Arquitecturas software para la nube

Objetivos

De la asignatura

  • Conocer los conceptos relacionados con el proceso de virtualización tanto de software como de hardware y ponerlos en práctica.
  • Justificar la necesidad de procesamiento virtual frente a real en el contexto de una infraestructura TIC de una organización.
  • Optimizar aplicaciones sobre plataformas virtuales.
  • Conocer diferentes tecnologías relacionadas con la virtualización (Computación Nube, Utility Computing, Software as a Service) e implementaciones tales como Google AppSpot, OpenShift o Heroku.

Específicos

  1. Comprender los ecosistemas de despliegue de aplicaciones modernos y su relación con la nube.
  2. Entender las diferentes arquitecturas de software modernas y su relación con cloud computing.
  3. Aprender diseños que se puedan usar más adelante en aplicaciones desplegables en la nube..

Introducción

Puedes echarle un vistazo a esta colección de transpas con información de un par de presentaciones sobre arquitectura moderna de aplicaciones. Aunque centrado en microservicios, este conjunto de patrones menciona también algunos de los que veremos aquí.

El panorama informático del siglo XXI está lleno de posibilidades: múltiples lugares donde ejecutar una aplicación, múltiples servicios que se pueden usar desde ella, todos conectados a través de Internet, y metodologías específicas para desarrollar aplicaciones. Se hace difícil concretar en una arquitectura específica, entendiendo por arquitectura una visión de bloques de los diferentes componentes de una aplicación, su situación física y lógica y la relación entre ellos. Resulta bastante claro, sin embargo, que una arquitectura monolítica con un cliente ejecutando el interfaz de usuario y un servidor, replicado o no pero ejecutando todos los componentes de una aplicación, no resulta adecuada para las aplicaciones modernas ni por sus características de escalado ni por el reparto de tareas y datos entre diferentes partes de un equipo de desarrollo.

En este tema introductorio a la asignatura veremos diferentes arquitecturas de software con ejemplos concretos, ejemplos que se podrán usar, siquiera de una forma básica, para elegir una aplicación para la cual crear la arquitectura virtual.

Arquitecturas software

En gran parte, este apartado está sacado de Software Architecture Patterns, de Mark Richards, un ebook gratuito que te puedes descargar dando tu email, lo que aconsejo vivamente que hagas.

En general, las arquitecturas software modernas tienen como objetivo común el buscar la consistencia en la velocidad de respuesta al usuario. Otros elementos comunes son el uso de recursos propios combinados con recursos de diferentes empresas o vendors, y que se basan en unas metodologías de desarrollo ágil e integración y despliegue continuo. Veremos qué arquitecturas son las más comunes en este contexto.

Arquitectura en capas

La arquitectura en capas o multilayer es el desarrollo natural de la arquitectura cliente-servidor, creando 3 o más capas entre las que se suele incluir la capa de presentación, la de aplicación, la de lógica de negocio y la de acceso a datos. Muchos marcos de desarrollo modernos trabajan de esta forma y son relativamente simples de desarrollar. El problema principal es que sólo permiten escalado dentro de cada una de las capas, siendo al final alguna de ellas un cuello de botella.

Arquitectura dirigida por eventos

Este tipo de arquitectura representa un cambio fundamental con respecto a la arquitectura tradicional. El elemento fundamental de esta arquitectura es la cola de eventos, que se originan en el usuario, pero también de una parte a otra de la arquitectura. A través de una cola de eventos, diferentes procesadores de eventos van extrayendo eventos de la cola y procesándolos de forma asíncrona. El hecho de que pueda haber una cantidad de procesadores de eventos indeterminada y que puedan estar en cualquier sitio (nube privada o pública) hace que sea una arquitectura que escala de forma fácil, aunque haya que monitorizar todo el sistema de forma que se pueda recuperar fácilmente en caso de fallo. También permite desplegar o rearrancar cada uno de los procesadores de forma independiente.

El principal problema es que es más difícil de testear y también su desarrollo se hace un poco más complicado que en el caso anterior.

Algunos marcos de aplicaciones como Java Swing usan este tipo de arquitectura.

Arquitectura microkernel

Se trata de una arquitectura más o menos monolítica, con un núcleo central al que se pueden añadir funcionalidades mediante plugins. Un tipo de arquitectura clásico que se usa en CMSs como Joomla o en sistemas de aprendizaje como Moodle. El problema principal es la escalabilidad, ya que el núcleo puede representar un cuello de botella.

Arquitectura basada en microservicios.

Una de las arquitecturas más populares hoy en día, los microservicios se caracterizan por poder usar tecnologías subyacentes que van desde la virtualización completa en la nube hasta el uso de contenedores Docker en una sola máquina virtual.

