Rendimiento de tcp y cálculo de rutas en redes de conmutación óptica de ráfagas

Resumen

La tecnología de conmutación óptica de ráfagas (Optical Burst Switching, OBS) es una alternativa prometedora para la próxima generación de redes ópticas. Esta tesis estudia el comportamiento de flujos de datos que empleen el protocolo de transporte TCP (Transmission Control Protocol) sobre una red basada en la mencionada tecnología OBS, propone una técnica de encaminamiento adaptativa y multicamino para OBS, y diseña e implementa un elemento de cálculo de rutas basado en PCE (Path Computation Element) para redes de conmutación de ráfagas OBS con encaminamiento por longitud de onda, conocidas como WR-OBS (Wavelength-Routed OBS). Uno de los aspectos clave a la hora de investigar una nueva tecnología de red es comprobar cómo se comporta el tráfico que circulará por la misma y cómo la red responde ante dicho tráfico. El tráfico que circula por las redes de comunicaciones está principalmente controlado por el protocolo de transporte TCP. En este sentido, con el fin de profundizar en su funcionamiento, se realiza en primer lugar una revisión detallada del protocolo de transporte TCP y se estudia su comportamiento en distintos tipos de redes. En concreto, las investigacines llevadas a cabo en esta tesis se centran en el comportamiento de dicho protocolo en una red que emplea la tecnología OBS. Muchos parámetros del protocolo TCP son configurables en las distintas implementaciones del mismo, que varían según el sistema operativo, y su elección puede llegar a tener mayor o menor impacto en el rendimiento de una transferencia de datos con TCP según la tecnología de red que se emplee. Así, se estudia el impacto de un aspecto concreto de TCP, el asentimiento retardado, que se evalúa mediante simulación. Por otro lado, se realiza una importante aportación al estado del arte estudiando TCP, no de manera completamente aislada, sino con múltiples fuentes de tráfico. Mediante simulación, y posteriormente de manera analítica, se estudia el comportamiento de un flujo TCP que se ensambla en un ensamblador OBS junto con tráfico perteneciente a otras conexiones, que denominaremos tráfico de fondo, y se analiza qué impacto tiene en el rendimiento de TCP en redes OBS. Con el objetivo de obtener una relación sencilla entre los principales parámetros de diseño de OBS y TCP, se propone un modelo teórico que captura el funcionamiento de TCP sobre OBS con múltiples flujos. Para ello, se estudian con detalle las técnicas de modelado de TCP. El modelo propuesto se valida mediante simulación con una gran variedad de escenarios. Para el caso de múltiples flujos, un parámetro con gran influencia es el número de segmentos TCP por ráfaga, que solamente puede conocerse con certeza en escenarios muy acotados. La tesis propone y valida mediante simulación unas cotas superiores e inferiores del throughput de TCP sobre OBS con múltiples flujos. La validación se ha llevado a cabo mediante simulación tanto en OPNET Modeler como en OMNeT++. La tesis también estudia el efecto de la sincronización de flujos TCP en una red OBS. La sincronización de flujos TCP aparece cuando varias conexiones TCP comparten un enlace y los mecanismos de control de congestión de los clientes y servidores TCP involucrados en la transmisión reaccionan al mismo tiempo. Este hecho lleva a un uso ineficiente del ancho de banda disponible, por lo que si la sincronización es excesiva, el ancho de banda necesario para ofrecer el mismo rendimiento a las conexiones TCP es mayor que en un caso sin sincronización. La tesis cuantifica el efecto de sincronización en los mecanismos clásicos de ensamblado de OBS, aplicando distintas métricas. Se evalúan mediante simulación distintos escenarios, desde un caso peor de sincronización total, hasta un escenario pragmático con variedad de RTTs (Round Trip Times), en los que se calcula cuál es la capacidad que se ha de reservar en un enlace OBS para cursar un tráfico determinado. Con el objetivo de aumentar la eficiencia del uso del ancho de banda disponible, se propone un nuevo esquema de ensamblado que de manera estática o dinámica asigna flujos a un conjunto de colas para controlar el proceso de agregación de flujos. Se evalúa la bondad de este esquema, mostrando una mejora significativa en la utilización del ancho de banda del enlace óptico. También se propone una técnica de encaminamiento multicamino, adaptativa y con histéresis para OBS con reserva sin confirmación. El objetivo de la técnica propuesta es reducir la probabilidad de bloqueo de ráfagas repartiendo la carga de tráfico, balanceándola de tal forma que se reduzca el tráfico en los enlaces más cargados y se utilicen enlaces poco cargados con muchos recursos vacantes. Para realizar el reparto, se emplea únicamente información obtenible localmente en el nodo, sin necesidad de enviar información de estado adicional en los protocolos de encaminamiento. Mediante simulación con ns-2 se evalúan las prestaciones de la técnica propuesta en cuanto a probabilidad de bloqueo y retardo. En último lugar, la tesis propone una arquitectura de WR-OBS con elementos definidos por los estándares actuales en el IETF (Internet Engineering Task Force), destacando el elemento de cálculo de rutas, denominado PCE. Se diseña e implementa un prototipo de PCE para redes de conmutación de ráfagas OBS con encaminamiento por longitud de onda (WR-OBS). La tesis realiza una importante contribución mediante la propuesta, implementación y validación de las extensiones del protocolo PCEP (protocolo de comunicación con el PCE) necesarias para las redes WR-OBS. Se lleva a cabo una implementación de un prototipo del PCE diseñado con las extensiones propuestas, que responde en tiempo real a peticiones de rutas para ráfagas ópticas. Se implementa un emulador de WR-OBS con el que se valida experimentalmente el prototipo de PCE. Se evalúan las prestaciones del PCE en cuanto a rapidez de cálculo y se evalúa el rendimiento de la arquitectura WR-OBS con PCE en cuanto a retardo de borde, número medio de lightpaths establecidos y probabilidad de bloqueo.