Unificación de los protocolos de multipunto fiable optimizando la escalabilidad y el retardo

Abstract

Las aplicaciones distribuidas que precisan de un servicio multipunto fiable son muy
numerosas, y entre otras es posible citar las siguientes: bases de datos distribuidas, sistemas
operativos distribuidos, sistemas de simulación interactiva distribuida y aplicaciones
de distribución de software, publicaciones o noticias. Aunque en sus orígenes el dominio
de aplicación de tales sistemas distribuidos estaba reducido a una única subred (por ejemplo
una Red de Área Local) posteriormente ha surgido la necesidad de ampliar su aplicabilidad
a interredes.
La aproximación tradicional al problema del multipunto fiable en interredes se ha basado
principalmente en los dos siguientes puntos: (1) proporcionar en un mismo protocolo
muchas garantías de servicio (por ejemplo fiabilidad, atomicidad y ordenación) y a su vez
algunas de éstas en distintos grados, sin tener en cuenta que muchas aplicaciones multipunto
que precisan fiabilidad no necesitan otras garantías; y (2) extender al entorno multipunto
las soluciones ya adoptadas en el entorno punto a punto sin considerar las características
diferenciadoras; y de aquí, que se haya tratado de resolver el problema de la fiabilidad
multipunto con protocolos extremo a extremo (protocolos de transporte) y utilizando esquemas
de recuperación de errores, centralizados (las retransmisiones se hacen desde un
único punto, normalmente la fuente) y globales (los paquetes solicitados se vuelven a enviar
al grupo completo).
En general, estos planteamientos han dado como resultado protocolos que son ineficientes
en tiempo de ejecución, tienen problemas de escalabilidad, no hacen un uso óptimo
de los recursos de red y no son adecuados para aplicaciones sensibles al retardo.
En esta Tesis se investiga el problema de la fiabilidad multipunto en interredes operando
en modo datagrama y se presenta una forma novedosa de enfocar el problema: es más
óptimo resolver el problema de la fiabilidad multipunto a nivel de red y separar la fiabilidad
de otras garantías de servicio, que pueden ser proporcionadas por un protocolo de
nivel superior o por la propia aplicación.
Siguiendo este nuevo enfoque se ha diseñado un protocolo multipunto fiable que opera
a nivel de red (denominado RMNP). Las características más representativas del RMNP
son las siguientes; (1) sigue una aproximación orientada al emisor, lo cual permite lograr
un grado muy alto de fiabilidad; (2) plantea un esquema de recuperación de errores distribuido
(las retransmisiones se hacen desde ciertos encaminadores intermedios que siempre
estarán más cercanos a los miembros que la propia fuente) y de ámbito restringido (el alcance
de las retransmisiones está restringido a un cierto número de miembros). Este esquema
hace posible optimizar el retardo medio de distribución y disminuir la sobrecarga
introducida por las retransmisiones; (3) incorpora en ciertos encaminadores funciones de
agregación y filtrado de paquetes de control, que evitan problemas de implosión y reducen
el tráfico que fluye hacia la fuente.
Con el fin de evaluar el comportamiento del protocolo diseñado, se han realizado
pruebas de simulación obteniéndose como principales conclusiones que, el RMNP escala
correctamente con el tamaño del grupo, hace un uso óptimo de los recursos de red y es adecuado para aplicaciones sensibles al retardo.---ABSTRACT---There are many distributed applications that require a reliable multicast service, including:
distributed databases, distributed operating systems, distributed interactive simulation
systems and distribution applications of software, publications or news. Although
the application domain of distributed systems of this type was originally confíned to a single
subnetwork (for example, a Local Área Network), it later became necessary extend
their applicability to internetworks.
The traditional approach to the reliable multicast problem in internetworks is based
mainly on the following two points: (1) provide a lot of service guarantees in one and the
same protocol (for example, reliability, atomicity and ordering) and different levéis of
guarantee in some cases, without taking into account that many multicast applications that
require reliability do not need other guarantees, and (2) extend solutions adopted in the
unicast environment to the multicast environment without taking into account their distinctive
characteristics. So, the attempted solutions to the multicast reliability problem
were end-to-end protocols (transport protocols) and centralized error recovery schemata
(retransmissions made from a single point, normally the source) and global error retrieval
schemata (the requested packets are retransmitted to the whole group).
Generally, these approaches have resulted in protocols that are inefficient in execution
time, have scaling problems, do not make optimum use of network resources and are not
suitable for delay-sensitive applications.
Here, the multicast reliability problem is investigated in internetworks operating in
datagram mode and a new way of approaching the problem is presented: it is better to
solve to the multicast reliability problem at network level and sepárate reliability from
other service guarantees that can be supplied by a higher protocol or the application itself.
A reliable multicast protocol that operates at network level (called RMNP) has been
designed on the basis of this new approach. The most representative characteristics of the
RMNP are as follows: (1) it takes a transmitter-oriented approach, which provides for a
very high reliability level; (2) it provides for an error retrieval schema that is distributed
(the retransmissions are made from given intermedíate routers that will always be closer to the members than the source itself) and of restricted scope (the scope of the retransmissions
is confined to a given number of members), and this schema makes it possible to optimize
the mean distribution delay and reduce the overload caused by retransmissions; (3)
some routers include control packet aggregation and filtering functions that prevent implosión
problems and reduce the traffic flowing towards the source.
Simulation test have been performed in order to evalúate the behaviour of the protocol
designed. The main conclusions are that the RMNP scales correctly with group size,
makes optimum use of network resources and is suitable for delay-sensitive applications.