Todo sobre la arquitectura cliente-servidor

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En este post vamos a explicar cómo son las arquitecturas cliente-servidor, presentes en la mayoría de las aplicaciones existentes en Internet. Podrás entender cómo funcionan, las ventajas e inconvenientes que ofrecen, así como los distintos modelos de trabajo y sus alternativas.

Índice

¿Qué es la arquitectura cliente-servidor?

La arquitectura cliente-servidor es una de las más populares en la construcción de aplicaciones en la actualidad. Básicamente se llama así a toda arquitectura en la que participan dos componentes: uno es el cliente que utiliza unos servicios, y otro es el servidor que proporciona esos servicios. Entre ambos se tiene que efectuar una comunicación de red, habitualmente mediante Internet.

De todos modos, estamos ante un concepto bastante amplio y genérico que engloba multitud de tipos de aplicaciones. Para hacernos una idea, todas las aplicaciones que se utilizan en la web son aplicaciones cliente-servidor. El cliente sería el navegador, y el servidor sería la máquina donde están instaladas las aplicaciones, las bases de datos y otros recursos remotos.

Actualmente en Internet se utiliza el término backend para la parte de las aplicaciones que hace las veces de servidor y frontend para la parte de las aplicaciones que se ejecuta en el cliente. 

Componentes clave de la arquitectura cliente-servidor

Como hemos dicho antes, en las arquitecturas cliente-servidor los componentes más importantes son el cliente y el servidor. Vamos a ver los roles de estos dos actores.

Cliente

El cliente es la parte de las aplicaciones que inicia las peticiones de servicios hacia el servidor usando la red como mecanismo de comunicación. Típicamente en el lado del cliente encontramos todo lo que respecta a la funcionalidad que permite al usuario interactuar con estos sistemas. Por tanto, encontramos interfaces de usuario que pueden ser de distintos tipos.

Actualmente, lo más habitual es que la aplicación cliente se ejecute en un navegador, en cuyo caso lo que tendremos son botones formularios y elementos de esta índole. Sin embargo, en términos generales un cliente puede ser de muchos tipos, mediante programas de escritorio, programas de consola, etc.

Servidor

El servidor, de manera genérica, es el componente que proporciona los servicios a los clientes. Un servidor puede consistir en diversos tipos de componentes de software instalados sobre un hardware. En cualquier caso, siempre será un sistema que esperará las solicitudes de los clientes para procesarlas y finalmente, entregar la respuesta a éstos. 

Entre los roles de los servidores se encuentran tareas como el almacenamiento de la información, el procesamiento de datos y el control de las reglas de negocio. Además, dentro del concepto de servidor encontramos diversos tipos de aplicaciones como servidores web, de correo, servidores de bases de datos, entre muchos otros.

Comunicación entre cliente y servidor

Para la comunicación entre cliente y servidor se utilizan siempre las redes de computadores. Sin embargo, dentro del amplio mundo de las redes, estas comunicaciones se pueden realizar por medio de múltiples protocolos.

Entre los protocolos más utilizados se encuentra el HTTP, que es el protocolo que sustenta la web, SMTP para el envío de correo electrónico, POP / IMAP para la recepción del correo, o FTP para la transferencia de archivos. 

Los protocolos son definiciones de los procesos y comunicaciones que se tienen que dar entre los sistemas clientes y servidor para que estas se realicen de manera sistemática, se pueda verificar la integridad de la información, etc.

¿Qué objetivo persigue la arquitectura cliente-servidor?

El objetivo principal de la arquitectura cliente-servidor es realizar la separación de las funciones y responsabilidades del software en distintas capas. La separación de responsabilidades es una de las bases sobre la que se sustenta el buen diseño del software. Una de las separaciones más esenciales y directas viene dada justamente por la arquitectura cliente-servidor.

Los beneficios de esta separación de responsabilidades son diversos. Entre ellos podemos destacar la posibilidad de escalar o mantener las aplicaciones por separado, lo que facilita también la realización de equipos de trabajo independientes o la posibilidad de utilizar infraestructuras distintas y especializadas en cada una de las partes del software.

¿Cómo funciona el modelo cliente-servidor?

El funcionamiento del modelo cliente servidor se basa en una secuencia clara y estructurada de comunicación entre dos entidades principales: el cliente, que inicia la interacción, y el servidor, que responde a sus peticiones. Este intercambio se produce constantemente en cualquier entorno basado en una red cliente servidor, como páginas web, aplicaciones móviles o servicios cloud.

