Proyecto SABA: Nuevos Servicios con Reserva de Recursos para la Red Académica de Banda Ancha

J. Quemada, A. Azcorra, T. de Miguel, D. Larrabeiti, J.I. Moreno, C. Barenco, J. Solé, J. Domingo, X. Martínez, J.I. Solana, P. Aranda, T. Ariste, P. Lizcano
El proyecto CICYT SABA tiene como finalidad la experimentación y evaluación de nuevas propuestas de tecnologías, arquitectura y protocolos de redes de comunicaciones que permitan solucionar los problemas que la red Internet tiene planteados actualmente debido a su crecimiento e incorporación de tecnologías de Banda Ancha. Para evaluar el impacto de estas nuevas soluciones sobre las aplicaciones finales se adaptarán aplicaciones existentes para su uso continuado sobre las subredes que se constituyan. Las organizaciones que componen el núcleo del proyecto son: La Universidad Politécnica de Madrid, el Centro CABA - Universidad Politécnica de Cataluña y Telefónica I+D, participando además investigadores de las Universidades de Sevilla, Oviedo y Gerona.

Entre las nuevas propuestas a analizar y evaluar se encuentran: el protocolo interred (IPv6), los protocolos de tiempo real y reserva de recursos (RTP y RSVP), el control de capacidad de transferencia (VBR, ABR, UBR), subredes multicast ATM y LAN Emulation.

Las aplicaciones existentes que se adaptarán a las nuevas arquitecturas de red corresponden a diferentes ámbitos: Trabajo Cooperativo, MBONE, Videoconferencia y Proceso Distribuido. Con objeto de permitir una experimentación continuada se implantarán una plataforma de red y plataformas de equipos de usuario en las tres instituciones participantes.

PALABRAS CLAVE: Servicios Telemáticos, ATM, Multipunto, Banda Ancha, IPv6, Internet, Trabajo Cooperativo, Simulación, Mbone, 6bone, RSVP, RTP

Estructura y Objetivos de SABA

El proyecto SABA (Nuevos Servicios para la Red Académica de Banda Ancha), subvencionado por la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología, tiene como objetivo la experimentación y evaluación de las nuevas propuestas de tecnologías, arquitectura y protocolos de redes de comunicaciones que permiten solucionar los problemas que la red Internet tiene planteados actualmente. Además incluye la adaptación de aplicaciones existentes de trabajo cooperativo y vídeo-conferencia con el fin de realizar un uso intensivo y continuado de las nuevas plataformas de red creadas en experiencias reales de teleeducación y telereunión.

Las organizaciones que componen el núcleo del proyecto son: La Universidad Politécnica de Madrid, el Centro CABA - Universidad Politécnica de Cataluña y Telefónica I+D, participando además investigadores de las Universidades de Sevilla, Oviedo y Gerona. SABA cuenta con la colaboración de RedIRIS y el apoyo de diversas instituciones entre las que se encuentran Telefónica, el Centre de Comunicacions i Computacio de Catalunya, y la Universitat Oberta de Catalunya

El proyecto SABA se halla estructurado de la siguiente forma:

  1. Arquitectura de Red. Diseño y evaluación de nuevas propuestas de arquitectura de redes de comunicaciones de banda ancha que permitan obviar las limitaciones de las redes Internet actuales.

    • Protocolo de interconexión de redes IPv6.

    • Protocolos de tiempo real y reserva de recursos: RTP y RSVP.

    • Control de capacidad de transferencia: ABR, VBR y UBR.

    • Desarrollo de redes multicast ATM sobre IP.

  2. Adaptación de aplicaciones existentes en las nuevas arquitecturas de red.

    • Adaptación y evaluación de la aplicación de trabajo cooperativo ISABEL .

    • Evaluación de las aplicaciones MBONE en el nuevo entorno.

    • Evaluación de aplicaciones de videoconferencia sobre LAN.

    • Adaptación y evaluación de aplicaciones de procesado distribuido.

  3. Creación de Plataforma de Red. Desarrollo e integración de una plataforma de red estable basada en las nuevas arquitecturas objeto de este proyecto, así como de una plataforma de equipos de usuario en las instituciones participantes que permita una experimentación continuada.

