Implementar sistema Publicación Suscripción.

 Consideraciones para Implementar sistema Publicación Suscripción.

Centralizadas 

    El procesamiento de eventos y notificaciones se puede implementar fácilmente en editores y con un intermediario centralizado, ver Figura 1.

En la implementación centralizada, ocurre que: 

• El enfoque más simple es centralizar la implementación en un solo nodo con un  servidor en ese nodo que actúa como un intermediario de eventos. 
• Los publicadores publican eventos y (opcionalmente) envían anuncios al corredor, y  los suscriptores envían suscripciones al corredor y reciben notificaciones a cambio. 
• La interacción con el corredor se realiza a través de una serie de mensajes punto a punto; esto se puede implementar mediante el paso de mensajes o la invocación remota.

Figura 1: Modelo  Publicación-Susbcripción centralizado.

    Este enfoque es sencillo de implementar, pero el diseño carece de resiliencia y escalabilidad, ya que el nodo centralizado representa un punto único de posibles fallas del sistema y es probable que sea un cuello de botella para el rendimiento.

Distribuidas

     En este esquema, el nodo centralizado es reemplazado por una red de corredores que cooperan para ofrecer la funcionalidad deseada. En la visión distribuida, el sistema pub-sub distribuido se implementa como una red de intermediarios o enrutadores en la capa de aplicación que se comunican mediante el uso de las primitivas de capa inferior, normalmente TCP/IP. En la Figura 2 se esquematiza una red pub-sub distribuida donde cada componente de la red de corredores son componentes intermediarios o enrutadores.

    Dicho enfoque tienen el potencial de sobrevivir a las fallas de los nodos y se ha demostrado que pueden funcionar bien en implementaciones a escala de Internet. Como alternativa, es posible tener una implementación completamente nodo-a-nodo (peer-to- peer)  de un sistema de publicación-suscripción. 

    En este enfoque, no hay distinción entre editores, suscriptores y corredores; todos los nodos actúan como intermediarios, implementando de manera cooperativa la funcionalidad de enrutamiento de los eventos requeridos

Figura 2: Publicación-Subscripción distribuido. Tomado de [2]

 Enfoques de Implementación 

Existe una variedad de enfoques de implementación [1] [2]:

• Inundación (Flooding) el enfoque más simple se basa en Inundación. Opera de la siguiente manera:  
• Se envía una notificación de evento a todos los nodos de la red y luego se realiza el emparejamiento con el suscriptor del evento. 
• Como alternativa, la inundación se puede utilizar para enviar suscripciones a todos los posibles publicadores; la coincidencia se realiza en el publicador y los eventos coincidentes se envían directamente a los suscriptores relevantes mediante la comunicación punto a punto. La inundación se puede implementar utilizando una función de difusión o multidifusión subyacente.  
• Alternativamente, los intermediarios pueden organizarse en un gráfico acíclico en el que cada uno envía notificaciones de eventos entrantes a todos sus vecinos.  

Este enfoque tiene el beneficio de la simplicidad, pero puede resultar en una gran cantidad innecesaria de tráfico de red. 

• Filtrado : Se conoce como enrutamiento basado en filtrado. Los corredores envían notificaciones a través de la red solo donde hay una ruta a un suscriptor válido. Funciona así: 
• La propagación de la información de suscripción se realiza a través de la red hacia los editores potenciales y luego se almacena el estado asociado en cada corredor. 
•  Específicamente, cada nodo debe mantener una lista de vecinos que contenga a todos los vecinos conectados en la red de corredores, una lista de suscripción que contenga todos los suscriptores conectados directamente atendidos por este nodo, y una tabla de enrutamiento. Esta tabla de enrutamiento mantiene una lista de vecinos y suscripciones válidas para ese camino. 
• Este enfoque exige una implementación de la coincidencia en cada nodo en la red de corredores: en particular, en la función de coincidencia lleva a cabo la notificación de eventos y una lista de nodo junto con la suscripción y las devoluciones asociadas en el conjunto de nodos donde la notificación coincide con la suscripción.  

