Última actualización: © 2002–2004 Departamento de Ingeniería Telemática, Universidad de Vigo.
El desarrollo vertiginoso de Internet en los últimos años plantea desafíos tecnológicos, económicos y sociales de gran envergadura. Siendo en su origen una red de uso limitado a ámbitos académicos y científicos, Internet se está convirtiendo rápidamente en un sistema universal capaz de facilitar el acceso popular y económico a todo tipo de servicios de información, comercio y entretenimiento.
La evolución de Internet hacia una red con soporte integrado para aplicaciones con requisitos de ancho de banda y retardo heterogéneos está impulsando un cambio sustancial en su infraestructura. Este cambio consiste en el paso desde el modo de servicio actual (único, sin garantías) hacia una red capaz de ofrecer servicios diferenciados, con unos niveles de calidad satisfactorios y predecibles, a aplicaciones distintas [4] [5]. Para ello, se requiere el diseño de nuevos procedimientos operativos que permitan la consecución de la calidad necesaria, tanto en el plano de transporte de los datos (de qué forma se procesan paquetes de aplicaciones distintas) como en el plano de control de la red (cómo se definen de los servicios y cómo se asignan recursos a los usuarios). La literatura reciente recoge numerosas propuestas técnicas en ambas áreas, que normalmente se presentan y analizan de forma aislada sin tener en cuenta el resto de la arquitectura de la red [1]. En general, además de calcular el rendimiento de una solución técnica determinada es necesario tener en cuenta que en una arquitectura multiprotocolo pueden producirse interacciones imprevistas entre protocolos de distintas capas cuyos efectos es importante comprender antes que sean trasladados a la práctica a gran escala. Por otra parte, la verificación del diseño de una arquitectura, el análisis de las prestaciones de algún mecanismo interno de operación, el estudio de alguna técnica de control de tráfico o el dimensionado de los elementos de comunicaciones de la red son problemas que por su complejidad sólo cabe abordar, de forma suficientemente realista, mediante simulación [2][3].
Precisamente con el propósito de estudiar de forma conjunta múltiples protocolos se planteó el desarrollo, en el marco del proyecto VINT, del simulador ns, un simulador que integra algoritmos de encaminamiento y control de congestión con protocolos de transporte, sesión y aplicación. El objetivo principal del ns es el estudio del comportamiento de distintos protocolos, así como de las relaciones de dependencia entre ellos, en escenarios compuestos por un elevado número de nodos. Mediante la posibilidad de utilizar diferentes niveles de abstracción para modelar distintos elementos de la simulación el ns ha conseguido, además, alcanzar difusión entre un amplio colectivo de investigadores, y se ha convertido en una plataforma de experimentación común muy conveniente para poner a prueba los principios que guiarán el desarrollo inmediato de las redes y los servicios. En el diseño orientado a objetos del simulador ns priman los conceptos de modularidad y abstracción, resultando una herramienta flexible y fácil de usar aunque carente de algunos modelos para simular fuentes de tráfico real, de objetos para simular algunos protocolos de aplicación y de funciones para realizar el análisis estadístico de los resultados.
En un proyecto previo se han construido módulos de tráfico y módulos de análisis estadístico que podrían integrarse sin dificultad en aquél. Nuestra propuesta consiste en el desarrollo de nuevas metodologías, técnicas y algoritmos para la modelación, la simulación y el análisis experimental de los mecanismos de servicios diferenciados en Internet, para su posterior aplicación a la ingeniería de un servicio de distribución de vídeo bajo demanda.
Dichas técnicas se incorporarán a una herramienta de simulación y evaluación cuantitativa que —a fin de no perder vigencia tecnológica— será ampliable y de uso accesible. Para realizar esta herramienta se partirá del proyecto ns completando la funcionalidad de éste con nuevos módulos específicos de tráfico, de modelado de protocolos o algoritmos (en particular de aquellos necesarios para el transporte de vídeo en tiempo real) y de análisis de resultados. La plataforma pretende dos objetivos básicos: dentro la comunidad científica, servirá como base de experimentación de nuevas soluciones técnicas y facilitará el intercambio de resultados; dentro la comunidad técnica, servirá como una herramienta real de ingeniería de redes y servicios IP que refleje el estado actual de la tecnología, y podrá ser utilizada por usuarios con distintos grados de formación. Los resultados obtenidos con la herramienta servirán para sintetizar los mecanismos particulares de operación de un servidor de vídeo bajo demanda.
El objetivo principal del proyecto es la evaluación de las diversas arquitecturas de protocolos involucradas en la calidad del servicio de vídeo bajo demanda en Internet.