  4. Experiencias y Evaluación. Evaluación de las plataformas de red y aplicación mediante el uso continuado en experiencias de uso real.

    • Experiencias de teleeducación entre las Universidades involucradas y Telefónica I+D.

    • Realización de reuniones de trabajo del proyecto sobre la plataforma SABA.

    • Uso de la plataforma por parte de terceros (conferencias, demostración de aplicaciones, teleeducación, etc.) .

  5. Transferencia de los resultados a los organismos patrocinadores y a otros receptores potencialmente interesados. Estos incluyen: RedIRIS, TELEFÓNICA, así como otras redes de banda ancha de ámbito autonómico.

Exponemos a continuación muy brevemente el contenido de las líneas maestras de SABA.

Arquitectura de Red

Uno de los objetivos fundamentales del proyecto es, la experimentación y validación practica de redes IP capaces de soportar aplicaciones de banda ancha multimedia avanzadas que requieran el soporte de flujos en tiempo real, el soporte de la garantía de calidad de servicio y la transferencia de información en configuraciones punto a multipunto. Esas capacidades exigen el uso de la nueva generación del protocolo IP (IPV6) conjuntamente con otros protocolos (RTP, RSVP) especialmente diseñados para el transporte de flujos en tiempo real y para la reserva y garantía de la necesaria calidad de servicio.

Al ser uno de los supuestos básicos del proyecto el uso de una capa subyacente ATM que soporte a la capa IP, resulta uno de los temas fundamentales de este proyecto el estudio y validación experimental la adaptación más adecuada entre ATM e IP para el transporte de la información del usuario. La única categoría de servicio disponible en la mayoría de redes WAN ATM es DBR (deterministic bit rate) en la que el usuario especifica únicamente el pico máximo al cual va a generar información y la red reserva los necesarios recursos en base a ese único parámetro. Esta capacidad de transferencia, aunque simple, resulta poco eficiente para flujos del datos tales como los presentes en las redes IP actuales, una de cuyas características mas típicas es que su ritmo de generación de información resulta muy variable en el tiempo. Próximamente se espera que empiecen a estar disponibles otras capacidades de transferencia de información en redes ATM más flexibles y adecuadas, a flujos de información IP. Las mas importantes son VBR (Variable Bit Rate), ABR (Available Bit Rate) y UBR (Unspecified Bit Rate). Uno de los objetivos del proyecto será la determinación de la utilidad practica de cada una de estas capacidades de transferencia de información en la capa ATM para el soporte de flujos de paquetes IP, tanto aquellos generados por aplicaciones tradicionales (FTP, WWW, ...) como por nuevas aplicaciones que requieren la garantía de calidad de servicio y el soporte de flujos en tiempo real (telefonía sobre IP, videotelefonía sobre IP, ...). Por otro lado, el uso de técnicas de multicast es necesario en aplicaciones multimedia basadas en el paradigma de multiconferencia en tiempo real entre varios interlocutores. Existen redes actuales que proporcionan un servicio multicast a nivel de red utilizando la clase D de direccionamiento en IP. La red experimental multicast basada en Internet y conocida como MBONE utiliza esta solución que funciona adecuadamente a unos cientos de Kb/s. La creación de redes multicast de mayor ancho de banda obliga a buscar soluciones donde el multicast se realice a nivel de capa física. En el marco de proyectos RACE/ACTS como IBER, TECODIS o NICE se han desarrollado soluciones que permiten crear redes multicast ATM con los equipos comerciales actuales. Además el ATM Forum está desarrollando normas que en un futuro podrán ser utilizadas.

En entornos estrictamente locales el soporte multicast para aplicaciones distribuidas viene dado por las tradicionales redes locales (LAN). La emulación de redes locales sobre ATM (LAN Emulation del ATM Forum) permite establecer entornos híbridos Ethernet-ATM. Desde el punto de vista de los usuarios de la red académica de banda ancha es importante establecer una serie de recomendaciones para configurar adecuadamente estos entornos para que, en una segunda fase, se puedan interconectar LANE a través de la red académica ATM con el máximo rendimiento.

