La idea de la arquitectura en capas ha estado presente en el diseño de sistemas de software desde hace varias décadas. Se cree que este concepto surgió por primera vez en la década de 1960 en el contexto de la arquitectura de sistemas de cómputo.
Como modelo de diseño de software se popularizó en la década de 1980 con la aparición de las aplicaciones cliente-servidor, ya que en estas, la capa de presentación (cliente) y la capa de procesamiento (servidor) se separan en dos componentes distintos, lo que permite una mayor flexibilidad y escalabilidad.
Qué es la arquitectura en capas
La arquitectura en capas es un modelo de diseño de software, cuya base es la separación de las diferentes funcionalidades del sistema en capas o niveles, donde cada capa se encarga de un conjunto de tareas específicas y se comunica con los niveles adyacentes mediante interfaces bien definidas.
Cada capa se construye sobre la inferior inmediata, la cual proporciona los servicios y la funcionalidad necesarios para que la capa superior pueda funcionar correctamente. Este modelo permite una mejor organización y modularidad del sistema; además facilita su mantenimiento y evolución a largo plazo.
Elementos de la arquitectura en capas
Los elementos principales de una típica arquitectura en capas son los siguientes:
Capas
Una capa es un conjunto de componentes o módulos de software que se encargan de realizar una función específica dentro del sistema. Cada capa o nivel se comunica con las capas adyacentes a través de una interfaz bien definida, lo que permite la separación de responsabilidades y la modularidad del sistema.
De acuerdo a lo anterior, cada capa tiene una función específica y determinada, y se puede entender como una abstracción que representa un conjunto de funcionalidades que interactúan con los datos y otros componentes del sistema. En general, las capas se organizan de forma jerárquica; la más baja ocupándose de los detalles de implementación y la superior proporcionando la interfaz de usuario y la lógica de presentación.
Algunas de las capas más comunes, en este modelo de diseño de software, son: la capa de presentación (o capa de usuario), la capa de lógica de negocio, la capa de acceso a datos y la de almacenamiento. Cada una tiene un conjunto de responsabilidades específicas y se comunica con las capas adyacentes a través de interfaces bien definidas.
Interfaces
Una interfaz es un conjunto de definiciones de métodos y propiedades que proporciona una forma estandarizada de comunicación entre dos capas adyacentes. Las interfaces se utilizan para determinar cómo las capas interactúan entre sí y se comunican entre ellas.
En general, una interfaz define un conjunto de operaciones que una capa puede realizar o solicitar a otra. Las operaciones de la interfaz pueden incluir la lectura y escritura de datos, la ejecución de operaciones o la obtención de información de estado. Las interfaces también pueden precisar propiedades que se utilizan para configurar o controlar el comportamiento de una capa.
Las interfaces son importantes en la arquitectura en capas porque proporcionan una forma de separar las capas y reducir la dependencia entre ellas. Al determinar una interfaz clara y precisa, esta puede interactuar con otra capa sin tener que preocuparse por los detalles de implementación de esa capa. Esto significa que cada nivel puede ser desarrollado y probado de forma independiente, lo que simplifica el proceso de desarrollo y mejora la modularidad del sistema en general.
Servicios
Un servicio es una unidad lógica de funcionalidad que se proporciona a través de una interfaz bien definida y que puede ser invocado por otras capas o componentes del sistema. Los servicios son una forma de encapsular la lógica de negocio y hacerla accesible a otras partes del sistema a través de una interfaz clara.
En general, los servicios se utilizan para proporcionar funcionalidad a nivel de negocio o de aplicación en la arquitectura en capas. Esto significa que los servicios pueden ser utilizados por diferentes capas del sistema, lo que los hace especialmente útiles para sistemas grandes y complejos en los que se requiere un alto nivel de modularidad y escalabilidad.
Una de las principales ventajas de los servicios, en este modelo, es que permiten la reutilización de la lógica de negocio y la separación de responsabilidades. Esto significa que los servicios pueden ser desarrollados y probados de forma independiente de otras partes del sistema, lo que simplifica el proceso de desarrollo y mejora la calidad del código.
Algunos ejemplos son: servicios de autenticación, servicios de almacenamiento, servicios de procesamiento de pagos, servicios de búsqueda y servicios de notificación. Cada uno de estos servicios proporciona una funcionalidad específica que puede ser invocada por otras partes del sistema.
Funciones
Son unidades lógicas de código que se utilizan para realizar una tarea específica dentro de una capa determinada. Las funciones se usan para implementar la lógica de negocio o de aplicación dentro de una capa, y suelen ser invocadas por otras partes del sistema a través de una interfaz definida.
Las funciones son importantes en la arquitectura en capas porque permiten la modularización del código y la separación de responsabilidades. Cada función se encarga de realizar una tarea específica. Esto significa que las funciones también pueden ser desarrolladas y probadas de forma independiente de otras partes del sistema, lo que mejora la calidad del código y simplifica el proceso de desarrollo.
