UniversidaddeCantabriaDepartamentodeIngenieradeComunicacionesTESISDOCTORALContribucional DesarrollodeHerramientasEstrategicasparael Dise no,DimensionadoyEvaluaciondeRedesdeTelecomunicaciondeBandaAnchaAlbertoEloyGarcaGutierrez2009UniversidaddeCantabriaDepartamentodeIngenieradeComunicacionesTESISDOCTORALContribucional DesarrollodeHerramientasEstrategicasparael Dise no,DimensionadoyEvaluaciondeRedesdeTelecomunicaciondeBandaAnchaAutor:AlbertoEloyGarcaGutierrezDirector:KlausDieterHackbarthSantander,juliode2009 A Mariv, Javi y MarijoseOs fuisteis antes de que pudiera deciros adis Agradecimientos Con este documento se cierra un ciclo (demasiado tiempo abierto) que ha marcado mi vida por muchas razones. Algunos diran profesionalmente, y es cierto, durante este tiempo me he dado cuenta cunto me gusta investigar, pero sobre todo, cunto me gusta ensear. Sin embargo,loquemsmehamarcadoeslacalidad humanadelgrupodepersonasqueun da me acogieron en su grupo y me dieron esta oportunidad. Empezando por mi Director de Tesis, el Dr. Klaus Hackbarth por toda la paciencia que ha tenido conmigo, por su ayuda y su apoyo incondicional, pero sobre todo, porque en todos estosaosnohetenidonuncalaoportunidaddedarlelasgraciasporhabermemetido,a base de funciones de distribucin, el gusanillo de la Telemtica en el cuerpo y adems haber sido mi Tutor en mucho ms que el sentido acadmico de la palabra. Porsupuestoquetengoqueagradeceratodalaplantillatelemticasuamistad,ynodoy nombres, porque todos los que me habis apoyado ya sabis que tenis vuestro sitio en mi corazn y no hay ms o menos. A Juanito y Tita por todo lo que me han dado por nada: la vida. A mis hermanos, los que estn, a los que vinieron y a los que se fueron, por todo lo que me han dado, me dany, espero, me darn. Atodamifamilia,deunlado,ydelotro,porqueloquelesdoy,melodevuelvencon creces. Y finalmente, a mi mujer, Ins, que est en todo y para todo conmigo, A todos,

gracias. I Resumen Elrpidodesarrollodelastecnologasderedesdebandaancha,sobretodoenla parte de agregacin, ha supuesto unos sigificativos cambios cualitativos en el mundo de las comunicaciones, pues ha acercado al usuario altos anchos de banda y servicios que hasta ahora le eran inaccesibles. Internet ha supuesto el despegue de las redes de conmutacindepaquetes,lashaconvertidoenunmedioalquetodoelmundo quiereacceder,yhaobligadoareplanteartodaslasprevisionesquemanejabanlos operadores sobre el trfico que iban a soportar sus redes en cada una de sus partes: el acceso,laagregacinyladorsal.Precisamente,laevaluacindeestasyotras situaciones deben estar incluidas en el proceso de diseo y planificacin de cualquier red,enloquesehadenominadoplanificacinestratgica.Laprevisindelas expectativas de los usuarios, los servicios existentes y futuros soportados por la red y, sobre todo, la estimacin de la demanda de trfico sobre cada elemento de la misma sonalgunosdelosobjetivosprincipalesqueseacometenenelprocesode planificacin. Laestimacindelademandadetrficoresultaespecialmenteimportanteporque permitealoperadoranticiparseasituacionesdecongestinybloqueodelared. Utiliza herramientas de modelado del trfico, bien para su clculo analtico o para su estudio mediante simulacin, y al ser una herramienta fundamental, existe un extenso catlogo de modelos de trfico: genricos y particularizados, de fuentes individuales y de redes completas, de elementos de interconexin y de enlaces. Losmodelosdetrficodefuentesonlaopcinmsinteresante,puestoque consideranelcomportamientodelflujodebitsquesegeneradesdelospropios elementos, a partir de sus parmetros fundamentales y constituyen el elemento bsico paralaestimacindeltrficomultifuente.EnestaTesis,sehananalizadolos diferentesmodelosexistentesysehadesarrolladounnuevomodeloquetieneen cuentaelcomportamientodeltrficodesdesupreparacinporpartedelacapade aplicacin,hastasuinsercinenlacapafsica.Suventajafrentealosmodelos existentes es que permite un clculo rpido sin reducir la exactitud, siempre dentro de loslmitesdelaplanificacinestratgica.Elmodelopropuestopartedelasolucin ON-OFFtradicional,aunqueaplicadoatresnivelesdiferentes(conexin,sesiny rfaga),deformaquecadaestadoONseencuentramoduladoporelmodelo correspondientealacapainferior.Comoalternativa,sehaconsideradoque,el estudiodelosvaloresmximosdetrfico,sepuedellevaracabodeforma determinista, mediante la observacin de flujos reales, tal como propone la teora del NetworkCalculus,yquehasidoevaluadayaplicadaenestetrabajoconejemplos prcticos que se han incluido en el documento. Sinembargo,cadaflujoindividualrecorrelared,atravesandodiferentesnodosde interconexin,encontrandootrosflujosensucamino,yentonces,su comportamiento va a verse, posiblemente, modificado. Como alternativa ms simple, surgenlosmodelosmultifuente,queintentanintroducirelefectodelainteraccin Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis II entre las diferentes fuentes,tambin conocido como agregacin. Para considerar este caso,seharealizadounestudiodemodelosespecficosparasuaplicacinapuntos de agregacin, especialmente los situados en la red de acceso, al ser sta la parte de la redquemsaltocostepresentaensuimplementacin.PartiendodelmodeloON-OFF para una sola fuente, se ha propuesto una variante multifuente, que aprovecha laspropiedadesdelafuncindedistribucinbinomialpararealizarelclculodel trficoagregadoporunnmerodeterminadodefuentes.Almismotiempo,seha estudiado tambin la opcin planteada por el Network Calculus. Finalmente,laaplicacindeestosmodelosdependefuertementedelaeleccin correctadelconjuntodeparmetrosdeentradaquedefinenelcomportamientodel trfico.ElestudiorealizadoenestaTesisconcluyequeeltrficodefuenteest condicionado a tres premisas fundamentales: el usuario, el servicio y la tecnologa de acceso.Enestetrabajo,sehadesarrolladounnuevoconceptoquepermite especificar de forma sistemtica y ordenada todas las variaciones, en cuanto al tipo de fuentesquesepuedanencontrarenunadeterminadareddeacceso,queconstituye todoelconjuntounescenarioderedconcreto.Aestanuevaideaselaha denominado CASUAL (Cubo de Acceso/Servicios/Usuarios de Asignacin Libre) y ha sido aplicada en unaherramienta realizada a su efecto, junto con los modelos de trficodefuentepropuestos.Estaaplicacinmuestraunejemplobsicode herramientadeplanificacin.Trasseleccionarpreviamenteeltipodeusuarios, serviciosytecnologasdeacceso,seconfiguranlosparmetrosquesernutilizados porlosmodelosdetrficoencadacombinacin(tripleta),directamenteconsus valores,obienmediantecapturasrealesdeltrfico.Posteriormente,sedefineel escenarioapartirdelospuntosdeaccesoydelosusuariosconectados.Los resultadospuedenserconsultadosencadapuntodelared,obteniendolas estimaciones de trfico individual y agregado en cada caso.

III Abstract The rapid development of access network technologies has led to a revolution in the telecommunicationsrealm,enabling users to access services to which they were not abletoaccesssofar.Internethasbeenthecatalystofthedevelopmentofpacket switched networks, which have become the resource which everyone wants to access. Asaconsequence,theoperatorsneedtorecalculatealltheirforecastsaboutthe traffic to be transported by their networks. In fact, the evaluation of these and other situations should be included within the design and planning phases of any network, inthesocalledstrategicplanningoverallprocess.Anticipatinguserexpectations, considering both existing and future supported services; and, above all, estimation of trafficdemandforeachnetworkelementaresomeofthemainobjectivesofthe planning process. Trafficdemandestimationisparticularlyinteresting,sinceitallowstheoperatorto anticipatebottlenecksandblockingsituationsofthenetwork.Itusestraffic modelling tools, either for their analytical or simulation-based study. Since they have becomeanessentialtool,thereisawiderangeoftrafficmodels:genericand particularized,forindividualsourcesandcompletenetworks,forinterconnection elements and links. Sourcetrafficmodelsarethemostinterestingones,sincetheyconsiderthe behaviour of the bit stream which is generated from the network elements, by means of their basic parameters. In this work a new model has been developed; it takes into account the behaviour of traffic starting from its preparation at the application layer, toitsinsertionintothephysicallayer.Thenovelproposalisbasedonatraditional ON-OFF model, but applied to three different levels (connection, session and burst level).EachONstateismodulatedbythemodellocatedatthelowerlayer. Alternatively,thestudyofpeaktrafficvaluescanbecarriedoutonadeterministic way, by means of the observation of real flows, as proposed by the Network Calculus theory, which has been evaluated and applied in practical examples. However,eachindividualflowtravelsthroughthenetworkacrossdifferent interconnection nodes, finding other streams in its way, and thus, its behaviour might bemodified.Asasimpleralternative,itisworthmentioningmultisourcemodels, whichintroducetheeffectofinteractionbetweendifferentsources,alsoknownas aggregation.Inthiscase,thethesispresentsastudyofspecificmodelsandtheir applicationtoaggregationpointswithintheaccessnetwork.Basedonthe aforementioned ON-OFF model, a multisource variation is proposed, it exploits the properties of the binomial distribution function to calculate the aggregated traffic for a specified number of sources. At the same time, the Network Calculus based option is also analyzed. Finally, the application of these models entirely depends on the appropriate choice of the set of input parameters which define the traffic behaviour. This study concludes Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis IV thatsourcetrafficissubjecttothreefundamentalconditions:theuser,theservice and the access technology. This work introduces a new concept which brings about thesystematicandorderedspecificationofallthedifferenttypesofsourceswhich canbefoundinagivenaccessnetwork,resulting,thewholescenario,inaspecific networkscenario.ThisnewparadigmhasbeencalledCASUAL(Cubefor Access/Services/UserswithFreeAllocation)andwasimplementedinatool specificallydeployedforthatpurpose,togetherwiththeproposedsourcetraffic models. The application can be seen as a basic example of a planning tool. The first step is to select the type of users, services and access technologies to be used. Then, the parameters which will be employed by the traffic models are configured for each of the combinations, either straightforwardly (with their own values) or by means of real traffic captures. Afterwards, the scenario is defined as a number of access points andtheusersconnectedtothem.Finally,resultscanbeexaminedateverypoint withinthenetwork,obtainingtheestimationsofbothindividualandaggregated traffic in each case. V ndice RESUMEN ....................................................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................................................. III NDICE ........................................................................................................................................... V INDICE DE FIGURAS ............................................................................................................... VII NDICE DE TABLAS .................................................................................................................... X 1.INTRODUCCIN Y OBJETIVOS DE LA TESIS ............................................................ 