Modelado y Simulación de un Nodo ActivoPablo Magé, Amalio F. Nieto, Mercedes Garijo, Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos,

Universidad Politécnica de Madrid

Resumen-- Las Redes Activas (ANs) buscan insertarprogramabilidad en la parte intermedia de las redes IP, buscando mejorar la flexibilidad y el desempeño de la red mediante la inserción dinámica de servicios y protocolos. En esteartículo se describe la actividad de simulación realizada en el proyecto ANDROID (Active Network Distributed Open Infrastructure Development). En ANDROID se implementó una infraestructura de red programable, escalable y gestionada,basando sus esfuerzos en la alternativa de las Redes Activas. En la infraestructura de Red Activa de este proyecto se distinguendos tipos de nodo: Los Encaminadores Activos (ARs) y los Servidores Activos (ASs). En este documento se describe el diseñoe implementación del modelo de simulación del nodo AS, usando como herramienta de modelado el OPNET Modeler.

Palabras Clave—arquitecturas, redes activas, seguridad, servicios activos, simulación.

I. INTRODUCCIÓN

L presente crecimiento de desarrollo e implantación de nuevos servicios en las redes de comunicación y la

dificultad que esto involucra, a motivado la búsqueda de diversas propuestas de redes programables. Inicialmente losdesarrollos de más trascendencia se realizan en el programa deRedes Activas, patrocinado por DARPA desde 1996. LasRedes Activas emergen como una de las propuestas másprolíficas, pues hoy en día existen grupos de investigación enAmérica de Norte, Europa y Asia, buscando encontrar una solución adecuada a las especificaciones de este novedoso tipo de red. Para dar soporte a las Redes Activas existen trabajosde investigación que recurren al uso de las nuevas tecnologíasexistentes hoy en día tales como aplicaciones intermedias(middleware), agentes móviles, agentes inteligentes, lenguajesde alto nivel, etc. En el proyecto ANDROID (Active Network DistRibuted Open Infrastructure Development) [1]patrocinado por el programa IST de la Comisión Europea, se demostró que es posible obtener una infraestructuraprogramable, escalable y gestionada, basando sus esfuerzos enla arquitectura de las Redes Activas. El grupo deinvestigadores de la Universidad Politécnica de Madrid

Este trabajo fue apoyado por el 5th programa marco IST de la ComisiónEuropea, proyecto IST-1999-10299-ANDROID.

P. A. Magé es candidate a PhD en el Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos, Universidad Politécnica de Madrid, CP 28040 (e-mail:pmage@gsi.dit.upm.es, pmage@unicauca.edu.co).

A.F. Nieto esta con el Departamento de Ingeniería de SistemasTelemáticos, Universidad Politécnica de Madrid, España (e-mail:anieto@gsi.dit.upm.es).

M. Garijo esta con el Departamento de Ingeniería de SistemasTelemáticos, CP 28040 SPAIN (e-mail: mga@gsi.dit.upm.es).

participó en el diseño e implementación de modelos de simulación, modelos diseñados para predecir comportamientosde los elementos activos de la infraestructura de red.

En este artículo inicialmente se describirán los conceptosbásicos, características y trabajos de investigación en RedesActivas. Posteriormente se realiza una descripción de laimplementación del modelo de simulación del nodo AS, pues esta corresponde a la tarea realizada por los autores de esteartículo, actividad enmarcada dentro del proyecto ANDROID.

Las Redes activas son una novedosa propuesta en la cualprogramas “personalizados” son ejecutados dentro de lasredes convencionales IP [2]. Estos programas pueden serejecutados en nodos intermedios denominados nodos activos.Como resultado de la ejecución de los programas“personalizados” se puede modificar el comportamiento o elestado de los nodos visitados [3]. Una arquitectura común de nodo activo [4] ha sido definida dentro del programa de RedesActivas de DARPA. En esta arquitectura cada nodo activocontiene su propio sistema operativo (NodeOS) y variosentornos de ejecución (EEs). El NodeOS es responsable delcontrol y manejo de los recursos y de la seguridad del nodoactivo. Además, el EE es el responsable de facilitar las condiciones necesarias para la ejecución de programas activos sobre el nodo activo. Los usuarios debidamente habilitados pueden interactuar con el nodo activo para solicitar laejecución de un programa activo (servicio activo). Las RedesActivas poseen un conjunto de características esenciales que las diferencian de las redes convencionales, comenzaremosesta corta descripción tratando las características esenciales.

