Última actualización: © 2002–2004 Departamento de Ingeniería Telemática, Universidad de Vigo.
Este proyecto tenía un doble objetivo: por un lado, se quería desarrollar una herramienta de simulación para el análisis y diseño de aplicaciones con garantías de servicio en Internet; y por otro lado, se pretendía usar dicho simulador, en particular, para analizar las distintas posibilidades de diseño de un servicio de vídeo bajo demanda, claro ejemplo de servicio de amplio interés que presenta numerosas dificultades técnicas. En el proyecto se distinguían, por tanto, dos etapas claramente diferenciadas (la primera, de desarrollo de la herramienta de simulación, y la segunda, de utilización de la misma para realizar una serie de estudios), que se abordarían de manera prácticamente secuencial.
El simulador se ha construido a partir del simulador ns y de software de simulación previamente desarrollado por el grupo de investigación, pero se han desarrollado también una serie de elementos nuevos (en forma de módulos de biblioteca), tanto para el modelado de fuentes de tráfico o de nuevos protocolos de la red como para la realización de análisis estadísticos.
Dado que Internet evoluciona hacia una red 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 modelar adecuadamente las fuentes de tráfico para obtener resultados válidos. Resulta necesario, por tanto, disponer de modelos de tráfico basados tanto en procesos estocásticos con dependencia a corto plazo (Short-Range Dependence — SRD) como en procesos estocásticos autosimilares. Estos últimos, ausentes en la mayoría de simuladores actuales, permiten modelar de una forma sencilla la dependencia a largo plazo (Long-Range Dependence — LRD) y se han mostrado especialmente útiles para capturar las propiedades de correlación observadas en tráficos como el vídeo VBR o el tráfico de la Web.
Algunos de los miembros del grupo de investigación habían trabajado activamente en el ámbito de la generación sintética de trazas de tráfico autosimilar y habían implementado diversos métodos de generación. Aun más, dos miembros del grupo de investigación habían desarrollado, en sus tesis doctorales, sendos métodos originales de generación (uno para procesos F-ARIMA y otro para procesos M/G/∞), especialmente útiles por su flexibilidad y eficiencia. Estos métodos se han integrado en el simulador y, además, el método para la generación de trazas de procesos M/G/∞ ha sido modificado y mejorado.
Especial consideración merece en el proyecto el modelado de tráfico de vídeo. De entre los modelos que incorporan de alguna forma la LRD, y dado que el objetivo es realizar un estudio de simulación, donde la tratabilidad analítica carece de relevancia, son más convenientes los modelos basados en procesos autosimilares. Así, en este proyecto hemos desarrollado módulos para diversos modelos de tráfico de vídeo, algunos bien conocidos y otros originales, basados en los generadores de trazas mencionados en el párrafo anterior. En donde se comparan distintas aproximaciones, en función de las diversas métricas de interés.
La provisión de garantías de QoS en Internet requiere nuevos procedimientos operativos tanto para la gestión de los recursos locales de los nodos (búfer y ancho de banda) como para el control de la congestión. En este proyecto se ha partido de la decisión inicial de investigar mecanismos de control compatibles con la arquitectura de servicios diferenciados DiffServ, ampliamente aceptada en la comunidad científica, con la intención prioritaria de alcanzar una propuesta que suponga las mínimas modificaciones en la arquitectura de la red y en el modo de operación de sus elementos. Sin embargo, y pese a haberlo previsto inicialmente, no ha sido necesario escribir un módulo DiffServ propio para el programa ns — del que la versión inicial carecía —, dada la aparición de diversos desarrollos del mismo ampliamente conocidos y utilizados, que además incorporaban ya los mecanismos de planificación habitualmente asociados a esta arquitectura, como WFQ. En consecuencia, se ha optado por incorporar el código de uno de estos módulos DiffServ externos (en concreto, el producido por Nortel Networks, accesible actualmente a través de la propia página del simulador ns después de verificar que contenía toda la funcionalidad necesaria para el proyecto. No obstante, en este proyecto se han propuesto y probado una serie de modificaciones de los mecanismos básicos de diferenciación de tráfico conocidos como RED y RIO (RED Input/Output), libres de los problemas de iniquidad que se habían descrito en la literatura. Las modificaciones introducidas (RRC-RED, por Random Rate-Control RED; RIO, por Enhanced Dynamic RIO; y URIO, por Unbiased RIO) son sencillas de implementar, requieren pocas operaciones y proporcionan, además de mejor reparto, mayor estabilidad a las garantías de servicio que disfrutan los agregados de tráfico.
Por otra parte, la síntesis de un método eficiente de control de la congestión para tráfico con restricciones de tiempo real se ha revelado como un problema crucial para el control global de una Internet con servicios diferenciados, particularmente cuando se realizan transmisiones multicast; y en la resolución de este problema hemos centrado los mayores esfuerzos del proyecto.
Una primera línea de actividad ha sido la de analizar las prestaciones de los métodos de control de la congestión basados en el control de flujos agregados, con conexiones de control tanto TCP-Reno como TCP-Vegas. Para ello, se asocia a un conjunto de flujos de datos una conexión TCP cuya respuesta a la congestión se utiliza para gobernar las tasas de emisión de dichos flujos. La técnica posee la ventaja de ser simple y de permitir total libertad a la hora de decidir el grado de agregación de los flujos de datos. Además, se ha abordado la síntesis de un mecanismo específico de control de la congestión para haces de tráfico agregados. La idea central de nuestra propuesta es emplear un flujo de tráfico auxiliar como flujo de control, pero desprovisto de las funciones complejas de las sesiones de datos y basado únicamente en la dinámica de control de TCP-Vegas.