1 1.1.MOTIVACIN Y OBJETIVOS.............................................................................................. 4 1.2.ESTRUCTURA DE LA TESIS .............................................................................................. 7 2.CONCEPTOS TERICOS .................................................................................................. 9 2.1.PLANIFICACIN Y DISEO DE REDES DE COMUNICACIN ............................................. 11 2.1.1.El proceso de planificacin ..................................................................................... 11 2.1.2.Herramientas para la planificacin ........................................................................ 20 2.2.MODELADO DE TRFICO EN REDESINTERNET .............................................................. 28 2.2.1.Modelos de Trfico: Definicin ............................................................................... 30 2.2.2.Modelado y estimacin de trfico ........................................................................... 35 2.2.3.Modelos de trfico de fuente ................................................................................... 36 2.2.4.Estimacin del trfico de fuente .............................................................................. 59 2.3.AGREGACIN ................................................................................................................ 64 2.3.1.Definicin y antecedentes ........................................................................................ 66 2.3.2.Modelado de la agregacin ..................................................................................... 67 2.4.NETWORK CALCULUS ................................................................................................... 80 2.4.1.Definicin y antecedentes ........................................................................................ 80 2.4.2.Aplicacin al modelado de fuentes .......................................................................... 83 2.4.3.Aplicacin a la agregacin de trfico ..................................................................... 88 2.5.CONCLUSIONES ............................................................................................................. 91 3.APLICACIN PRCTICA PARA LA PLANIFICACIN DE TRFICO INTERNET93 3.1.DEFINICIN DEL ESCENARIO: LA RED INTERNET ........................................................... 94 3.1.1.1.El escenario global ............................................................................................. 95 3.1.1.2.El trfico en Internet ......................................................................................... 101 3.1.1.3.Caso 1: Website del Mundial de futbol ............................................................. 103 3.1.1.4.Caso 2: Red de distribucin en el Campus de la Universidad de Twente ........ 109 3.2.MODELO DE CARACTERIZACIN DEL TRFICO INTERNET: EL MODELO CASUAL... 111 3.2.1.El eje USUARIO .................................................................................................... 113 3.2.2.El eje ACCESO ...................................................................................................... 116 3.2.3.El eje SERVICIOS ................................................................................................. 124 3.3.MODELADO DE UNA FUENTE DE TRFICO IP MEDIANTE MODELOS ON-OFF MULTINIVEL131 3.3.1.Caso 1: Servicios controlados por el nivel de conexin ........................................ 138 3.3.2.Caso 2: Servicios controlados por el nivel de aplicacin ..................................... 143 3.3.3.Modelado de una fuente de trfico IP mediante curvas de llegada ...................... 145 3.4.MODELADO DEL TRFICO AGREGADO ......................................................................... 156 3.4.1.Aplicacin de la aproximacin binomial en el modelado de fuentes ON-OFF agregadas ............................................................................................................................ 158 Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis VI 3.4.2.Aplicacin de la aditividad de curvas de servicio para el clculo de trfico IP agregado .............................................................................................................................. 168 3.5.CONCLUSIONES ........................................................................................................... 176 4.APLICACIN DEL MODELO CASUAL PARA LA ESTIMACIN DEL TRFICO AGREGADO EN ESCENARIOS DE REDES DE ACCESO ................................................. 177 4.1.MODELADO DE SERVICIOS INTERNET SEGN EL MODELO CASUAL ........................... 182 4.1.1.Estructura y modo de operacin de la aplicacin ................................................. 183 4.2.MODELADO DE TRFICO WEB ..................................................................................... 185 4.2.1.Modelado del servicio Web ................................................................................... 190 4.2.2.Modelo CQN (Closed Queueing Network) ............................................................ 194 4.2.3.Modelado microscpico ........................................................................................ 195 4.2.4.Parmetros asociados al trfico Web .................................................................... 198 4.2.5.Estimacion del trfico generado por fuentes Web ................................................. 199 4.3.CONCLUSIONES ........................................................................................................... 201 5.CONCLUSIONES ............................................................................................................. 203 5.1.CONCLUSIONES Y APORTACIONES ............................................................................... 203 5.2.LNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIN .......................................................................... 206 APNDICES ................................................................................................................................ 208 APNDICE A. ABREVIATURAS Y ACRNIMOS .............................................................. 210 APNDICE B. OPTIMIZACIN DE LOS VALORES DE S Y B ........................................... 213 APNDICE C. MODELADO DE VOIP.................................................................................. 216 DEFINICIN DEL SERVICIO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE CASUAL ......................................... 216 MODELADO DEL SERVICIO DE VOIP .......................................................................................... 217 PARMETROS ASOCIADOS AL TRFICO VOIP ............................................................................ 218 ESTIMACIN DEL TRFICO GENERADO POR FUENTES DE VOIP .................................................. 219 APNDICE D. MODELADO DE FUENTES DE VDEO ...................................................... 221 DEFINICIN DE FUENTES DE VDEO ........................................................................................... 222 ESTNDARES DE CODIFICACIN / COMPRESIN DE VDEO ......................................................... 222 FUNDAMENTOS DE LA COMPRESIN DE VDEO ........................................................................... 224 MODELADO DE FUENTES DE VDEO ............................................................................................ 228 MODELOS DE MARKOV ............................................................................................................. 229 MODELO DEL HISTOGRAMA ...................................................................................................... 230 MODELO SIMPLE DE MARKOV ................................................................................................... 230 MODELO ORIENTADO A LA ESCENA ........................................................................................... 230 MODELOS AUTORREGRESIVOS .................................................................................................. 231 MODELOS ORIENTADOS AL GOP ............................................................................................... 231 MODELO DE DOULAMIS ............................................................................................................. 231 FUENTES DE VDEO SIMTRICAS: VIDEOCONFERENCIA .............................................................. 237 IDENTIFICACIN DE PARMETROS: ............................................................................................ 238 ESTIMACIN DEL TRFICO GENERADO POR FUENTES DE VIDEOCONFERENCIA ........................... 239 FUENTES DE VDEO ASIMTRICAS: VIDEO-STREAMING .............................................................. 240 IDENTIFICACIN DE PARMETROS PARA SU MODELADO EN CASUAL: ..................................... 241 ESTIMACIN DEL TRFICO GENERADO POR FUENTES DE VIDEO-STREAMING ............................. 242 APNDICE E. PUBLICACIONES ........................................................................................... 245 APNDICE F. BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 251 VII Indice de Figuras FIG. 1.1: EL PROCESO DE PLANIFICACIN DE UNA RED DE COMUNICACIONES .............................................. 5 FIG. 2.1: EL PROCESO DE PLANIFICACIN DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL OPERADOR .................................. 12 FIG. 2.2: DESARROLLO DEL CICLO DE PLANIFICACIN ........................................................................... 13 FIG. 2.3: INTERRELACIN USUARIO/SERVICIO/OPERADOR ................................................................... 17 FIG. 2.4: PARAMETRIZACIN DEL PROCESO DE PLANIFICACIN ............................................................... 19 FIG. 2.5: MODELO DE CAPAS PARA LA PLANIFICACIN .......................................................................... 23 FIG. 2.6: MODELO DE PLANIFICACIN SEGN LA ITU ........................................................................... 24 FIG. 2.7: TIPOS DE HERRAMIENTAS DE PLANIFICACIN......................................................................... 24 FIG. 2.8: MODELO FUNCIONAL ....................................................................................................... 27 FIG. 2.9: EL CUBO DE RUBIK DE LA PLANIFICACIN DE RED ................................................................... 28 FIG. 2.10: RELACIN ENTRE PROCESOS PUNTUALES Y PROCESOS CONTADORES ......................................... 37 FIG. 2.11: SIMPLIFICACIN DE MLTIPLES FUENTES MEDIANTE EL MODELO SBPP ..................................... 43 FIG. 2.12: REPRESENTACIN CONCEPTUAL DE UN LEAKY BUCKET (B, ) ................................................... 56 FIG. 2.13: CONCEPTUALIZACIN DE UN TOKEN BUCKET ....................................................................... 57 FIG. 2.14: ENLACE INTERNET DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL IETF .......................................................... 