Protocolo activo para transmisiones garantizadas sobre una arquitectura distribuída y multiagente en redes ATM

Resumen

En esta tesis doctoral se presenta TAP (Trusted and Active Protocol PDU transfer), una arquitectura para redes de tecnología ATM, novedosa por sus características distribuida, activa y multiagente. El protocolo propuesto para la arquitectura ofrece transferencias garantizadas a un conjunto privilegiado de conexiones VPI/VCI. Se propone también una extensión de la capa AAL-5 de ATM que hemos denominado EAAL-5 (Extended AAL type 5) usada para la gestión de las conexiones privilegiadas extremo-extremo. TAP ofrece garantía de servicio (GoS) cuando la red está perdiendo células ATM y aprovecha los periodos de inactividad en los enlaces para realizar las retransmisiones de las CPCS-PDU-EAAL-5. El protocolo propuesto emplea mecanismos NACK (mediante células RM de retorno) y es soportado por conmutadores ATM activos equipados con una memoria de almacenamiento de PDU denominada DMTE (Dynamic Memory to store Trusted native EAAL-5 PDU). La arquitectura activa propuesta está basada en un SMA (Sistema Multiagente) constituido por agentes programables colaborativos y distribuidos en la red. Las simulaciones realizadas demuestran la efectividad del mecanismo de recuperación de PDU propuesto con un mejor goodput en la red. La arquitectura TAP es soportada sobre conmutadores ATM activos que denominamos AcTMs (Active Asynchronous Transfer Mode Switch) y que hemos diseñado con técnicas software para: garantizar la gestión justa de colas de entrada basadas en WFQ (Weighted Fair Queueing); realizar el control de congestiones del buffer inspirado en EPD (Early Packet Discard); y evitar, con VC Merge, la mezcla de las PDU de conexiones diferentes. Estas técnicas software se proponen, por tanto, con la intención de: distribuir de forma justa la carga de los conmutadores; optimizar las retransmisiones de PDU; aliviar la implosión sobre las fuentes; evitar la fragmentación de las PDU y disminuir el interleaving de células, optimizando el goodput. Los conmutadores AcTMs requieren también el hardware apropiado para soportar TAP. Para ello, además del buffer, se proponen, la memoria DMTE y un conjunto de tablas de E/S asociadas a cada uno de los puertos de los AcTMs. Se demuestra que estos requerimientos hardware son realistas y viables para ser incorporados en los conmutadores activos. Destacamos el carácter multidisciplinar de esta tesis, donde la base de las investigaciones es la ingeniería de protocolos ATM, complementada con las novedosas ventajas que los agentes software pueden aportar. No obstante, los conmutadores finalmente obtenidos podrían ser objeto del ámbito de las arquitecturas especializadas, de forma que varios módulos del prototipo presentado, podrían ser implementados como componentes hardware para optimizar su rendimiento. Una vez identificadas las limitaciones de la tecnología ATM para soportar las transferencias garantizadas, que son nuestro principal objetivo, se describe la motivación general de estas investigaciones en entornos donde ATM es la base del tráfico IP. De este modo, se emplea NS (Network Simulator) para el estudio de escenarios donde el protocolo TAP puede aportar importantes beneficios al conocido protocolo TCP. Para poder estudiar el comportamiento de todas estas propuestas hemos implementado un simulador de TAP que aprovecha las ventajas que aporta el lenguaje Java para el desarrollo de protocolos de comunicaciones y de SMA. Este simulador permite definir múltiples escenarios y analizar los resultados de la simulación del prototipo para poder llegar a una serie de interesantes conclusiones. Las simulaciones a través de fuentes ON/OFF analizan conexiones punto-a-punto y punto-a-multipunto usando clases, objetos, threads, sincronizaciones y procesos distribuidos implementados en lenguaje Java. La memoria de tesis doctoral ha sido organizada en tres grandes apartados con el objeto de estructurar adecuadamente los contenidos presentados. La Parte I está dedicada a analizar las investigaciones relacionadas con este trabajo, de forma que se describen en siete capítulos los aspectos básicos de la tecnología ATM y se aprovecha cada uno de los capítulos para presentar resumidamente nuestras aportaciones, las cuales son ampliadas en las Partes II y III. De este modo, comenzamos destacando