Para ello, y como objetivo previo, se desarrollará un sistema software genérico para la evaluación experimental de soluciones técnicas en el campo de la ingeniería de redes y servicios IP; la herramienta habrá de ser genérica puesto que el tráfico de vídeo no será el único ofrecido a la red. La metodología de evaluación cuantitativa elegida es la de simulación. Para ello partiremos del simulador ns, completando la funcionalidad requerida en varios de sus módulos, dando lugar a los siguientes objetivos concretos en cada uno de ellos:
Modelado de fuentes de tráfico: Dado que Internet evoluciona hacia una red integrada capaz de transportar tráfico de aplicaciones con necesidades muy diversas, y dado que el patrón de tráfico que generan dichas aplicaciones presenta propiedades cada vez más complejas, es imprescindible un modelado adecuado de las fuentes de tráfico para obtener mediante simulación resultados representativos del comportamiento real; resulta necesario disponer de modelos de tráfico basados tanto en procesos estocásticos con dependencia a corto plazo (modelos clásicos), como en procesos estocásticos con dependencia a largo plazo (necesarios para capturar las propiedades observadas en aplicaciones como transmisión de vídeo comprimido, accesos WWW, etc.), ausentes estos últimos en la mayoría de simuladores actuales. Así, el objetivo principal en este apartado es el desarrollo de modelos de tráfico de alto nivel, basados en dos grandes familias de procesos estocásticos autosimilares, F-ARIMA y procesos M/G/∞, para lo cual se implementarán sendos métodos de generación de muestras esbozados en sendas tesis de dos miembros del grupo. Para ello, en primer lugar, se estudiarán las propiedades estadísticas de trazas de aplicaciones reales (transmisión de vídeo, tráfico WWW, etc.), proponiendo y validando nuevos modelos estocásticos de estas fuentes. Además, se analizarán las características estocásticas del comportamiento de los usuarios (en particular, los aspectos de movilidad y no estacionariedad); análogamente, se propondrán modelos de tráfico que capturen estas características y se añadirán estos modelos a la herramienta de simulación.
Modelado de elementos de la red: dentro de este módulo, el primer objetivo es completar la colección de rutinas que representan el comportamiento de los objetos simulados, bien elementos físicos (procesadores, memoria, enlaces), elementos lógicos (protocolos, aplicaciones, modelos de fallo) o elementos híbridos formados a partir de otros más básicos (redes locales). Un segundo objetivo es el desarrollo de una biblioteca genérica y ampliable de objetos simulados de más alto nivel (estaciones, routers, aplicaciones, subredes). Para ello, estos objetos se crearán con un lenguaje simple que el simulador interpretará. Se modelarán más tipos de elementos que en otros simuladores, y estos elementos se podrán combinar de una manera arbitraria (dentro de un nodo o con otros nodos), con el fin de poder simular distintas arquitecturas.
Un tercer objetivo específico en esta parte es el análisis matemático y la creación de modelos híbridos de simulación de los protocolos de comunicaciones, con énfasis particular en aquellos protocolos con capacidad para transportar datos de aplicaciones en tiempo real. La modelación matemática del comportamiento de los protocolos de comunicaciones es un campo de rápido crecimiento y de interés prioritario dentro del grupo de investigación.
Motor de eventos: El diseño de este módulo estará fuertemente ligado al diseño de las estructuras de datos asociadas al modelado de los componentes de red, y entre ambos determinarán el tiempo necesario para la realización de las simulaciones. La utilización de un lenguaje de propósito general permite la optimización de ambos diseños manteniendo la flexibilidad.
Herramientas de análisis: Según el usuario esté interesado en un análisis de régimen transitorio o de régimen permanente de los procesos estocásticos medidos durante la simulación, será conveniente realizar el procesado de sus muestras de una de las dos siguientes formas:
A posteriori, es decir, una vez finalizada la simulación; ello introduce la flexibilidad añadida de poder utilizar herramientas genéricas no integradas en el simulador.
Secuencial, es decir, realizado de manera simultánea con la propia ejecución de la simulación; éste es el método ideal para la estimación de la media del proceso estocástico de interés en régimen permanente. Dada la importancia, por ejemplo, de la media del retardo por paquete en la caracterización de las prestaciones de un sistema, resulta paradójico la carencia de un módulo de análisis secuencial, aunque sencillo, en muchos de los simuladores actuales.
El objetivo principal en este apartado es el desarrollo del método de análisis secuencial esbozado en la tesis de uno de los miembros del grupo, el cual permitirá realizar el análisis estadístico riguroso de la media en régimen permanente incluso ante procesos estocásticos con dependencia a largo plazo, característica inexistente en el resto de simuladores. Objetivo secundario es la integración, y posterior ampliación, del conjunto de herramientas de análisis de procesos estocásticos con dependencia tanto a corto como a largo plazo. que el grupo ha desarrollado en un proyecto anterior.
Una vez disponible el simulador, el objetivo principal será realizar una evaluación de las arquitecturas de protocolos y de sus parámetros
[1] R. Guerin, V. Peris. Quality-of-Service in packet networks: basic mechanisms and directions. Computer Networks and ISDN Systems, 31, pp. 169–189, 1999
[2] V. Paxson, S. Floyd. Why Don't We Know How to Simulate Internet. Proc. of the 1997 Winter Simulation Conference
[3] W. Willinger, V. Paxson. Where Mathematics meets the Internet. Notices of the American Mathematical Society, 45(8), pp. 961–970, Sept. 1998
[4] J. Wroclawski. Specification of the controlled-load network element service, RFC 2211, Sep. 1997
[5] S. Shenker, J. Wroclawski. General characterization parameters for integrated services network elements, RFC 2212, Sep. 1997
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