Simulación de Esquemas de QoS en Redes Convergentes Ethernet

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1 I DATOS GENERALES Simulación de Esquemas de QoS en Redes Convergentes Ethernet Duración: un año a partir de la aprobación del proyecto. UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE TELEMÁTICA DES: Telemática, Servicios y Tecnología de Información M.C. PEDRO DAMIÁN REYES Responsable de la DES 1

2 II DATOS DEL RESPONSABLE DEL PROYECTO M.C. Omar Álvarez Cárdenas (Título / grado, nombre) Profesor - Investigador de Tiempo Completo (Nombramiento) Av. Universidad #. 333 C.P Colonia Las Víboras Colima, Colima (Domicilio laboral: Calle, Colonia, localidad) Nigromante # 85 C.P Colonia Centro Colima, Colima (Domicilio particular: Calle, Colonia, localidad) M.C. Omar Álvarez Cárdenas Responsable del proyecto 2

3 III DATOS DEL ADMINISTRADOR DE LA DES M.C. Pedro Damián Reyes (Título / grado, nombre) Director de la Facultad de Telemática (Nombramiento) Av. Universidad #. 333 C.P Colonia Las Víboras Colima, Colima (Domicilio laboral: Calle, Colonia, localidad) Monthatlán # 134, C.P Colonia Villa Izcalli Villa de Álvarez, Colima (Domicilio particular: Calle, Colonia, localidad) M.C. Pedro Damián Reyes Administrador de la DES 3

4 IV RESUMEN EJECUTIVO PLANTEAMIENTO Los nuevos avances en técnicas y tecnologías en las redes de computadoras han crecido de manera exponencial en los últimos años. Actualmente disponemos de múltiples soluciones para proveer conectividad en redes de datos, voz, video ó la convergencia ente ellos. Un factor de gran importancia para las Instituciones de Educación Superior, con el caso de la Universidad de Colima, es facilitar el acceso a este tipo de avances a los estudiantes de las áreas de redes y telecomunicaciones. Los problemas de asignación de recursos para equipamiento de laboratorios especializados con las nuevas tecnologías, es un gasto casi imposible. Una de las soluciones más viables es contar con sistemas de simulación y modelado de redes. En la actualidad existen soluciones en software que nos permiten acceder y desarrollar de manera virtual redes complejas, las cuales tenerlas físicamente sería poco probable. Los sistemas de simulación de redes aportan, además de los ahorros económicos, la posibilidad de generar diferentes tipos de tráfico que en una red real sería muy difícil realizar dichas pruebas. Empresas desarrolladoras de tecnología y servicios, se encuentran también utilizando esquemas de simulación, los cuales les permitirán probar el comportamiento de sus arquitecturas de redes antes de ser implementadas físicamente. Con las nuevas facilidades que nos permiten estos nuevos sistemas de software, podemos buscar las mejores soluciones para controlar y optimizar el desempeño de nuestras redes. Por otro lado, se abre la posibilidad de crear y mejorar los protocolos que existen en la actualidad, con ello se contribuye a la investigación y generación de nuevos conocimientos. La importancia de contar en las universidades con sistemas de modelado y simulación de redes, representa la oportunidad de poder llevar a las aulas las actuales técnicas y tecnologías de redes. Con ello se estará en posibilidades de trabajar y desarrollar nuevas soluciones enfocadas a manejar tráfico individual o convergente según sea el caso de estudio. 4

