Network coding based mechanisms for reliable communications and high QoS in shared resource networks
Josu Bilbao · Dialnet (Universidad de la Rioja) · 2014
La coexistencia de flujos con diferentes requisitos de QoS y fiabilidad, compartiendo los mismos recursos de red de forma simultanea, constituye un importante reto para el despliegue de servicios de nueva generacion sobre infraestructuras existentes. Con el inicio del siglo XXI, nace una nueva corriente en el campo de la Teoria de la Informacion conocida como Network Coding (NC), alcanzandose nuevos limites en el uso de recursos de red compartidos y permitiendo maximizar la informacion transmitida. La presente tesis estudia el papel que puede aportar la codificacion en red (NC) a la hora de abordar los retos relacionados con (i) el cumplimiento de los requisitos de QoS establecidos para el despliegue de servicios de nueva generacion sobre infraestructuras existentes, y (ii) proporcionar comunicaciones confiables en entornos hostiles. La primera parte de la disertacion se focaliza en la provision de QoS en redes de altas exigencias (flujos mission y time-critical). Dada la necesidad de compartir los recursos de red por flujos de diferente naturaleza y conservar el QoS requerido, se propone un mecanismo de gestion de colas basado en inter-flow NC (Galatea). El modelo teorico desarrollado permite un analisis preciso de la ocupacion en cola, principal causa de latencia y degradacion del QoS. Posteriormente, se analiza la integracion del esquema de gestion de colas propuesto en un switch (SIKS) mediante una implementacion virtual (OPNET) y una implementacion real en FPGA. La implementacion real del Switch permite analizar los recursos HW requeridos en comparacion a los esquemas clasicos. La experimentacion realizada ante trafico realista demuestra que el esquema propuesto permite la convergencia de flujos de diferente naturaleza (y requisitos temporales) sobre los mismos recursos de red, obteniendose un comportamiento equivalente al que habrian tenido con un acceso exclusivo a los mismos. Hasta donde han podido saber los autores, es la primera vez que se propone un esquema de gestion de colas basado en NC para un switch orientado a escenarios de Ethernet Industrial. El modelo de switch propuesto elimina la perdida de paquetes y proporciona una latencia y jitter acotados empleando para ello un tamano de buffer limitado, garantizando la QoS ante cualquier tipo de trafico y superando ampliamente a esquemas clasicos. La segunda parte de la disertacion se focaliza en la provision de comunicaciones robustas en escenarios hostiles (interferencias, perdidas de paquetes, etc.). Para ello, se propone un esquema a nivel OSI-Layer2 basado en intra-flow NC para incrementar la fiabilidad de las comunicaciones en escenarios no-new-wires. Se ha estudiado el comportamiento de los esquemas propuestos tanto para escenarios unicast confiable (GalaReS) como para transmisiones multicast en tiempo-real (GalaWiS). La implementacion virtual en escenarios inalambricos muestra resultados muy prometedores, obteniendose enlaces notablemente estables incluso ante la presencia de nodos interferentes. Finalmente, se presenta un caso de uso consistente en la implementacion real de los esquemas propuestos para proporcionar comunicaciones robustas en el canal powerline de banda estrecha. Se han caracterizado numerosos escenarios reales para analizar el patron de errores, obteniendose conclusiones destacables relativas a su estructura. La naturaleza de los errores en el canal Powerline de banda estrecha hace que este constituya un medio particularmente interesante para el uso de mecanismos cooperativos basados en NC para comunicaciones PLC. Los resultados obtenidos de la experimentacion real demuestran una mejora notable de la fiabilidad del enlace de comunicaciones en escenarios hostiles (en comparacion con esquemas ARQ clasicos), posibilitando el despliegue de nuevos servicios.