A. Características de las Redes ActivasEn [5] se describen las características esenciales a tener en

cuenta al implementar una Red Activa. Estas son:

1) Programabilidad:Define la capacidad de la red para proveer a los nodos

intermedios de un modelo computacional. El éxito de estacaracterística depende del API de red, la potencia del lenguajede programación, la capacidad de almacenamiento temporaldel nodo y la capacidad para componer serviciosdinámicamente.

2) Distribución de código:Define los mecanismos usados en la red para la

recuperación e inserción de código activo en los nodosintermedios. Existen tres propuestas de implementación de Redes Activas, las cuales se diferencian principalmente enesta característica. Son: Propuesta Discreta [6]: En estapropuesta de implementación los programas son inyectados de

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manera independiente al procesamiento de los paquetes de los usuarios. Los paquetes mantienen el formato convencional. Como ejemplos de proyectos que siguen esta propuesta se tienen, ASP EE [7], SARA [8], etc. Propuesta Integrada [2]: A diferencia de la anterior propuesta, en este caso cada paquete lleva pequeños programas “personalizados”, los cuales son descargados y ejecutados en los nodos activos. Los formatos de los paquetes son modificados con el propósito de facilitar su identificación. Entre los proyectos que siguen esta propuesta tenemos a ANTS [9], SwitchWare [10], SmartPackets [11], etc. Propuesta Híbrida [12]: En este caso se combinan las funcionalidades de las dos propuestas anteriores. Los programas activos pueden ser cargados por demanda y de manera dinámica dentro de un nodo activo y el paquete convencional con instrucciones prefijadas puede indicar la ejecución de uno de estos programas. Ejemplos de proyectos que siguen esta propuesta son DAN [13], APE [12], etc. Las propuestas anteriores se caracterizan por insertar la actividad a nivel de red en el modelo de referencia de Internet. Existe otra propuesta que pretende mantener la esencia del nivel de red insertando la actividad desde el nivel de aplicación, ejemplo de esta propuesta es ALAN (Application Level Active Networking) [14].

3) Control de granularidad La ejecución de un código activo puede modificar el

comportamiento de un nodo activo. Esta característica define el período durante el cual el comportamiento del nodo permanece afectado. Los cambios en el comportamiento pueden afectar a todos los paquetes que visitan al nodo activo (granularidad por flujo), o puede afectar a un paquete específico (granularidad por paquete).

4) Seguridad y confiabilidad de código: La introducción de códigos ejecutables en la parte

intermedia de la red, generados desde fuentes no confiables, es uno de los asuntos preocupantes en las Redes Activas ante los potenciales problemas de seguridad que se puedan provocar a la red. Los trabajos de investigación que buscan la solución a los asuntos de seguridad están enfocados de dos maneras diferentes [15]: la solución basada en restricciones del lenguaje de programación sobre los paquetes activos, como en el caso del proyecto SafetyNet [15], SANE [16] y la solución basada en las políticas de autorización, se puede mencionar como ejemplo de estos esfuerzos a SANTS [17], Seraphim [18]. Otro problema detectado es la revocación, es decir el control de los códigos ejecutables que presenten errores. En [19] Murphy, et al, es propuesta una arquitectura para dar solución al problema de revocación.

En la siguiente sección mencionaremos algunos trabajos que proponen implementaciones a los componentes de la arquitectura de Redes Activas.

B. Trabajos de investigación en Redes Activas La comunidad de investigadores en Redes Activas han

desarrollado proyectos con el fin de implementar cada uno de los componentes de la arquitectura general, también surgen

trabajos que usan la arquitectura de las Redes Activas para mejorar el rendimiento de algunos servicios convencionales existentes hoy en día.

Al interior de estos proyectos de investigación se diseñan lenguajes de programación para la implementación de programas activos, como es el caso de PLAN (Program Lenguaje Active Network) y Calm en [10], Sprocked y Spanner [11], etc.

