El diseño de sistemas implica comprender y orquestar componentes como balanceadores de carga, gateways de API, caché, sistemas de colas y microservicios para construir plataformas robustas, escalables y de alta disponibilidad. Esta guía ofrece una visión práctica y para principiantes de cómo todas estas piezas trabajan juntas en entornos de producción reales.
Cliente y servidor son la base: un cliente puede ser un móvil, portátil o dispositivo IoT que consume una aplicación y envía solicitudes; un servidor es una máquina disponible 24x7 con una IP pública única en Internet. Dado que no es práctico usar ordenadores personales como servidores, proveedores cloud como AWS o Azure ofrecen máquinas virtuales siempre disponibles con IP pública.
El DNS, sistema de nombres de dominio, es el directorio global que mapea nombres legibles como amazon.com a direcciones IP. Cuando un usuario escribe un dominio, el navegador solicita al DNS su resolución y obtiene la IP a la que conectarse. Esto evita tener que memorizar direcciones IP.
Cuando el tráfico crece, los servidores pueden saturarse por límites físicos de CPU y RAM y acabar fallando. Para mantener la tolerancia a fallos y el rendimiento, hay que escalar.
Escalado vertical significa aumentar los recursos físicos de una máquina existente, como CPU, RAM o disco. Sus ventajas son la simplicidad y el incremento inmediato de capacidad. Sus inconvenientes: suele requerir reinicios con tiempo de inactividad, resulta inadecuado si se necesita cero downtime en picos de tráfico, puede provocar sobreaprovisionamiento y coste innecesario en horas valle y, en última instancia, existe un límite físico de cuánto puede crecer una sola máquina.
Escalado horizontal significa añadir más servidores idénticos que comparten la carga en lugar de agrandar uno solo. Sus ventajas son cero downtime al sumar réplicas en caliente y mayor resiliencia, ya que la caída de una instancia no derriba todo el sistema. Su inconveniente es que requiere un componente adicional para repartir tráfico, porque el DNS devuelve una sola IP y no sabe balancear entre múltiples réplicas.
Ese componente es el balanceador de carga. Se coloca delante de las instancias escaladas horizontalmente y recibe el tráfico apuntado por el DNS a su IP. Luego distribuye solicitudes a los servidores con algoritmos como round robin o ponderado, hace health checks para enrutar solo a instancias sanas y puede escalarse de forma altamente disponible en la nube, por ejemplo con Elastic Load Balancer en AWS.
En arquitectura de microservicios, la aplicación se descompone en servicios autónomos como autenticación, pedidos o pagos. Cada microservicio puede escalarse horizontalmente y disponer de su propio balanceador. Un API Gateway actúa como punto de entrada y reverse proxy, aplicando reglas de enrutamiento como enviar las rutas auth al servicio de autenticación o orders al servicio de pedidos, y puede integrar autenticación previa con un proveedor externo antes de enrutar la petición.
Para operaciones pesadas como envíos masivos de emails o procesamiento de grandes cargas, la comunicación síncrona no escala, porque un servicio se bloquea esperando a otro. La comunicación asíncrona y el procesamiento en segundo plano mejoran la escalabilidad y la experiencia de usuario al desacoplar productores y consumidores.
Los sistemas de colas como Amazon SQS proporcionan un canal FIFO asíncrono entre servicios. Un productor empuja eventos, por ejemplo un ID de pedido, y uno o varios workers tiran de la cola y procesan en paralelo. Esto aumenta el paralelismo, permite aplicar limitación de velocidad, por ejemplo 10 emails por segundo para no rebasar límites de APIs externas, y ofrece confirmación de procesamiento, reintentos y Dead Letter Queues para mensajes problemáticos. En SQS estándar se garantiza al menos una entrega con posible duplicado, y en SQS FIFO se asegura orden y procesamiento exactamente una vez con deduplicación. Los workers consumen mediante short polling con consultas rápidas y frecuentes, o long polling que espera bloqueado hasta que haya mensajes o se alcance un timeout.
El modelo Pub Sub, con servicios como Amazon SNS, se usa cuando un único evento debe notificar a múltiples consumidores. Un productor publica un evento, por ejemplo pago completado, en un tópico, y todos los suscriptores lo reciben para procesarlo de forma independiente, base de la arquitectura dirigida por eventos. Aunque SNS implementa reintentos y entrega a múltiples endpoints, la confirmación y recuperación fina residen en las colas o mecanismos de los suscriptores.
La arquitectura fan out combina Pub Sub con colas: un tópico SNS publica copias del evento en múltiples colas SQS y cada cola es consumida por sus workers con acuses, reintentos y DLQ. Es ideal cuando un solo evento dispara acciones independientes y fiables, por ejemplo tras subir un video iniciar transcripción, generar miniaturas y producir varias resoluciones en paralelo.
El rate limiting protege ante avalanchas de solicitudes y ataques DoS o DDoS. Define cuántas peticiones puede emitir un usuario o sistema en una ventana temporal, por ejemplo 5 por segundo, y bloquea el exceso. Los algoritmos cubo que gotea y cubo de fichas ayudan a alisar picos y mantener la estabilidad del sistema.
Las bases de datos también se saturan con muchas lecturas y escrituras. Las réplicas de solo lectura descargan al primario y atienden analítica o informes donde una ligera demora es aceptable. Todas las escrituras y lecturas de datos en tiempo real se envían al nodo primario para mantener consistencia.
La caché acelera respuestas guardando en memoria resultados frecuentes o cálculos costosos con sistemas como Redis. Ante una consulta se revisa primero la caché y, si existe, se devuelve al instante; si no, se consulta a la base de datos, se almacena en caché y se responde. Esto reduce latencia y carga en los backends.
Una red de entrega de contenidos CDN, como CloudFront, acerca contenido a los usuarios mediante nodos perimetrales globales. A través de Anycast se anuncia una IP que enruta al edge más cercano, se cachean activos estáticos como imágenes y videos y, si el contenido ya está en la región del usuario, se sirve desde el edge sin tocar el origen. Esto reduce la latencia, ahorra ancho de banda y alivia los servidores de origen, mejorando la experiencia de usuario.
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