Arquitectura de red (figura 1)

Adaptación de Aplicaciones

La evaluación de una red de comunicaciones debe hacerse bajo las condiciones reales de uso, por lo que es necesario disponer de un conjunto de aplicaciones suficientemente amplio y representativo de las que se utilizarán una vez que la red entre en producción. La disponibilidad de aplicaciones que aprovechen el ancho de banda de las redes basadas en tecnologías ATM es escasa y las existentes no están adaptadas ni optimizadas para el uso de los protocolos de red contemplados en el proyecto. Por lo tanto se va a adaptar a las peculiaridades de la nueva arquitectura y de los nuevos protocolos un conjunto de aplicaciones existentes que se considera suficientemente representativas de los futuros usos. Estas son : la Aplicación CSCW ISABEL, las aplicaciones de MBONE, aplicaciones de vídeo conferencia sobre LAN, y aplicaciones de proceso distribuido.

ISABEL es una aplicación de trabajo cooperativo que ha sido desarrollada en los proyectos ISABEL, IBER, NICE, TECODIS de los programas RACE/ACTS por investigadores de la ETSIT UPM en colaboración con TIDSA. ISABEL tiene unos modos de operación que permiten crear servicios de teleconferencia, teleclase y telereunión. Esta aplicación ha sido utilizada con éxito para distribuir las Escuelas de Verano Internacionales sobre Comunicaciones Avanzadas de Banda Ancha ABC'93, ABC'94, ABC'95 y ABC'96. ISABEL es probablemente la única aplicación que ha permitido establecer eventos de trabajo cooperativo síncrono e incluyendo videoconferencia con más de 15 participantes. Por ello es utilizada regularmente en muchas de las redes piloto ATM, por ejemplo en Canadá, Suiza, Italia, España, ... ISABEL esta configurada para trabajar en IP sobre ATM, pero todavía debe ser adaptada y optimizada para las nuevas soluciones de red introducidas en el proyecto.

Adaptación de aplicaciones (figura 2)

Entre las actividades de adaptación de la aplicación se hallan: habilitar la capacidad de especificación y negociación de los parámetros de calidad de servicio, incluyendo prestaciones, pérdidas, retardo, variación de retardo,...en concreto utilización de los nuevos protocolos RTP, RSVP, Ipv6 para garantizar la calidad de servicio; adaptación de la aplicación al tipo de servicio y calidad de servicio negociada con la red, utilización de las funciones de sincronización de flujos, utilización del soporte de grupo por parte de la red, regulación de los flujos de datos, asignación de prioridad relativa y programación de los distintos flujos de datos en la transmisión, adopción de normas interoperabilidad con aplicaciones de otros fabricantes, introducción de mecanismos de seguridad con el fin de controlar la distribución de información a miembros autorizados de un grupo y el uso lícito de los datos multicast, etc..

Aplicaciones MBONE. La investigación prevista incluye modificar las aplicaciones para poder obtener una mayor calidad de la imagen (KB/s, fps, tamaño de la ventana de vídeo), optimizar la configuración de nivel socket (e.g. tamaño óptimo de los buffers), para AAL5 e IP sobre ATM, adaptación a los nuevos servicios provistos por los protocolos IPv6, RSVP y la red ATM, y analizar el rendimiento de estas aplicaciones en entornos LANE con distintas configuraciones (BUS, LES y LEC).

Aplicaciones de videoconferencia sobre LAN. Dentro del apartado de aplicaciones de usuario final, que se usarán como elemento básico para validar las soluciones de red que el grupo de proyecto plantee, el trabajo de Telefónica I+D se centrará en aplicaciones de videotelefonía y videoconferencia en base a los estándares H32X recientemente desarrollados para el transporte de información de vídeo en tiempo real a través de redes de datos en general y redes IP específicamente, efectuando una labor de prospección y selección de las aplicaciones comercialmente disponibles que sean más adecuadas para los fines de SABA.

