y se invocan métodos
predefinidos (get, put…). Con la aparición del servidor HTTPD se definió un
mecanismo simple CGI (interfaz común de pasarela) para invocar distintos
comandos al estilo Unix.
SOAP (Simple object access protocol): Es un protocolo para intercambiar en la
web datos estructurados y con tipo asociado; puede combinarse con protocolos
y formatos como MIME, SMTP y HTTP, para aplicaciones como RPC y
mensajería.
Arquitectura de sistemas distribuidos · 15
TEMA 5 ARQUITECTURA DE APLICACIONES WEB
Tema 5
Arquitectura
web
de
aplicaciones
1. Características de la demanda
de páginas web
2. Organización de las
aplicaciones en servidores web
3. Servidores Proxy-caché web
4. Contenidos distribuidos
Distribución de Zipf
Logarítmica y lineal
1. CARACTERÍSTICAS DE LA DEMANDA DE PÁGINAS WEB
El tráfico web es el responsable de un buen porcentaje del tráfico en
Internet (73%) y no parece que vaya a tender a disminuir; pero lejos de ser un
flujo de tráfico constante es muy voluble y cambiante. Un mismo sitio puede recibir
muy pocas visitas durante mucho tiempo y, de repente, recibir más peticiones de
las que puede servir (tráfico a ráfagas); además dentro de un mismo sitio web, la
frecuencia de acceso a documentos sigue la distribución de Zipf, que fija
logarítmicamente esta distribución, pero que a grandes rasgos indica que unos
pocos documentos copan casi todos los accesos, mientras que la mayoría apenas
son visitados; podemos observar en la figura lateral esta distribución de
popularidad de Zipf en su formato logarítmico y lineal.
Como resumen podemos decir que los distintos estudios del tráfico en web
han arrojado las siguientes caracteríticas





El tamaño medio de un objeto es de 10-15 Kbytes, aunque también existen
documentos de varios Megabytes pero comparativamente son los menos.
La mayoría de los accesos a la web son por objetos gráficos.
Una página html incluye una media de 10 imágenes y múltiples enlaces a otras
páginas.
El tráfico web es a ráfagas, por lo que valores medidos con medias durante
decenas de segundo son poco fiables.
Se cancelan un 5-10% de los accesos web antes de finalizar.
Es importante probar el rendimiento de un servidor para comprobar que
todo funciona correctamente; así evitaremos la degradación del servicio (responde
muy lentamente por exceso de peticiones o tráfico) o situaciones críticas
(sobrecargas que hacen que no responda). Para esto la mayoría de los servidores
web disponen de herramientas de visualización y archivos log que almacenan todos
los sucesos y peticiones que reciben.
2. ORGANIZACIÓN DE LAS APLICACIONES EN SERVIDORES WEB
La organización de un servidor web requiere conocer algunos términos:



Proceso: La unidad más pesada de la planificación de tareas que ofrece el
sistema operativo. No comparte espacios de direcciones ni recursos
relacionados con ficheros.
Flujo: La unidad más ligera de planificación de tareas que ofrece el sistema
operativo. Como mínimo hay un flujo por proceso, y si hay más de uno,
comparten la misma memoria y recursos de archivo.
Fibra: Flujos gestionados por el usuario con cambios de contexto en
operaciones de entrada/salida.
Ahora bien, se pueden combinar procesos, flujos y fibras de forma única o
múltiple, dependiendo del tipo de servidor web que queramos construir. En
general, los modelos con muchos procesos son costosos de memoria y de carga; en
servidores de alto rendimiento, los modelos con flujos parecen mejores porque son
muy rápidos atendiendo peticiones, aunque son poco portables. En máquinas con
un único procesador los modelos con un solo flujo funcionan bien, en máquinas
multiprocesador, es necesario usar múltiples flujos o procesos para aprovechar el
hardware.
En definitiva, como todo depende del hardware que tengamos y del tipo de
servidor web que queramos montar, lo mejor es decantarse por un software
16 · Arquitectura de sistemas distribuidos
modular, como Apache 2.0 que permite con su módulo de gestión de procesos
seleccionar en la instalación el tipo de modelo que queramos ejecutar.
Como modelos de organización encontramos:



Organización de aplicaciones web
CGI – FastCGI - APIs - Servlet Java
CGI: Common gateway interface, es la interfaz común de
pasarela, un estándar para proporcionar una interfaz web a
programas que se ejecutan en cada petición. Cada petición recibe
los datos de entrada por la entrada estándar y genera una
respuesta por la salida estándar. Es un procedimiento que
consume muchos recursos y es lento.
FastCGI: Pretendía resolver problemas de velocidad y recursos,
principalmente permitiendo que un solo proceso cargado vaya
sirviendo peticiones sin descargarse. Los CGI y FastCGI no
pueden interactuar con el corazón del servidor (por ejemplo
generando logs), para lo que existen alternativas como las APIs
de extensión de cada servidor, que son muy prácticas, pero son
extensiones no portables (únicas para cada servidor), con
complejas de desarrollar y mantener, e introducen riesgo de
seguridad en el servidor.
Servlet Java: Es una extensión gráfica del servidor que se puede
cargar dinámicamente en éste para extender la funcionalidad del
servidor web. Son portables, potentes, eficientes, seguras y se
integran perfectamente con el ervidor.
3. SERVIDORES PROXY-CACHE WEB
Un Proxy es un servidor intermediario que acepta peticiones http de
clientes u otros intermediarios y genera a su vez peticiones hacia otros
intermediarios o hacia el servidor web destino. Actúa como servidor del cliente y
como cliente del servidor.
Aprovechando que tanto la petición del cliente como el resultado del
servidor pasan por este intermediario, se puede aprovechar para ofrecer algunas
funciones:




