Simulador global para redes ATM
L.J. de la Cruz Llopis,
J. García Hero, J. Mata Díaz y J. Luis
Melús Moreno Introducción
El SImulador GLobal para redes ATM (SIGLA) tiene como objetivo fundamental la creación de una herramienta multiplataforma, lo más completa posible, modular y flexible, para el diseño y dimensionado de redes ATM. Actualmente, tal y como se plantea la realización de este simulador, los autores de esta propuesta no conocen que exista una alternativa equivalente a la recogida en este proyecto por lo que se espera pueda ser de gran utilidad a los diseñadores e investigadores de estas redes en un futuro próximo. El software a desarrollar dispondrá de un interfaz gráfico potente para permitir un entorno amigable de usuario, la programación de cada uno de los módulos que componen este programa estará orientada a objeto y la ejecución de cada uno de los procesos requeridos podrá realizarse de forma distribuida sobre estaciones de trabajo mono y multiprocesador enlazadas por una red de área local. Además, se contempla la posibilidad de ofrecer versiones simplificadas de algunos de estos módulos para entorno PC. El simulador dispondrá de tres niveles de operación: el primero trata el diseño y posterior análisis de distintos dispositivos ATM (nivel de dispositivo), el segundo considera la construcción y la medida de prestaciones de una red ATM (nivel de red), y el tercero se encarga de evaluar cualitativa y cuantitativamente el grado de servicio ofrecido por la red bajo estudio de extremo a extremo (nivel de usuario o servicio).
El problema del diseño
El modo de transferencia asíncrono (MTA) se ha propuesto como el principio de conmutación, multiplexación y transmisión de las futuras redes de servicios integrados de banda ancha. Dichas redes están siendo objeto de un amplio estudio e investigación. El hecho de que el tiempo de propagación sea comparable e incluso superior al tiempo de transmisión de los paquetes implica nuevos retos en su diseño. En particular, se puede afirmar que los métodos utilizados para diseñar y dimensionar las redes de telecomunicación convencionales han dejado de ser válidos.
Una forma común de diseñar los nodos MTA es por medio de redes de interconexión que responden a distintas arquitecturas (redes multietapa, memoria compartida,...). En la red de comunicación, tanto los nodos de conmutación como los nodos de acceso estarán unidos de acuerdo a una topología determinada. En general la ubicación de estos dispositivos vendrá fijada previamente por otros condicionantes (población, etc.) y sólo será necesario explorar las diversas formas de interconexión posibles. En la conmutación rápida de paquetes, una de las principales cuestiones es la disposición de zonas de almacenamiento de dichos paquetes en la entrada, en la salida o de forma compartida entre la entrada y la salida. Los mecanismos de control que prevengan la utilización abusiva de estas zonas de almacenamiento y por supuesto la pérdida de posibles celdas es uno de los objetivos principales del diseño de estos dispositivos de conmutación.
Las figuras de mérito que normalmente se evalúan para estos dispositivos son, entre otras, el caudal o flujo de celdas, retraso medio debido al proceso de conmutación, probabilidad de pérdida de celdas, etc.. No obstante, en una red existen usuarios que solicitan los servicios propios ofrecidos por ésta, con lo que será necesario establecer otros criterios de prestaciones de la red en base a las medidas (simulaciones) obtenidas para cada uno de los elementos que configuran la red bajo estudio. Entre éstas podemos incluir: el retraso medio extremo-extremo y su variación (jitter), caudal estimado (una vez que se ha considerado la capacidad de los enlaces), pérdidas, control de tráfico, puntos de congestión, tipos de encaminamiento, etc..
El diseñador de estos sistemas podría estar más convencido de su diseño si además fuera capaz de obtener resultados concretos sobre el comportamiento de la red al introducir uno de los servicios especificados, por ej.: servicios multimedia, viendo cómo se puede variar su calidad con la modificación de algunos de los parámetros previamente definidos en la red. También se podrían incorporar otros para establecer de forma inequívoca a qué parámetros físicos de diseño de la red es más sensible la calidad del servicio ofrecido y proponer las medidas oportunas para su no degradación.
A veces la figura de un diseñador de sistemas no es lo más habitual en nuestras empresas y sí la del responsable técnico que tiene que adquirir determinado equipamiento de tecnología avanzada para la modernización o implantación de las nuevas tecnologías. En este caso su decisión puede ser sencilla, ya que las diferentes casas comerciales le facilitan una solución integrada a su problema. Sin embargo, aunque los dispositivos que se le ponen delante funcionan sobre el papel a la perfección (las especificaciones facilitadas por los diferentes suministradores ofrecen unos resultados cuando menos espectaculares), el usuario final no sabe si dichas especificaciones se adecuan al tráfico que el va a utilizar, a la utilización que se hará de estos dispositivos, a su interconexión, etc.. Así, la disponibilidad de una herramienta que permitiese el conocimiento a priori del comportamiento de los dispositivos en una red determinada, sería de gran utilidad a diseñadores y técnicos.