El algoritmo específico para este enfoque de filtrado se captura en las Figura 3 y opera de la siguiente manera:

• Cuando un corredor recibe en la solicitud de publicación de un nodo dado, debe pasar esta notificación a todos los nodos conectados donde hay una suscripción con coincidencia al evento y también decide dónde propagar este evento a través de la red de corredores.
• Las  líneas 2 y 3 logran el primer objetivo al igualar el evento contra la lista de suscripción y luego reenviar el evento a todos los nodos con suscripciones coincidentes (la lista de coincidencias). 
• Las  líneas 4 y 5 luego usan la función de coincidencia nuevamente, esta vez coincide con el evento contra la tabla de enrutamiento y reenvía solo a las rutas que conducen a una suscripción (la Lista FWD).  
• Los corredores también deben lidiar con los eventos de suscripción entrantes.  Si el evento de suscripción es de un suscriptor inmediato conectado, entonces esta suscripción se registra en la tabla de suscripciones (líneas 7 y 8).  
• De  lo contrario, el corredor es un nodo intermediario; Este nodo ahora sabe que existe un camino hacia esta suscripción y, por lo tanto, se agrega una entrada apropiada a la tabla de enrutamiento (línea 9).
• En ambos casos, este evento de suscripción se pasa a todos los vecinos aparte del nodo de origen (línea 10).

Figura 3: Algoritmo de Filtrado. Tomado de [2]

 

• Encuentros (Rendezvous) :

Para comprender este enfoque, es necesario ver el conjunto de todos los eventos posibles como un espacio de eventos y dividir la responsabilidad de este espacio de eventos entre el conjunto de agentes de la red. En particular, este enfoque define los nodos de encuentro, que son nodos intermediarios responsables de un subconjunto determinado del espacio de eventos. Para lograr esto, un algoritmo de enrutamiento basado en encuentros debe definir dos funciones: 

• En primer lugar, SN toma una suscripción determinada, s, y devuelve uno o más nodos de encuentro que asumen la responsabilidad de esa suscripción. Cada uno de estos nodos de encuentro mantiene una lista de suscripción como en el método de filtrado anterior, y reenvía todos los eventos coincidentes al conjunto de nodos de suscripción. 
• En segundo lugar, cuando se publica un evento e, la función EN(e) también devuelve uno o más nodos de encuentro, esta vez que corresponde a la coincidencia del evento e con las suscripciones en el sistema. 
• Tenga en cuenta que tanto SN(s) como EN(e) devuelven más de un nodo si la confiabilidad es un problema.  
• Tenga en cuenta también que este enfoque solo funciona si la intersección de SN(s) y EN(e) no está vacía para una e dada que coincide con s. El código correspondiente para el enrutamiento basado en citas se muestra en la Figura 4. 

Figura 4: Algoritmo de Encuentros. Tomado de [2]

Bibliografia:

[1] Sasu Tarkoma. Publish/Subscribe Systems: Design and Principles. Edited by Joe

Sventek David Hutchison Serge Fdida. 2012. 

[2]  George Coulouris et al. Distributed Systems: Concepts and Design. 5th. USA:

Addison-Wesley Publishing Company, 2011. ISBN: 0132143011 

[3] Roberto Vitillo. Understanding Distributed Systems. 2021

 Publicación - Suscripción

    Las principales entidades en un sistema publicación-suscripción son los editores y suscriptores de contenido [1]. Un publicador (publisher) detecta un evento y luego lo publica en forma de notificación. Una notificación encapsula información relacionada con el evento observado. La notificación denota que ha ocurrido un evento observado. Un evento representa cualquier transición de estado discreta que ha ocurrido y se señala desde una entidad a un número de otras entidades.

    Un suscriptor, por ejemplo, podría expresar interés en todos los eventos relacionados con este libro de texto, como la disponibilidad de una nueva edición o actualizaciones del sitio web relacionado. La tarea del sistema de publicación y suscripción es hacer coincidir las suscripciones con los eventos publicados y garantizar la entrega correcta de las notificaciones de eventos. Un evento dado se entregará potencialmente a muchos suscriptores y, por lo tanto, en publicación y suscripción se usan paradigmas de comunicaciones de uno a muchos.