A continuación, se describe paso a paso cómo se produce este proceso:

1. El cliente realiza una solicitud al servidor

La interacción comienza cuando el cliente, ya sea un navegador web, una app móvil o un software local, envía una solicitud a través de la red. Esta solicitud puede ser, por ejemplo, una petición para cargar una página web, acceder a una base de datos o enviar información mediante un formulario.

El cliente actúa como el iniciador de la comunicación dentro de la arquitectura cliente servidor.

2. El servidor procesa la solicitud y accede a los recursos necesarios

Una vez que el servidor recibe la solicitud, entra en acción. Analiza el tipo de petición y, si es válida, procede a ejecutar las operaciones necesarias: consultar una base de datos, cargar un archivo, generar una respuesta dinámica, etc.

En este punto, el servidor, como parte central del modelo cliente servidor, actúa como el cerebro del sistema, gestionando tanto los recursos como la lógica del negocio.

3. El servidor envía una respuesta al cliente para completar la interacción

Finalmente, el servidor devuelve al cliente la información solicitada o una respuesta de estado. Por ejemplo, en una web, puede ser el código HTML que se renderiza en pantalla; en una app de mensajería, puede ser un mensaje recibido.

Este intercambio rápido y continuo es la base del funcionamiento de millones de aplicaciones que utilizan la arquitectura cliente servidor en su día a día.

Casos de uso reales de la arquitectura cliente-servidor

La arquitectura cliente servidor no es solo un concepto teórico de la informática; es el pilar sobre el que se construyen la gran mayoría de los servicios y aplicaciones digitales que usamos a diario. Desde la simple navegación web hasta las complejas interacciones de plataformas en línea, el modelo cliente servidor define la forma en que los dispositivos interactúan para ofrecer una experiencia fluida y funcional. Comprender sus aplicaciones prácticas te ayudará a apreciar mejor su importancia en el mundo tecnológico.

Aplicaciones web como tiendas online y plataformas de streaming

Sitios de ecommerce, como tiendas online, y servicios de vídeo bajo demanda como Netflix o YouTube, dependen de una red cliente servidor para procesar solicitudes, gestionar contenido dinámico y distribuir archivos multimedia. Cuando abres tu navegador y escribes la dirección de una tienda online o una plataforma de streaming, tu navegador actúa como el cliente. Este cliente envía una solicitud al servidor web de la tienda. El servidor, por su parte, procesa la solicitud, encuentra la información del producto o el vídeo que has pedido, y te envía una respuesta en forma de página web.

Servicios de correo electrónico

El modelo cliente servidor es la base de cómo funcionan los servicios de correo electrónico modernos. Cuando utilizas un cliente de correo como Outlook, Thunderbird o la aplicación de correo de tu smartphone, estás operando como el cliente. Al enviar un correo, tu cliente se comunica con el servidor de correo (un servidor SMTP) para que este lo envíe. De manera similar, para recibir mensajes, tu cliente se conecta a otro servidor de correo (un servidor IMAP o POP3) para descargar y mostrarte los mensajes que han llegado a tu bandeja de entrada. Los servidores se encargan del almacenamiento, el enrutamiento y la seguridad de los correos, garantizando que tus mensajes se envíen y se reciban de forma correcta y segura, independientemente del cliente que uses.

Acceso remoto a bases de datos empresariales

En el entorno corporativo, la arquitectura cliente servidor es indispensable para la gestión de datos. Los empleados que necesitan acceder a la información almacenada en una base de datos central de la empresa lo hacen a través de un cliente (una aplicación específica o un software de escritorio). El cliente no almacena los datos, sino que envía una solicitud al servidor de la base de datos para recuperar, actualizar o insertar información. El servidor procesa esta solicitud, ejecuta la operación necesaria y envía una respuesta con los resultados. Esta separación de responsabilidades asegura la integridad y la centralización de los datos, lo cual es vital para operaciones críticas, como la contabilidad, la gestión de la cadena de suministro o los sistemas de gestión de clientes (CRM).

Aplicaciones móviles conectadas a servidores en la nube

Casi todas las aplicaciones móviles que requieren acceso a datos o funcionalidades online operan bajo una arquitectura cliente servidor. Tu aplicación móvil actúa como el cliente y se comunica constantemente con un servidor remoto, que generalmente se encuentra en la nube. Por ejemplo, una aplicación de mensajería envía tus mensajes al servidor en la nube para que este los distribuya a otros usuarios; una aplicación de fitness sube tus datos de ejercicio al servidor para que puedas ver tu historial; y una aplicación de mapas descarga información del servidor para mostrarte la ubicación de los negocios cercanos. Este modelo cliente servidor permite que las aplicaciones móviles sean ligeras y rápidas, ya que la mayor parte del procesamiento y el almacenamiento se delega en los potentes servidores remotos.