Necesidad de la simulación
Debido a la dificultad para planificar estas nuevas redes en todas sus vertientes (dispositivos integrantes, red completa y grado de servicio ofrecido), en este proyecto se propone la realización de una herramienta de simulación que ayude a investigadores y diseñadores a planificar y dimensionar los recursos de una red MTA como fase previa a su instalación. Por otra parte, y como objetivo colateral, los resultados obtenidos pueden ser también de utilidad para desarrollar una nueva metodología matemática de diseño similar a la utilizada en redes convencionales y totalmente inexistente para redes de alta velocidad. Sin embargo, este segundo objetivo queda fuera del alcance directo de esta propuesta.
El responsable técnico del apartado anterior podría, por ejemplo, simular la arquitectura del nodo ofrecido como producto final, incorporarlo al programa de simulación global y analizarlo en una configuración de red determinada con un servicio específico para evaluar su comportamiento real. De este modo podría inferir la bondad o no de los dispositivos ofrecidos por los diferentes fabricantes en su caso particular.
Existe una tentación subyacente al proponer un nuevo simulador, que sería la de reformar algunos de los ya existentes. Los paquetes de simulación que actualmente se usan y que se conocen ampliamente surgieron hace algún tiempo como herramientas de simulación de las redes ya existentes (Ethernet, Token-ring, FDDI, interconexión a través de redes WAN,...). Como ejemplo de éstos, se pueden citar el BONes DESIGNER, GPSS/H, MODSIM, SES/Workbench, SIMAN, SIMSCRIPT, SLAMSYSTEMy OPNET. De todos ellos, sólo BONes DESIGNER, SES/Workbench y OPNET tienen módulos de comunicaciones y este último, dispone de un pequeño módulo de MTA completamente diferente a lo que se pretende hacer en este proyecto. Por tanto, no están pensados para la simulación de arquitecturas de conmutación tan complejas como las que aquí se van a simular, con lo que si se quisiera reutilizar alguno de ellos al menos surgirían dos graves problemas. En primer lugar, su reconstrucción para la utilización en entornos MTA se prevé muy costosa y puede consumir demasiado tiempo. En segundo lugar, el tiempo necesario para la simulación de cualquier red sería excesivamente alto, haciendo altamente ineficaz su uso. Es pues necesario desarrollar simuladores específicos para estos entornos y huir en lo posible de simuladores de propósito general.
Por otra parte, se conocen otros dos simuladores. Uno de ellos está finalizado y denominado NIST ATM Network Simulator (US Department of Commerce). En nuestra opinión, este simulador presenta algunas restricciones. Por una parte, los diferentes entornos de tráfico que son susceptibles de ser analizados por la red son escasos y lo mismo ocurre con el tipo y el número de los dispositivos que la constituyen. Por otra, el tiempo de ejecución es elevado. Finalmente, el análisis y evaluación realizado es a nivel de red (extremo a extremo), sin que se pueda hacer un análisis minucioso a nivel más bajo (dispositivo) como paso previo al estudio de los parámetros de calidad de un servicio determinado. El otro simulador está en fase de ejecución en la National Taiwan University y su nombre es Broadband ISDN Simulation Testbed. En este simulador se cuida especialmente el interfaz gráfico de usuario, pero es difícil de implementar en un entorno multiplataforma y no permite una ejecución distribuida del programa simulador. Por otra parte, la filosofía de trabajo expresada para este simulador no está en la línea desarrollada en esta propuesta.
El proyecto SIGLA
Como objetivo general, se quiere desarrollar un simulador global para redes MTA utilizando programación orientada a objeto y con una ejecución distribuida en varios sistemas mono y multiprocesadores que estén conectados por medio de una red local. Se pretenderá que el interfaz de usuario sea lo más amigable posible existiendo versiones modulares simplificadas del programa global que funcionen en otras plataformas, como por ejemplo en PC.
El simulador está organizado en tres niveles, por lo que el estudio, planificación y dimensionado de la red se puede efectuar en cada uno de ellos reutilizando los resultados obtenidos en cada nivel en el inmediato superior. Estos tres niveles se han denominado: nivel de dispositivo, nivel de red y nivel de usuario o servicio.
En el nivel de dispositivo se desarrollan los módulos de cada uno de los dispositivos que intervienen en una red MTA como son: nodos de conmutación y acceso, dispositivos generadores/colectores de tráfico y dispositivos controladores y monitorizadores de tráfico. Los resultados obtenidos en este primer nivel podrán ser utilizados en el nivel de red para establecer el dimensionado y planificación de la misma mediante la generación de topologías y el establecimiento de las técnicas de encaminamiento y control de congestión apropiadas. Por último, en el tercer nivel se evalúan los diferentes servicios que integran las redes MTA a través de la cuantificación de diferentes parámetros de calidad y mediante el sistema perceptual humano, en el caso de los servicios que incorporen información de vídeo o voz.
