Resumen (Punto a Punto y Multipunto)

COMUNICACIONES MULTIPUNTO

Una de las clasificaciones más importantes en las que se puede dividir una comunicación es aquella que hace referencia al número de participantes y al papel desempeñado por cada uno de éstos. Así, dicha clasificación permite distinguir entre:

• Comunicaciones punto a punto, en la que intervienen únicamente dos terminales, siendo posible distinguir comunicación punto a punto unidireccional y bidireccional. Ejemplos clásicos pueden ser la conversación telefónica.

• Comunicación punto a multipunto, en este caso participa un emisor que transmite a muchos receptores, pudiendo existir información de retroalimentación entre los receptores y el emisor. Los sistemas de difusión de ondas, como la radio o la televisión, son ejemplos típicos de este tipo de comunicación.

• Comunicación multipunto a multipunto, es el caso más genérico, donde en un conjunto de terminales pueden distinguirse varios emisores y varios receptores. Las comunicaciones de radio-aficionado o los sistemas de chateo, donde conceptualmente todos los terminales son a la vez emisores y receptores.

LAS COMUNICACIONES MULTIPUNTO SOBRE INTERNET

A partir de los protocolos estándar desarrollados, todas las funciones involucradas en la comunicación se pueden organizar en cinco capas: aplicación, transporte, red, enlace y física.

La transmisión punto a multipunto necesita que varios de estos niveles proporcionen servicios específicos para este tipo de comunicación. Concretamente, se puede dividir la comunicación punto a multipunto en comunicación intrared, entre terminales dentro de una misma red local, y comunicación interred, entre terminales que pueden estar situados en distintas redes o subredes.

El nivel de enlace es el encargado de ofrecer servicios para la comunicación intrared. Así, por ejemplo, Ethernet dispone de mecanismos de difusión, mediante los cuales un terminal puede enviar un paquete de información a todos los terminales conectados en la misma red local.

Para la comunicación interred se usan los niveles de red y de transporte. El nivel de red, encargado de encaminar los paquetes, debe ofrecer los mecanismos necesarios para poder transmitir un paquete a un conjunto de receptores. Para Internet, donde a nivel de red se usa el protocolo IP (Internet Protocol), se ha desarrollado una variante de este protocolo, conocido como IP Multicast que se basa en un modelo abierto de grupos de receptores, donde cada grupo se identifica con una dirección multipunto.

Las principales características de estos grupos son las siguientes:

• Pertenencia libre: cualquier terminal puede unirse a cualquier grupo, no siendo necesaria autorización alguna.

• Pertenencia múltiple: un terminal puede pertenecer a varios grupos simultáneamente.

• Transmisión no restringida: cualquier terminal puede transmitir a cualquier grupo, no siendo necesaria la pertenencia a él para enviar datos al grupo.

• Anonimato: IP Multicast no proporciona mecanismos para conocer el número de terminales pertenecientes a un grupo o la identidad de éstos.

• Grupos dinámicos: cualquier terminal puede unirse o abandonar un grupo en cualquier momento.

Para realizar la gestión local de grupos y el encaminamiento local se usa el

protocolo IGMP (Internet Group Management Protocol) para establecer una comunicación entre terminales y su nodo intermedio local, permitiendo que los terminales locales expresen su deseo de unirse, permanecer o retirarse de un grupo de comunicación multipunto

Los protocolos de encaminamiento multipunto son más complejos que sus homólogos en punto a punto, y por otro lado, su desarrollo ha sido más tardío, por lo que aún presentan mayores deficiencias, sobre todo cuando se aplican a redes complejas y extensas.

En cuanto al nivel de transporte, debe cubrir aquellos requisitos exigidos por las aplicaciones que no hayan sido satisfechos en los niveles inferiores. Entre éstos cabe destacar:

• Fiabilidad: algunas aplicaciones necesitan asegurar que la información transmitida llega a todos los receptores.

• Recepción ordenada: consiste en asegurar que la información llega a la aplicación destino en el mismo orden en la que fue transmitida.

• Control de flujo y congestión: se asegura que la velocidad de transmisión se adapte a las características dinámicas de la red.

• Gestión de grupo: algunas aplicaciones necesitan más información o un mayor grado de control sobre los grupos que el ofrecido por IP Multicast.