Sistemas de autenticación y gestión de usuarios online

Cuando inicias sesión en una plataforma en línea, estás participando en un proceso de autenticación que es un claro ejemplo de la arquitectura cliente servidor. Tu dispositivo envía una solicitud al servidor de la plataforma, que contiene tu nombre de usuario y contraseña. El servidor compara estas credenciales con la información almacenada en su base de datos. Si las credenciales coinciden, el servidor envía una respuesta al cliente que te otorga acceso a tu cuenta. Este modelo cliente servidor es esencial para la seguridad, ya que las credenciales de los usuarios se almacenan y verifican en un lugar seguro (el servidor), protegiéndolas de accesos no autorizados en el cliente.

¿Cuál es la importancia de un sistema operativo cliente-servidor?

Los sistemas clientes servidor desempeñan un papel fundamental en la actualidad, ya que sustentan la mayor parte de las aplicaciones que existen en internet, así como en las redes empresariales o del hogar.

En el momento actual, en el que todos los hogares y empresas hacen uso de la nube para la obtención de servicios de todo tipo, la arquitectura cliente-servidor nos ofrece la base para su funcionamiento. Todas las aplicaciones web funcionan con el modelo cliente-servidor, pero también ocurre con otros servicios de Internet como el correo, o incluso con otros servicios populares como el streaming, las aplicaciones móviles, etc.

Este modelo, además, nos aporta ventajas como la posibilidad de acceder a los servicios allá donde estemos, o la seguridad de la información, ya que el servidor es capaz de garantizar el acceso solamente a aquellas personas que realmente disponen de los permisos adecuados.

Ventajas del modelo cliente-servidor

El modelo cliente servidor es el más utilizado en la informática moderna por una serie de beneficios inherentes que lo hacen ideal para la mayoría de las aplicaciones y servicios. Estas ventajas explican por qué la arquitectura cliente servidor domina el panorama de las redes informáticas, desde pequeñas oficinas hasta gigantes de la tecnología.

Centralización de los recursos y la seguridad

En una red cliente servidor, todos los recursos, como bases de datos, archivos y aplicaciones, se almacenan y gestionan en un servidor central. Esta centralización facilita enormemente la administración de los datos y, lo que es más importante, la seguridad. Al implementar medidas de seguridad en un único punto (el servidor), como firewalls, sistemas de detección de intrusiones y políticas de acceso, se protegen todos los recursos de la red. En lugar de tener que asegurar cada cliente individualmente, el administrador de la red puede concentrar sus esfuerzos en el servidor, lo que garantiza una protección más robusta y consistente contra amenazas externas. Esta arquitectura centralizada es clave para mantener la integridad de la información y prevenir el acceso no autorizado.

Mantenimiento y actualizaciones más fáciles

El modelo cliente servidor simplifica las tareas de mantenimiento y las actualizaciones de software. Cuando hay que implementar una nueva versión de una aplicación o corregir un error, el administrador solo necesita actualizar el software en el servidor. Una vez hecho esto, todos los clientes que se conecten al servidor utilizarán automáticamente la versión más reciente. Esto elimina la necesidad de visitar cada dispositivo cliente individualmente para realizar las actualizaciones, un proceso que sería largo, costoso y propenso a errores en redes grandes. Esta eficiencia en el mantenimiento no solo ahorra tiempo, sino que también asegura que todos los usuarios de la red cliente servidor estén operando con la misma versión del software, lo que reduce los problemas de compatibilidad.

Escalabilidad para adaptarse al crecimiento del sistema

La escalabilidad es una de las mayores ventajas de la arquitectura cliente servidor. A medida que las necesidades de una organización crecen, es relativamente sencillo añadir nuevos clientes a la red sin afectar el rendimiento de los clientes existentes. Si el servidor comienza a sobrecargarse, se puede mejorar su capacidad (escalado vertical) o, en sistemas más complejos, se pueden añadir servidores adicionales para distribuir la carga de trabajo (escalado horizontal). Esta capacidad de crecer y adaptarse a un aumento de la demanda hace que el modelo cliente servidor sea ideal para empresas y servicios en línea que experimentan un rápido crecimiento de usuarios, como tiendas online o plataformas de redes sociales. La red cliente servidor está diseñada para manejar grandes volúmenes de solicitudes de manera eficiente.

