Contribución a la evaluación y diseño de protocolos broadcast para redes LAN Ethernet y MANET

Resumen

Esta Tesis Doctoral consta del estudio, comprensión y solución a tres problemas encadenados: Distribución masiva de contenidos, uso eficiente en red de área local y extensión a redes MANET. El primer problema se aborda ofreciendo como solución la plataforma PUMM (Plataforma Universal Multimedia Multiservicio). Un problema que aún hoy día presenta nuestra sociedad es la fractura entre la gente "tecnológicamente ilustrada" y la que no lo es. De esta manera, los avances de la Sociedad de la Información sólo son aprovechados por un pequeño sector de población, generando una fractura social creciente. El porqué de este problema se puede explicar de manera sencilla. En primer lugar, el usuario final suele estar interesado en los servicios (especialmente los de precio asequible o nulo), no en la tecnología que los soporta. Además, el gran mercado prefiere servicios que le sean ofrecidos en su hogar, y a poder ser sin esfuerzo. En este marco se propone diseñar y desarrollar una Plataforma Universal Multimedia y Multiservicio (PUMM) "doméstica", consistente en un terminal de arquitectura abierta en combinación con un televisor convencional. Dicho de otro modo, un Set-Top-Box destinado al gran mercado de consumidores, abierto en la arquitectura hardware y en el software y servicios que soportará. El producto final tiene que ser económico y a poder ser debería usar medios de transmisión baratos o gratuitos. De este modo se propone una configuración básica basada en una plataforma (placa base) con ranuras de expansión. En una de estas ranuras se desarrollará e insertará una placa receptora y decodificadora de datos multimedia (encapsulados en datagramas IP) que serán transportados en el sistema Datacast de un canal de televisión convencional. Esto proporciona al usuario un canal de bajada, ya sea aéreo o cable, con una capacidad varias veces mayor que las soluciones convencionales de acceso a Internet. Mediante el uso de encapsulamiento IP y el cifrado de datos se puede además ofrecer al usuario canales privados. Además, en prototipos con canal de retorno se puede implementar algún mecanismo de medida de QoS extremo a extremo. Así, la colección de servicios a ofrecer puede ser muy grande, incluyendo muchos de los que se consiguen con un ordenador personal. El siguiente problema que aparece es la distribución de contenidos multimedia. Una vez éstos se han recibido/producido, es posible que se quieran distribuir en un entorno SOHO (Small Office/Home Office), es decir, mediante red de área local. La solución clásica a este problema es el modelo cliente-servidor, pero dicho modelo no funciona si el servidor cae, e incluso disponiendo de un servidor robusto el sistema puede colapsar fácilmente cuando el número de clientes aumenta y su demandas son intensas, que es el caso del tráfico multimedia. El modelo cliente-servidor en un escenario de este estilo lleva a un servicio deficiente y un tiempo de respuesta elevado. Así, dado un conjunto de terminales interconectados mediante un concentrador (hub) Ethernet, el problema es cómo distribuir contenido multimedia de manera rápida y eficiente. La solución propuesta es el protocolo MCDP-LAN (Multimedia Content Distribution Protocol). MCDP-LAN es un protocolo broadcast basado en dos conceptos clave: Primero, dada la naturaleza broadcast del medio en que operan las redes LAN, las comunicaciones se implementan en modo broadcast, utilizando directamente primitivas de nivel de enlace, con el beneficio adicional de evitar el overhead generado por las cabeceras de protocolos de capas superiores. El segundo concepto clave es que, debido a la similitud entre los terminales que forman la LAN, se forzará a que se comporten todos igual (peers, con funciones tanto de cliente como de servidor), rompiendo la asimetría clásica del modelo cliente-servidor. La función principal del protocolo MCDP-LAN es la distribución rápida y eficiente de contenidos, que puede ser disparada desde cualquier terminal hacia el resto de los