Contribución al estudio y diseño de mecanismos avanzados de servicio de flujos semi-elásticos en internet con garantías de calidad de servicio extremo a extremo
Authors:   , Postigo Boix Marcos 
Published: September 2023

Los servicios y aplicaciones ofrecidos en Internet demandan, con mayor frecuencia, un determinado nivel de servicio para su correcto funcionamiento. Esto supone el desarrollo de mecanismos que permitan ofrecer calidad de servicio diferenciada entre extremos distantes de la red. En una red con estas características el coste debido al uso de este servicio diferenciado es mayor que el de utilizar el modo tradicional de transferencia best-effort. Ello obliga a los usuarios a realizar un uso responsable de los recursos reservados. Por tanto, será crucial reservar sólo aquellos recursos estrictamente necesarios para lograr un mínimo coste.<br/>En este trabajo de Tesis Doctoral, se aborda el problema de minimizar los recursos reservados para una transmisión de un flujo semi-elástico. Este tipo de flujo se caracteriza por necesitar la reserva de más o menos recursos en función del estado de la red, por lo que se plantea el diseño de un sistema cliente-servidor capaz de realizar de forma automática las reservas estrictamente necesarias. Para ello, se propone un mecanismo de control de la ocupación de la memoria del cliente que permite determinar los periodos en que es necesario utilizar un modo de transferencia best-effort (aquellos en los que la ocupación garantiza la disponibilidad de datos en recepción), y los periodos en que se necesita un modo de transferencia con reserva de recursos para garantizar el llenado de dicha memoria. Del análisis de este mecanismo, se deducen expresiones para el coste de transmisión en función de los diversos parámetros que afectan a la ocupación de la memoria del cliente. De estos parámetros destaca especialmente la tasa de llegada de datos, que depende del estado de la red, y el umbral máximo de ocupación que indica cuándo se puede transmitir en modo best-effort. Gracias al correcto dimensionado de este umbral máximo, el cliente es capaz de minimizar los recursos reservados de la red. Para calcular este umbral, uno de los problemas que se plantea es la necesidad de una estimación inicial de la tasa de llegada de datos en modo best-effort. Para ello, se propone el uso de un umbral inicial que permita pasar a modo best-effort y realizar así, la estimación de esta tasa. Por otra parte, se propone también el uso de un mecanismo que mejora la minimización del coste de transmisión cuando la variabilidad de la tasa de llegada de paquetes en modo best-effort es grande, sin incrementar desmesuradamente la cantidad de señalización asociada necesaria.<br/>Finalmente, se propone un mecanismo para dar servicio de forma simultánea a varios clientes. Concretamente, se estudia mediante simulación un caso homogéneo, donde todos los clientes presentan los mismos requisitos. El esquema propuesto permite dar servicio simultáneo a un número determinado de clientes reservando recursos, mientras que el resto se sirve en modo best-effort. Del estudio se determina la existencia de un valor óptimo para el número de clientes a los que se da servicio en modo de reserva de recursos, que minimiza la señalización extra necesaria para gestionar el servicio.<br/>Asimismo, como complemento adicional para realizar este trabajo, se ha desarrollado una implementación del sistema cliente servidor de flujos semi-elásticos en el simulador ns-2, y además otra implementación real en lenguaje C sobre sistema Linux.

Internet services and applications are increasingly demanding appropriate levels of service for their adequate operation. That supposes the development of new mechanisms to allow end-to-end differentiated quality of service. In these networks, the cost of using this differentiated service is consequently higher than the employment of the well-known best-effort delivery mode, which requires users to make a responsible use of the reserved resources. Therefore, it is essential to reserve only those resources strictly necessary to achieve the minimum cost.<br/>This Thesis work deals with the problem of minimizing reserved resources in a semi-elastic flow transmission. This type of flow is characterized for requiring the reservation of more or less resources depending on network conditions, and for this reason, it is considered the design of a client-server system to reserve automatically the required demanded resources. Hence, it is proposed a method to control the client memory occupancy that determines when it is necessary to use a best-effort delivery mode (those periods when occupancy guarantees data availability in the client side), and when to use a resource reservation delivery mode to guarantee enough data entering into the client memory. From the analysis of this method, it is deduced the transmission cost, which depends on several parameters directly involved with client memory occupancy. Among these parameters, the delivery data rate and the maximum occupancy threshold, that indicates when it is possible to send data using best-effort mode, are the most significant ones. Thanks to the correct dimensioning of this maximum threshold, the client is able to minimize reserved network resources. To calculate this threshold, it is necessary to acquire an initial estimate for the best-effort delivery rate. To achieve this, it is proposed the use of an initial threshold to force a change to best-effort mode to obtain this estimate. In addition, it is proposed the use of a mechanism to improve the minimization cost for high delivery rate variability, without excessively increasing the signalling associated to the switching of transmission modes.<br/>Finally, it is proposed a method to serve simultaneously various clients. A homogeneous case is studied by simulation, in which all clients have the same requirements. This method allows a particular number of clients to be served by reserving resources, while the rest use best-effort mode. From this study, it is determined the existence of an optimum value for the number of simultaneous clients to be served by using resource reservation, that minimizes extra signalling to manage this service.<br/>Furthermore, as an aid to complement this research work, it has been developed an implementation of a client-server system for semi-elastic flows using ns-2, and additionally, a real implementation using C programming language in a Linux system.