5 JUSTIFICACIÓN Estudios reportados en la literatura y las publicaciones en extenso de artículos sobre el área de simulación y modelado de redes, nos muestran que muchos investigadores y corporaciones responsables del desarrollo y prueba de algoritmos de redes, basan gran parte de sus resultados en la utilización de varios simuladores, los cuales en ocasiones son creados de manera explícita o se aprovechan los simuladores existentes en el mercado. Contamos actualmente varias soluciones de simulación, desde algunas de uso libre, hasta aplicaciones robustas que abarcan todo tipo de redes y tecnologías. Cada uno de ellos presenta condiciones propicias para ser utilizados en la investigación académica, no obstante ello, se deben estudiar a fondo las necesidades de nuestra investigación para contar con el mejor modelador posible. Con el nuevo estándar desarrollado por el grupo de trabajo 802.3ae, se abre una oportunidad viable y económica para simular una red metropolitana convergente. El ancho de banda actual (10 Gbps) que ofrece éste estándar no es la solución única para asegurar la calidad de servicio (QoS) que demandarían servicios sensibles al retardo como son la voz y el video. Motivo por el cual, debemos incluir una solución que incluya grandes anchos de banda así como esquemas de control y reducción de los retardos inherentes en la red. Existen modelos básicos en los simuladores de redes que podrían ser utilizados como inicio para comparar los resultados de la presente investigación, los cuales emplean las redes de transporte tradicionales como Frame Relay, ATM, SONET/SDH. Partiendo de estos esquemas, podríamos realizar los mismos experimentos que ya vienen de muestra en los simuladores, pero empleando Ethernet como única red en el área local y como transporte de la metropolitana. Aprovechando esta oportunidad tecnológica existente, y el acceso a simuladores capaces de poder modelar esquemas de redes convergentes, tenemos la oportunidad de buscar las mejores soluciones para proveer QoS extremo a extremo en una red metropolitana Ethernet, resultados que hasta la fecha no se han reportado por ningún investigador o grupo de estudio trabajando con simuladores de redes. Por último, otro de los motivos de la presente investigación es proponer los mejores esquemas posibles de QoS para esta red Ethernet metropolitana, la cual se considera que utilice MPLS (Multi Protocol Layer Swtiching), en el backbone metropolitano, y que además, pueda ser fácilmente coordinado con los esquemas de QoS que se probarán a nivel LAN. De manera general, los resultados de este trabajo contribuirán de manera sustancial para subsanar la falta de investigación sobre simulaciones de redes Ethernet convergentes con QoS en ambientes metropolitanos. 5

6 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO Nuestro proyecto se enfocará a evaluar en un simulador de redes, los efectos obtenidos al implementar diferentes técnicas de calidad de servicio en redes convergentes Ethernet. El desarrollo del mismo, se realizará empleando el modelador y simulador de redes OPNET bajo un esquema experimental que incluirá los servicios de voz y datos con técnicas de calidad de servicio IP. Una vez encontrada la(s) solución(es), se contemplará extender el esquema de calidad de servicio a través de una red metropolitana Ethernet empleando MPLS. Se analizarán los equipos disponibles en el simulador para interconectar nuestras redes de prueba. En caso de no existir la disponibilidad de ellos con las características de conexión LAN-MAN puramente Ethernet, se analizará la forma de diseñar dichos dispositivos en el simulador. La evaluación del proyecto se llevará a cabo durante el período comprendido del semestre febrero julio 2004 para encontrar los esquemas de QoS en la red LAN, y el periodo de agosto 2004 enero 2005 para tener el esquema metropolitano. Los participantes serán los estudiantes del séptimo semestre de la carrera de Ingeniería en Telemática, los cuales obtendrán como producto final su trabajo de seminario de investigación. Dichos estudiantes estarán coordinados por la M.C. Margarita G. Mayoral Baldivia, por ser la experta en el diseño de redes LAN y MAN y el M.C. Omar Álvarez Cárdenas por su experiencia en el manejo del simulador OPNET y responsable del proyecto. Durante el transcurso de las simulaciones a realizar, se analizarán los datos obtenidos de manera conjunta con los profesores del proyecto con la finalidad de retroalimentar los resultados, y con ello, sugerir nuevas actividades y actitudes hacia los estudiantes, con la finalidad de llegar a cubrir los objetivos planteados. 6

7 V OBJETIVO PRINCIPAL DEL PROYECTO Evaluar y proponer las mejores soluciones para proporcionar calidad de servicio extremo a extremo en una red Ethernet convergente metropolitana, empleando como herramienta indispensable el uso de simuladores de redes. 7