En general, las funciones se usan para implementar la lógica de negocio o de aplicación dentro de una capa específica. Por ejemplo, se pueden utilizar funciones en la capa de acceso a datos para leer y capturar información en una base de datos; en la capa de lógica de negocio, para realizar cálculos o tomar decisiones de acuerdo a los datos de entrada y en la capa de presentación, para renderizar la interfaz de usuario o procesar la entrada del usuario.
Modularidad
Se refiere a la capacidad de dividir el sistema en unidades lógicas y cohesivas que puedan ser desarrolladas y probadas de forma independiente. Cada módulo se encarga de una tarea específica y se comunica con otros módulos o capas.
La modularidad es importante porque permite una mayor flexibilidad y facilidad de mantenimiento. Los módulos pueden ser desarrollados y probados de forma independiente, lo que reduce la complejidad del código y facilita la identificación y solución de problemas; además la modularidad hace factible la reutilización del código, lo que acelera el proceso de desarrollo y mejora la calidad del código.
También permite la escalabilidad del sistema. Es posible agregar o quitar capas según las necesidades del sistema. Esto significa que la arquitectura en capas puede crecer y evolucionar con el tiempo, sin afectar el resto del sistema.
Seguridad
La seguridad es fundamental en cualquier sistema de software. En este modelo, la seguridad se relaciona con la protección de los datos y la información del sistema contra posibles amenazas externas e internas. Algunas de las formas en que la seguridad se relaciona con la arquitectura en capas, son las siguientes:
Separación de responsabilidades
En este modelo de diseño de software, cada capa tiene una responsabilidad específica, por ejemplo: la capa de presentación se encarga de la interfaz de usuario; la capa de lógica de negocio, de la lógica empresarial y la capa de acceso a datos, de la gestión de datos. La separación de responsabilidades ayuda a garantizar que cada capa o nivel solo tenga acceso a la información y los recursos necesarios para realizar su tarea, lo que ayuda a proteger los datos y la información del sistema.
Control de acceso
La arquitectura en capas también puede incorporar medidas de control de acceso para proteger los datos y la información del sistema. Esto puede incluir el uso de autenticación y autorización para controlar el acceso a recursos y datos sensibles. Por ejemplo, solo los usuarios autorizados pueden acceder a los datos sensibles de la capa de acceso a datos.
Encriptación de datos
Es otra técnica común para proteger los datos y la información. La encriptación se utiliza para codificar los datos y protegerlos de posibles amenazas externas.
Pruebas de seguridad
La seguridad también se puede abordar a través de pruebas de seguridad regulares; estas se utilizan para identificar posibles vulnerabilidades en el sistema y tomar medidas para abordarlas.
Aplicaciones de la arquitectura en capas
- Aplicaciones web: es común utilizarla en aplicaciones web, donde se separan la lógica de negocio, la presentación y el almacenamiento de datos en capas distintas.
- Sistemas de gestión de bases de datos: en estos se usa para separar la capa de acceso a datos de la capa de presentación.
- Sistemas de gestión de contenidos: aquí se emplea para separar la lógica de negocio y la presentación de la información.
- Sistemas de Planificación de Recursos Empresariales (ERP): en los sistemas ERP permite separar la lógica de negocio, la presentación y el almacenamiento de datos.
- Aplicaciones móviles: en estas es útil para separar la lógica de negocio y la presentación de la información.
Ventajas y desventajas de la arquitectura en capas
Ventajas
- Modularidad: facilita el desarrollo, la prueba y el mantenimiento de cada capa de forma independiente.
- Separación de responsabilidades: permite la separación de responsabilidades y una mayor claridad en la arquitectura, ya que cada capa tiene una función específica.
- Reutilización: posibilita que las capas se reutilicen en diferentes proyectos, lo que reduce el tiempo y los costos de desarrollo.
- Escalabilidad: significa que se pueden agregar o quitar capas según las necesidades del sistema.
- Flexibilidad: es adaptable a diferentes entornos y requisitos del sistema.
Desventajas
- Complejidad: aumenta la complejidad del sistema debido a la necesidad de interfaces y comunicación entre las capas.
- Tiempo y esfuerzo de desarrollo: requiere más tiempo y esfuerzo de desarrollo debido a la necesidad de diseñar, desarrollar y probar cada capa por separado.
- Consumo de recursos: aumenta el consumo de recursos del sistema, como el uso de memoria y CPU, debido a la necesidad de comunicación entre las capas.
- Costos: eleva los costos del desarrollo debido a la necesidad de diseñar y desarrollar varias capas separadas.
- Rendimiento: disminuye el rendimiento del sistema debido a la necesidad de comunicación entre las capas.
Por supuesto, con una implementación correcta, estas desventajas pueden superarse en buena medida.