58 FIG. 2.15: REPRESENTACIN DE CURVAS TSPEC: A(T)......................................................................... 59 FIG. 2.16: LA CAPACIDAD EFECTIVA COMO FUNCIN DEL RETARDO ......................................................... 60 FIG. 2.17: MODELO DE FLUIDOS DE DOS ESTADOS .............................................................................. 61 FIG. 2.18: ESTRUCTURA DE LA RED INTERNET ..................................................................................... 64 FIG. 2.19: PUNTOS SINGULARES DONDE SE REALIZA LA AGREGACIN ...................................................... 65 FIG. 2.20: MULTIPLEXACIN ESTADSTICA SEGN EL MODELO ON-OFF .................................................. 68 FIG. 2.21: CADENA DE NACIMIENTO Y MUERTE DE FUENTES ACTIVAS ...................................................... 68 FIG. 2.22: MULTIPLEXACIN ESTADSTICA SEGN EL MODELO DE FLUIDOS ............................................... 69 FIG. 2.23: MULTIPLEXACIN ESTADSTICA SEGN LOS MODELOS MARKOVIANOS ...................................... 69 FIG. 2.24: EL COMPORTAMIENTO DEL TRFICO A RFAGAS SEGN EL MODELO DE FLUIDOS ......................... 71 FIG. 2.25: AGREGACIN DE FLUJOS DE TRFICO SEGN EL MODELO M/G/R-PS ...................................... 73 FIG. 2.26: MODELO ON-OFF MULTIESTADO PARA TRFICO AGREGADO ................................................. 78 FIG. 2.27: MODELO DE TRFICO DE UNA CONEXIN TCP ..................................................................... 79 FIG. 2.28: MODELO MULTINIVEL DE TRFICO WEB ............................................................................. 79 FIG. 2.29: RELACIN ENTRE LA CURVA DE LLEGADAS X(T) ..................................................................... 82 FIG. 2.30: EJEMPLO DE CURVA DE LLEGADA GENRICA Y SU RELACIN .................................................... 83 FIG. 2.31: ESTIMACIN DEL RETARDO Y BUFFER MEDIANTE CURVAS DE LLEGADAS ..................................... 86 FIG. 2.32: EFECTO DEL SUAVIZADO EN FUNCIN DEL RETARDO ........................................................... 86 FIG. 2.33: COMPARACIN DE CURVAS DE TRFICO AGREGADO .............................................................. 91 FIG. 3.1: ESTRUCTURA TPICA DE INTERCONEXIN DE USUARIOS Y PROVEEDORES ...................................... 96 FIG. 3.2: DISTRIBUCIN DE FUNCIONES DEL PLANO DE CONTROL EN UNA RED ........................................... 99 FIG. 3.3: TECNOLOGAS DE INGENIERA DE TRFICO ........................................................................... 100 FIG. 3.4: WEBSITE DEL MUNDIAL DE FUTBOL 1998 .......................................................................... 104 FIG. 3.5: WEB DEL MUNDIAL'98: DETALLE DE LA CAPTURA ................................................................ 104 FIG. 3.6: WEB DEL MUNDIAL'98: EFECTO DEL CAMBIO DE ESCALA. ...................................................... 106 FIG. 3.7: WEBSITE DEL MUNDIAL DE FUTBOL 1998- COEFICIENTES ..................................................... 107 FIG. 3.8: WEBSITE DEL MUNDIAL DE FUTBOL 1998 PARMETRO DE HURST ....................................... 108 FIG. 3.9: CAMPUS UNIV. TWENTE EFECTO DEL CAMBIO DE ESCALA .................................................... 110 FIG. 3.10: CAMPUS UNIV. TWENTE - COEFICIENTES DE AUTOCORRELACIN ........................................... 110 FIG. 3.11: CAMPUS UNIV. TWENTE ESTIMACIN DEL PARMETRO DE HURST ...................................... 111 FIG. 3.12: EJEMPLO DE CARACTERIZACIN MULTIVARIANTE ................................................................ 113 FIG. 3.13: NMERO DE LNEAS CON SERVICIO DE ACCESO A INTERNET EN ESPAA ................................... 115 FIG. 3.14: EVOLUCIN DE LA FRECUENCIA DE USO DEL ACCESO A INTERNET ........................................... 116 FIG. 3.15: PORCENTAJE DE CUOTA DE MERCADODE LAS TECNOLOGAS ................................................ 122 Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis VIII FIG. 3.16: EVOLUCIN DE LA PENETRACIN DE LAS TECNOLOGAS DE ACCESO ......................................... 123 FIG. 3.17: EVOLUCIN DE NMERO DE LNEAS CON SERVICIO DE ACCESO A INTERNET .............................. 123 FIG. 3.18: SERVICIOS INTERNET Y SU CLASIFICACIN SEGN INTSERV Y DIFFSERV .................................... 127 FIG. 3.19: MODELO GENRICO DE REPARTO DE CAPACIDADES DEL ENLACE INTERNET. .............................. 127 FIG. 3.20: PRINCIPALES SERVICIOS UTILIZADOS POR LOS INTERNAUTAS EN ESPAA.................................. 128 FIG. 3.21: REALIZACIN DE TAREAS A TRAVS DE INTERNET EN LAS EMPRESAS ........................................ 129 FIG. 3.22: CONTENIDOS ASOCIADOS A LOS SERVICIOS INTERNET ........................................................... 130 FIG. 3.23: PORCENTAJE DE TRFICO DE BANDA ANCHA ASOCIADO A APLICACIONES .................................. 130 FIG. 3.24: ESCALADO TEMPORAL DE TRFICO ................................................................................... 133 FIG. 3.25: ESCALADO TEMPORAL APLICADO AL TRFICO INTERNET ....................................................... 133 FIG. 3.26: MODELO ON-OFF MULTINIVEL ...................................................................................... 135 FIG. 3.27: CASO 1 - ESTADSTICA DE LA CAPACIDAD EQUIVALENTE........................................................ 141 FIG. 3.28: CASO 2 ESTADSTICA DE LA CAPACIDAD EQUIVALENTE ....................................................... 145 FIG. 3.29: DETERMINACIN DE LA CURVA DE SERVICIO DE UN ENLACE ................................................... 147 FIG. 3.30: LMITES DE LA CURVA DE SERVICIO MNIMA PARA UN RETARDO MXIMO D .............................. 148 FIG. 3.31: SECUENCIA GENERADA POR UNA FUENTE .......................................................................... 150 FIG. 3.32: FUENTE POISSON/EXPNEG - ESTIMACIN DEL PARMETRO DE HURST ................................... 151 FIG. 3.33: FUENTE POISSON/EXPNEG. CURVA LMITE A(T)............................................................. 152 FIG. 3.34: FUENTE POISSON/EXPNEG. EVOLUCIN DE LA TOLERANCIA DE RFAGA ............................... 153 FIG. 3.35: SECUENCIA DE LLEGADAS DE UN CLIENTE WEB ................................................................... 154 FIG. 3.36: CURVA DE LLEGADAS REAL Y COMPOSICIN DE LA POSIBLE CURVA .......................................... 154 FIG. 3.37: ESTIMACIN DE CURVAS DE SERVICIO PARA SERVICIOS CON RESTRICCIONES ............................. 156 FIG. 3.38: MODELO DE AGREGACIN DE N FUENTES ON-OFF............................................................ 158 FIG. 3.39: CADENA DE NACIMIENTO Y MUERTE PARA EL MODELO M(N)/M/N ....................................... 159 FIG. 3.40: COMPARATIVA DEL SOBREDIMENSIONADO. ....................................................................... 161 FIG. 3.41: AGREGACIN ON-OFF MULTINIVEL BINOMIAL CAPACIDAD(CASO 1).................................. 164 FIG. 3.42: AGREGACIN ON-OFF MULTINIVEL BINOMIAL CAPACIDAD(CASO 2) ................................... 165 FIG. 3.43: AGREGACIN ON-OFF MULTINIVEL COMPARACIN ........................................................ 166 FIG. 3.44: AGREGACIN ON-OFF MULTINIVEL ANCHO DE BANDA POR USUARIO BIN N/N .................... 167 FIG. 3.45: AGREGACIN ON-OFF MULTINIVEL ANCHO DE BANDA POR USUARIO BIN P/N ..................... 168 FIG. 3.46: DISTRIBUCIN DEL VOLUMEN DE DESCARGA POR CLIENTE ..................................................... 169 FIG. 3.47: TRFICO AGREGADO CAPTURADO (9 CLIENTES) .................................................................. 170 FIG. 3.48: CURVAS DE LLEGADA PTIMAS (PERODO DE OBSERVACIN 8 MINUTOS) ................................. 170 FIG. 3.49: CURVAS AGREGADAS: SUMA REAL, TSPEC EQUIVALENTE ...................................................... 171 FIG. 3.50: CURVAS DE LLEGADA REALES Y TSPEC CALCULADAS ............................................................. 172 FIG. 3.51: ESCENARIO COMPLETO DEL EJEMPLO CURVAS DE LLEGADA................................................ 173 FIG. 3.52: DETALLE DEL CODO DE LAS ESTIMACIONES DEL AGREGADO ................................................ 174 FIG. 3.53: COMPARACIN DE ESTIMACIONES OBTENIDAS CON NETWORK CALCULUS ................................ 175 FIG. 4.1: UTILIZACIN DE SERVICIOS INTERNET EN FUNCIN DEL ANCHO DE BADA .................................... 178 FIG. 4.2: EMPLEO DE SERVICIOS INTERNET EN FUNCIN DEL TIPO DE USUARIO ........................................ 179 FIG. 4.3: PREFERENCIAS DE TECNOLOGAS DE ACCESO EN FUNCIN DEL TIPO DE USUARIO .......................... 179 FIG. 4.4: CLASIFICACIN DE SERVICIOS EN FUNCIN DE TECNOLOGAS DE ACCESO .................................... 180 FIG. 4.5: CASUAL UTILIZA LAS CLASIFICACIONES BIDIMENSIONALES ..................................................... 181 FIG. 4.6: DEFINICIN DE ESCENARIOS MEDIANTE EL MODELO CASUAL ................................................. 182 FIG. 4.7: ESTRUCTURA DE UNA HERRAMIENTA DE PLANIFICACINCASUAL ........................................... 184 FIG. 4.8: PROTOCOLOS Y ESTNDARES RELACIONADOS CON EL SERVICIO WEB ......................................... 186 FIG. 4.9: ESTABLECIMIENTO DE LA CONEXIN TCP MEDIANTE HTTP 1.0 .............................................. 187 FIG. 4.10: ESTABLECIMIENTO DE UNA CONEXIN TCP MEDIANTE HTTP 1.1 .......................................... 188 FIG. 4.11: REPRESENTACIN DEL COMPORTAMIENTO DEL SERVICIO WEB.............................................. 189 FIG. 4.12: PARAMETRIZADO DE TIEMPOS RELACIONADOS ................................................................... 190 FIG. 4.13: MODELO DE ON-OFF DE DOBLE CANAL: DOWNSTREAM/UPSTREAM ..................................... 193 FIG. 4.14: REPRESENTACIN CONCEPTUAL DEL MODELO CQN ............................................................ 194 IX FIG. 4.15: FTP Y HTTP ............................................................................................................... 196 FIG. 4.16: TCP Y HTT ................................................................................................................. 197 FIG. B.1: DETERMINACIN DEL REA DE OPTIMIZACIN ..................................................................... 214 FIG. C.1: PILA DE PROTOCOLOS DEL SERVICIO DE VOIP ....................................................................... 217 FIG. C.2: FORMATO COMPLETO DE UN FRAME DE DE VOIP .................................................................. 217 FIG. D.1: EVOLUCIN TEMPORAL DE LOS ESTANDARES DE VIDEO .......................................................... 193 FIG. D.2: MODELO DE CAPAS UTILIZADO EN CODIFICACIN DE VDEO .................................................... 194 FIG. D.3: ESTRUCTURA DEL GOP ................................................................................................... 196 FIG. D.4: MODELO DE CAPAS PARA LA TRANSMISIN DE SEMALES DE VIDEO MPEG ................................ 197 FIG. D.5: MODELO DE DOULASMIS DE TRES ESTADOS ........................................................................ 