El NodeOS es uno de los componentes más importantes sobre los cuales recae el desempeño de una Red Activa. Dentro de los proyectos que han implementado sistemas operativos para los nodos intermedios están Bowman [20], fue el primer sistema operativo de nodo, Joust [21] es una plataforma que soporta EE basado en Java. Janos [1] soporta solo EE basados en Java, no soporta múltiples espacios concurrentes.

Otros trabajos de investigación soportándose en la arquitectura de las Redes Activas con el fin mejorar el desempeño de aplicaciones en la red convencionales. Entre las líneas donde se vienen realizando numerosos esfuerzos tenemos Multicast [23], QoS [24], [25], Cacheo [26], Gestión de red [5], [27],[28], tras codificación, seguridad [29], control de encaminamiento [24], [30], control de congestión [31], [32] y composición de protocolos.

II. INFRAESTRUCTURA DE LA RED ACTIVA EN ELPROYECTO ANDROID.

A. El Proyecto ANDROID. En el proyecto IST ANDROID (IST 1999-10299), se

implementó una infraestructura de red programable, escalable y gestionada, basando sus esfuerzos en la alternativa de las Redes Activas.

La responsabilidad del grupo de trabajo de la Universidad Politécnica de Madrid estuvo enmarcada en el campo del modelado y simulación del sistema real que se implementó por parte de los otros socios del proyecto ANDROID. Dentro del entorno de trabajo de este proyecto se desarrolló una simple Red Activa, con el fin de probar de forma real una infraestructura de gestión para este novedoso tipo de red. Con el propósito de obtener resultados sobre Redes Activas más grandes y complejas, se recurrió a la simulación fuera de línea como un mecanismo para predecir resultados. En esta actividad de simulación, se obtuvieron 3 modelos de red:

Modelo de la Red Activa en ANDROID, modelado del prototipo real de Red Activa que utilizó en este proyecto.

Modelo del Servidor activo, es el nodo que tiene la mayor responsabilidad en el desempeño de la Red activa.

Modelo de una granja de servidores activos, por medio de este modelo nos permite predecir el comportamiento de un grupo de servidores activos, determinándose de esta manera la capacidad de servicio de dicha granja.

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B. Arquitectura de Red Activa en el Proyecto ANDROID. La arquitectura de Red Activa [33] en el proyecto

ANDROID posee dos clases de nodos activos: Los ServidoresActivos (ASs) y Encaminadores Activos (ARs). Los ARsademás de poseer las funcionalidades básicas de un encaminador convencional, adicionan un entorno de ejecución(EE) que le permite ejecutar programas activos, que podrán operar sobre el contenido de los paquetes que fluyen por elencaminador. Dichas operaciones determinan el trato que se ledebe dar a dichos contenidos. La arquitectura de los ASs, sebasa en arquitectura ALAN (Application Layer Active Networking) [34]. En él se ejecuta el programa activo. Esteprograma activo es implementado con el objeto de prestaralgún tipo de servicio al cliente.

La arquitectura ALAN consta de clientes (browsers) yservidores (Servidores Web) desplegados en Internet. La conexión entre los servidores y clientes se hace a través de DPS (Dynamic Proxy Servers), y las entidadesprogramables/descargables son denominadas proxylets (Fig.1). Los proxylets son almacenados (como archivos JAR) en servidores Web y son obtenidos vía una URL. Existe una implementación denominada ‘FunnelWeb’ y unainfraestructura ha sido desarrollada a través del proyectoALPINE [34].

Fig. 1. Arquitectura ALAN

C. Desarrollo de una CDN en ANDROID.Para mejorar la búsqueda y ubicación de los proxylets en la

red se recurre a aplicar la filosofía de las redes CDN (ContentDistribution Network).

En el proyecto ANDROID se implementó una arquitectura similar a la CDN [35] (Fig. 2.). La CDN en este contextoproporciona búsqueda y rápida localización de los proxylets. Por medio de la CDN se distribuyen los proxylets requeridosen el sistema, junto a los datos de información de ese proxylet(metadatos del proxylet). Esta CDN consta principalmente de tres elementos:

- ISVs (Independent Software Vendors), los cuales son losproveedores de las implementaciones de servicios.