Lo principal en una arquitectura de microservicios es que se trata de unidades que se van a desplegar de forma independiente, diferentes servicios que trabajarán de forma totalmente independiente unos de otros. Un servicio es, en sí, un servicio tal como una base de datos o puede ser un objeto o grupo de objetos que ofrezca alguna funcionalidad que se pueda separar claramente del resto de la aplicación.

Dentro de este tipo de arquitectura, el núcleo de la aplicación puede ser un simple API basado en REST, pero es mucho más común que sea un sistema con mensajería centralizada, donde un sistema de paso de mensajes recibe peticiones de servicio y las sirve a quienes lo han hecho de forma asíncrona. En este sentido, si los servicios están separados y consideramos que los mensajes son eventos, la arquitectura sería similar a la basada en eventos anterior, salvo que esta arquitectura suele estar más acoplada que la basada en eventos.

Como la anterior, tiene la ventaja de poder desplegarse de forma independiente, poder escalar de forma independiente y, por tanto, constituye uno de los patrones de arquitectura más populares hoy en día.

Arquitectura basada en espacios

Entre todas las arquitecturas vistas, esta es la más antigua, usándose en arquitecturas distribuidas casi desde principio de los 90, con lenguajes como Linda introduciendo el concepto de espacio de tuplas.

En esta arquitectura, un espacio es compartido por una serie de unidades de procesamiento, que se comunican entre sí principalmente a través de ese espacio. A diferencia de la arquitectura basada en eventos, ese espacio está desestructurado, aunque internamente tiene un espacio de mensajería tal como las arquitecturas mencionadas anteriormente. Sin embargo, es un patrón con una implementación relativamente simple que puede servir para aplicaciones a pequeña escala, aunque es más complicado de desarrollar que otros.

Resumen

Todos los patrones anteriores se usan en la actualidad junto con el patrón de aplicación cliente-servidor, que sigue perviviendo, pero que causa todo tipo de problemas de escalado, sobre todo, aparte de la dificultad de desarrollo si no se hace con cuidado.

Todas estas arquitecturas, además, asumen un entorno de integración y despliegue continuo, que a su vez necesita una metodología de desarrollo basada en tests, tal como la que se verá más adelante.

Lo principal, en todo caso, es buscar la arquitectura más adecuada para una aplicación en vez de aceptar como un hecho una arquitectura cliente servidor o, peor, una arquitectura monolítica de un solo fichero que tiene toda la funcionalidad de una aplicación. Una aplicación casi siempre va a necesitar usar APIs de otras, siquiera para la autenticación, y decenas o posiblemente cientos de servicios diferentes. Cómo se lleva a la práctica esto y qué tipo de implicaciones tiene en las herramientas las veremos a continuación.

Buscar una aplicación de ejemplo, preferiblemente propia, y deducir qué patrón es el que usa. ¿Qué habría que hacer para evolucionar a un patrón tipo microservicios?

Desplegando en la nube: algunas consideraciones

Casi todas las arquitecturas mencionadas anteriormente tienen características comunes. Primero, usan sistemas de mensajería, interna o externamente. Segundo, usan algún tipo de API, generalmente basada en REST. Tercero, están basadas en diferentes componentes. Y, por último, usan y/o despliegan servicios en la nube. A su vez, esto implica una serie de cosas que veremos a continuación.

Descubrimiento de servicios

Una de las características que a veces no se consideran a priori de estas arquitecturas es su naturaleza dinámica. El hecho de que se añadan nuevos proveedores, procesadores o microservicios implica que estos nuevos servicios tienen que conocer la configuración del resto de la nube para coordinarse correctamente y también para que los sistemas de escalado automático sepan con qué nodos cuentan para ello. Estos sistemas de descubrimiento con, en una primera aproximación, unos ficheros de configuración dinámicos y distribuidos.

En casi todos los casos en que se despliegue una arquitectura en la nube se tendrá que hacer uso de este tipo de sistemas. Muchos orquestadores como Kubernetes tienen los suyos propios, pero familiarizarse con otros como etcd o consul puede ayudar a entender su funcionamiento y, sobre todo, a usarlo en nuestras propias arquitecturas que no usen orquestadores.

Hay muchos patrones de uso de estos sistemas de descubrimiento de servicios, pero en general se trata de tener, cuando se lanza un nuevo proveedor, un URL que proporcione información y un cliente que sea capaz de procesarla.

Almacenes de datos: más allá del SQL

Aunque las bases de datos tradicionales, relacionales y basadas en SQL se adaptan perfectamente a la nube, necesitan que se conozca de antemano la estructura de la información y sus relaciones, se adaptan relativamente mal a trabajar con texto desestructurado, y a menos que todos los datos almacenados tengan la misma estructura, se desperdicia una cantidad considerable de espacio. Por eso en estas arquitecturas modernas están complementadas por las bases de datos NoSQL, de las que lo primero que hay que aprender es que no se trata de sistemas que usen un lenguaje llamado NoSQL (aunque algunos lo están tratando de diseñar) sino de base de datos muy diversas y que usan lenguajes propios o empotrados para acceder a ellas. Hay diferentes tipos de almacenes de datos: clave-valor, basadas en documentos, orientadas a columna o a grafos. Una aplicación moderna usará una, o varias, desde MongoDB hasta Redis pasando por Cassandra o Elastic.