214 FIG. D.6: MODELO DE DOS ETADOS ................................................................................................ 217 FIG. D.7: MODELO DOBLE DE MARKOV DE TIPO I .............................................................................. 217 FIG. D.8: MODELO DOBLE DE MARKOV DE TIPO II ............................................................................. 197 FIG. D.5: MODELO DE GOP REALISTA ............................................................................................ 214 FIG. D.6: MODELO DE GOP REALISTA TIPO II ................................................................................... 217 FIG. D.7: MODELO ON-OFF MULTINIVEL ....................................................................................... 217 Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis X ndice de Tablas TABLA 2.I: MODELO TRIDIMENSIONAL DEL PROCESO DE PLANIFICACIN DE REDES ........................................ 26 TABLA 2.II: RELACIN ENTRE EL EJE GEOGRFICO Y EL EJE FUNCIONAL........................................................... 29 TABLA 2.III: MODELOS PARA LA CARACTERIZACIN DE TRFICO DE FUENTE ................................................... 40 TABLA 3.I: TECNOLOGAS Y MECANISMOS UTILIZADOS POR EL PLANO DE CONTROL ..................................... 100 TABLA 3.II: PRINCIPALES TECNOLOGAS XDSL ................................................................................................. 119 TABLA 3.III: TECNOLOGAS DE REDES MVILES DE COMUNICACIONES .......................................................... 120 TABLA 3.IV: PASSIVE OPTICAL NETWORK: PRINCIPALES TECNOLOGAS Y ESTNDARES. ................................ 122 TABLA 3.V: ANCHOS DE BANDA Y CORRESPONDENCIAS SONET / SDH ........................................................... 123 TABLA 3.VI: PRINCIPALES TECNOLOGAS DE ACCESO A INTERNET .................................................................. 126 TABLA 3.VII: CASO I: RESULTADOS DEL MODELO ON-OFF MULTINIVEL .......................................................... 144 TABLA 3.VIII: CASO II: RESULTADOS DEL MODELO ON-OFF MULTINIVEL....................................................... 146 TABLA 3.IX: PARMETROS DE LAS TSPEC CALCULADAS . ................................................................................ 174 TABLA 3.X: RESULTADOS DE LOS MODELOS COMPARADOS ........................................................................... 176 TABLA 4.I: PARMETROS FUNDAMENTALES DE UNA SESIN WEB ................................................................ 193 TABLA 4.II: VALORES TPICOS DE LOS PARMETROS FUNDAMENTALES........................................................ 194 TABLA 4.III: PARMETROS FUNDAMENTALES DE UNA CONEXIN TCP. ......................................................... 198 TABLA 0.I: ENTORNOS DE APLICACIN DE LOS ESTNDARES DE CODIFICACIN DE VDEO ............................ 226 TABLA D.II: VALORES TPICOS DE UN ARCHIVO DE VDEO (PELCULA) ............................................................. 243 1 1. Introduccin y objetivos de la Tesis internet. 1.amb.Redinformticamundial,descentralizada,formadapor la conexin directa entre computadoras u ordenadores mediante un protocolo especial de comunicacin.ORTOGR. Escr. t. con may. inicial. RealAcademiadelaLengua:Diccionariode LenguaEspaolaAvancedelavigsima tercera edicin Nunca hasta ahora, una sola palabra haba dado tanto significado a tantas cosas sin necesidad de tener ni idea de ninguna de ellas. Cada vez que una persona la pronuncia,automticamentesurgeensumenteesaimagentanmanida,una teladearaaenlaquetodoesposible,lacual,permitequedelantedeun ordenador cualquier lugar est cerca. Atrs quedaron los tiempos en los que los IngenierosdeTelecomunicacineranesospiradosqueestabandelantedel computador, nadie saba muy bien para qu, obsesionados con trminos raros, comoHercio,ByteoKilobit.Ahora,ungrannmerodelapoblacinconocelo queesunGiga,elADSL,ocmoWIFIessinnimodeInternetgratisa costa del vecino, y que, si no ests conectado, no tienes un perfil en Facebook o no descargas pelculas de estreno prcticamente no existes. Se ha pasado de un Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis 2 escenarioenelquelacomunicacineraalgoaccesorio,aotroenelqueesel usuario el que pide, exige y puede ser un actor ms que interacta en un sector msdeladenominadaSociedaddelaInformacin.Cadadalosoperadores ofertannuevosymejoresservicios,loquehaceimprescindiblequeInternet evolucione y se adapte a las nuevas necesidades. EsteprocesosehavenidorepitiendodesdequeAlexanderGrahamBell descolgaraporprimeravezuntelfono(OtendraquedecirAntonio Meucci?). Una silenciosa maquinaria trabaja da a da para que, conforme crece lateladearaa,stanoacaberotaporsupropiopeso:laplanificacin.Cada vez que un nuevo usuario contrata su acceso a Internet, un operador oferta un nuevoservicioosedesarrollaunanuevatecnologadeacceso,puede producirseunefectomariposa,queafectaraatodoInternet,sinofuera porque cada una de esas acciones ha sido prevista y/o estimada anteriormente. La planificacin es un proceso que est presente desde que se disea la red de comunicacin,laobserva,controlaygestionadurantesudesplieguey desarrollo, y finalmente, la prepara y acomoda para evolucionar ante cualquier cambio. Como tal, la planificacin y el diseo de redes de comunicacin se convierten enunastareascomplejas,queabarcadesdeelpuntoterminaldeconexinde losusuarioshastalosnodosdeconmutacin,lasinterfasesparala interconexinconotrasredesylasinterfasesagrandesgranjasdeservicioy almacenesdedatosycontenidos.Enestecontexto,sepresentanmltiples frentes abiertos: Losusuariosconectados:Debeestablecerseunaclasificacindelos modelos de potenciales usuarios que van a hacer uso de la red, conocer su situacin y nmero real, adems de predecir o estimar el aumento de la demanda de puntos de conexin. Losserviciosofertadosporlared:Aligualqueparalosusuarios,es precisoconocerlascaractersticasdetodoslosserviciosde Telecomunicacinactualesyfuturos,sucomportamientoy modelizacindentrodelared(loqueimplicaungranesfuerzo investigadoreneldesarrollodemodelosysucorrespondientes algoritmos),ascomo,sundicedeimplantacinenlasociedady,en concreto, respecto a cada tipo de usuario individual. El comportamiento de los enlaces de intra e interconexin entre nodos delared,odiferentesredes:Esprecisopredecircuellosdebotellao desaprovechamientos de los enlaces, posibilitando calcular el ancho de bandaporenlacequedebeestablecerseentredospuntos,odetectar situacionescrticasypuntosdemalfuncionamiento(conunaltopeso en el desarrollo de algoritmos de clculo). Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis 3 Laevaluacindeloscostesprocedentesdelaintroduccindenuevos servicios,elmantenimientodelosexistentes,laconexindenuevos usuarios,lasinversionesdeequipos,tantoalniveldeclientes finales(minoristas),comoaldeprestacinaotrosoperadores (mayoristas). Laevaluacindelatarificacindelosdistintosserviciosysurelacin con la poltica desreguladora de las Telecomunicaciones. Elanlisisconjuntodetodasestasvariablessolamenteesposiblemediante herramientascreadasespecficamenteparalaresolucindeproblemas,la optimizacin y el dimensionado de todos y cada uno de los elementos de la red decomunicacin,entrelasqueseencuadranlasherramientasparala planificacinestratgica(planificacinaunhorizontemslargo).Todasellas, se basan en mtodos predictivos y/o estimativos mediante los cuales es posible evaluar anticipadamente el comportamiento de la red en general, as como, de cadaunodeloselementosderedenparticular.Dentrodelextensoconjunto deherramientasexistentesdestacanlastcnicasdeprediccinymodeladode trfico,aspectosdelosquesevaapresentarenestaTesisunestudio pormenorizado,poniendoespecialnfasisprimeroenelmodeladodetrfico defuente,yposteriormente,ensuaplicacinenelproblemadelaagregacin detrficoprocedentedemltiplesfuentes.Alolargodeestedocumento,se exponen las ideas que dieron lugar al desarrollo de esta Tesis, los estudios que sellevaronacaboy,finalmente,todassusaportacionesypropuestas, enmarcadasdentrodeldesarrollodeherramientasdirigidashaciala planificacinestratgicaderedesdecomunicacindebandaancha, principalmente basadas en el protocolo IP.Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis 4 1.1.Motivacin y objetivos Desdesucreacin,elGrupodeIngenieraTelemticadelDepartamentode IngenieradeComunicacionesdelaUniversidaddeCantabriaviene desarrollando,dentrodeunadesuslneasdeinvestigacin,herramientas informticasencaminadasafacilitarymejorarlosprocesosdediseoy dimensionadoderedes.Lasdiferentesaplicaciones,sussucesivasversionesy adaptaciones,abarcanlaplanificacintantoanivelderedesdereaLocal, comodereaExtensayCorporativa,sobretecnologascableadase inalmbricas.Lasutilidadesqueincorporanestosprogramaslosencuadran dentrodelosobjetivosdelaplanificacinestratgica,ycomotal,obtienen resultados especficos dentro de cada uno de los aspectos que la constituyen: Clasificacindeusuarios:Fundamentadaensuconocimientodesdeel puntodevistadelusoquehacendelastecnologasderedydelas necesidades y resultados que exigen a las mismas. Clasificacinydescripcindelosserviciosdetelecomunicacin:Cada arquitecturaderedpresentacaractersticasquelahacenidneapara unouotroservicio,poresoresultafundamentalidentificar mecanismos y soluciones que faciliten el diseo de nuevos servicios y la adaptacin de los ya existentes. Descripcindeltrficodefuenteasociadoaserviciosde telecomunicacin:Laestructurayfuncionamientodeundeterminado servicioesestudiadodesdeelpuntodevistadeltrficoquegenera, aunqueestratgicamentesuponelanecesidaddeanticiparestos resultadosinclusoantesdequelared,yporsupuestoelservicio,se encuentren an disponibles.Determinacin de la distribucin y agregacin del trfico de fuente: El conocimientodeltrficogeneradoporunafuentedebeserampliado paraanticiparelcomportamientotantodelaredcomodelservicioa medidaquesteatraviesalosdiferentesnodosdeinterconexin, encontrndose,ensucamino,conotrosflujosdetrficoprocedentes de otros usuarios, servicios o redes.Evaluacin econmica: A partir de las caractersticas de los servicios, y delconocimientodeltipodeusuarioyelusoquehacedeellos,se desarrollanesquemasdecosteysucorrespondientetarificacin, ajustadosalapolticadedesregulacindelastelecomunicaciones,con elobjetivodeestablecerlacorrespondienteevaluacindecostesque justifiquecadaunadelasaccionesquesellevenacabo,pasadas, presentes, y sies posible, futuras. Todosellospresentaninterrelacionesquehacenquecadasolucintengaque seranalizadapreviamentedesdeelpuntodevistadelainfluenciaquepueda presentar respecto al resto de etapas del proceso de planificacin. En la Fig. 1.1 Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis 5 puedeobservarsecmoalestudiardichasrelaciones,lasdiferentesetapas pueden clasificarse en dos niveles diferenciados segn el tipo de evaluacin que se realiza: tcnica y econmica. Fig. 1.1: El proceso de planificacin de una red de comunicaciones Esta Tesis se centra en las caractersticas especficas de los mtodos utilizados duranteelprocesodeevaluacintcnica,sobrelasqueseasientanlamayor parte de las aplicaciones desarrolladas por el grupo de investigacin comentado anteriormente,endondesehanllevadoacabotodoslosestudios,anlisise implementaciones incluidas en este documento. Ms en detalle, se estudian los diferentesmodelosdetrficogeneradoporlosserviciosaplicadosporlos