en el Capítulo 1 los fundamentos de la tecnología, para pasar después a describir en el Capítulo 2 una taxonomía de arquitecturas y protocolos para las redes ATM que nos sirven para identificar la propuesta TAP cuya arquitectura básica es incluida al final del capítulo. El Capítulo 3 se centra en los conceptos de fiabilidad y garantía de servicio (GoS) destacando éste último, ya que es una de nuestras propuestas a los parámetros generales de calidad de servicio (QoS) y que se deriva de éstos. Así, se explica el mecanismo con el que se ofrece la GoS a las fuentes privilegiadas. Seguidamente, el Capítulo 4 se centra en el control de congestión y la justicia, ambos aplicados sobre las colas de entrada de los conmutadores ATM. Éstos son también dos aspectos básicos en nuestra propuesta para conseguir aportar soluciones al problema de las congestiones en las fuentes privilegiadas, pero garantizando además la justicia a aquellas fuentes que no lo son. Una vez estudiadas las propuestas de la literatura se presenta un esquema de nuestro algoritmo QPWFQ. El Capítulo 5 estudia los diversos mecanismos de control de congestión aplicados sobre el buffer de los conmutadores y, después de analizar las propuestas más extendidas, comentamos nuestro algoritmo EPDR inspirado en EPD para conseguir atender las solicitudes de retransmisión de las PDU congestionadas. En el Capítulo 6 se realiza una revisión de la literatura en materia de agentes software orientada hacia las redes de comunicaciones, con la intención de centrar adecuadamente el SMA que proponemos como soporte de TAP y con el objetivo de conseguir una red activa formada por conmutadores AcTMs cuya arquitectura es adelantada al final de este capítulo. El Capítulo 7 justifica el carácter distribuido del protocolo TAP sobre una VPN (Virtual Private Network) constituida por nodos AcTMs que coexisten con conmutadores no activos en la misma red. En resumen, la Parte I trata de justificar nuestras propuestas, reafirmándolas sobre los propios fundamentos de la tecnología actual. La Parte II identifica las motivaciones generales de esta tesis, partiendo de las limitaciones actuales de la tecnología ATM que se pretenden solventar con la propuesta de TAP. Esta parte se ha dividido en dos capítulos, dedicándose el Capítulo 8 a describir las motivaciones generales, de modo que el control de congestión en los nodos de la red no sólo beneficia al tráfico ATM nativo, sino que puede ser también de utilidad para protocolos tan extendidos como TCP. Se identifican, por tanto, los beneficios aportados por TAP a las redes actuales. En el Capítulo 9 se discuten las limitaciones de ATM frente al parámetro de GoS propuesto y se explica cómo TAP puede evitar problemas tan indeseables como la fragmentación de las PDU, el interleaving del tráfico, las retransmisiones extremo-extremo y la implosión en las fuentes de tráfico. El objetivo de la Parte III es detallar las soluciones propuestas, de forma que en cuatro capítulos se realiza una descripción detallada, tanto de la arquitectura, como del protocolo que se implementa sobre ella. El Capítulo 10 describe la arquitectura distribuida y multiagente TAP, relacionándola con el modelo arquitectónico ATM, y analizando cada uno de los componentes hardware y software de los conmutadores AcTMs. El Capítulo 11 se centra específicamente en detallar el conjunto de algoritmos que constituyen el protocolo TAP y, por tanto, en el SMA que lo constituye. También se formaliza la idea intuitiva de aprovechar los tiempos de inactividad de la red para atender las retransmisiones de las PDU congestionadas. El Capítulo 12 presenta los detalles de implementación del simulador de TAP que proponemos como prototipo para analizar los resultados obtenidos en diversos escenarios. Se argumenta la elección del lenguaje Java como herramienta para el desarrollo de protocolos y SMA, para pasar después a describir la metodología y las decisiones de diseño más importantes, así como de las clases Java más destacables del prototipo. Este capítulo concluye con el análisis de los resultados más significativos de las simulaciones. Por último, el Capítulo 13 se dedica a identificar líneas futuras de acción que aporten continuidad al conjunto de investigaciones de las que ha sido objeto esta tesis doctoral. ---------------------------------------------------------------------------