Mayor control sobre el flujo de datos

El modelo cliente servidor otorga a los administradores un control exhaustivo sobre el flujo de datos y el acceso a los recursos. Dado que toda la comunicación pasa a través del servidor, es posible implementar reglas y políticas que regulen quién puede acceder a qué información y cómo se puede manipular. Por ejemplo, se pueden establecer permisos de acceso a archivos basados en roles de usuario, o se puede monitorear la actividad de los usuarios para auditar el uso de los datos. Este control centralizado es esencial para cumplir con normativas de privacidad y para garantizar que los datos sensibles no sean expuestos ni manipulados de forma indebida. La arquitectura cliente servidor garantiza la trazabilidad y la seguridad en la gestión de la información.

Reducción de redundancias en la gestión de datos

En una red cliente servidor, los datos se almacenan en una única ubicación central: el servidor. Esto elimina la necesidad de que cada cliente tenga su propia copia de los datos, lo que minimiza la redundancia y asegura que todos los usuarios accedan a la versión más actualizada y coherente de la información. Por ejemplo, en una base de datos de inventario, no habría múltiples copias desactualizadas en diferentes ordenadores. Cualquier cambio realizado por un cliente se refleja inmediatamente en la base de datos central y está disponible para todos los demás clientes. Esta coherencia de datos es vital para aplicaciones que dependen de información precisa en tiempo real. La arquitectura cliente servidor simplifica la gestión y evita la duplicación de datos, mejorando la eficiencia y la fiabilidad.

Inconvenientes del modelo cliente servidor

A pesar de sus numerosas ventajas, la arquitectura cliente servidor no está exenta de desafíos. La centralización que la hace tan poderosa también introduce ciertas vulnerabilidades y limitaciones que deben ser consideradas cuidadosamente al diseñar una red cliente servidor.

Dependencia del servidor

El principal inconveniente del modelo cliente servidor es la dependencia crítica del servidor. Si el servidor central falla, toda la red se paraliza y ningún cliente puede acceder a los recursos o servicios. Esto crea un «punto único de fallo» que puede tener consecuencias devastadoras. Un fallo de hardware, un corte de energía, una sobrecarga por un alto volumen de solicitudes o un ataque cibernético pueden dejar a todos los usuarios inoperativos. Para mitigar este riesgo, las organizaciones deben invertir en servidores redundantes, sistemas de respaldo y planes de recuperación ante desastres, lo que a su vez incrementa la complejidad y el coste de la infraestructura.

Costes de mantenimiento

Los costes de mantenimiento son otro factor a considerar en la arquitectura cliente servidor. Aunque el mantenimiento y las actualizaciones de software son más sencillos, la infraestructura del servidor en sí misma puede ser muy costosa de adquirir, configurar y mantener. Los servidores centrales deben ser potentes y fiables, lo que requiere hardware de alta gama. Además, la administración de un servidor es una tarea compleja que a menudo necesita personal técnico especializado. A esto se suman los costes de licencias de software, sistemas de seguridad y energía para mantener los servidores funcionando 24/7. En una red cliente servidor de gran escala, los gastos operativos pueden ser significativos.

Escenarios con baja eficiencia

A pesar de que el modelo cliente servidor es muy eficiente en muchos casos, puede ser menos óptimo en ciertos escenarios. Si el número de clientes es bajo, o si las necesidades de los usuarios son muy dispersas y no requieren una interacción constante con un recurso central, la complejidad de una arquitectura cliente servidor puede ser excesiva. Por ejemplo, para compartir un simple archivo entre dos ordenadores, establecer un modelo cliente servidor sería menos eficiente que una conexión directa entre ambos. Además, si la comunicación entre cliente y servidor no está optimizada, o si la red tiene una alta latencia, el rendimiento del sistema puede verse afectado, resultando en una experiencia de usuario lenta. En tales casos, un modelo más descentralizado podría ser más adecuado.

Tipos de arquitectura cliente-servidor

Dentro de las arquitecturas cliente-servidor también existen distintas clasificaciones que vamos a resumir.

Arquitectura de dos niveles (2-Tier)

Este es el modelo habitual de las arquitecturas clientes servidor, donde los clientes realizan solicitudes directas sobre el servidor, sin la intervención de otros intermediarios.

Arquitectura de tres niveles (3-Tier)

También existen arquitecturas en niveles adicionales, como 3-Tier,  en las cuales se introduce un intermediario entre el cliente y el servidor que tiene normalmente la responsabilidad de aplicar una capa de lógica de negocio. Con ello conseguimos una separación mayor de la responsabilidad del software, lo que aporta adicionales ventajas a nivel de mantenibilidad y escalabilidad, a costa de una mayor complejidad.