usuarios,suidoneidadparalaplanificacinestratgicaylasmejorasdeestos modelosparatalfin.Seponeespecialintersenlospuntosdeaccesso,en donde se produce la primera agregacin, ya que es el punto ms critico: por su alta distribucin en la geografa cubierta por la red y por sus elevados costes de implementacin, en comparacin con puntos superiores de agregacin. Apartirdelconocimientoadquiridoduranteeldesarrolloyaplicacindelas herramientasqueexistanhastaesemomento,seidentificarontodosaquellos puntossusceptiblesdemejorayseplantearonnuevosdesarrollosque permitieranadaptarlasalastecnologasdeaccesoquecomenzabana imponerse.Deesta manera, se fij una serie de objetivos que han marcadoel ritmodetodoslosestudiosrealizadosduranteestetrabajo,yquea continuacinsepasaaenumerardesdelosdiferentespuntosdevistadela planificacin: Delaclasificacin de usuarios: Los ndices de penetracin de Internet confirmanquelaRedesuniversalyqueelusodelasredesde comunicacionesnoesexclusivodelmundoempresarial.Como consecuencia, los usos y el comportamiento del trfico tambin, por lo queesnecesarioacotarlasnuevascondicionesasociadasacadacaso particular. Usuarios y clasificacin Servicios Trfico Dimensionamiento del trfico Modelos de Tarificacin Dimensionamiento de la red Evaluacin del trfico Evaluacin de costes EVALUACIN ECONMICA Costes de equipo Ciclo de vida Evaluacin tcnicaEvaluacin econmicaUsuarios y clasificacin Servicios Trfico Dimensionamiento del trfico Modelos de Tarificacin Dimensionamiento de la red Evaluacin del trfico Evaluacin de costes EVALUACIN ECONMICA Costes de equipo Ciclo de vida Evaluacin tcnicaEvaluacin econmicaCaptulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis 6 Delaclasificacindeservicios:Areymuerto,reypuesto,diceelsaber popular. Un servicio es algo vivo que nace, se utiliza, y si no se adapta a losnuevostiempos,muere.Losusuarioshacenusodeaquellos servicios que les aportan lo que ellos buscan, y no al revs. Por ello, si el uso depende del usuario, habr que tenerlo en cuenta y por tanto, es necesarioacotarlascaractersticasasociadasalosdiferentesservicios en funcin de sus usuarios y sus futuros desarrollos. Deladescripcindeltrficodefuente:Internetaadeunproblema msalosdosanteriores,yaqueintroduceunaaltadiversidadde tecnologas de acceso y de redes, propiamente dichas, que forman parte desuentramado.Lascaractersticasdeltrfico(generadoporlos servicios, utilizados por los usuarios) suele presentar comportamientosbiendefinidos,peroquedependendedichatecnologa.Enestas condiciones,losmodelostradicionalesdetrfico defuentehantenido queevolucionartambin,porloque,parapoderadaptarlas herramientas existentes, es necesario determinar nuevas tcnicas para la estimacin de los valores de dicho trfico y, a poder ser, establecer las caractersticasdeltrficoquegeneracadatipodeservicioenfuncin deltipodeusuarioydelatecnologadeaccesomediantelaquese conecta. Deladistribucindeltrficodefuente:Largidaestructurajerrquica delasredestradicionalestambinsehavistotransformada.Eltrfico de un servicio se junta, ya desde la propia red de acceso, al del resto de usuarios de su misma rea de distribucin. El comportamiento de cada flujodepaquetesindividualseveascondicionadoaldelresto,y planteaunnuevoproblema,eldelaagregacindetrfico.Denuevo, losmodelostradicionalestambinhantenidoqueevolucionar,porlo queesnecesarioestablecernuevosmtodosquepermitanobtener estimacionesvlidastantodelostrficosindividualescomodelos agregados. A estas cuatro grandes lneas maestras, sobre las que se ha desarrollado todo el trabajo que se presenta en los siguientes captulos, se une una quinta y ltima, queyadesdelosprimerosestudios,cobrabaespecialimportancia:la aplicabilidaddetodaslaspropuestasysolucionesquefueranplanteadas,en futuras aplicaciones estratgicas. Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis 7 1.2.Estructura de la Tesis Acontinuacin,secomentanbrevementeloscontenidosdeestedocumento, divididoencincocaptulos,incluidoesteprimero,deintroduccin,alque pertenece este apartado. Elcaptulo2proporcionaunampliorepasodelosprincipalesconceptos tericos sobre los cuales se fundamentan los estudios y propuestas que se van a presentar,estandoorganizadoencuatroapartadosdiferenciados.Enel primerosedesarrollaelconceptodeplanificacinestratgica,aplicadoal diseo de redes de comunicacin, sus caractersticas, objetivos y, finalmente los mtodosyherramientasquepermitenllevarlaacabo.Precisamente,enel segundoapartadoseestudiaunaparteimportantedeestasherramientas,el modelado de trfico fuente, aplicado al caso concreto de Internet. Se realiza un recorridoportodoslosmodelostericosexistentesysuaplicacinenla estimacin del mismo. Sin embargo, como se indicaba entre los objetivos, este modeladoquedareducidocuandoseproducelamezclademltiplesfuentes, momentoenelqueseaplicanmodelosmultifuenteparalaestimacinde trficoagregado,queseestudiaeneltercerapartadodeestecaptulo.Por ltimo, en el cuarto apartado, se muestra una alternativa basada en un modelo determinstico denominado Network Calculus, un nuevo marco terico utilizado paraelanlisisdelaslimitacionesquelosdiferenteselementosimponenal trfico de fuente, y que se presenta como una posible alternativa para el clculo del trfico agregado. Eneltercercaptuloseplanteanydesarrollanlaspropuestasyaportaciones dequeestaTesis, repartidas en cinco apartados, donde, en el primero, se hace unadescripcindelescenario de trabajo, Internet y su trfico, sobre el quese desarrollanyaplicanelresto.Enelsegundoapartadosepresentaunnuevo modelo conceptual, desarrollado a lo largo de esta Tesis, para la definicin de escenariosdereddeacceso,medianteelcualllevaracabolaclasificacinde usuarios, servicios y tecnologas requerida por la planificacin estratgica. Para laaplicacindelmodeloanteriorhasidonecesariorelacionarcadaelemento delescenarioconsuscorrespondientestcnicasdemodeladodetrficode fuente,paraloquesehadesarrolladounnuevomodeloON-OFFmultinivel, quesepresentaeneltercerapartado.Acontinuacin,seproponeuna alternativa a los modelos matemticos basada en el uso de curvas de llegaday optimizacinapartirdeloslmitesdeltrfico.Finalmente,enelquinto apartadosepresentandosvariacionessobrelaspropuestasanteriores, adaptadasalclculodetrficoagregado.Laprimerasehadesarrolladosobre unnuevomodelodeagregacindefuentesON-OFFmediante aproximacionesbasadasenbinomiales.Porltimo,enelsegundocaso,se proponedenuevoelusodelametodologadelNetworkCalculusapartirde curvas de llegada. Captulo 1. Introduccin y objetivos de la Tesis 8 En el cuarto captulo se propone un esquema para la aplicacin conjunta de las ideasyresultadospresentadosenelcaptuloanteriormediantela implementacindeunaherramientaestratgica.Paraello,elprimerapartado describelascaractersticasfundamentalesdedichaaplicacin,ascomosu estructura y modo de funcionamiento. El segundo de los apartados muestra, a mododeejemplo,laaplicacindelmodeloON-OFFmultinivelalcaso concretodelservicioWeb,paraloqueserealizaunabrevedescripcinprevia delmismo,ascomodelosmodelosdetrficoquehansidoutilizados tradicionalmente. Por ltimo, en el captulo 5 se hace una recapitulacin de las ideas y soluciones presentadas,y,finalmente,seproponen algunas ideas que abren nuevas lneas de investigacin sobre el tema. 9 2. Conceptos Tericos Estecaptulodesarrollalateorasobrelaqueseasientanlosestudios,ideasy resultadosabordadosenestaTesisyqueseexponenenestedocumento.Los avancesenlascomunicacionesinterpersonalesestnntimamenteligadosal continuo desarrollo de las redes de comunicacin existentes, la implantacin de nuevastecnologasylaimplementacindenuevasalternativasdered.Espor ello que los operadores de redes de comunicacin dan una especial importancia a la planificacin y diseo de todas sus soluciones, mediante el uso de ingentes recursos tcnicos y humanos. El uso de herramientas especializadas resulta as clave, y de esta manera el estudio y desarrollo de ms y mejores mecanismos de clculo,estimacinyprediccinpasaaserprioritario.EnestaTesisserealiza un estudio de varias soluciones para la estimacin de parmetros especficos en elprocesodeplanificacin.Concretamente,elconocimientoaprioridelos valoresdetrfico,tantodefuentecomoagregado,espartefundamentalde cualquier herramienta de aplicacin, ampliamente estudiado pero con infinidad desolucionesenlamayoradeloscasosdeelevadsimacomplejidad computacional. Como alternativa, el uso de algoritmos ms simples, basados en aproximacionesysimplificacionesdelosmodelosmscomplejos,son utilizadosenalgunasdelasfasesdelprocesodeplanificacin.Eneste documentoseplanteandosmtodosdiferenciadosparalaobtencinde estimaciones del trfico de fuente y agregado, basados en modelos de trfico de fuente y en una nueva teora especializada en el anlisis del trfico denominada NetworkCalculus.Laaplicacindeestosmtodoshasidoutilizadaparael desarrollo de un nuevo concepto, presentado tambin en esta Tesis, el modelo Captulo 2. Conceptos Tericos 10 CASUAL, cuya implementacin permite definir escenarios de red complejos y estimar las figuras de trfico asociadas. Cuatro son entonces las ideas bsicas que se desarrollan en este captulo: Enlaprimeraparteseexponeunadescripcindetalladadelconcepto deplanificacin,susvariantesyfasesdedesarrollo,laimportanciade definirunmodelodeplanificacindecapacidadesylanecesidadde implementarherramientasespecializadasyadaptadasalasnecesidades del operador y de la red. Enelapartado2.2sedefineloqueesunmodelodetrfico,como mecanismo fundamental para la estimacin de parmetros bsicos de la planificacin. Se parte del concepto general de modelo, su aplicacin al casoconcretodeltrficoderedyalmodeladodeltrficodefuente, particularizado al diseo y planificacin de redes y servicios en Internet. La mezcla de trfico que se produce en cualquier punto intermedio de laredseconocecomoagregacin,conceptoquesedesarrollaenel apartado 2.3, presentando modelos de trfico especializados, la mayora derivados de los modelos de trfico de fuente. Finalmente,enelapartado2.4sedefineydescribelateora fundamentaldelNetworkCalculus,ascomosuaplicacinenel modelado de trfico, tanto de fuente como agregado.Captulo 2. Conceptos Tericos 11 2.1.Planificacin y Diseo de Redes de Comunicacin Planificareshacerqueocurrancosasque,deotromodo,nohubiesensucedido,segn exponeW.E.Goetz1en.PorsuparteFremonKastyJamesE.Rosenzweig definen planificacin como un proceso para decidir de antemano qu hacer, y cmo. Por suparteR.Anthonycompletaladefinicinasegurandoquelaplanificacin permitefijarlasdiferentesposibilidades,estableciendolosprocedimientosaemplearysu secuenciadeactuacin,duranteeltiempoeintensidadsuficientesqueasegurenlosobjetivos establecidos.2 Al aplicar las definiciones anteriores a la planificacin de redes y/o servicios de telecomunicacin,elresultadoesunprocesofundamentalquedebeser completado antes del establecimiento de dicha red/servicio, mediante el cual se asegura que todos sus requerimientos, condiciones y prestaciones cumplen con todas las expectativas previstas por el operador y esperadas por el cliente. Este procesodefineyestimalasnecesidadesdelcliente,estableciendolas capacidadesde trfico asociadas. De acuerdo al plan de negocio del operador, establecelascapacidadestotalesdelsistemaydefine todoslosrequerimientos asociados a cada elemento individual de la red. Todo el proceso es completado medianteelmodeladodelcomportamiento,tantodelosusuarioscomodela