Propuesta de algoritmo para mejorar la protección de enlaces en redes determinísticas con técnicas cross-layer
Tesis (DCI)--FCEFN-UNC, 2024
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| Format: | doctoralThesis |
| Language: | spa |
| Published: |
2024
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| Online Access: | http://hdl.handle.net/11086/553008 |
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| author | Aimaretto, Lucas Alberto |
| author2 | Dujovne, Diego Roberto |
| author_facet | Dujovne, Diego Roberto Aimaretto, Lucas Alberto |
| author_sort | Aimaretto, Lucas Alberto |
| collection | Repositorio Digital Universitario |
| description | Tesis (DCI)--FCEFN-UNC, 2024 |
| format | doctoralThesis |
| id | rdu-unc.553008 |
| institution | Universidad Nacional de Cordoba |
| language | spa |
| publishDate | 2024 |
| record_format | dspace |
| spelling | rdu-unc.5530082024-08-01T06:19:36Z Propuesta de algoritmo para mejorar la protección de enlaces en redes determinísticas con técnicas cross-layer Aimaretto, Lucas Alberto Dujovne, Diego Roberto https://orcid.org/0000-0002-3242-3783 6TiSCH Control Deadline RPL MPLS IoT Determinismo Confiabilidad Tesis (DCI)--FCEFN-UNC, 2024 Fil: Aimaretto, Lucas Alberto. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. El paradigma Internet de las Cosas (Internet of Things) (IoT) nos presenta un mundo donde las redes deberán soportar billones de dispositivos, con aplicaciones que producirán una vasta cantidad de datos que serán generados por estos mismos dispositivos. Si, adicionalmente, se pretende que estas nuevas aplicaciones se desenvuelvan en un entorno industrial, con alto grado de exigencia, es preciso hablar entonces de lo que se conoce como Internet de las Cosas Industrial (Industrial Internet of Things) (IIoT). Uno de los requisitos esenciales de la IIoT es poder proveer una alta tasa de entrega de paquetes de datos en destino. Esto se denomina Packet Delivery Rate (PDR) y el valor general aceptado es superior al 99.9%. Sin embargo, un paquete que llega a destino, pero llega tarde, es considerado perdido, afectando entonces el cálculo de PDR y por lo tanto el funcionamiento de la aplicación misma. Así, no solo es importante que los paquetes críticos lleguen a destino, sino que también es muy importante que lo concreten antes de un tiempo máximo. Este tiempo máximo se denomina deadl ine y es un parámetro definido por la aplicación industrial. La Tecnología Operacional (Operational Technology) (OT) se refiere al tipo de tecnología que se utiliza en la industria. Son redes desarrolladas con un propósito en particular y constituidas sobre la base de tecnologías mayormente propietarias, sostenidas sobre la estructura de una conexión serial punto a punto. En general son operadas como redes separadas sin mayor conexión entre ellas. Este tipo de redes conllevan, por lo tanto, un gran trabajo relacionado con en el mantenimiento y despliegue, traducido concretamente en altos valores de Gasto de Capitalización (Capital Expenditure) (CAPEX) y Gastos de Operación (Operational Expenditures) (OPEX). El extremo opuesto, las redes de Tecnología de la Información (Information Technology) (IT) son mucho más sencillas de mantener, desplegar y operar. Esto significa que los valores de CAPEX/OPEX pueden ser reducidos si se implementan redes basadas en la estructura que da forma y vida a Internet. Pero las redes IT tienen serios problemas para cumplir con los requisitos exigentes del entorno industrial. Es algo que distingue a los dispositivos hogareños de aquellos con fines industriales. Luego, incorporar determinismo en una red IT –algo sumamente importante en el contexto industrial– debe permitir emular el rendimiento que proporcionan los cables seriales pero través de una matriz de conmutación. Es decir, permitir que una red de naturaleza probabilística pueda transportar aplicaciones determinísticas y con un alto grado de confiabilidad. Así, la convergencia OT/IT plantea la posibilidad de resolver problemas de las redes industriales con la tecnología de la información. Por lo tanto las redes industriales tienen que ser confiables, determinísticas y tener un alto grado de disponibilidad. Confiables significa que pueden entregar una alta