- Los Clientes, los cuales buscan y solicitan un proxyletdeterminado.

- PBN (Proxylet Broker Network), la cual es una red conformada por servidores dedicados, que en el contexto de este proyecto son llamados PBs (Proxylet Brokers), los cualesproporcionan las funcionalidades de almacenamiento,búsqueda y recuperación de proxylets. Los PB interactúan con

los ISVs para intercambiar información y descargar los proxylets y los metadatos de proxylets. Un PB está ubicado en cada sitio de la red donde existe al menos un AS. En esteproyecto se tienen “sitios” conectados a través de una VPN(Virtual Private Network). De esta manera los ASs proporcionan un soporte a nivel de aplicación para servicios activos a usuarios participantes en la VPN.

D. El Sistema de Gestión en ANDROID. La plataforma de Gestión que se implementó se basa en un

sistema de gestión distribuida soportado por políticas, eventos, y programación activa. De esta manera se permite unamonitorización y control de los nodos y servicios activos demanera automática. Las decisiones de configuración se basanen la información local disponible y en un conjunto de reglas,que determinan el comportamiento que se desea imprimir alelemento o al sistema gestionado. El conjunto de estas reglasconstituye las políticas de gestión. Las políticas son escritas enXML (eXtensible Markup Languaje). Las políticas que se implementan se orientan sobre tres frentes principales:políticas para la gestión de los ARs, políticas para la gestiónde los ASs, y políticas para la gestión de la infraestructura desoporte.

Fig. 2. Infraestructura CDN en el proyecto ANDROID

E. Escenario de Prueba en ANDROID.El objetivo del escenario de prueba en el que se trabajó en

el proyecto ANDROID fue implementar (como una aplicación particular en Redes Activas) una sesión de video conferenciausando la infraestructura descrita anteriormente (Fig. 2.).

En este escenario de prueba (Fig. 3) se observan 2 sitios,que toman parte de la VPN. Para controlar el funcionamientode la VPN se cuenta con un sistema de gestión de VPN. Estesistema es el encargado de configurar de manera dinámica a los ARs [36] y a los encaminadores convencionales con el finde establecer la VPN. Esto significa que los túneles IPSEC seconfigurarán o borrarán de acuerdo a los requerimientos de losclientes. Cada “sitio” de esta VPN consta básicamente de unAR, un servidor que contiene la herramienta que genera el

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tráfico de video (VIC), un AS donde se ejecuta el proxyletusado en esta aplicación (Trascoding Active Gateway - TAG), y dependiendo de su posición en la red, se requerirá el uso de un encaminador convencional.

Fig. 3. Escenario de prueba en ANDROID

El tráfico de video originado por la herramienta VIC esenviado hacia la red. En el trayecto este tráfico es detectadopor un encaminador activo (AR), el AR enruta este tráficohacia el AS (Fig. 3) donde es procesado por el proxylet (TAG)en un sitio local. Este tráfico multicast es encapsulado enpaquetes unicast. Dinámicamente se inicia el proceso de establecimiento de una VPN. Con la VPN establecida, eltráfico unicast es reenviado hacia el AR el cual refleja este tráfico hacia los diferentes sitios de la VPN. En los sitios dedestino los paquetes unicast son tomados para desencapsularlos paquetes multicast por parte del proxylet (TAG) dondeposteriormente es distribuido localmente en forma de tráficomulticast.

III. MODELADO DEL SERVIDOR ACTIVO (AS).El Servidor Activo (AS) (Fig. 4.) es el elemento de esta red

que proporciona un entorno de ejecución seguro para losproxylets que el usuario requiere. El AS dentro del sistemainteractúa de manera directa con el AR, y de forma indirecta con los usuarios y el PB. Para realizar su propia gestión yproporcionar seguridad, se proveen los servicios del MID(Management Information Distribution), DS (DirectoryService) y el RM (Resource Manager). Estos servicioscorresponden, cada uno, a un módulo en el modelo de nodo del AS (Fig. 4.).

