Modelos, Algoritmos y Protocolos para Redes de Comunicaciones Tolerantes a Interrupciones con Alto Grado de Predecibilidad

Abstract

La industria de las comunicaciones satelitales ha mostrado un avance limitado en las últimas décadas en comparación con la evolución de las redes terrestres tales como Internet. La razón principal consiste en que el entorno espacial es radicalmente diferente al terrestre, lo cual impacta considerablemente en la estabilidad de las conexiones y en el hecho de que los protocolos de comunicación utilizados en Tierra resulten inadecuados y/o ineficientes cuando se tratan de adaptar al espacio. Sin embargo, recientemente, y producto de un esfuerzo conjunto de diferentes agencias espaciales (NASA, ESA, CONAE, etc), se ha comenzado a estudiar y experimentar con estrategias de comunicaciones en red que son capaces de tolerar retardos e interrupciones mediante un cambio paradigmático en la forma de realizar dichas comunicaciones. En particular, se ha propuesto una arquitectura de protocolos llamada Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN), y que dada la predecibilidad de las trayectorias satelitales, permite aprovechar un plande contactos compuesto por las oportunidades de comunicación en el futuro, lo que permite a los satélites tomar decisiones eficientes sobre cómo y cuándo transmitir el tráfico generado o recibido desde otros satélites. En los últimos años, se han llevado a cabo numerosos avances en la implementación de DTN y se han realizado experimentos en órbita que avalan el potencial beneficio de esta arquitectura. Además, se ha estudiado el problema del diseño del plan de contactos que constituye el proceso de configurar y elegir apropiadamente las oportunidades de comunicación con el objetivo de optimizar el rendimiento y realizar una adecuada gestión de los limitados recursos que se disponen en este tipo de redes. Sin embargo, esta arquitectura se encuentra aún en una etapa de maduración y son numerosos los desafíos que deben ser superados. En particular, en esta tesis se pone el foco en el problema de la congestión que ocurre cuando la planificación referida a la utilización de los recursos no resulta apropiada. Básicamente, se proponen mecanismos que actúan, por un lado, sobre el algoritmo de enrutamiento ejecutado de manera distribuida por los satélites de la red, y por otro, sobre el diseño automático del plan de contactos. Adicionalmente, se realizan aportes referidos a los problemas de incertidumbre y de escalabilidad e integración de la red. De esta manera, en esta investigación contribuimos con enfoques originales en los que se aprovecha la predictibilidad de las comunicaciones satelitales para proveer mecanismos de gestión y toma de decisiones de manera automatizada, solucionando de esta forma problemas cuya complejidad aumenta drásticamente con la cantidad de satélites y tiempos de evaluación. Cabe destacar además, que si bien los aportes realizados pueden ser utilizados de forma general en la arquitectura DTN, los mismos encuentran aplicación dentro del Plan Espacial Argentino, ya que esta arquitectura resulta particularmente adecuada para ser aplicada en las nuevas misiones satelitales distribuidas que propone CONAE para la observación terrestre. Por lo tanto, los aportes brindados en esta tesis tienen alcance hacia protocolos desarrollados mediante colaboraciones internacionales y podrían además ser utilizados en nuestro país para resolver desafíos de interés local.