Aplicación de procesado distribuido. Implementación de una aplicación que da soporte a la ejecución de aplicaciones paralelas distribuidas -las distintas tareas que componen un programa paralelo se ejecutarán en diversas máquinas conectadas a la red académica de banda ancha. Los mecanismos de control destinados a dar la fiabilidad y rapidez de comunicación que requieren las aplicaciones paralelas emplearan un solo nivel de protocolo que enlazará directamente las aplicaciones con ATM. Toda la estructura habitual de protocolos que incluye protocolos de transporte, de red y de adaptación (AAL) se reemplazaran por un protocolo específicamente pensado para este tipo de aplicaciones y que está basado en una versión modificada del protocolo SSCOP que persigue mejorar el comportamiento en lo que respecta al retardo experimentado por los mensajes de extremo a extremo, ya que dicho retardo constituye el factor que determina en mayor medida la influencia de las comunicaciones en aplicaciones paralelas. Las modificaciones consisten en minimizar la información que deba retransmitirse en caso de perdidas y en la adición de un mecanismo preventivo que permite reducir la probabilidad de perdida de información.

Creación de Plataforma de Red

SABA creará una infraestructura permanente de comunicaciones, como base para la realización del proyecto, que dispondrá de nodos en las instalaciones de cada uno de los socios. Esta infraestructura tendrá como funcionalidad básica la transferencia de paquetes IP pero con capacidades avanzadas tales como: soporte del protocolo IPV6, soporte de los protocolos RTP y RSVP relacionados con el soporte de flujos en tiempo real y la garantía de calidad de servicio respectivamente, soporte de transferencias de información punto a multipunto (multicast) y capacidades de transferencia de información de elevado ancho de banda, incluyendo el soporte de vídeo en tiempo real.

Se planea desarrollar un núcleo de red IPv6 nativo con nodos en UPM-Madrid, CCABA-UPC-Barcelona y Telefónica I+D-Madrid, al que se conectarán las universidades de Sevilla, Girona, Oviedo y otros centros en RedIRIS mediante túneles IPv6/IPv4. Los tres nodos componentes de la infraestructura principal se interconectarán con los otros dos inicialmente a través de trayectos virtuales ATM semipermanentes y, mas adelante y dependiendo de su disponibilidad en la Red Publica ATM, circuitos virtuales conmutados ATM. Asimismo podrá hacerse uso (en cuanto esté disponible en la red publica ATM) de la interfaz Xuser, la cual permite el establecimiento automático de trayectos virtuales ATM así como la modificación de características tales como el ancho de banda asociado al mismo.

Se completará la infraestructura nodal existente, constituida por una mezcla de elementos comerciales y de elementos resultado de proyectos de I+D, con los elementos necesarios para soportar IPv6, RSVP, RTP, señalización ATM, modos de transferencia VBR, ABR y UBR, nodos de comunicaciones multipunto sobre ATM y finalmente interconexión de LANE sobre red WAN ATM. Los elementos precisos serán de naturaleza comercial, y cuando sea preciso de naturaleza experimental provenientes de otros proyectos de investigación.

Plataforma de red SABA (figura 3)

Experiencias y Evaluación

El objetivo fundamental del proyecto es la realización de experiencias que permitan demostrar la validez de las arquitecturas y plataformas de red adoptadas. Aunque en la red Internet original la demanda se basaba en servicios sencillos de correo electrónico, conexión remota o transferencia de ficheros, actualmente, el interés se está desviando hacia servicios de información basados en información multimedia y servicios interactivos de trabajo cooperativo basados en tecnología CSCW (Computer -Supported Cooperative Work). El proyecto pretende explorar y adaptar tecnologías actualmente en desarrollo para proporcionar nuevos servicios telemáticos.

El objetivo de esta actividad de SABA es definir, configurar, utilizar y evaluar servicios telemáticos interactivos en el campo de la educación y el trabajo distribuido. Las experiencias serán desarrolladas por usuarios internos y externos al proyecto. En primer lugar se experimentará entre los propios participantes en el proyecto. Después se desarrollarán experiencias con usuarios locales a las entidades participantes en el proyecto y finalmente se plantearán experiencias con usuarios externos totalmente al proyecto.