En esos casos, el protocolo de transporte debe aportar los mecanismos necesarios para poder realizar dichas funciones.

• Requisitos de tiempo real: algunas aplicaciones imponen límites temporales al retardo máximo que un receptor puede asumir o a la varianza de retardo entre distintos paquetes para un mismo receptor.

 Mecanismos para asegurar la fiabilidad

En las comunicaciones punto a punto, el protocolo de transporte fiable TCP utiliza confirmaciones positivas, ACKs, transmitidas por el receptor para saber que paquetes de información han llegado correctamente a su destino. Sin embargo, en las comunicaciones multipunto no resulta posible aplicar un esquema de ACKs generalizado, ya que al recibir una confirmación por cada posible receptor, el protocolo resultante no sería escalable.

La mayoría de los protocolos de transporte multipunto usan el mecanismo de confirmaciones negativas, NAKs, para controlar la correcta recepción de los paquetes. Cada  vez que un receptor detecte la ausencia de un paquete, debe enviar una confirmación negativa al emisor para solicitar la retransmisión.

La estrategia de confirmaciones negativas, aunque aumenta la escalabilidad de los protocolos multipunto, también presenta sus propios problemas. En concreto, cuando muchos receptores pierden el mismo paquete, es posible recibir un alto número de NAKs. Este fenómeno es conocido como implosión o tormenta de NAKs.

Para reducir el número de confirmaciones negativas se pueden usar uno o varios de los siguientes mecanismos:

• Repetidores locales: según esta estrategia, determinados receptores son seleccionados como “repetidores”. Cada repetidor sirve a un conjunto de receptores, que envían sus peticiones de retransmisión a dicho receptor.

Sólo si el repetidor es incapaz de satisfacer la petición de retransmisión se enviará un NAK al emisor.

• Jerarquización de los receptores: esta solución lleva la estrategia de repetidores locales al extremo, imponiendo una jerarquía entre todos los receptores, en la cual cada receptor sólo puede enviar un NAK al eslabón superior.

• Colaboración de los elementos de red: esta estrategia se basa en que los elementos de red realicen un filtrado, de manera que de varias peticiones de retransmisión, sólo una llegue al emisor.

• Temporizadores: el uso de temporizadores disminuye el número de NAK que el emisor recibe, logrando así, una mayor eficiencia en la comunicación. Cuando un receptor detecta la falta de un paquete de información, genera un tiempo de espera al azar. Si ese tiempo transcurre sin que ningún otro receptor haya enviado un NAK, el receptor transmite su NAK directamente al emisor.

El control de congestión en los protocolos de transporte multipunto

Los mecanismos de control de congestión de un protocolo de transporte se encargan de regular el tráfico, generado en el emisor, a las circunstancias cambiantes de la red.

Los algoritmos de control de congestión de los protocolos para transporte multipunto son más complejos y variados que los disponibles en comunicaciones punto a punto. Una de las principales diferencias entre los controles de congestión de los protocolos multipunto y los de punto a punto es como tratar la información de realimentación, para evitar una reducción excesiva de la tasa de la fuente, respuesta a los mensajes de congestión desde los distintos receptores. Este problema es conocido como la multiplicidad de caminos de pérdida. La solución consiste en filtrar los paquetes de realimentación que llegan desde los receptores.

Los controles de congestión multipunto admiten diferentes clasificaciones. Una de ellas es función de cómo los algoritmos utilizan la información de realimentación para regular la transmisión. Así, se distinguen dos grandes grupos:

• Transmisión regulada por tasa: los protocolos clasificados de este modo transmiten la información a la velocidad indicada por una tasa calculada según las circunstancias de la red. Esta velocidad normalmente va aumentando lentamente hasta que llega al emisor una señal de congestión, momento en el que se reduce drásticamente, en lo que se conoce como incremento lineal, reducción exponencial.

• Transmisión regulada por ventana: en este caso, el protocolo dispone de una ventana de transmisión, y la información desde los receptores se usa para ir desplazándola conforme los paquetes de información enviados son recibidos.

Otro de los criterios más comunes de clasificación se basa en diferenciar si la fuente transmite uno o varios flujos de información. De esta manera, se distinguen dos grandes subgrupos:

• Control de congestión unitasa: el emisor transmite a una única tasa, que varía según las circunstancias de la red. Normalmente dicha tasa se corresponde con la máxima velocidad que el peor receptor es capaz de asimilar.