Se describen los módulos que componen el modelo del AS.

A. Infraestructura del Servidor Activo.Con base en los servicios de gestión relacionados con el

AS, se han implementado una serie de módulos, que proveerán la funcionalidad de estos servicios en el modelodesarrollado.

El Servidor Activo en el modelo de nodo estará compuestopor los siguientes módulos (Fig. 4.):

-Management Information Distribution (MID)-Broker-Directory Service (DS) -Security Manager (SM)-Resource Manager (RM)-Environment Execution (EE)

-Transport-Transceivers

Fig. 4. Modelo de componentes del AS

B. Management Information Distribution (MID).Su función básica es el manejo del flujo de eventos

entrantes y salientes circulantes, para establecer la correctaintercomunicación entre los diferentes módulos que componenel Servidor Activo.

Cuando un evento llega a este módulo, se busca la políticarelacionada con este evento, y dependiendo de dicha política el evento es redireccionado al módulo respectivo.

C. Broker. Este módulo es responsable de:

- El almacenamiento de los metadatos del proxylet, y delproxylet, usando para el primer caso al DS. - Atención de las consultas realizadas por usuariosautorizados, acerca de información relacionada con un determinado proxylet.- Distribución de los metadatos del proxylet a todos loselementos que pertenecen a la CDN.

D. Directory Service (DS).El DS es usado para almacenar los metadatos del proxylet,

también se asume que el almacenamiento del código del proxylet es también manejado por este módulo.

E. Security Manager (SM).Su función básica es la validación de los eventos que

fluyen hacia el entorno de ejecución. Al igual que los módulosanteriores el SM posee un almacén de políticas. Cuando un evento llega a este módulo se carga la política respectiva con el fin validar las operaciones a realizar o el proxyletimplicado.

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F. Resource Manager (RM).El RM es el encargado de verificar la disponibilidad de

recursos que se requieren para el mantenimiento de laejecución de un proxylet. Si existen los recursos suficientes,este módulo se comunica con el entorno de ejecución (EE) para iniciar o continuar con la ejecución del proxylet.

G. Environment Execution (EE).El EE es el responsable del control del ciclo de vida del

proxylet durante su ejecución.

Fig. 5. Modelo de proceso del EE.

Fig. 6. Modelo de proceso del proxylet

En esta implementación se modela un proceso padre (Fig.5.). Este proceso padre genera y controla procesos hijosmediante una petición por demanda. Un proceso hijorepresenta el ciclo de vida de un proxylet. El modelo deproceso de un proceso hijo se observa en la Fig. 6.

En la Fig. 7, se observan algunas de las gráficas recogidasdurante una sesión de prueba. Previamente se fijan parámetrostales como tamaño de los paquetes de datos que procesará elproxylet (data size max/min), fijación de la función de densidad de probabilidad que se seleccionará para generar el tráfico de solicitudes de servicio hacia el AS (gen interarrivalpdf), fijación de la función de densidad de probabilidad que se seleccionará para generar el tráfico de datos a procesar (data interarrival pdf), tamaño del proxylet a descargar en memoria(proxy size max), el número de solicitudes que se desea configurar para la prueba (request number), número máximode paquetes a procesar en la prueba (num pk data max). En elAS, es posible fijar los siguientes parámetros: La cantidad de

la memoria del servidor (main memory), el quantum(Quantum max), la velocidad de transmisión de los enlaces (ptx data rate). Fijando diferentes valores en estos parámetroses posible obtener una serie de pruebas, de las cuales se pueden recoger datos estadísticos detallados en serie de gráficas estadísticas. Entre las curvas que se podrían obtenerestán: estado de la memoria, estado de la CPU, número deprocesos activos, número de procesos en reposo, etc.