Aplicaciones de los sistemas de publicación-suscripción

Los sistemas de publicación-suscripción se utilizan en una variedad de dominios de aplicación, en particular los relacionados con la difusión de eventos a gran escala. Ejemplos  incluyen [1]:

• GUI, en las que los sistemas pub/sub se aplica como el pegamento que conecta los diversos componentes entre sí. Un ejemplo es el patrón de diseño MVC (Modelo Vista Controlador) muy utilizado en GUIs y su componente el patrón de observador.  

• Push de información, en el que se publica el contenido al usuario. Este es un requisito para aplicaciones que dependen de datos en tiempo real o casi en tiempo real. 

• Filtrado de información y entrega dirigida utilizada por los servicios de alerta y presencia (Google Alerts, etc.), tiendas de aplicaciones, servicios de corretaje de RSS, etc. Los ejemplos incluyen XMPP Pub/sub, Pubsubhubbub, Facebook  Messenger and Chat y Twitter.  

• Plano de señalización, en el que pub/sub asegura que los eventos asíncronos se entregan en en tiempo real o casi en tiempo real desde la publicación de componentes hasta la suscripción de componentes. Las aplicaciones de ejemplo incluyen sistemas industriales y tácticos. DDS (Data Distribution Systems) es el estándar clave para estos sistemas.  

• La arquitectura orientada a servicios (SOA) y las aplicaciones comerciales se basan en publicación/suscripción en el bus de servicios empresariales (ESB). El ESB normalmente se implementa con un broker de mensaje XML.  

• Procesamiento de Eventos Complejos (CEP) para análisis de datos. CEP se utiliza ampliamente en varios aplicaciones comerciales, por ejemplo, comercio algorítmico y detección de fallas. 

• Computación en la nube, en la que pub/sub y colas de mensajes se utilizan para conectar los componentes de la nube. 

• Internet de las cosas, en el que pub/sub conecta los sensores y actuadores entre sí con recursos de Internet.  

• Juegos multijugador en línea, en los que pub/sub se usa para sincronizar el estado del juego en jugadores y servidores

Modelo de Programación

    El modelo de programación en los sistemas de publicación-suscripción se basa en un pequeño conjunto de operaciones, ver Figura 1. Los editores difunden un evento e a  través de una operación de publicacion(e) y los suscriptores expresan su interés en un conjunto de eventos a través de suscripciones. En particular, logran esto a través de una operación de suscripcion( f ) donde f se refiere a un filtro, es decir, un patrón definido sobre el conjunto de todos los eventos posibles.

Figura 1: Paradigma Publicación Suscripción

    La expresividad de los filtros está determinada por modelo de la suscripción. Los suscriptores pueden revocar este interés mediante la correspondiente operación de cancelacion−suscripcion( f ). Cuando los eventos llegan a un suscriptor, los eventos se entregan usando una operación de notificacion(e).

    Algunos sistemas complementan el conjunto de operaciones anuncios. Con los anuncios, 

los editores tienen la opción de declarar la naturaleza de los eventos futuros a través de una operación de anuncios( f ). 

Modelo de Subscripción 

    La expresividad de los sistemas de publicación-suscripción está determinada por el modelo de suscripción, que cuentan con una serie de esquemas o filtros [1] [2]:

• Basado en canales : en este enfoque, los editores publican eventos en canales con nombre y los suscriptores luego se suscriben a uno de estos canales para recibir todos los eventos enviados a ese canal. Este esquema es el único que se define en un canal físico. 

• Basado en temas : se asume que cada notificación se expresa en términos de varios campos, con un campo que denota el tema. Las suscripciones se definen en función del tema de interés. Este enfoque es equivalente a los enfoques basados en canales con la diferencia de que los temas se definen implícitamente, pero se declaran como parte de un campo en el enfoque basados en temas. 