tasa de paquetes en destino. Determinísticas significa que, adicionalmente a la alta tasa de entrega de paquetes, los mismos deben llegar a destino antes de un deadl ine máximo. Y para que tengan un alto grado de disponibilidad, es necesario trabajar sobre la redundancia y diversidad de la misma para que la red pueda sobreponerse a la inestabilidad de los enlaces inalámbricos o a la caída de nodos. Este trabajo de tesis ofrece soluciones que mejoran la confiabilidad, el determinismo y la disponibilidad de una red industrial en el contexto de la Internet de las Cosas Industrial (Industrial Internet of Things) (IIoT). Primero, para mejorar el determinismo, se presenta un mecanismo denominado Bounded Delay Packet Control (BDPC). BDPC combina el conocimiento de retardo que un nodo intermedio de la red experimenta hacia el router de salida de la misma, con el presupuesto de tiempo que consumen los paquetes críticos que viajan por la red. En función de ello, los nodos intermedios calculan la tasa de paquetes que están llegando tarde a la raíz de la red desde cada uno de sus hijos. De esta forma gestionan de manera distribuida y controlada los recursos de la red para ayudar a que los paquetes lleguen a destino antes del deadl ine definido por la aplicación. El hecho de que la asignación de recursos sea controlada, consigue que el consumo energético sea el mínimo requerido para cumplir con los requisitos de la aplicación. Para poder dar forma a BDPC, se trabajó sobre la modificación de la mensajería del protocolo de enrutamiento Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks (RPL) para poder dar conocimiento a un nodo intermedio acerca del retardo experimentado hacia la salida da la red. Para la gestión de recursos, se reutilizó el esquema de asignación ya existente en el mecanismo del estándar, denominado Minimal Scheduling Function (MSF), lo cual permite que BDPC sea compatible con las implementaciones actuales propuestas por la Internet Engineering Task Force (IETF). Segundo, para mejorar la confiabilidad y disponibilidad de la red, se modificó el algoritmo del protocolo de enrutamiento para permitir la consideración de distintas opciones de caminos para el tráfico en una red con gestión distribuida de recursos. En su funcionamiento estándar, el protocolo de enrutamiento permite a cada nodo de la red considerar un solo next-hop activo para el envío del tráfico hacia el destino de la red. Este next-hop se denomina Padre Preferido (Preferred Parent) (PP) y es el next-hop por defecto para el envío de tráfico. Con estas modificaciones realizadas al protocolo se permite que un nodo, además del PP, pueda tener activo un Padre Alternativo (Alternate Parent) (AP) para el envío del tráfico. Aprovechando el paradigma de source-routing, se utilizan etiquetas inspiradas en Multi Protocol Label Switching (MPLS) para generar sub-topologías lógicas dentro de la red física, creando caminos disjuntos y señalizados en origen, que permitan a la aplicación industrial sobreponerse a la inestabilidad de los enlaces inalámbricos o a la caída de nodos en la red. Estos caminos disjuntos son también denominados Label Switched Path (LSP). Este trabajo demuestra que aplicando BDPC, una red puede entregar hasta 2.6 veces más paquetes críticos dentro del deadl ine en comparación con la solución actual del estándar. Por otro lado, si se implementan LSPs en conjunto con BDPC en un contexto con enlaces inestables, la red puede entregar en destino hasta 2.04 veces más paquetes críticos y con un ahorro energético del 50% respecto de estrategias estándares. Las contribuciones presentadas en este trabajo de Tesis son compatibles con los protocolos actuales. Esto es así ya que las contribuciones, algunas basadas sobre modificaciones a los mecanismos actuales del estándar, representaron cambios relativamente sencillos de implementar. De ser incorporados, podrían potencialmente entregar beneficios determinísticos a una red real. Fil: Aimaretto, Lucas Alberto. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. 2024-07-31T15:13:44Z 2024-07-31T15:13:44Z 2024-07-30 doctoralThesis http://hdl.handle.net/11086/553008 spa Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
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