Arquitectura por capas en una web: pasos básicos
1. Identifica las responsabilidades de cada capa
En una web se pueden identificar tres capas principales: la capa de presentación, la capa de lógica de negocio y la capa de acceso a datos. La primera se encarga de mostrar la información al usuario; la segunda, de procesa la información y la tercera, de almacenar y recuperar la información.
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// Capa de presentación - HTML y JavaScript <!DOCTYPE html> <html> <head> <title>My Page</title> <script src="myScript.js"></script> </head> <body> <h1>Welcome to my page</h1> <form> <label for="name">Name:</label> <input type="text" id="name" name="name"><br><br> <label for="email">Email:</label> <input type="email" id="email" name="email"><br><br> <button onclick="submitForm()">Submit</button> </form> </body> </html> |
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// Capa de lógica de negocio - Java public class User { private String name; private String email; public User(String name, String email) { this.name = name; this.email = email; } public String getName() { return name; } public String getEmail() { return email; } } public class UserService { public User createUser(String name, String email) { // Validación y procesamiento de datos aquí return new User(name, email); } } // Capa de acceso a datos - Java public class UserDao { public void saveUser(User user) { // Lógica de almacenamiento en base de datos aquí } } |
2. Define las interfaces entre capas
Para garantizar la separación de responsabilidades, se deben definir las interfaces entre las capas. Por ejemplo, la capa de presentación debe comunicarse con la capa de lógica de negocio por medio de una interfaz clara.
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// Capa de presentación - HTML y JavaScript function submitForm() { var name = document.getElementById("name").value; var email = document.getElementById("email").value; // Llamada a función de la capa de lógica de negocio var user = createUser(name, email); // Llamada a función de la capa de acceso a datos saveUser(user);} |
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// Capa de lógica de negocio - Java public class UserService { public User createUser(String name, String email) { // Validación y procesamiento de datos aquí return new User(name, email); } } // Capa de acceso a datos - Java public class UserDao { public void saveUser(User user) { // Lógica de almacenamiento en base de datos aquí } } |
3. Crea los servicios en cada capa
Cada nivel debe proporcionar servicios específicos para realizar su tarea. Por ejemplo, se pueden crear servicios en la capa de presentación para manejar la autenticación del usuario y la validación de los datos de entrada; en la capa de lógica de negocio, para procesar la información y realizar cálculos complejos, y en la capa de acceso a datos, para almacenar y recuperar información de la base de datos.
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// Capa de presentación - HTML y JavaScript function submitForm() { var name = document.getElementById("name").value; var email = document.getElementById("email").value; // Llamada a servicio de la capa de lógica de negocio var user = UserService.createUser(name, email); // Llamada a servicio de la capa de acceso a datos UserDao.saveUser(user); } |
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// Capa de lógica de negocio - Java public class UserService { public static User createUser(String name, String email) { // Validación y procesamiento de datos aquí return new User(name, email); } } // Capa de acceso a datos - Java public class UserDao { public static void saveUser(User user) { // Lógica de almacenamiento en base de datos aquí } } |
4. Implementa las funciones en cada capa
Las funciones se implementan en cada capa para proporcionar la funcionalidad específica de esa capa. Por ejemplo, en la capa de presentación se pueden implementar funciones para mostrar la información en una página web y para manejar la entrada del usuario; en la capa de lógica de negocio, para procesar la información y realizar cálculos complejos, y en la capa de acceso a datos, para almacenar y recuperar información de la base de datos.
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public class Product { private int id; private String name; private double price; // Constructor, getters and setters public void save() { // Code to save the product in the database } public static Product findById(int id) { // Code to find a product by id in the database } public static List<Product> findAll() { // Code to retrieve all products from the database } public void update() { // Code to update the product in the database } public void delete() { // Code to delete the product from the database } } |
5. Prueba y valida la arquitectura
Es importante realizar pruebas y validar la arquitectura para asegurarse de que las capas están separadas correctamente y que las interfaces y servicios funcionan correctamente.
Como viste, la arquitectura en capas es un enfoque de diseño de software en el que se divide una aplicación en capas lógicas que separan las diferentes responsabilidades y funcionalidades.
Algunas de sus ventajas son la modularidad, la escalabilidad, el mantenimiento y la facilidad para realizar pruebas. También permite una mayor seguridad y flexibilidad en la implementación de nuevas funcionalidades.
Por otro lado, algunos de los desafíos que presenta son la complejidad en el diseño y la implementación, así como la necesidad de una comunicación fluida entre las diferentes capas. Además, un mal desarrollo puede resultar en un rendimiento lento y un aumento en el tiempo de respuesta.
En conclusión, es una buena práctica de diseño de software que puede ayudar a mejorar la eficiencia y la flexibilidad de una aplicación. Es importante tener en cuenta que cada aplicación es única y puede requerir una implementación personalizada de la arquitectura en capas para satisfacer sus necesidades específicas.