• Basado en contenidos : son una generalización de enfoques basados en temas que permiten la expresión de suscripciones en una variedad de campos en solo una notificación del evento. Más específicamente, un filtro basado en contenido es una consulta definida en términos de composiciones de restricciones sobre los valores de los atributos del evento. Por ejemplo, un suscriptor podría expresar interés en eventos relacionados con el tema de los sistemas de publicación-suscripción, donde el sistema en cuestión es el Servicio de eventos CORBA y el autor es Tim Kindberg o Gordon Blair.  

• Basado en tipo : las suscripciones se definen en términos de tipos de eventos y la coincidencia se define en términos de tipos o subtipos del filtro dado. Este enfoque puede expresar una variedad de filtros, desde un filtrado basado en nombres de tipo generales hasta consultas más detalladas que definen atributos y métodos de un objeto dado. Estos filtros detallados son similares en expresividad a los enfoques basados en contenido.

Bibliografia:

[1] Sasu Tarkoma. Publish/Subscribe Systems: Design and Principles. Edited by Joe

Sventek David Hutchison Serge Fdida. 2012. 

[2]  George Coulouris et al. Distributed Systems: Concepts and Design. 5th. USA:

Addison-Wesley Publishing Company, 2011. ISBN: 0132143011 

[3] Roberto Vitillo. Understanding Distributed Systems. 2021

¿Cómo implementar un sistema Pub Sub?

Paradigma Pub-Sub

El paradigma de publicación-suscripción (Pub-Sub) [1]  es simple y fácil de entender:

• No requiere que el publicador y el suscriptor estén activos al mismo tiempo. Por lo tanto, admite lo que a menudo se denomina interacción asíncrona.
•  Es útil cuando los participantes tienen baja o esporádica conectividad. 
• Los componentes de la aplicación no se acoplan directamente, sino que se acoplan a través del bus de mensajes ( red de corredores) , resultando más fácil reconfigurar el sistema. Se puede cambiar el número, la identidad o la ubicación de los suscriptores sin cambiar los publicadores y viceversa. 

Un bus de mensajes [3] es una abstracción que permite que los procesos intercambien mensajes indirectamente, a través de un componente intermedio, llamado bus. En este modelo, los publicadores generan mensajes para el bus, mientras que los suscriptores consumen mensajes del bus. La mayoría de los buses de mensajes permiten que se produzca un mensaje en un momento, pero que solo se consuma más adelante. El bus de mensajes mantiene el mensaje en un almacén no volátil hasta que se consume.

¿Cómo implementar un sistema Pub Sub?

Para ejemplificar cómo se puede implementar el modelo pub-sub, se usa la arquitectura más simple, donde la abstracción del bus de mensaje se materializa en un servidor central, como se ilustra en la Figura  1.

Arquitectura Pub Sub. Adaptado de [3]

La actividad de publicación es muy sencilla:

• El publicador  envía un mensaje al servidor que lo almacena en la memoria no volátil. 

La suscripción de mensajes se puede implementar utilizando dos alternativas diferentes: 

• push: los suscriptores  registran en el servidor el interés en recibir una determinada clase de mensajes, y el servidor es responsable de difundir estos mensajes a los suscriptores interesados. Se puede usar  comunicación por multidifusión  para difundir los  mensajes de manera eficiente, cuando muchos suscriptores están interesados ​​en los mismos mensajes.
• pull:  depende del suscriptor ponerse en contacto con el servidor periódicamente para obtener los mensajes. Este segundo esquema puede parecer menos eficiente, pero tiene sus ventajas en sistemas donde los suscriptores no están permanentemente conectados y quieren recolectar los mensajes de forma diferida (no sincronizada).

 El problema con la arquitectura ejemplificada en la Figura 1, con  el servidor centralizado, es que el rendimiento puede verse afectado debido a que esta disposición representa un  cuello de botella  como un único punto de falla. Mediante el uso de la replicación, se pueden mejorar tanto el rendimiento como la confiabilidad de la aplicación.

Referencias

1. Coulouris, George F. Distributed Systems: Concepts and Design. Boston: Addison-Wesley, 2012.
2. Tanenbaum, Andrew S., and Maarten van Steen. Distributed Systems: Principles and Paradigms. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2007. 
3. Rodrigues, Luís and Veríssimo, Paulo. Advances in Distributed Computing and Middleware.