An overlay network solution for delay-tolerant video streaming over mobile ad-hoc networks
Sergio Cabrero · Dialnet (Universidad de la Rioja) · 2015
Usar herramientas de comunicacion eficientes mejora el rendimiento del personal que interviene en operaciones de emergencia. El video es una de ellas. En concreto, las personas al mando tienen mucho interes de recibir video desde el area de intervencion. Los dispositivos y las redes moviles actuales permiten este tipo de comunicacion. Sin embargo, la infraestructura de estas redes no esta siempre disponible en emergencias. Por ejemplo, cuando estas suceden en lugares aislados o son producidas por catastrofes naturales. En estos casos, una red movil ad-hoc, tambien conocida como MANET por sus siglas en Ingles, puede ser una buena alternativa. Estas redes no necesitan infraestructura y podrian ser desplegadas utilizando los dispositivos moviles del personal de emergencias. Por el modo en el que el personal de emergencias se distribuye y se mueve, esta MANET seria poco densa. Por tanto, existiran particiones y desconexiones. Esto crea problemas en la distribucion de video que aun no han sido resueltos y en los que esta tesis se centra. En una MANET poco densa, el origen y el destino del video pueden estar en la misma particion de red o en particiones distintas. Ademas, esto puede variar con el tiempo; ya que los nodos de la red se mueven. Cuando ambos estan en la misma particion, es posible transmitir (mediante streaming) el video sobre la MANET. Sin embargo, si estan en particiones distintas, es necesario utilizar mecanismos de las redes tolerantes retardos. Hasta ahora la investigacion se ha centrado principalmente en el streaming sobre MANETs, ignorando los mecanismos de transmision en redes tolerantes retardos. En esta tesis se ha estudiado la movilidad del personal de emergencias, concluyendo que tanto el video streaming, como la transmision de video tolerante retardos serian necesarios. Ademas, se investiga como enviar los paquetes de video cuando existen particiones. Para ello, es necesario identificar nodos de la red que se muevan desde la particion del origen del video la particion del destino (delay-tolerant routing). Tambien es preciso investigar como los nodos deben reenviar los paquetes de video (forwarding) para reducir las perdidas. Aunque estos problemas se solucionen, la capacidad de la MANET puede ser insuficiente para transmitir todo el video generado. Por esta razon, tambien se investigan tecnicas de adaptacion en este tipo de redes. Se propone utilizar una red superpuesta (overlay network) sobre la MANET, llamada MOMENTUM, que implementara las soluciones estos problemas. MOMENTUM esta formada por todos los nodos de la MANET y se ejecuta en el nivel de aplicacion, sobre UDP. Es compatible con los protocolos de red y las aplicaciones de video estandar. Esto facilitaria su despliegue en un entorno real. Se asume que la red utiliza el protocolo de routing OLSR, que MOMENTUM utiliza para descubrir la topologia de la red. Esta informacion permite MOMENTUM adaptar su comportamiento entre los modos de streaming en MANET y transporte de video tolerante retardos. Se ha construido un prototipo de MOMENTUM en Java, que se ha evaluado en un entorno de simulacion de redes MANET. Al compararlo con una arquitectura cliente-servidor, se ha demostrado que MOMENTUM es capaz de adaptarse mejor las desconexiones y particiones. Ademas, los recursos de red consumidos por MOMENTUM son despreciables en comparacion con los recursos consumidos por el trafico de video. MOMENTUM incluye un protocolo de routing tolerante retardos que esta especialmente disenado para operaciones de emergencia. La idea principal es utilizar el conocimiento a priori extraido de los escenarios de emergencia. Nuestra hipotesis es que el routing tolerante retardos puede ser mas eficiente cuando se utiliza informacion conocida sobre el escenario de aplicacion, por ejemplo si el dispositivo movil lo lleva una persona o esta en un vehiculo. Para demostrarlo, se ha comparado nuestra propuesta con PROPHET, un protocolo ampliamente utilizado. Ambas alternativas se han implementado y evaluado utilizando MOMENTUM. Los resultados obtenidos son prometedores. Nuestra propuesta incrementa el numero de paquetes de video entregados al destino y ademas, reduce el retardo. Estos experimentos se han ampliado con otra serie de experimentos utilizando una red overlay distinta (Dts-overlay), mas escenarios y otros protocolos de routing. Esto ha permitido confirmar algunas de las fortalezas de nuestra propuesta, pero tambien ha revelado debilidades. La mas importante es que nuestra propuesta falla cuando la informacion a priori es incorrecta. Las interrupciones temporales en las rutas de red causan perdidas de paquetes masivas. La razon mas frecuente para estas interrupciones es el fallo en los protocolos de red; por ejemplo, OLSR declara una ruta, pero ARP no puede resolver las direcciones. Para solucionar esto, se propone un mecanismo de control de flujo en el reenvio (forwarding) de paquetes. Es un mecanismo sencillo que limita el numero de paquetes que se pueden transmitir sin asentimiento entre dos nodos. La evaluacion muestra que este mecanismo reduce drasticamente el numero de paquetes perdidos por interrupciones temporales en la red. Por tanto, es una solucion que mejora el rendimiento por defecto en las redes MANET poco densas, y que, ademas, funciona con protocolos de red estandar. Aunque se consiga minimizar el numero de paquetes perdidos en la transmision, una MANET puede no tener capacidad suficiente para enviar todo el video generado en el origen. Cuando se da esta situacion, el destino recibe un video incompleto, siendo probable que falten los paquetes que forman el final del video. Es necesario adaptar el video los recursos disponibles. Sin embargo, es muy complicado estimar los recursos de red disponibles en este tipo de escenarios; ya que las personas o vehiculos que portan los dispositivos moviles se mueven libremente. Por ello, se ha disenado una tecnica de adaptacion que no precisa de estimacion de recursos. Se propone adaptar los fotogramas por segundo (frame rate) del video modificando el orden de transmision de los paquetes. Los resultados muestran que es posible obtener un numero de fotogramas por segundo proporcional la capacidad de la red y un video con duracion aproximada la original.