redens,aportandolarealimentacinnecesariaparalacorreccinyajustede todos los parmetros fundamentales de la red. 2.1.1. El proceso de planificacin DesdeelpuntodevistadelasRedesdeComunicaciones,elprocesode Planificacincomienzaconlalocalizacingeogrficadepuntosdepresencia (POP) del Operador de la Red, as como la previsin de trfico asociada a cada nodo3.Deacuerdoconestasprevisiones,elobjetivofundamentaldedicho procesoesrealizareldiseoydimensionadodelaredbasndoseenlas arquitecturascorrespondientesquerealicenelcorrespondientetransportedel trficodeusuario,materializadoenlaeleccinpreviadearquitectura,tanto 1 W. E. Goetz: Management planning and context, McGrawHill, 1949 2 R. Anthony: Planning & control systems: a framework for analysis, Boston, MA: Harvard University Press, 1965 3Comoejemplo,enlaRPT/RDSIseobservaqueestospuntosconstituyenelentramadode distribucin (MDF) y se sitan en el primer conmutador/concentrador local, donde termina el bucle de usuario. Captulo 2. Conceptos Tericos 12 paralosnodoscomolaredens,ascomodelaestrategiadeprotecciny recuperacin (ante fallos) correspondiente, tal como se indica en [Vigo, 2000] y [Arijs, 2000]. De esta manera, el diseo de la red va a facilitar el enrutamiento detodoeltrficointer-nodal,teniendoencuentaaspectostalescomoel mantenimiento de la calidad de transmisin (a nivel fsico), o la consideracin dediferentesescenariosdeerror.Amenudo,lafasedediseosuele fundamentarseenunpequeoconjuntodeescenariosdeerror,porejemplo, fallosenenlacesindividuales.Sinembargo,cuantomayorseaelconjuntode escenarios, mayor fiabilidad presentar el diseo final. Contodo,elprincipalobjetivodelafasedediseoeslaminimizacindelos costes,especialmentelosasociadosalaestructuradelaredquegeneralmente puedanydebanserpresupuestados.Estaminimizacinestlimitadaporlas condiciones de fiabilidad y restauracin en caso de fallos. Unavezestablecidoeldiseo,sedesarrollalaplanificacinens,entendida como la optimizacin, en muchos casos iterativa, del diseo original en funcin delosescenariosderedestablecidos.Elprincipalobjetivodeestafasees definir e inicializar el conjunto de parmetros asociados con cada elemento de red. De esta forma la planificacin puede ser considerada, tal como se muestra en la Fig. 2.1, desde el punto de vista estratgico, es decir, utilizar el conjunto deescenariospararealizarlaestimacindecapacidadesydelos correspondientescostesasociados,obiendesdeelpuntodevistatctico, centrndoseenloselementosindividualesdelared,ladistribucindelos diferentes recursos y su configuracin. Fig. 2.1: El proceso de planificacin desde el punto de vista del Operador de la Red En la fase posterior de evaluacin de la planificacin, la red diseada debe ser evaluadamedianteloscorrespondientesanlisisdesucomportamientoante escenariosdeerrorinesperadosycondicionesdinmicasdetrfico,como medida de su sensibilidad ante fluctuaciones de los parmetros de entrada. Esta IMPLEMENTACINPLANIFICACINDISEOESTRATGICA Comparacin de escenarios Estimacin de capacidades Clculo de costesTCTICA Elementos de red Distribucin de recursos Configuracin de equiposIMPLEMENTACINPLANIFICACINDISEOESTRATGICA Comparacin de escenarios Estimacin de capacidades Clculo de costesTCTICA Elementos de red Distribucin de recursos Configuracin de equiposCaptulo 2. Conceptos Tericos 13 fase de evaluacin hace las veces de etapa de realimentacin para la mejora del proceso de diseo, adaptando la solucin final de forma iterativa. Deacuerdocontodo loanterior, la planificacin puede serconsiderada tanto desdelospuntosdevistaestratgicoytctico,comodesdeelpuntodevista meramenteoperativo,estandorelacionadostodoselloscomoetapas diferenciadas pero dependientes, tal como muestra la Fig. 2.2. Fig. 2.2: Desarrollo del ciclo de planificacin ElciclodePlanificacinEstratgicallevaacaboelestudiodela evolucin de las demandas requeridas por los servicios soportados por la red y losobjetivos del operador, como por ejemplo la reduccin de loscostes,elmantenimientodelacalidadolamaximizacindela fiabilidad.Normalmentesedesarrollaenperodosmsomenos extensosdetiempo(de3a5aos),dadalanecesidaddeestablecery definir muy concretamente los objetivos a largo plazo. ElciclodePlanificacinTcticaestudiaelcomportamientoactualy analizatodaslasposiblesalternativas.Paraellosevuelveahaceruso del diseo y modelado de redes, siendo su duracin de 1 a 3 aos. Elciclodeplanificacinoperativaesunadelaspartesintegradas dentrodel proceso de mantenimiento. Su duracin debe coincidir con el ciclo de vida operativo de la red. Bsicamente consiste en chequeos, normalmenteanuales,medianteelusodeherramientasdegestiny control de redes (NMC-Network Management & Controltools). Deestaformalaplanificacin es un proceso que se desarrollar durante todo elciclodevidadelared:establecesusorgenes,determinasucrecimientoy evolucin, y por ltimo, decide su eliminacin (migracin a nuevas tecnologas, topologas o estructuras). Planificacin OperacionalPlanificacin EstratgicaPlanificacin Tctica Arquitectura de red Arquitectura de centros Proteccin Poltica de migracin Trfico Costes Arquitectura de centros Re-enrutamiento Escenarios de fallo Limitaciones Tablas de enrutamiento Tablas de re-enrutamiento Tablas de restauracin Control de congestin Planificacin OperacionalPlanificacin EstratgicaPlanificacin Tctica Arquitectura de red Arquitectura de centros Proteccin Poltica de migracin Trfico Costes Arquitectura de centros Re-enrutamiento Escenarios de fallo Limitaciones Tablas de enrutamiento Tablas de re-enrutamiento Tablas de restauracin Control de congestin Captulo 2. Conceptos Tericos 14 2.1.1.1.Planificacin Estratgica Eselciclodemayorduracindentrodelprocesodeplanificacin.Entresus finalidadesdestacaasegurarelcumplimientodelosobjetivosymetasdel operador.Paraelloesfundamentalquepermitamantenersucompetitividad frentealrestodeoperadoresyredescoexistentes,sinperdersuflexibilidad parapoderevolucionardeacuerdoalasexigenciasimpuestaspordicha competencia. Esto supone el estudio constante de las nuevas tecnologas, de la evolucin de lasyaexistentesydelosestndaresyrecomendacionesrelacionadas, analizandotodassusposiblesaplicaciones,einclusosucompatibilidaddentro de la estructura global de la red. Teniendo en cuenta todas estas consideraciones el grupo de planificacin debe asegurarlaconsolidacindelastecnologasyestructurasutilizadas,eincluso sercapazdellegaradeterminar,silascircunstanciasaslorequieren,la correspondientemigracinhacianuevastecnologas,infraestructuraso topologas. 2.1.1.2.Planificacin Tctica Una vez que se ha definido de forma clara y contundente cules son las vas de migracinalargoplazo,lacompaadebedefinirelconjuntodesoluciones viablesaseguir.Enestenuevociclosedeterminadeformaprecisaaquellas solucionesqueposibilitenlaconsolidacindeunadeterminadatecnologao estructuradelaredyaenuso,oporelcontrario,lapropuestadenuevas alternativas. Duranteesteperodosecuantificanlasrelacionesexistentesentrelos productososerviciosprevistos,ascomoelcomportamientorealdelared. Estosanlisisaseguranlaviabilidaddeunadeterminadatecnologa,ola integracin de sistemas a varios niveles, de acuerdo con los requerimientos de productividad deseados, es decir, la mejor relacin coste/producto/ servicio. Elprocesodeplanificacintcticasigueunesquemadedesarrollomso menos fijo: 1.Modelado de sistemas: ya sea de los sistemas existentes o de los nuevos sistemas.Tieneencuentatantolosequipos,comolosservicios,las aplicacionesylosusuarios,einclusolarelacindetodosellosenla productividad de la red. 2.Determinacindelciclodevidadelmodelodetrficoparacada servicio/ aplicacin. Captulo 2. Conceptos Tericos 15 3.Valoracindenuevastecnologasyestndaresasociadosacada servicio. 4.Determinacinde diseos viables, ya sea para una o varias estructuras de red, con sus correspondientes modelos de costes y comportamiento. 5.Dimensionado de acuerdo con los modelos aplicados, de forma que se asegure un servicio ininterrumpido para todos los usuarios. 6.Porltimo,seleccin dela solucinms deseable, o en su defecto, de menor riesgo, poniendo especial atencin a las posibilidades de gestin de la misma. Uno de los grandes aliados de la planificacin tctica es el continuo desarrollo de sistemas y herramientas para el diseo, anlisis y modelado de dispositivos, protocoloseinclusoredescompletas.Elusodelasimulacineneldiseo suelesercomplicado,yaquestasolamenteresultavlidaenregmenes permanentes,yrequieregrancantidadderecursoscomputacionales.Sin embargo, los avances informticos han ido posibilitando la aparicin de nuevas herramientas que permiten modelar redes de nueva generacin en tiempo real. 2.1.1.3.Planificacin Operacional Estedesarrolloseextiendealolargodelciclodevidadelamismared. Bsicamente consiste en el chequeo peridico de la misma, dirigido a asegurar la correcta interconexin de los equipos y mantener la calidad de los servicios provistos. En definitiva, la red queda monitorizada por un sistema de control y gestin denominado Gestin de Red. Deigualformaqueenelprocesodeplanificacintctica,estecicloqueda determinado por una secuencia de operacin fija: 1.Gestin de la configuracin, relacionada con la composicin, topologa yestructuraentiemporealdelared,haciendousogeneralmentede bases de datos relacionales. 2.Gestindefallos,encargadadelasupervisindelestadodelared,el testeo de extremo a extremo, el diagnstico de errores, notificacin de alarmas, realizacin de copias de seguridad, reconfiguracin, etc. 3.Gestindeoperacin,seocupadelamonitorizacinydefinicindel comportamientoengeneral,lastendenciasyumbralesentiemporeal, etc. 4.Gestindecontabilidad,relacionadaconlaplanificacindelos presupuestosrelacionados,determinacindecosteshacialosusuarios finales, o la verificacin de los objetivos del sistema. 5.Gestin de seguridad, lleva a cabo el establecimiento y mantenimiento deloscriteriosdegestindelosaccesos,ascomoelcontrolde reconfiguracin para cualquier particin definida. 6.Comoresultadodelagestincombinada,sellevaacabola planificacinens de la red, que consiste en laoptimizacin peridica Captulo 2. Conceptos Tericos 16 delamisma,elmodeladodelarecuperacindeerroresante contingencias,yeldiseodeestrategiasdeayudaalusuarioparala consecucin de sus objetivos, tanto a corto como a largo plazo. 7.Gestin del funcionamiento, se ocupa de asegurar la eficiencia de todos loscentrosdeoperacin,incluyendolastareasdeprovisinde personal, entrenamiento y control del flujo de informacin. 8.Facilidadessoftware,enrelacinconlagestinyactualizacindelos paquetes de software existentes, as como el diseo de nuevos paquetes optimizados. 9.Controlintegraldesistemas,esdecir,lacapacidaddegestionary controlarredesheterogneasdeformatransparentedesdecualquier consola de usuario. Comoresultado,laplanificacinoperativaintentamantenerelcosteefectivo delassubredesfrenteacualquierperturbacindentrodelaredglobal,yasea motivada por el trfico, los servicios o los fallos y averas. 