Otros modelos de cliente-servidor y variantes

Dentro de las arquitecturas clientes servidor también tenemos modelos más complejos como los (n-Tier), donde se añaden capas adicionales para separar aún más la responsabilidad del software, como por ejemplo aislar una capa de datos. 

¿Cuáles son las alternativas a un modelo cliente-servidor?

Aunque el modelo cliente servidor es la arquitectura dominante, existen otras formas de estructurar una red informática. Comprender estas alternativas es crucial para elegir la solución más adecuada para cada proyecto. La decisión de si usar una red cliente servidor o un modelo diferente depende de los objetivos específicos, el presupuesto y los requisitos de rendimiento.

Cliente-servidor vs arquitectura peer-to-peer (P2P)

La arquitectura peer-to-peer (P2P) es el principal contraste con la arquitectura cliente servidor. En un modelo P2P, todos los ordenadores o dispositivos de la red actúan tanto como clientes como como servidores. No hay una autoridad central; cada «par» (peer) puede solicitar y proporcionar recursos a otros pares de la red.

Diferencias clave:

  • Centralización vs Descentralización: El modelo cliente-servidor es centralizado, con un servidor principal gestionando los recursos. La arquitectura P2P es descentralizada, donde cada nodo de la red cliente servidor (o en este caso, cada «peer») tiene la misma capacidad y autonomía.
  • Escalabilidad: El modelo cliente-servidor puede experimentar cuellos de botella en el servidor si la demanda es muy alta. La arquitectura P2P escala de manera más natural, ya que la capacidad de la red aumenta a medida que se unen más pares.
  • Seguridad y Control: La seguridad en el modelo cliente servidor es más fácil de gestionar, ya que se centraliza en un único servidor. En una red P2P, la seguridad es un desafío, ya que cada nodo debe ser responsable de su propia seguridad y no hay una autoridad central que supervise el flujo de datos.

Cliente-servidor vs arquitecturas distribuidas

Las arquitecturas distribuidas, también conocidas como sistemas distribuidos, son una categoría amplia que incluye modelos como el cliente-servidor, pero que también va más allá. El objetivo de una arquitectura distribuida es que múltiples componentes de hardware o software, que se encuentran en diferentes ordenadores, trabajen de manera coordinada para lograr un objetivo común. Los sistemas de computación en la nube son un excelente ejemplo de una arquitectura distribuida.

Diferencias clave:

  • Alcance: La arquitectura cliente servidor es un subtipo específico de sistema distribuido. Mientras que un sistema cliente-servidor se basa en una relación de solicitud-respuesta entre dos roles, una arquitectura distribuida puede tener múltiples componentes (servicios, bases de datos, microservicios) que interactúan entre sí sin una clara distinción entre el rol de cliente y servidor para cada interacción.
  • Tolerancia a fallos: Los sistemas distribuidos están diseñados para ser más tolerantes a fallos que un modelo cliente servidor tradicional. Si un componente falla, otros pueden tomar su lugar, lo que garantiza la continuidad del servicio. En un modelo cliente-servidor, el fallo del servidor central puede ser catastrófico.

Casos en los que cada modelo es más efectivo

Cada modelo cliente-servidor y sus alternativas tienen sus propias fortalezas y debilidades, lo que los hace más adecuados para diferentes escenarios:

  • Modelo cliente-servidor: Es la opción ideal cuando se requiere centralización y control estricto de los datos. Es perfecto para aplicaciones empresariales, servicios de bases de datos, correo electrónico, y cualquier servicio que necesite un punto de control central para la seguridad, el acceso y la gestión de recursos. La red cliente servidor es la solución cuando la coherencia de los datos y el control son prioridades.
  • Arquitectura P2P: Es más efectiva en escenarios donde la descentralización es un requisito o una ventaja. Se utiliza en redes para compartir archivos (BitTorrent), en criptomonedas (como Bitcoin) donde la descentralización es un principio fundamental, y en aplicaciones de mensajería que no dependen de un servidor central. Es un modelo cliente servidor inverso en el que todos los participantes son iguales.
  • Arquitecturas distribuidas: Son la mejor opción para aplicaciones a gran escala que necesitan alta disponibilidad, escalabilidad masiva y tolerancia a fallos. Los servicios de computación en la nube, los grandes motores de búsqueda y las redes sociales operan con arquitecturas distribuidas, ya que les permiten gestionar millones de solicitudes de usuarios de forma simultánea y fiable. Si bien el modelo cliente-servidor es el componente principal de estas arquitecturas, el sistema en su conjunto es mucho más complejo y robusto que una simple red cliente servidor.
Fernán García de Zúñiga

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