8 VI PROTOCOLO DEL PROYECTO 1. ANTECEDENTES Los estudiantes y profesores en las materias de redes y telecomunicaciones, se encuentran ante la problemática de contar con la información y tecnología actual en los laboratorios docentes, situación que económicamente no es posible en la mayoría de los centros de investigación y educación superior del país. La tecnología de redes y telecomunicaciones avanza de manera vertiginosa, lo cual nos compromete como centro de formación de futuros profesionistas, a entregar a la sociedad egresados competitivos capaces de desarrollar, implementar y administrar redes telemáticas. La gran ventana de oportunidades que actualmente tenemos con la red de redes, ha permitido el desarrollo de nuevas y demandantes aplicaciones, las cuales a su vez deben contar con una red capaz de poder transportar dicho tráfico garantizando y diferenciando cada tipo de servicio. Ante las nuevas necesidades que nos plantean las actuales aplicaciones, se han desarrollado múltiples alternativas al nivel de red de transporte, pero por desgracia no hay hasta el momento una solución única que pueda ofrecer la solución tecnológica, económica y escalable para resolver la convergencia de redes en ambientes metropolitanos. Retomando una historia de no más de 28 años, apareció una tecnología de redes LAN denominada Ethernet (IEEE 802.3). En un período muy corto de tiempo se ha llegado a establecer como la tecnología dominante en las redes de área local. Debido a su bajo costo, gran aceptación, facilidad de instalación y administración, se comenzó un fuerte impulso y desarrollo hasta llegar a incursionar fuera de los límites de las redes LAN. Las velocidades actuales de Ethernet en ambientes LAN van desde las 10 Mbps hasta 1 Gbps, no obstante ello, en julio de 2002 se liberó un nuevo estándar Ethernet con un ancho de banda de 10 Gbps y fue llamado 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae). El avance mencionado no sólo fue en velocidad, ya que este nuevo estándar permite enlaces de fibra óptica hasta al menos 40 kms, de distancia. Con ello Ethernet ingresa a las redes de área metropolitana conservando las características de sus versiones antecesoras. Con esto, se presenta la oportunidad única de investigar cómo Ethernet podría ser una solución atractiva para la convergencia de redes metropolitanas. La solución no es tan sencilla, ya que la primera desventaja de Ethernet es no contar de manera natural con esquemas de QoS extremo a extremo. De tal manera que debemos analizar de manera conjunta los diferentes esquemas de QoS existentes y llevarlos a la red Ethernet. Es por ello que los simuladores de 8

9 redes juegan un papel importante en estos momentos en la academia. Además de poder ofrecer laboratorios virtuales con tecnologías actuales, podemos predecir su comportamiento al implementar de manera conjunta algoritmos y esquemas tendientes a encontrar las soluciones que nos propongamos. De esta manera los alumnos y profesores universitarios podrán estar en contacto con las redes y protocolos actuales prediciendo su funcionamiento y comportamiento con diferentes tipos de tráfico. Esto les permitirá comprender de manera más palpable las tecnologías y a su vez mantenerlos actualizados en este mundo tecnológico tan acelerado. De aquí que nazca nuestra motivación en la búsqueda de soluciones que nos permitan la convergencia de servicios utilizando la tecnología más ampliamente instalada en este momento. De igual manera es importante mencionar, que en la bibliografía actual, sólo hemos encontrado referencias de posibles trabajos a futuro tendientes a encontrar exactamente las soluciones que planteamos en este trabajo. 2. METODOLOGÍA Para la presente investigación se aplicara un método experimental. Este es el modelo que mejor se adapta a las necesidades propias de la investigación a realizar, ya que nos permitirá analizar los resultados de una red base (baseline) para posteriormente ser comparada con cada una de las técnicas de calidad de servicio a implementar. Con estas observaciones nos será posible repetir los experimentos de acuerdo a las variaciones de tráfico a simular, repitiendo el proceso y comparándose con los resultados anteriores. Delimitación El experimento se llevará a cabo durante el período ya mencionado con anticipación, el cual esta dividido en las siguientes fases: 1ª Fase.- Primeramente se deberá estar familiarizado con las potencialidades que ofrece el simulador OPNET, al mismo tiempo se realizará una revisión bibliográfica de los algoritmos y procedimientos a simular, de tal manera que se tenga comprendido de manera clara las funcionalidades y variables a observar al momento de establecer la red virtual en el simulador. 2ª Fase.- En esta fase los estudiantes se apoyarán en el uso del software OPNET para comenzar las primeras simulaciones. Este primer trabajo se centrará en las soluciones al nivel de redes locales. Con ello tendremos solucionado el problema de asegurar calidad de servicio en los extremos de nuestra red metropolitana deseada. 9

