SimpleTaskBalancer

Introducción

Este proyecto consiste en el desarrollo de un sistema distribuido basado en el patrón Master-Worker (o Despachador-Trabajador) llamado SimpleTaskBalancer. El objetivo es crear un servicio que reciba tareas computacionalmente intensivas de diferentes clientes y las distribuya de forma eficiente entre un conjunto de nodos "trabajadores" (Workers) para su ejecución paralela.

El sistema debe desacoplar la solicitud de la tarea de su ejecución, permitiendo que el sistema sea escalable (añadir más workers para aumentar la capacidad) y concurrente (atender a múltiples clientes y gestionar múltiples workers simultáneamente, por red, a investigar solución).

Workers ejecutan tareas de CPU intensivo (ej. test de primalidad, factorización) y devuelven resultados.

Comunicación por sockets TCP con mensajes JSON simples.

Concurrencia en master y workers con java.util.concurrent (ExecutorService, BlockingQueue, CompletableFuture).

No se usan librerías externas. Todo implementado con la SDK Java estándar.

Objetivo funcional

• Recibir tareas de clientes y encolar.
• Distribuir tareas a workers disponibles.
• Ejecutar tareas en workers con concurrencia (multihilo).
• Recolectar resultados y devolvérselos al cliente.
• Manejar desconexiones, timeouts y reintentos.
• Monitorizar carga básica y exponer métricas simples por socket o consola.

APIs a usar

• java.net.ServerSocket, Socket para comunicación.
• java.util.concurrent para concurrencia.
• java.util.stream para procesamiento local si procede.
• java.io para serialización básica (JSON hecho a mano o javax.json si disponible en el JDK; preferir JSON textual simple).

Partes implicadas

Cliente	Master / Balanceador	Worker
• Envía tareas al Master.	• Endpoint de recepción de tareas.	• Ejecuta tareas en paralelo.
• Recibe resultado final.	• Cola de tareas.	• Pool de hilos concurrentes.
	• Registro y gestión de workers.	• Envía heartbeats al Master.
	• Algoritmo de balanceo.	• Devuelve resultados.
	• Reintentos y timeouts.
	• Componente de logging y métricas.

Diseño concurrente (decisiones)

• Master
  • ExecutorService acceptorPool para aceptar conexiones.
  • ExecutorService assignerPool para tareas de despacho.
  • ScheduledExecutorService para checks de heartbeat y timeouts.
  • BlockingQueue<Task> para cola principal.
  • synchronized o Atomic* para actualizar cargas worker.
• Worker
  • ExecutorService workerPool = Executors.newFixedThreadPool(cores) para ejecutar tareas en paralelo.
  • Un hilo para lectura de socket y otro para envío de heartbeats.
• Cliente
  • Bloqueante: envía y espera; no necesario multihilo.

Algoritmos de balanceo

• Preferido: Least-loaded.
  • Seleccionar worker con currentTasks < maxTasks y mínimo currentTasks/maxTasks.
• Alternativo: Round-Robin simple.
• Fallback: Si ningún worker disponible, encolar y esperar.

Dominio cerrado de tareas

Catálogo de posibles tareas soportadas

1. PRIME_TEST: comprueba si un número grande es primo.
2. PRIME_RANGE: calcula todos los primos entre dos números.
3. FACTORIZE: devuelve los factores primos de un número.
4. HASH_STRESS: aplica funciones hash repetidas veces sobre una cadena.
5. SORT_RANDOM: genera una lista de números aleatorios y los ordena.
6. PI_ESTIMATION: estima el valor de π por el método Monte Carlo.

MATRIX_MULT: multiplica dos matrices cuadradas de tamaño N×N.

POSIBLE AMPLIACIÓN PARA LAS TAREAS

Para abstraer las tareas en contraposición a un catálogo cerrado de tipos de tarea:

• Carga dinámica de código: El master puede enviar código serializado (.class o Java source string)

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🚀 Instalación y Ejecución

Este proyecto usa Maven para la gestión de dependencias y construcción. Maven funciona de manera idéntica en Windows, Mac y Linux.

Requisitos previos

• Java JDK 8 o superior
• Maven 3.6+ (opcional, puedes usar el wrapper incluido)

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📦 Compilación

Compilar el proyecto

mvn clean compile

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🧪 Ejemplo de uso completo

En Windows (PowerShell o CMD)

# Terminal 1 - Master
mvn exec:java@master -Dmaster.port=8080

# Terminal 2 - Worker 1
mvn exec:java@worker -Dworker.id=worker-1 -Dmax.tasks=4

# Terminal 3 - Worker 2
mvn exec:java@worker -Dworker.id=worker-2 -Dmax.tasks=8

# Terminal 4 - Cliente
mvn exec:java@client

En Mac/Linux (Terminal)

# Terminal 1 - Master
mvn exec:java@master -Dmaster.port=8080

# Terminal 2 - Worker 1
mvn exec:java@worker -Dworker.id=worker-1 -Dmax.tasks=4

# Terminal 3 - Worker 2
mvn exec:java@worker -Dworker.id=worker-2 -Dmax.tasks=8

# Terminal 4 - Cliente
mvn exec:java@client

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🧪 Testing

Compilar tests

mvn clean compile test-compile

Ejecutar tests unitarios

# Ejecutar todos los tests
mvn test

# Ejecutar un test específico
mvn test -Dtest=TaskExecutorTest

Ejecutar tests de integración (requiere Docker)

Los tests de integración levantan contenedores Docker automáticamente usando Testcontainers.

Requisitos:

• Docker Desktop o Docker Engine ejecutándose
• Código compilado (mvn clean compile)

# Compilar proyecto (requisito previo)
mvn clean compile

# Ejecutar todos los tests (incluye tests de integración)
mvn test

# Ejecutar solo tests de integración
mvn test -Dtest="com.taskbalancer.integration.*"

# Ejecutar un test de integración específico
mvn test -Dtest=DistributedSystemTest
mvn test -Dtest=LoadBalancingTest
mvn test -Dtest=ResilienceTest
mvn test -Dtest=ConcurrencyTest

Nota: Los tests de integración construyen la imagen Docker automáticamente durante la ejecución. No es necesario ejecutar docker-compose build manualmente.

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