• Control de congestión multitasa: en estos esquemas se distinguen varias tasas, y cada receptor puede seleccionar la que más adecuada le resulte.

Así, el emisor divide los datos a transmitir, en distintos niveles o capas y transmite cada uno de ellos a un grupo multipunto distinto. Los receptores se asocian a uno o más grupos multipunto en función de sus recursos.

El diseño de un protocolo de control de congestión, y particularmente, el reparto equitativo de los recursos, puede ser facilitado considerablemente introduciendo inteligencia en la red a modo de nodos intermedios o agentes especializados.

LAS COMUNICACIONES MULTIPUNTO SOBRE ATM

La tecnología ATM presenta dos importantes ventajas como facilitar la conmutación a alta velocidad y permitir la gestión de flujos de información en la red.

Por esta razón, ATM se ha desarrollado como red troncal en las redes de los operadores, y en menor medida, en redes privadas que requieren prioridades en los flujos de información. Aunque, no ha penetrado en las redes de área local, ni se hayan desarrollado aplicaciones especificas para esta tecnología, un importante porcentaje, alrededor del 80%, del tráfico de Internet pasa a través de estas redes.

Una de las aportaciones más importantes de ATM son las referidas a la gestión de tráfico y la calidad de servicio. Para ello, se distinguen ciertas categorías de servicio que son apropiadas para distintos tipos de tráficos y aplicaciones. Las seis categorías de servicio son: Constant Bit Rate (CBR), real-time Variable Bit Rate (rt-VBR), non real-time Variable Bit Rate (nrt-VBR), Available Bit Rate (ABR), Guaranteed Frame Rate (GFR) y Unspecified Bit Rate (UBR). Las características de tráfico que se garantizan se encuentran claramente especificadas para cada una de estas clases.

Actualmente, solamente se soportan conexiones punto a multipunto a partir de circuitos virtuales (VCCs). Las conexiones multipunto a multipunto pueden ser obtenidas de las dos formas siguientes:

• Configuración de N conexiones punto a multipunto para conseguir conectar todos los nodos en una topología completamente mallada. El principal problema de esta solución es que no escala bien cuando el número de participantes es elevado.

• Uso de un servidor que actúa a modo de nodo raíz en el árbol multipunto.

Este método requiere de una terminal raíz para almacenar la información.

La desventaja radica en la saturación de este servidor cuando debe encargarse de envíos y retransmisiones de las conexiones multipunto a multipunto.

Uno de los problemas que se encuentran al utilizar circuitos virtuales

multipunto-multipunto, en los que existen múltiples fuentes en el mismo circuito lógico, es la identificación de células generadas por diferentes fuentes que pertenecen a la misma conexión.

No existen excesivas propuestas de protocolos que ofrezcan un servicio multipunto sobre un árbol de distribución compartido. Entre éstas cabe destacar SMART (Shared many-to-many ATM Reservations) y SEAM (Scalable and Efficient ATM Multicast).

El primero es un protocolo para controlar un árbol de distribución compartido soportando comunicaciones multipunto. SMART controla el turno de transmisión de las fuentes, para evitar el problema del intercalado de las células, permitiendo que un emisor transmita solamente si tiene el testigo. Solamente existe un testigo por VCC.

El protocolo garantiza la calidad de servicio asociada a los circuitos virtuales, a partir de mensajes de control especiales. Esta propuesta reside completamente en la capa ATM y no requiere de ningún servidor. SMART puede ser entendido como un protocolo completamente distribuido para coordinar la distribución de VPIs/VCIs.

SEAM propone una arquitectura escalable, eficiente y multipunto para redes

ATM, que usa un solo VCC multipunto como árbol de distribución compartido para todos los emisores y receptores. Todos los paquetes asociados a un grupo multipunto llevan asociados un identificador, además cada grupo tiene un nodo que es utilizado como punto focal para todos los mensajes de señalización. Esta propuesta permite a los grupos multipunto aprovechar el soporte de calidad de servicio y la escalabilidad del ancho de banda. También realiza aportaciones para conseguir soportar IP Multicast sobre redes ATM extensas.