10 3ª Fase.- Esta fase estará enfocada a encontrar las formas de integración de los resultados de la fase anterior, de manera tal que integremos los extremos LAN a un backbone metropolitano, en el cual emplearemos MPLS para asegurar la calidad de servicio en la red de transporte. En estos momentos no contamos con el módulo especializado de MPLS en el software OPNET, no obstante ello, se tiene contemplada su adquisición al momento de renovar la licencia del simulador en marzo de 2004, dicha renovación y adquisición está contemplada en el proyecto PIFI del siguiente año. Al final el primer semestre, se cotejarán los resultados de las mediciones realizadas y se obtendrán las conclusiones sobre los esquemas ideales a implementar para el segundo semestre planeado. Adicionalmente, se contempla la comparación de los resultados obtenidos con trabajos de otras instituciones y/o investigadores que se encuentran desarrollando nuevos esquemas de calidad de servicio para las redes de transporte tradicionales (no puramente Ethernet). De manera que se pueda establecer algún punto común de desarrollo. 3. OBJETIVOS Y METAS Objetivos General Evaluar y proponer las mejores soluciones para proporcionar calidad de servicio extremo a extremo en una red Ethernet convergente metropolitana, empleando como herramienta indispensable el uso de simuladores de redes. Específicos Valorar si la utilización de las técnicas para asegurar calidad de servicio extremo a extremo en la red experimental, cumple con los retardos y tolerancia impuestos por las aplicaciones de voz y datos en una red convergente. Integrar los esquemas obtenidos a nivel LAN con la infraestructura metropolitana basada en MPLS. Metas Propiciar la generación de trabajos de diseño y rendimiento de redes haciendo uso de las herramientas de simulación disponibles. Contar con un modelo convergente Ethernet carente en la actual versión de OPNET. Que el presente trabajo sea una aportación que contribuya a que se desarrolle más investigación sobre el diseño de redes convergentes. Establecer lazos de cooperación con universidades e investigadores que utilicen simuladores de redes. 10

11 Publicar el trabajo en foros nacionales y/o internacionales. Generar dos tesis de Licenciatura. 4. INFRAESTRUCTURA Y APOYO TÉCNICO DISPONIBLE Hardware Cantidad Descripción Estaciones de trabajo IBM IntelliStation Z-Pro. Computadora IBM Pentium IV. Impresora HP 1200 Impresora EPSON N1600 Software cantidad Descripción Licencias del simulador de redes OPNET Modeler. Windows 2000 Profesional y Server Office 2000 (Access, Word, Power Point, Excel) Windows XP Profesional Suite Acrobat Reader 11

12 CALENDARIO DE ACTIVIDADES (Nov 2003 Nov 2004) Actividad Jun-Jul Jun- Sep- Nov Feb-Mar Abril-Jun 2004 Ago Nov Feb Revisión bibliográfica de X los esquemas y técnicas de QoS existentes en ambientes LAN. Aprendizaje sobre el uso X X del simulador OPNET Simulación de los X X esquemas de QoS en ambientes LAN Publicación de X Resultados Escritura de la Tesis X X Terminación de la Tesis X Integración de los resultados a un backbone MPLS para encontrar la solución X extremo a extremo deseada Elaboración de artículos para presentación en congresos X X X X 12