Por otra parte se trabajará en cierto tipo de aplicaciones concretas. Una encaminada a proporcionar un servicio de alta calidad de educación a distancia entre universidades y centros de formación. Otra pensada para proporcionar un servicio de teletrabajo centrado en la realización de reuniones entre grupos de usuarios dispersos geográficamente. Finalmente, se trabajará en el desarrollo de experiencias en el campo del procesamiento distribuido como soporte de futuros servicios telemáticos.

Estos dos puntos de vista convergen en una serie de experiencias concretas en las que intervienen diferentes tipos de usuarios:

  • Teleconferencia utilizando el servicio de telereunión internamente dentro del proyecto entre los miembros de los diferentes grupos de trabajo.

  • Seminarios y cursos distribuidos entre los centros Universitarios participantes dentro del proyecto. El plan es programar ciertos cursos y seminarios que tengan lugar durante la realización del proyecto para ensayar experiencias de educación a distancia con profesores y alumnos reales de los centros participantes en las experiencias. En una segunda fase se puede abrir la experiencia a otros centros que dispongan de la infraestructura necesaria y deseen seguir los cursos programados previamente.

  • Experiencias de procesamiento distribuido entre plataformas capaces de realizar computación distribuida de altas prestaciones. Se trata de dotar ciertos sistemas con la plataforma distribuida adecuada para poder experimentar arquitecturas avanzadas de cálculo distribuido.

  • Experiencias de Telereunión entre usuarios externos al proyecto. Se trata de replicar la plataforma diseñada para uso interno dentro del proyecto en un escenario externo al mismo. El objetivo es validar, con usuarios totalmente ajenos al proyecto y potenciales demandantes comerciales de este tipo de servicios, la herramienta de telereunión integrada dentro del proyecto.

Una parte fundamental de todas estas experiencias es la evaluación desde varios puntos de vista. Por un lado es fundamental obtener información de los usuarios y por otra de la red de soporte. El equipo de desarrollo estudiará los parámetros más importantes desde el punto de vista de usuario y se realizarán encuestas de uso en las que se tratará de validar el servicio diseñado.

La evaluación de la red exige la planificación y realización, en paralelo con las experiencias, de una serie de medidas de uso que se apoyarán en equipos comerciales que permiten realizar medidas a diferentes niveles en las capas ATM, capa de adaptación a ATM, IP, TCP/UDP y capas de aplicación caso necesario. Telefónica I+D dispone ya en este momento de la citada instrumentación, aunque deberá ser complementada con capacidades hardware y software adicionales a lo largo del desarrollo del proyecto.

Transferencia de Resultados

Se considera que el principal beneficiario de las actividades es la comunidad académica, representada por RedIRIS, organismo gestor de las redes académicas en nuestro país. Dada la particular relevancia de RedIRIS a estos efectos, una actividad específica del proyecto se ha dedicado a la transferencia de resultados a RedIRIS. Los mecanismos de transferencia de resultados a RedIRIS se realizarán mediante informes, realimentación activa, incorporando RedIRIS a las redes piloto de las experiencias, difusión a través de RedIRIS de aplicaciones y experiencias, y mediante la transferencia directa de la tecnología experimentada y desarrollada.

Bibliografía:

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  4. RFC 1885 PS A. Conta, S. Deering, "Internet Control Message Protocol (ICMPv6) for the Internet Protocol Version 6 (IPv6)", 01/04/1996.

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  6. RFC 1883 PS S. Deering, R. Hinden, "Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification", 01/04/1996.

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  15. Francoise Fluckiger. Understanding networked multimedia. Prentice Hall 1995. ISBN: 0-13-190992-4 Campus 400, Maylands Av.

    16. Juan Quemada,
    Arturo Azcorra, Tomás P. De Miguel,
    David Larrabeiti, J.Ignacio Moreno,
    Claudia Barenco (DIT-UPM)
    Josep Solé, Jordi Domingo, Xavier Martínez (UPC)
    Juan Ignacio Solana, Pedro Aranda,
    Teresa Ariste, (Telefónica I+D)
    Pedro Lizcano, (CICYT)