terminales. En un momento dado, uno de los terminales de la red quizás tenga que proporcionar a su usuario un contenido generado previamente por otro terminal, y dicho contenido debe ser entregado lo antes posible. Todo esto se traduce en que todos los terminales han de disponer de una copia local del contenido generado previamente por cualquiera de los terminales, ya que a priori es desconocido cual será el terminal encargado de entregar el contenido. El tercer y último problema abordado es la movilidad en LAN. Una solución trivial para migrar a un entorno con movilidad es substituir el hub Ethernet por un hub inalámbrico y las tarjetas Ethernet por tarjetas 802.11, pero esta solución plantea un nuevo problema: La cobertura. La solución funciona siempre que todos los terminales estén suficientemente cerca del hub inalámbrico. La solución más utilizada para extender la cobertura es el encaminamiento a nivel de red utilizando o bien diversos hubs inalámbricos o bien dispositivos de red en modo Ad-Hoc, habiendo una gran variedad configuraciones y protocolos de encaminamiento que pueden ser utilizados para este fin. El hecho de que los terminales que usan MCDP-LAN se comporten dentro de la red como peers decantó la elección del modo Ad-Hoc de que disponen los dispositivos 802.11. Ahora bien, las redes MANET (Mobile Ad-Hoc Network) presentan el problema de la visibilidad parcial, por lo que hay que considerar protocolos de encaminamiento de nivel de enlace (capa 2 OSI) o superior. Algunos ejemplos de protocolos de encaminamiento en uso podrían ser el protocolo AODV (Ad Hoc On-demand Distance Vector) -reactivo- y DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) -proactivo-. En la literatura se pueden encontrar comparativas extensas sobre protocolos de encaminamiento en redes MANET, observando que una característica común de estos protocolos es su complejidad. Con todo esto en mente, y teniendo en cuenta que las redes LAN Ethernet son omnipresentes y sus protocolos y aplicaciones robustos y sobradamente conocidos, la idea de mantenerlos parece más que razonable. Ahora bien, hay una característica que las redes LAN tienen que las redes IEEE 802.11x MANET no tienen: la visibilidad total. Una red inalámbrica IEEE 802.11x con un Punto de Acceso, AP (Access Point), no es más que un conjunto de terminales que pueden verse desde capas superiores como una red LAN Ethernet convencional, excepto que en lugar de cables hacia un hub/switch se utiliza un radio-enlace hacia el AP. Desde este punto de vista, un terminal fuera de cobertura del AP es equivalente a un terminal que tuviese el cable de red desconectado. En este escenario, en un momento dado un terminal o pertenece a la red o no pertenece a la red. Ahora bien, el escenario es muy diferente cuando la red inalámbrica IEEE 802.11x opera sin AP, en modo Ad-hoc. Por construcción, el protocolo MCDP-LAN explota la naturaleza broadcast de las redes Ethernet LAN, pero no puede utilizarse directamente sobre una red Ad-Hoc, porque el protocolo MCDP-LAN asume que va a operar sobre un medio broadcast con visibilidad total (como los demás protocolos Ethernet). En este punto una opción era modificar MCDP-LAN, pero una opción mucho mejor era diseñar una capa intermedia genérica que ofreciese visibilidad total entre terminales, para que MCDP-LAN (o cualquier otro protocolo Ethernet) sin modificar operase sobre "LAN" (nótese que "LAN" será en realidad una red Ad-Hoc con una capa adicional). El protocolo W2LAN (Wireless to LAN) es un protocolo de nivel de enlace que transforma desde el punto de vista de capas superiores una red 802.11x MANET en una red LAN Ethernet, manteniendo compatibilidad con otros protocolos ya bien establecidos y probados. Así, usando W2LAN cualquier par de terminales inalámbricos que pertenezcan a la misma LAN se verán entre ellos -visibilidad total-, siempre que al menos exista una ruta entre ellos (característica mínima necesaria en cualquier red). W2LAN se basa en un modelo natural (filtrado por evolución) para diseminar información, emulando una habitación oscura con gente en su interior.