13 VII RESULTADOS ESPERADOS Formación de Recursos Humanos En este proyecto trabajarán dos estudiantes de la Ingeniería en Telemática. Este trabajo será parte de la tesis de licenciatura, esperando que ambos estudiantes se gradúen con esta investigación. De igual manera se buscará la posibilidad de realizar estancias cortas con investigadores con basta experiencia del área que estén empleado OPNET como herramienta de simulación. En virtud que la línea de investigación de este proyecto es muy amplia, se generarán sin duda temas de tesis gradualmente, tanto para la parte de licenciatura como en maestría. Publicaciones Los resultados del trabajo a desarrollar se presentarán en conferencias nacionales e internacionales. En particular pensamos someter artículos a eventos como el congreso de ANIEI, CITEL, y a la Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática (USA), en la cual en su edición 2003, nuestro artículo presentado fue seleccionado como el mejor de la sesión Sistemas y Tecnología de Comunicaciones y Redes, y sus Aplicaciones. Seminarios La presencia de investigadores expertos en el área de simulación de redes será aprovechada para impartir seminarios sobre su trabajo para el beneficio de los alumnos en los programas educativos impartidos en nuestros centros de educación superior. De igual forma fortalecería a la consolidación del Cuerpo Académico denominado Redes de Computadoras creando redes de colaboración entre los grupos de trabajo de las instituciones participantes. Producto Desarrollar el modelo de una red convergente Ethernet extremo a extremo para el envío de tráfico de voz y datos con Calidad de Servicio (QoS). 13

14 VIII REGISTRO DE PARTICIPANTES 1. Datos generales Omar Álvarez Cárdenas, Maestro en Ciencias (Nombre Completo, Grado académico) Profesor e Investigador de tiempo completo Asociado C (Nombramiento actual) Profesor (Tipo de participante) Nigromante # 85, Col. Centro, Colima, (Domicilio particular: Calle, Colonia, Localidad, Correo electrónico) 2. Datos curriculares Sistemas operativos abiertos, Sistemas operativos y TCP/IP, Auditoria en Informática, Diseño de redes y tecnologías de mercado, Redes emergentes e inalámbricas, Teleproceso, Sistemas de redes, Ingeniería de software (Materias que imparte o ha impartido) Maestro en Ciencias área Telemática, Universidad de Colima. Estudiante de Doctorado en Telecomunicaciones en la Facultad de Eléctrica del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Habana Cuba. (Estudios de posgrado cursados, Institución de los estudios de posgrado) Telemática (Áreas de especialización del posgrado) Redes de Computadoras (Línea de Generación y Aplicación del Conocimiento) Office, Windows, Linux, Solaris, Photoshop, Boson, OPNET, NS2 (Manejo de software) 3 Descripción de su papel en el proyecto Participará en el proyecto como responsable y como el experto en simuladores de redes, proporcionando las técnicas y recursos teóricos la parte de redes convergentes. M.C. Omar Álvarez Cárdenas Firma del participante 14

15 1. Datos generales Margarita Glenda Mayoral Baldivia, Maestro en Ciencias (Nombre Completo, Grado académico) Profesor e Investigador de tiempo completo Asociado C (Nombramiento actual) Profesor (Tipo de participante) Nigromante # 85, Col. Centro, Colima, (Domicilio particular: Calle, Colonia, Localidad, Correo electrónico) 2. Datos curriculares Internet principiantes y avanzados, Redes locales de datos, Tecnologías de redes, Sistemas de redes, Teleproceso, Unix básico y avanzado. (Materias que imparte o ha impartido) Maestría en Ciencias, área Telemática. Universidad de Colima. (Estudios de posgrado cursados, Institución de los estudios de posgrado) Telemática (Áreas de especialización del posgrado) Redes de computadoras (Línea de Generación y Aplicación del Conocimiento) Office, Windows, Linux, Solaris, Boson, OPNET, NS2, Visio (Manejo de software) 3 Descripción de su papel en el proyecto El profesor participará como apoyo a la coordinación del proyecto, aportando sus conocimientos en el diseño de redes LAN y MAN. M.C. Margarita Glenda Mayoral Baldivia Firma del participante 15