Control de acceso a contenidos: El Proxy consulta que la página solicitada esté
permitida por la organización.
Control de seguridad: El intermediario genera peticiones que salen a Internet,
lo que oculta información y evita ataques directos sobre las máquinas internas
de la organización.
Adaptar el contenido: Puede también adaptar los objetos que vienen del
servidor a las características del cliente: teléfonos móviles, PDA, ajustando el
tamaño y peso de los objetos.
Aprovechar peticiones reiteradas: y ser usado como Proxy-caché, que es lo que
más frecuentemente se hace. El intermediario guarda una copia de los objetos
pedidos al servidor, así se puede ahorrar tráfico y peticiones al servidor,
sirviéndolas directamente cuando se le vuelvan a pedir.
Como esta última función se ha extendido mucho, se define una nueva
cabecera en el entorno http para controlar este tipo de peticiones, por ejemplo que
un determinado objeto no sea almacenable, definir el tiempo de almacenamiento
del objeto (expiración), petición obligatoria del objeto al servidor, etc.
Su uso puede producir una reducción del tráfico de la red y en el tiempo de
espera del usuario para recibir los contenidos; actualmente los Proxy-caché son
objetos pasivos, pero se han propuesto mejorar para hacerlos más activos:
acumular documentos de interés en horas de bajo tráfico para tener el contenido
preparado en las horas de tráfico pico; traer páginas de Internet que con gran
probabilidad un usuario va a consultar a continuación, etc, pero estos futuros
Arquitectura de sistemas distribuidos · 17
cambios quizá solo supongan un malgasto de los recursos de comunicación sin
llegar a ser realmente efectivos y prácticos.
Cuando varios Proxy-caché cooperan se forma una jerarquía, y si están al
mismo nivel hablamos de hermanamiento; quizá un Proxy-caché no contenga un
documento que se le ha pedido y en lugar de pedirlo al servidor, lo pida a un
hermano. El problema es que si un Proxy-caché tiene muchos hermanos, genera
tantas peticiones como hermanos tiene y puede suponer una mayor saturación de
la red en un intento por ahorrar; un intento de solucionarlo es utilizar los llamados
caché-digest, es una tabla hash con la información de qué objetos hay en la
memoria de trabajo de cada Proxy y que los hermanos piden periódicamente entre
sí para estar actualizados, así cuando tienen una determinada petición, se la hacen
al hermano que ya saben que tiene la respuesta.
El problema que aparece ahora es que es muy posible que muchos hermanos
guarden la misma información, porque ya sabemos que las peticiones siguen la
distribución de Zipf. Para solucionarlo a su vez apareció el CARP (Caché array
routing protocol), que mediante una función de hash se calcula a qué servidor pedir
determinada información, con lo que el contenido no se repite en todos los Proxycaché. CARP tiene problemas cuando aparece o desaparece un servidor Proxycaché ya que debería cambiar el algoritmo de elección y los contenidos que antes
se pedían a un servidor determinado, ahora se repartirá entre otros.
4. CONTENIDOS DISTRIBUIDOS
Las aplicaciones que ofrecen contenidos en Internet se enfrentan al reto de
la escala: un solo servidor ante eventualmente millones de personas que pueden
pedirle sus servicios todos a la vez: el proveedor de información debe poner tantos
recursos como audiencia pueda tener. Para poder abarcar toda la audiencia, existen
diferentes métodos para repartir peticiones entre distintas máquinas:





Espejos o mirrors con un programa que redirige la petición http a la mejor
réplica.
Hacer que el servicio de nombres DNS devuelva diferentes direcciones IP.
Redirección en el nivel de transporte: un encaminador mira los paquetes IP de
conexiones TCP hacia un servidor web y las redirige a la máquina interna
menos cargada.
Redirección en el nivel de aplicación: un encaminador mira las conexiones http
y puede decidir a qué réplica contactar en función del URL solicitado.
Mandar todas las peticiones a un Proxy interno que responda o con contenido
previamente guardado en la memoria o que pase la petición a uno o varios
servidores internos.
Las redes de distribución de contenidos (CDN) son empresas que han
instalado máquinas en muchos lugares del mundo y algoritmos para decidir qué
máquina es la más adecuada para atender peticiones según la ubicación del cliente
y la congestión de la red.
Texto elaborado a partir de:
Arquitectura de sistemas distribuidos
Leandro Navarro Moldes, Joan Manuel Marquès i Puig
Junio 2006