Fig. 7. Modelo de proceso del proxylet

IV. CONCLUSIONES

En este documento se ha presentado una breve descripciónde las fuentes de información en las cuales nos hemosapoyado para fundamentar el modelado e implementación de una clase de nodo de la Red activa, desarrollada en el contextodel proyecto europeo ANDROID. El Modelado del NodoServidor Activo se ha diseñado de manera modularaprovechando las facilidades que proporciona la herramientaOPNET Modeler. En el modelo se han logrado insertaroperaciones que permitirán recoger información estadísticaacerca del procesamiento de servicios y los recursosconsumidos por dichos servicios. Este modelo posee unainterfaz de atributos, por medio de la cual, el usuario podráconfigurar datos de entrada para configurar diferentes sesionesde simulación. En el escenario de prueba que se ha definido en ANDROID, se ha implementado un escenario real donde seejecuta una aplicación de videoconferencia soportado sobre unservicio activo de tras codificación. En este escenario deprueba se configura una red privada virtual (VPN) para realizar sesiones de video conferencia. Durante esta sesión semanejan 5 tipos de eventos para soportar el escenario de prueba en la VPN. Durante la demostración se genera unacarga de tráfico como consecuencia de la ocurrencia de un evento. En los Servidores Activos la ejecución del servicioactivo (denominado Reflector Proxylet) consiste en detectar el

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tráfico durante una sesión de videoconferencia. Para este propósito se recurre a técnicas de Marcas de agua. Con los parámetros configurables en el modelo del Nodo Servidor Activo, es posible medir el retardo de procesamiento que este tráfico produce, el retardo producido por identificación del tráfico multicast generado por la videoconferencia, al igual que la latencia generada. Pero para que los parámetros medidos en la simulación en línea fuesen más reales a los obtenidos en las simulaciones es necesario añadir al modelo del Nodo Servidor Activo la pila de protocolos TCP/IP.

Dentro de las actividades de simulación realizadas por grupo de trabajo de la Universidad Politécnica de Madrid, se obtuvieron los siguientes modelos de red Modelo de la Red Activa en ANDROID, modelado del prototipo real de Red Activa que utilizó en este proyecto y el Modelo de una granja de servidores activos, por medio de este modelo nos permite predecir el comportamiento de un grupo de servidores activos, determinándose de esta manera la capacidad de servicio de dicha granja. Como un trabajo futuro a realizar está el integrar el modelo del Nodo Servidor Activo a los modelos que se diseñaron dentro del grupo de trabajo.

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VI. BIOGRAFÍAS

Dr. Mercedes Garijo nació en San Sebastian,España,, el 20 de Noviembre de 1947. Se graduócomo Ingeniera de Telecomunicaciones en 1972 yobtuvo su titulo de doctorado en 1982. Los títulos son obtenidos en la Universidad Politécnica deMadrid.

Es profesor asociado en el Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Enseñavarios niveles de la ciencia de computación y tópicos de comunicación. Sus áreas de interés son la

ingeniería del software, metodologías orientadas a objetos y técnicas aplicadaspara diseño de agentes sobre internet/Intranet y gestión de redes de comunicación. Ha participado y gestionado varios proyectos de investigacióny desarrollo patrocinados por programas nacionales y europeos y ha publicado artículos en revistas técnicas, capítulos de libros y conferenciasinternacionales.

Amalio F. Nieto nació en Madrid, el 2 de Julio de 1968. Se graduó de Ingeniero de Telecomunicaciónen 1992 por la Universidad Politécnica de Madrid. Es profesor asociado en el Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos de laUniversidad Politécnica de Madrid, donde impartedocencia en las áreas de programación, ingenieríadel software y comunicaciones. Sus áreas deinterés son las metodologías orientadas a objetos ylas redes activas.

Pablo Augusto Magé nació en Bolívar (Cauca),Colombia, el 28 de Agosto de 1966. Se graduó comoIngeniero en Electrónica y Telecomunicaciones en1992 y obtuvo un título de especialista en redes yservicios telemáticos en 1997. Los títulos fueron obtenidos en la Universidad del Cauca (Colombia).

Es profesor del Departamento de Sistemas,Facultad de Ingeniería Electrónica de la Universidaddel Cauca. Actualmente adelanta estudios de doctorado en el departamento de Ingeniería deSistemas Telemáticos de la Universidad Politécnica

de Madrid (UPM). Sus áreas de interés son la programación orientada aobjetos, sistemas distribuidos y redes activas.

MAGE et al.: MODELING AND SIMULATION OF ACTIVE 389