En algunos casos también se pueden usar los sistemas de descubrimiento mencionados anteriormente, que esencialmente son almacenes clave-valor.

Lenguajes de programación: programación políglota

Nada fuerza a que todos los servicios o componentes tengan que usar el mismo lenguaje. Los interfaces son genéricos, generalmente REST u otro tipo de servicios web, pero si no lo son, hay herramientas como Thrift que permiten definir de forma genérica APIs y compilarlas para un lenguaje determinado. Casi todas las aplicaciones van a usar JavaScript o alguna de sus variantes (CoffeeScript, TypeScript) en el interfaz de usuario, pero además habrá componentes que sea mejor escribir en Scala y otros que sea mejor escribir en Ruby o en Perl. También los servicios de despliegue y de construcción tendrán su propio lenguaje, Groovy (en Gradle) o Python. En general, trabajar con un solo lenguaje limita mucho el tipo de aplicaciones que puedes hacer, aunque si hay uno que pueda abarcarlo casi todo, ese es JavaScript.

De aquí a allí, todo son nubes.

La nube, que parece algo genérico y que a veces se abstrae simplemente en máquinas virtuales que se pagan por uso, son un panorama mucho más complejo, que va desde servicios de mensajería hasta contenedores, pasando por todo tipo de servicios en la nube: almacenamiento, redes virtuales, conversión de ficheros y todo tipo de cosas. Los tres niveles clásicos de Infraestructura, Plataforma y Software como servicio se combinan en una sola aplicación que puede usar una base de datos (SaaS) o almacén de datos (almacenamiento como servicio) junto con un sistema de mensajería almacenado en un PaaS y una serie de procesadores almacenados en máquinas virtuales instanciadas en diferentes proveedores. Por tanto, distinguir aplicaciones para PaaS de aplicaciones para IaaS es totalmente absurdo y cualquier arquitectura sana incluirá un poco de cada una, a gusto del arquitecto.

Los mensajeros están en las nubes

La mayoría de estos sistemas usan mensajería para comunicarse, o para estar al corriente de eventos, o para gestionar toda la arquitectura. Este tipo de colas de mensajes son quizás las que diferencian más a estas arquitecturas de las monolíticas, que no las necesitan. Estos sistemas, también llamados buzones, implementan unos sistemas de comunicación asíncrona y también sistemas de publicación/suscripción, de forma que servicios pueden decidir a qué mensajes contestan o de qué tipo de eventos van a recibir comunicación. Las arquitecturas serverless, un tipo de arquitectura basada en microservicios, tienen estos buzones en su columna vertebral, usándose para transmitir de un servicio a otro los datos y también para activar los microservicios cuando suceda un evento determinado.

Hay una serie de estándares de mensajería, pero muchas de las implementaciones existentes se acogen a varios para que sea más simple la interoperabilidad. Y aparte de las implementaciones libres que uno puede usar dentro de su arquitectura, los proveedores de cloud tienen sus propias implementaciones tales como Amazon SQS o Firebase de Google.

Resumiendo: hay todo un mundo ahí fuera

Y es un mundo complejo, pero cuyo conocimiento os acercará mucho más a la creación de aplicaciones sólidas, eficientes y escalables. Todo lo de arriba se resume en que hay que continuar aprendiendo lenguajes, tecnologías, metodologías y arquitecturas. Y no parar de hacerlo, para la nube o para lo que venga más adelante.

En la aplicación que se ha usado como ejemplo en el ejercicio anterior, ¿podría usar diferentes lenguajes? ¿Qué almacenes de datos serían los más convenientes?

##Bibliografía y otros recursos

Algunos recursos a los que puedes acceder desde la Biblioteca de la UGR:

- Pattern-oriented software architecture for dummies, aunque es muy básico, por lo menos explica en qué se pueden usar los patrones de software y cómo aplicarlos en un momento determinado.

- Practical software architecture Una visión más práctica de diferentes arquitecturas de software.

- Building microservices un recurso electrónico que explica cómo construir microservicios desde cero, la fase de modelización a la de construcción del mismo.

A dónde ir desde aquí

Este tema sirve como introducción para elegir el proyecto que se va a desarrollar durante la asignatura. Habrá que realizar estos ejercicios para superar el primer hito del proyecto.

A continuación se puede echar un vistazo a los PaaS, plataformas como servicio, que pueden resultar útiles en la misma. En este tema donde se explica cómo se pueden desplegar aplicaciones para prototipo o para producción de forma relativamente simple, o bien al tema dedicado a los contenedores, que es el siguiente en el temario de la asignatura.