Una segunda vía de investigación en este mismo campo ha sido el desarrollo de las modificaciones necesarias en los métodos de control de congestión en escenarios multicast. El problema del control de la congestión en un escenario multicast ha sido atacado en la literatura de dos formas alternativas, conocidas como esquemas de tasas múltiples y esquemas de tasa única. Dentro del primer tipo, en el proyecto se ha desarrollado una técnica propia, LDP (Layered Datagram Protocol), que aporta como innovaciones un funcionamiento descentralizado en bucle abierto (sin realimentación), lo que la convierte en un método fácilmente escalable a grupos de gran tamaño. Dentro del segundo tipo, se ha desarrollado una técnica preventiva de control de la congestión (VLMCC, Vegas-Like Multicast Congestion Control) basada en la elección distribuida de un representante de la comunidad de receptores y en la estimación de las características del trayecto de red hasta él por medio de un algoritmo análogo al de TCP-Vegas.
Por último, y dado que uno de los objetivos del proyecto es analizar las distintas posibilidades de diseño de un servicio de vídeo bajo demanda, se han añadido al simulador los dos esquemas de difusión poliarmónica de mejores prestaciones documentados en la literatura.
La principal contribución realizada en esta subtarea ha sido la implementación de un método original on-line para la estimación de la media de un proceso estocástico con dependencia a largo plazo. Hasta donde sabemos, este método es el único disponible para la estimación de la media de tales procesos a partir de una única muestra de longitud indefinida a priori. En realidad, la idea del método es anterior al comienzo del proyecto, dado que ésta había sido esbozada unos meses antes en la tesis doctoral de uno de los miembros del equipo investigador. No obstante, en el marco de este proyecto hemos perfeccionado el método y, además, hemos evaluado su aplicación a procesos con dependencia a corto plazo de función de autocorrelación de caída lenta (por ejemplo, hiperbólica), con lo que hemos conseguido el método on-line de estimación de medias más robusto y con más amplio campo de aplicación del que tenemos conocimiento.
Como contribución adicional, hemos diseñado, para el caso específico de una cola G/G/1, una variable de control para la reducción de varianza en la estimación de la media del tiempo de espera en cola, especialmente útil cuando este proceso tiene varianza infinita. Si bien la utilidad puede parecer limitada, podrá extenderse su aplicación a sistemas más complejos, tales como colas con múltiples recursos, una vez ya comprobada su efectividad. Dados los prometedores resultados de ambas técnicas, continuamos trabajando en su desarrollo, con el fin de ampliar sus correspondientes campos de aplicación.
Asimismo, se ha desarrollado una herramienta para la utilización off-line de la técnica de réplicas independientes (que es el único método alternativo al anteriormente mencionado). Esta herramienta no sólo permite la estimación de la media de cualquiera de los procesos estocásticos de interés en régimen permanente mediante la realización de ejecuciones suficientemente largas, sino que además constituye la herramienta idónea para el estudio de la media de un proceso estocástico en régimen transitorio. Es más, dicha herramienta también permite la estimación (con intervalo de confianza) de la desviación típica del proceso.
Finalmente, se han implementado varias herramientas de análisis off-line para el estudio de otros aspectos de los procesos estocásticos de interés, como pueden ser la estructura de autocorrelación o la función de distribución marginal.
La última parte de este proyecto ha consistido en determinar la eficacia de los mecanismos de control de tráfico antes descritos cuando se emplean como soporte de una aplicación exigente en recursos de red como es el vídeo bajo demanda (VoD). El VoD es una de las aplicaciones, importante en sí misma, que más puede beneficiarse de un mecanismo de comunicaciones eficiente como el multicast. Además puede ser vista como un componente constitutivo de otros servicios avanzados como la videoconferencia o la teleenseñanza.
La distribución de vídeo por Internet plantea como dificultad máxima la de adaptar el ancho de banda que utiliza el servidor a las condiciones variables de la red. Este requisito es esencial, pues una aplicación no adaptativa podría ser causa de una infrautilización del ancho de banda, podría dar lugar a congestión o podría provocar un reparto de ancho de banda falto de equidad. Una solución posible a esta clase de problemas consiste en que la red provea los mecanismos necesarios para la garantía de calidad de servicio y la diferenciación de tráfico. Una segunda alternativa consiste en idear mecanismos adaptativos, en especial de control de la congestión, que hagan posible que el tráfico multimedia conviva con el tráfico TCP sin que existan graves interferencias entre ambos.
La fase final del proyecto ha explorado ambas posibilidades, utilizando para ellos los módulos de simulación desarrollados a lo largo del trienio. En un primer caso de estudio, se han realizado experimentos de simulación en los que se combinan los mecanismos de distribución poliarmónicos con las técnicas de control de tráfico agregado. En el segundo de los casos, el objetivo ha sido explorar el rendimiento alcanzable cuando se combinan los esquemas poliarmónicos de difusión de segmentos de vídeo con nuestras técnicas de control de congestión multicast, tanto monocapa como multicapa.
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