2.1.1.4.Modelo de planificacin de capacidades Elcontinuodesarrollodelastecnologasderedydelosserviciosde telecomunicacin supone un continuo cambio en las necesidades de ancho de bandaexigido.Paradeterminarlosrecursosnecesariosdelossistemas implicadosseutilizanmodelosdeplanificacindecapacidades,enbaseala calidad de las aplicaciones tal y como son percibidas por el usuario. En [Wu, 2004] y [Wu, 2003] se define la planificacin de capacidades como el procesodediseoydimensionadoderedesenfuncindelademanda esperada,deformaquelaredsoporteelcrecimientodelasdemandasde usuariomanteniendounserviciosatisfactorio,esdecir,unasdeterminadas calidadesdeservicio.Clientes,servicios y operadores establecen a travs de la redunarelacinsingular,representadaenlaFig.2.3,inclusoantesdequeel servicio o la red hayan sido implementados. Captulo 2. Conceptos Tericos 17 Fig. 2.3: Interrelacin Usuario/Servicio/Operador desde el punto de vista del modelo de capacidades De esta manera, los modelos utilizados tienen por objetivo principal estimar las cargasydemandasdetrficoparatodoslosservicios,asegurandola optimizacindecostesdentrodelosparmetrosdecalidadesperados.El usuarioseencuentrantimamenteligadoaellos,delamismaformaquelo estnlosserviciosens,lasnecesidadesparticularesdecadacliente,olas necesidadesdelsistema.Sinembargo,enlamayoradeloscasos,eloperador acotadichainfluenciaofertandoescenariosdeservicioconparmetrospre-establecidosaloscualeselusuarioseacoge.Adicionalmente,estosmodelos consideran las influencias de la arquitectura y del hardware implementado. Deformageneral,elmodelodecapacidadesconsideraseisvariables fundamentales: 1.Losusuarios,porquesonlosqueinteractanconlared,establecen necesidadeseimponenprioridades.Esfundamentalconocersu nmeroylocalizacindentrodelared,ysiemprequeseaposible,su distribucinenlamisma(enformadeleyquepermitageneralizaren grupos de usuarios) Service Level AgreementUsuarioServicioAcceso (Red)RequerimientosRequerimientosRequerimientosRequerimientosServiceLevelAgreementPeticinPeticin BWTrfico/usuarioGoSQoSService Level AgreementUsuarioServicioAcceso (Red)RequerimientosRequerimientosRequerimientosRequerimientosServiceLevelAgreementPeticinPeticin BWTrfico/usuarioGoSQoSCaptulo 2. Conceptos Tericos 18 2.Los servicios y aplicaciones, es decir,el conjunto de servicios provistos por la red, y el tipo de aplicaciones que hacen uso de los mismos. 3.Elanchodebanda,entendidocomolanecesidaddelusuarioal imponer una serie de prioridades a cada servicio, lo cual se traduce en requerimientosderecursosdiferentesparacadatipodeservicioy aplicacin. Un servicio activado por un usuario causa una demanda de anchodebandaaloselementosdered,yquesteproporcionaen relacin con su capacidad total. 4.La calidad y el grado de servicio (QoS + GoS), como medidas directas delaaceptacinporpartedelusuariodelosserviciosyaplicaciones provistos.Estndirectamenterelacionadasconlasincronizaciny cuantificacindelacadenadeprocesosdirectosquecomponenel desarrollo de cualquier servicio. 5.Arquitecturadered,estoes,laestructuradedistribucindelos sistemasimplicadosenlaprovisindelosservicios.Imponeenla mayoradeloscasoslanecesidaddedistribuirequiposconcretosen puntos determinados de la red. 6.La tecnologa, entendida como el hardware especfico, seleccionado de acuerdo con los requerimientos del sistemaglobal y de la arquitectura elegida. Debe asegurar la consistencia entre todas las capas intermedias. Laobtencindeestosparmetrosnovaadependersolamentedelgradode conocimientodelaredporpartedelplanificador,sinoqueesnecesario apoyarseenfuentesexternasqueaportendichainformacin,yasean operadores,fabricantes,reguladores,etc.Algunosinvestigadoresjustificanla existenciadefuentesinternasyexternasalprocesodeplanificacin[Arana, 1997].Sepuedeentendercomointernastodasaquellasrelacionadasconla obtencindelascaractersticasdeltrficoasociado,lascualessoninferidas mediante la correspondiente caracterizacin y modelado. De forma paralela, el anlisiseconmicodelasinfraestructurasexistentesdeterminaloscriteriosde actuacin a la hora de establecer diseos o estructuras especficas. Por su parte, determinados parmetros, como por ejemplo los asociados con la aparicin de nuevos servicios, el cambio de comportamiento de los usuarios (reflejado en la demandaylosparmetrosdecalidad)olaevolucindelatecnologa, solamentepuedenserobtenidosmediantelaconsultaocolaboracinentre operadores, fabricantes y administraciones. Encualquiercaso,segn[Arijs,2000],laplanificacindecapacidadesse resuelvemediantemtodosdeoptimizacin,utilizandoparaellotcnicas propiasdelaInvestigacinOperativa,comoporejemplolaprogramacin lineal,comoen[Wu,2003],laprogramacinnolineal,en[Liu,2003],olas tcnicasdebsquedaheursticas(deformaalternativa,laheurstica constructivaconsolucionesbasadasenelsentidocomnpuedenofrecer resultadosatenerenconsideracin).Dependiendodelacomplejidaddel problemaydelgradodeoptimalidaddeseado,laplanificacindecapacidades puedehacerusodelasdiferentestareas,yaseasecuencialmenteoinclusode forma integrada.Captulo 2. Conceptos Tericos 19 Teniendoencuentaquelassolucionessecuencialespresentanmsbajos requerimientoscomputacionalesfrentearesultadosmsrobustosdelas solucionesintegradas,esprecisamenteenestoscasoscuandolaresolucin puedehacerusodelasegmentacinensub-problemas,bienmedianteun algoritmo integrado, o bien mediante un algoritmo que internamente realice la descomposicin del problema en mltiples fases perfectamente realimentadas y resolubles mediante procesos iterativos. En[Cho,2001a],sedesarrollaunmodeloparametrizadoaplicadoala planificacinderedesdeconmutacindecircuitos.Comosepuedeobservar en la Fig. 2.4, se compone de dos blucles, uno interno que optimiza los costes dentro de una topologa determinada y, otro externo, que optimiza los costes a base demodificar la topologa. Su adaptacin a otros tipos de redes, incluidas lasdeconmutacindepaquetes,esprcticamenteinmediata,sinmsque sustituirlasestimacionesdenmerodecircuitosporanchosdebanda requeridos. Fig. 2.4: Parametrizacin del proceso de planificacin segn [Cho, 2001b] Captulo 2. Conceptos Tericos 20 2.1.2. Herramientas para la planificacin Dentrodelprocesodeplanificacinsellevanacabotresacciones fundamentales:elanlisisparalaprediccindelcomportamientodelsistema, asumiendo situaciones ideales, como pueden ser distribuciones de tiempo entre llegadasdiscretasotiemposderespuestafijos;eldiseoqueproveaun determinadoniveldeservicio;yfinalmenteelmodeladoparasuemulacin hastaobtenerresultadosvlidosparalaeleccindelasarquitecturasy topologas correctas. Detodoelproceso parecedeterminante la eleccin correctade la topologa y arquitectura de la red. Esta es realizada como un proceso iterativo que se inicia en el mismo momento en que comienza la planificacin de la red. De acuerdo conestoysiguiendocualquieradelasmetodologasdediseo,impuestas normalmenteporlasdistintastopologasytcnicasdeacceso(vase[Arijs, 2000]), se obtiene una configuracin acorde a la tecnologa elegida. A partir de estediseoinicial,seevalantodaslassolucionesposiblesmodificandocada unodelosparmetroscorrespondientes,einclusocambiandodetecnologa, hastaencontrarunasolucinaceptable,momentoenelcualseprocedeasu correcta justificacin y documentacin (necesaria para el gestor de red). Deesamanera,segn[Nurminen,2003b],unaherramientadeplanificacin consta de cuatro partes diferenciadas: Losalgoritmos,quesonlapartecomputacional,sedividenentre aquellos dedicados a tareas de diseo, y los encaminados al anlisis. Los primerossoncapacesdesintetizarnuevassolucionesuoptimizar aqullas ya existentes. Los segundos son capaces de estimar el resultado deunplanprefijadoydefinirelcomportamientoenfuncinde parmetros claves de su ejecucin. Junto a los modelos y los algoritmos numricos,puedeaparecerelprocesamientosimblicomediante,por ejemplo, bases de conocimiento y motores de inferencia. Lalinterfazdeusuarioqueinteractaconelmismo,biendeforma grficaotextual,ydefinelosmbitosdetrabajodelamquinayel humano. Labasededatosquellevaacaboelalmacenamientodetodala informacin,detodaslasdecisionesdediseo,ascomo,lainterfaz haciasistemasexternosquefrecuentementeactancomofuentesde informacin de entrada. Normalmente se distinguen dos apartados, las estructuras de datos de la memoria principal que implementa el modelo dedatosentiempodeejecucin,ylossoportesdealmacenamiento permanente, tales como el sistema de ficheros o los sistemas de gestin de bases. Captulo 2. Conceptos Tericos 21 Las utilidadesen forma de interfaceshacia el sistema operativo, como porejemplolibrerasgrficasoaccesosasistemasdeficheros, ofrecidos como servicios al resto de partes de la herramienta. De cualquier modo, al partir del modelado del entorno de red existente, de las necesidades impuestas por el usuario y del incremento de trfico asociado, un anlisisdelasdistintasalternativasestablecelasbasesdeuncorrecto dimensionado.Lasopcionestecnolgicasvlidassonanalizadas econmicamente hasta encontrar la solucin ptima que ser implementada. A partirdeaqu,laplanificacinoperativatomaelcontrol,yconsuschequeos del comportamiento del sistema realimenta el proceso de mantenimiento de la red,dirigidomediantelascorrespondientesherramientasdediseoyanlisis. Cabe destacar tres tipos de herramientas: Simulacin fsica: requiere de la disponibilidad de todo el sistema final, sobreelqueserealizancargasdetrficotpicas.Dichadisponibilidad suponeungraninconveniente,traducidoenelevadoscostestanto econmicos como temporales. Simulacincomputacional:requieredealgoritmosespecializadospara todasycadaunadelasoperacionesanalizadas,quesonejecutados hastaalcanzarunequilibrioestadsticoensusresultados.Suprincipal inconvenienteestribaenelelevadocostetemporalquesuponeel desarrollo de los cdigos especializados. Por el contrario, si se dispone demdulosdesimulacinestndar,sucosteresultamuyeconmico aunquesolamenteenelcasoderedesdedimensionesreducidas.Este supuesto es poco realista comparado con el tamao de las redes reales. Evaluacinanaltica:haceusodetcnicasanalticastestadasparael modeladoyprediccindelcomportamientodelared,odesus elementosindividuales.Resultaelmtodomselegante,rpidoy barato,aunquesuprecisindependacasiexclusivamentedelmtodo analticoutilizado.Laevaluacindelsistemadebeirdirigidaacuatro puntos de vista distintos: 1.Costes: es el ms crtico ya que determina el coste directo de los serviciossobreelusuario.Enunaredtpica,seconsideraque cerca del 60% de los gastos son generados por el transporte en sdelainformacin,mientrasqueelrestoselosreparten,por igualtantolapartefsicacomolossistemasdegestiny control. 2.Throughput, es decir, el nmero de transacciones soportadas por la red, ya sea en nmero de paquetes, bitrate, etc. 3.Calidaddeservicio(QoS),queexpresalosvalorestpicosde rendimientodeunaconexinfsicaovirtual,comosonel retardo, jitter, etc. 4.Gradodeservicio(GoS),queexpresaladisponibilidaddel servicio tanto en situaciones temporales normales, como de alto Captulo 2. Conceptos Tericos 22 trfico(enlahoracargada),debuenfuncionamiento,como bajo situaciones de fallo y averas. 