Network coding based mechanisms for reliable communications and high QoS in shared resource networks
- Autores: Josu Bilbao Ugalde
- Directores de la Tesis: Pedro Crespo Bofill (dir. tes.), Ion Igor Armendariz Huici (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Navarra ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Andrés García-Alonso Montoya (presid.), Xabier Insausti Sarasola (secret.), Alberto Sendín Escalona (voc.), Rafael Sotelo (voc.), Rosa Iglesias Pérez (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La coexistencia de flujos con diferentes requisitos de QoS y fiabilidad, compartiendo los mismos recursos de red de forma simultánea, constituye un importante reto para el despliegue de servicios de nueva generación sobre infraestructuras existentes.
Con el inicio del siglo XXI, nace una nueva corriente en el campo de la Teoría de la Información conocida como Network Coding (NC), alcanzándose nuevos límites en el uso de recursos de red compartidos y permitiendo maximizar la información transmitida.
La presente tesis estudia el papel que puede aportar la codificación 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 generación sobre infraestructuras existentes, y (ii) proporcionar comunicaciones confiables en entornos hostiles.
La primera parte de la disertación se focaliza en la provisión 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 gestión de colas basado en inter-flow NC (Galatea). El modelo teórico desarrollado permite un análisis preciso de la ocupación en cola, principal causa de latencia y degradación del QoS. Posteriormente, se analiza la integración del esquema de gestión de colas propuesto en un switch (SIKS) mediante una implementación virtual (OPNET) y una implementación real en FPGA.
La implementación real del Switch permite analizar los recursos HW requeridos en comparación a los esquemas clásicos. La experimentación realizada ante tráfico realista demuestra que el esquema propuesto permite la convergencia de flujos de diferente naturaleza (y requisitos temporales) sobre los mismos recursos de red, obteniéndose un comportamiento equivalente al que habrían 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 gestión de colas basado en NC para un switch orientado a escenarios de Ethernet Industrial. El modelo de switch propuesto elimina la pérdida de paquetes y proporciona una latencia y jitter acotados empleando para ello un tamaño de buffer limitado, garantizando la QoS ante cualquier tipo de tráfico y superando ampliamente a esquemas clásicos.
La segunda parte de la disertación se focaliza en la provisión de comunicaciones robustas en escenarios hostiles (interferencias, pérdidas 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 implementación virtual en escenarios inalámbricos muestra resultados muy prometedores, obteniéndose enlaces notablemente estables incluso ante la presencia de nodos interferentes.
Finalmente, se presenta un caso de uso consistente en la implementación 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 patrón de errores, obteniéndose conclusiones destacables relativas a su estructura. La naturaleza de los errores en el canal Powerline de banda estrecha hace que éste constituya un medio particularmente interesante para el uso de mecanismos cooperativos basados en NC para comunicaciones PLC. Los resultados obtenidos de la experimentación real demuestran una mejora notable de la fiabilidad del enlace de comunicaciones en escenarios hostiles (en comparación con esquemas ARQ clásicos), posibilitando el despliegue de nuevos servicios.