Este objetivo general pretende cubrir varias actividades. Entre éstas, y como más importantes, se pueden destacar:
- Planificación de infraestructuras, capaces de ofrecer servicios telemáticos (comunicación multimedia interactiva y no interactiva) y determinar el grado de servicio de los mismos, lo que podría ser de utilidad como indicativo para el establecimiento de la futura tarificación asociada a estos servicios.
- Desarrollo y experimentación de nuevas plataformas de trabajo para las tecnologías emergentes que permitan el estudio de nuevas arquitecturas y el análisis y evaluación de diferentes técnicas y prestaciones de las mismas.
- Apoyo a la docencia mediante la realización de versiones simplificadas del programa general que podrán ser difundidas por las redes existentes para su utilización en puntos distantes. Cuando su uso así lo exija, se podrán establecer los mecanismos de consulta y resolución de aclaraciones, bien mediante la utilización de un servidor para tal fin o la realización de seminarios y cursos de interés específico en este área.
Los sectores socieconómicos más directamente implicados pueden ser entidades tanto públicas como privadas que deseen reestructurar o redefinir sus redes existentes utilizando tecnologías de alta velocidad y gran capacidad de integración de servicios de voz, datos y vídeo. Con este simulador se brinda la posibilidad de analizar y diseñar a priori la futura red de cualquier empresa, pública o privada, en las condiciones que se fijen de antemano sin necesidad de realizar un desembolso económico inicial antes de la implantación de la misma lo que en muchos casos puede suponer una gran inversión. Nótese, sin embargo, que algunas empresas están planteándose seriamente la instalación de redes MTA con la consiguiente inversión y el riesgo que supone el uso de una tecnología nueva, y a nuestro juicio sin la suficiente evaluación y planificación previa de dicha red. Por todo ello, y tras la observación de la ausencia de una herramienta como la planteada, nuestro mayor objetivo es el desarrollo de un simulador que ayude a la toma de tales decisiones.
El simulador propuesto, también pretende servir de banco de pruebas de nuevos dispositivos que las casas comerciales ofrezcan a sus usuarios y ensayarlos en el entorno simulado de funcionamiento final de los mismos, simplemente mediante la programación de las características ofrecidas por el fabricante y la posterior inclusión de este módulo en el simulador global.
Además, existen otros beneficiarios muy directos, entre los que se puede citar a todos los investigadores que centran su trabajo en estos temas, tanto en universidades (nacionales o internacionales) como en otros centros de investigación. Por último, y en el entorno desde el que surge esta propuesta, entendemos que este simulador, o algunos módulos del mismo, pueden servir de apoyo a la docencia en las diferentes escuelas técnicas interesadas en el tema o mediante la realización de seminarios o cursos específicos sobre el diseño de las futuras redes MTA. Creemos que para los estudiantes y futuros profesionales es imprescindible la adquisición de una disciplina que primero conlleva la simulación de una arquitectura de red, la obtención de resultados y los sucesivos refinados hacia la arquitectura final antes de su implantación, que como se ha visto implica una racionalización de la infraestructura de telecomunicaciones necesaria así como del coste o inversión que ésta implica. Por otra parte, esta forma de actuar constituiría un estímulo permanente y garantizaría la sucesiva mejora de las versiones del simulador que se fueran desarrollando.
Resumiendo, creemos que este simulador, una vez desarrollado completamente, puede ser muy beneficioso, ya que la inexistencia de estos productos a nivel nacional es notoria en la actualidad, y en el plano internacional los datos de que se dispone no son tampoco muy alentadores. Con todo, siempre está presente la sospecha de que existan versiones propietarias de productos con el mismo fin, pero a las que es prácticamente imposible acceder por el valor estratégico que tienen.
Parte de este trabajo será de uso libre y se podrá distribuir, por medio de los ejecutables correspondientes en la plataforma más apropiada, para Universidades y Centros de Investigación interesados en el tema con el objeto de facilitar su desarrollo al recibir e incorporar todas las sugerencias que de su uso se deriven de una forma cooperativa. En el caso de centros privados, lo normal será llegar a acuerdos de colaboración con ellos, pero es muy difícil determinar en este momento cual será la materialización concreta en cada caso. Lo que si se ha de resaltar es que desde este Departamento siempre se ha potenciado, dentro de nuestras posibilidades, la colaboración Universidad-Empresa y la transferencia de tecnología, siendo este proyecto una buena oportunidad de mantener esa línea de actuación e incrementarla en lo posible.
L. J. de la Cruz Llopis, J. García Haro,
J. Mata Díaz y J. L. Melús Moreno
Universidad Politécnica de Cataluña
Dpto. de Matemática Aplicada y Telemática
teljgh [at] mat [dot] upc.es