2.1.2.1.Diseo de una herramienta de planificacin Adems de los requisitos indicados en el apartado anterior, una herramienta de planificacin debe ser diseada siguiendo un esquema jerrquico o en capas, de lascualeslatareafundamentalserprecisamenteelmodeladofuncional.El hechodepoderobtenerelnmerodenodosparacadanivel,teniendoen cuentaquelosnivelesvacospuedensersimplificados,permiterealizarla planificacindeformacasimanualypasardirectamentealanlisisdel comportamiento de la red. Esta primera capa es, por s sola, el elemento nico ysuficienteparadeterminadasherramientasdeplanificacin,comoindica [Nurminen, 2003a]. Lasegundacapaestconstituidapormecanismosespecficos,algoritmosde anlisisparaunaevaluacinmsintensadelfuncionamientodelared,y algoritmosdeplanificacinparalaautomatizacindedeterminadosprocesos delaplanificacin.Losdeanlisispermitenreducireltiempodedesarrollo realimentandomedianteinformacinespecficaalusuario,porejemplo, mediantelaevaluacindelcostedelared.Losdeplanificacinpermiten realizar de forma automtica tareas repetitivas o la eliminacin de errores, por ejemplo,duranteelenrutamientodetrfico.Laprincipalfuncindeesta segundacapaesladereducirlasnecesidadesdeplanificacinmanual, acelerando el proceso de planificacin y reduciendo el nmero de errores. Laterceracapalaconstituyenlosmodelosdeoptimizacin,quepermiten obtenerresultadosptimosoensudefectocercanosaellos.Sonun suplemento al resto de algoritmos de la herramienta de planificacin, pudiendo hacer uso incluso de ellos para solucionar problemas secundarios. Como estos modelostomanenconsideracinvariosaspectosdelproblema simultneamente,partendelasuposicindesuidoneidad,yademspueden obtener resultados en tiempos razonables y mejores a los que pueda realizar un planificador experimentado. En[Arana,1997]seproponeunmodelodecapasalternativo,mostradoenla Fig.2.5,segnelcualelprocesodeplanificacincomienzaconlamedidao estimacindelasdemandasdetrfico,mediantelascualesseestablecela arquitectura de red, incluido el enrutamiento. Posteriormente, el dimensionado dedichaestructurayelanlisisyoptimizacindecadaunodelosprocesos anteriores permite fijar los parmetros de calidad de la red. Captulo 2. Conceptos Tericos 23 Fig. 2.5: Modelo de capas para la planificacin Sinembargoen[ITU-T,2002]seproponeunmodelomscomplejo,mucho ms cercano a la definicin comentada en el apartado 2.1.1, que tiene en cuenta quelaplanificacinestratgicaserealizabajounentornoliberalizadoque significatenerencuentaaspectosdecompetitividadconotrosoperadores.El primerpasoseraelanlisistantodelcontextofsicodelared,comodelas necesidadesdenegocio,paraloqueseestablecenescenariosdetrabajo adecuados.Elconjuntoderesultadosesutilizadoparalaestimacindelas demandas de trfico y el diseo y configuracin de los elementos de la red, as como para la definicin, mediante el anlisis econmico, del plan de inversin ydenegocio.Cadaunodelosprocesosanterioresutilizaherramientasy procedimientosespecficosqueasuvezpuedenformarpartedeuna herramienta de planificacin genrica. La estructura completa se muestra en la Fig. 2.6. Desdeelpuntodevistadeldesarrollodelasherramientas,laestructurade capasdebefacilitarladefinicindelproyectosobredichaorganizacin,de formaquesolamentelasfuncionesbsicasdelascapasmsimportantes aparecenenlosestadosinicialesdelproyecto,yasporejemplo,lainterfaz grficadeusuarioyelmodelofuncionalsesitancomolosnicoselementos obligatorios para cualquier sistema de planificacin. Apartirdelaestructurabsicadelaherramientasepuedenempezaraincluir algoritmos de anlisis y planificacin, preferiblemente simples si hay inters en maximizarlarelacinbeneficio/coste.Sufacilidaddeimplementacinno supone un alto riesgo frente a su comportamiento y utilidad. Captulo 2. Conceptos Tericos 24 Fig. 2.6: Modelo de planificacin segn la ITU (Fuente: [ITU-T-2002] 2.1.2.2.Clasificacin de las herramientas de planificacin Laclasificacinexpuestaalprincipiodelapartado2.1.2puederesultar demasiadogenrica.Dehecho,atendiendoalcriteriodelaITU,las herramientas de planificacin se diferencian en funcin del grado de detalle de la misma (y su correspondiente anlisis) y del nmero de capas que conlleva el proceso. Tal como se observa en la Fig. 2.7, ambos criterios son contrapuestos pero permiten establecer cuatro tipos fundamentales: Fig. 2.7: Tipos de herramientas de planificacin segn el criterio de la ITU [ITU-T-2002] Captulo 2. Conceptos Tericos 25 Deevaluacintecno-econmica:Notienenunaltogradodedetalle puesto que su objetivo es evaluar las caractersticas generales de toda la red. As por ejemplo, los estudios de redes multicapa (especialmente las redespticas)obasadasenmltiplestecnologasdeinterconexin pueden ser consideradas dentro de esta categoras. Dediseoyoptimizacin:Conungradodedetallemedio,obtienen resultadosdetalladosparaentidadesespecficas,comoporejemploen segmentos de red. Deoptimizacin y mejora de diseo:Dado que su grado de detalle es alto,secentranalniveldeentidades,delascualesobtienensus caractersticas especficas. De anlisis y simulacin: Entrando en el mayor detalle posible, este tipo de herramientas considera el comportamiento real de cada elemento de red. Sinembargo,estaclasificacinconsideraherramientasgenricas,y probablemente independientes entre s, siempre en funcin del grado de detalle y/osumbitodeaplicacin.Lacombinacindeambostrminospermite obtenerunadefinicinmsextensa:elobjetivodelaplanificacinesrealizar un estudio pormenorizado del dimensionado de los mecanismos asociados a la red, desde el punto de vista temporal y funcional. De acuerdo con esta idea la planificacinderedespodraserconsideradacomounsistematridimensional en el que sus ejes relacionan el desarrollo de la red temporal, geogrfica y, por supuesto,funcional.Cadaejepresentavalorescaractersticos,talycomo muestra la Tabla 2.I.

Planificacin Temporal Planificacin geogrficaPlanificacin funcional EstratgicaSANP (Subscriber Access NP)Lgica TcticaANP (Aggregation Network Part)Fsica OperacionalCNP (Core Network Part)Topolgica Tabla 2.I: Modelo tridimensional del proceso de planificacin de redes

a)Temporal: Como se coment en el apartado 2.1.1, la planificacin operacional estudia eldiseoydesarrollotantodelared comodelosserviciosasociados.Sin embargo,dichaoperacincubreperodosdetiemporelativamentecortos, loquepermiteestablecercriteriosconcretosquepermitenmantenerlos requerimientos de GoS y QoS asociados a cada servicio. Para ser llevada a cabo,esnecesariounconocimientodetalladodelaredimplementada,as como de los posibles mecanismos de gestin por lo que suele ser tarea, casi exclusiva, de los operadores sobre sus propias redes. Captulo 2. Conceptos Tericos 26 Por su parte, la planificacin tctica considera redes ya implementadas para el anlisis y estudio de la evolucin a medio plazo del comportamiento de las mismas ante la introduccin de nuevos servicios y/o el incremento del trfico asociado a los ya existentes. Finalmente la planificacin estratgica es la tarea ms abstracta puesto que realiza el estudio y caracterizacin de la red y todos sus servicios a medio y largo plazo, esto es, desde la implementacin en s, hasta la introduccin de nuevastecnologasy/oservicios.Lamayoradelasveceselestudio comienza por la emulacin completa de la red, tanto si existe previamente (ScorchedNodeApproach),comosiesdenuevaimplementacin(Greenfield Approach).Adiferenciadelasplanificacionestcticayoperativa,la planificacin estratgica no es exclusiva de los operadores de red, sino que dadosucarcterestratgico,puedeimplicarainstitucionesyorganismos reguladores tanto a nivel nacional como internacional, vease [ITU-T, 2002], y el ejemplo de [GMBH, 2007] b)Geogrfica: Atendiendoalacoberturageogrficadelprocesodeplanificacin, tradicionalmente,lasredesdetelecomunicacinseencuentrandivididas segn tres reas diferenciadas: Elaccesoalared,tradicionalmentedenominadaSANP (SubscriberAccessNetworkPart):Normalmentelapartems costosadebidoaquecubreunaextensingeogrficalimitada deformadensa,peroconconcentracionesdetrficobajas. Tambin recibe el nombre de Red de Distribucin. El acceso a la red dorsal, denominada ANP (Aggregation Network Part)oReddeAgregacin.Adiferenciadelaanterior,su extensinesmenoslimitadaycubrenormalmenteentornos regionales. Su concentracin de trfico puede oscilar en funcin dedichaextensin,detalformaquefrecuentementese considerasusub-divisinenLANP(LowANP)yUANP(Up ANP). Porltimo,lareddorsaloCNP(CoreNetworkPart). Jerrquicamente hablando, cubre la parte alta, a nivel nacional e internacional. La concentracin del trfico pasa a ser secundaria frente al problema que plantea la resolucin del enrutamiento, y la correspondiente proteccin y el respaldo frente a errores. c)Funcional: Lasfuncionesasociadaspuedenserconsideradasdedosformasdistintas: de acuerdo con el modelo de capas OSI, o de acuerdo a las caractersticas del trfico, sea ste de datos de usuario, datos de control de la red o datos degestindelamisma.Dichasubdivisinesrepresentadacomoun modelo estratificado, en el que el trfico de datos del terminal de usuario se Captulo 2. Conceptos Tericos 27 sita en las capas superiores, y los equipos de la red se sitan en las capas msbajas.LaFig.2.8muestraelmodelocorrespondiente,deducidoa partirdelmodelodelaITUparalasredesdebandaanchaATM[ITU-T, 1996]. Fig. 2.8: Modelo funcional Las capas dos y tres proveen la red de capa lgica, mientras que la capa uno lacapafsica.Actualmente,laplanificacinpartedeltrficodeusuario situadoenelplanodeinformacin,teniendoencuentalasobrecargade control generada por los otros dos planos (control y gestin). Lasubdivisindetareasdeplanificacin,talycomosehanvenido explicandoalolargodeestecaptulo,sobrelostresejestemporal, geogrficoyfuncional,permiteestableceralmenostericamente,27 combinacionesquegrficamenteseasemejaalconocidocuboRubik (vease[EURONGI, 2005]) y que la Fig. 2.9 muestra con detalle. Sinembargo,enfuncindelaarquitecturaqueseconsidere,notodaslas combinacionesrepresentadaspordichocubotienenaplicacinprctica. Porejemplo,laSANPdeADSLsobreelbucledeabonadode PSTN/ISDN,esunaredpasivadondesolamentetienensentidolas subcapasinferioresdelaredfsica,comosepuedeobservarenlaTabla 2.II. Captulo 2. Conceptos Tericos 28 Fig. 2.9: El cubo de Rubik de la Planificacin de Red : SANPANPCore NP Lgica---XX Fsica---XX Topolgica(X)XX Tabla 2.II: Relacin entre el eje geogrfico y el eje funcional para el caso de redes PSTN/ISDN y redes de Banda Ancha sobre DSL 2.2.Modelado de trfico en redesInternet Interneteselmayorcompendiodesistemasespecficosparacomunicaciones. Suheterogeneidadesclaramenteapreciableconsolofijarnosensus componentesprincipales,losenlaces,desdelossimplesmodemsdePSTN hastaloscomplejosenlacesdorsales,desdelastecnologascableadashastalas inalmbricas.DesdeunpuntodevistamacroscpicoInternetpuedeser consideradocomounareddeSistemasAutnomosque,incluso individualmente,mantienenlamismaheterogeneidadquesuconjunto.Las caractersticasdedichossistemas,estandotodosellosinterrelacionados,los hace independientes de forma que cualquier estudio puede ser particularizado a cada SA individual. Sin embargo, el comportamiento del trfico es homogneo, Captulo 2. Conceptos Tericos 29 independientementedelSistemaAutnomo,ysolamentediferenciablede forma cuantitativa. Mltiplesestudioshanconcluidoconladefinicindelaautosimilaridaddel trficodeInternet,vase[Leland,1993a/Paxson,1995/Wilson,1994]. Segnestaidea,eltrficocorrespondienteaundeterminadoenlacese comporta de idntica forma con independencia de la escala temporal en la que esobservada.Deestamaneraesposibledeterminarlascaractersticas estadsticasasociadasconladinmicatemporaldeltrfico,enloqueseha denominadoautosimilituddesegundoordenasinttica,odeforma equivalente la dependencia de amplio rango (Long Range Dependence LRD). De acuerdo con estas ideas, la autocorrelacin del trfico Internet decae de forma potencial en perodos de tiempo suficientemente amplios, lo que contrasta con lasuposicintradicional,segnlacual,decaeraexponencialmente, comportndose incluso como un ruido blanco. Internetestfundamentadoenunaestructuradecapasinterrelacionadaspor los