16 1. Datos generales Efraín García Díaz, Licenciatura (Nombre Completo, Grado académico) Alumno Tesista (Tipo de participante) Juan de la Barrera # 44, Colonia Fátima, Tecomán, Colima. Puebla #1598, Colonia Moctezuma, Colima, Colima. (Domicilio particular: Calle, Colonia, Localidad, Correo electrónico) 2. Datos curriculares Profesional Asociado en Telemática Alumno del Tercer Semestre de la Academia CISCO Taller de Seguridad en Redes Taller de Redes SOHO Certificación en Hot Spot Solutions/ORiNOCO AP2500 Smart Access Point Taller de Controladores de Acceso NexSentry Conferencias en el 5,6 y 7 Simposium Internacional de Telemática. Taller de Macromedia Flash 5 Curso de Micro-Isis Curso de SQL Server 7.0 (Estudios cursados, Institución de los estudios de posgrado) Séptimo Semestre de Ingeniería en Telemática (Semestre que cursa) Dreamweaver, Office, Lenguaje C, Pascal, Windows 2000, Flash, ConfigMaker de Cisco, Visual Basic, Simulador Boson, Visio 2000, SQL. (Manejo de software) 3 Descripción de su papel en el proyecto El alumno participará en el proyecto como tesista de licenciatura. Efraín García Díaz Firma del participante 16

17 1. Datos generales Paulina Alejandra Herrera Garrido, Licenciatura (Nombre Completo, Grado académico) Alumno Tesista (Tipo de participante) Av. San Fernando 1518 interior 4, Colima, Colima. (Domicilio particular: Calle, Colonia, Localidad, Correo electrónico) 2. Datos curriculares Profesional Asociado en Telematica. Alumna del tercer semestre de la Academia CISCO (Estudios cursados, Institución de los estudios de posgrado) Séptimo semestre de Ingeniería en Telemática (Semestre que cursa) Visual Basic, Dreamweaver, Office, Lenguaje C, Windows 2000 NT, Cisco Config Maker, SQL server. (Manejo de software) 3 Descripción de su papel en el proyecto La alumna participará en el proyecto como tesista de licenciatura Paulina A. Herrera Garrido Firma del participante 17

18 IX REQUERIMIENTO FINANCIERO Rubro Descripción Cantidad Costo Justificación Aproximado Libros Libros del tema 5 3,000 pesos Se requiere adquirir este material para la investigación bibliográfica del proyecto. Consumibles Diskettes, CDs, Toner, Cartuchos de tinta para unidades 6,000 pesos Material de trabajo indispensable para el desarrollo del proyecto. impresora, hojas, carpetas, etc. Asesoría de Expertos Pasajes y viáticos para los asesores académicos 2 17,000 pesos La experiencia y conocimientos de expertos en el área son necesarios para la retroalimentación del trabajo realizado. Además, durante sus visitas podrían impartir cursos y seminarios a profesores y alumnos interesados en el tema de simulación de redes. Publicación Gastos para la asistencia a foros nacionales y/o internacionales 3 24,000 pesos Como resultado de la investigación se desean publicar los resultados de dicho trabajo en foros del área. 18

19 IX BIBLIOGRAFÍA Scott Keagy, Integrating Voice and Data Networks, Cisco Press, 2000, USA. Regis J. Bates & Donald W. Gregory. Voice and Data Communications Handbook. McGraw Hill USA. Tim Wu, How Ethernet, RPR, and MPLS Work Together: The Unified Future of Metro Area Networking. Riverstone Networks Tim Wu, MPLS: Making the Most of Ethernet in the Metro. Riverstone Networks. 10 Gigabit Ethernet White Paper, Nortel Networks. RPR and Ethernet: Strategic Options in Metro Networks, Networks Luminous presentation, May David Barry, Metro Ethernet: More for less, Cisco Packet Magazine, Vol 15, No1, first quarter Página del simulador OPNET. (Septiembre 2003). JanVan Bogaert, E-MAN: redes de área metropolitana basadas en Ethernet., Revista de Telecomunicaciones de Alcatel, 1er. Trimestre de 2002 The International Engineering Consortium, MPLS manual, Beltrán López, César M., Interoperatividad de la telefonía IP y la telefonía convencional, HiPath Information and Comunication, Lima Perú, Julio de Moreno Martín Manuel, Pasarelas VoIP, Revista de Telecomunicaciones AHCIET, No 88 Julio/Septiembre Cisco System Inc., H.323 and SIP integration,

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