Resource allocation in networks from a connection-level perspective (Asignación de recursos en redes desde la perspectiva de las conexiones)

Abstract

En esta tesis, se analizan varios problemas de asignación recursos que surgen en el estudio de los sistemas de telecomunicaciones. En particular, nos centramos en las redes de datos, de los cuales el ejemplo más importante es la Internet global. En este tipo de redes, el recurso escaso que debe ser asignado es la cantidad de ancho de banda de cada conexión curso. Esta asignación realiza en tiempo real por los protocolos subyacentes, que técniamente se encuentran divididos en varios niveles o capas. Desde este punto de vista, la red puede ser pensada como un sistema de control a gran escala, donde cada entidad debe seguir un conjunto dado de leyes de control, a fin de encontrar una asignación adecuada de recursos. Desde el influyente trabajo de Kelly et. al., este problema se ha expresado en términos económicos, dando lugar a la teoría conocida como Network Utility Maximization (maximización de utilidad en redes). Este marco ha demostrado ser una herramienta valiosa para analizar los mecanismos existentes y diseño de protocolos nuevos que mejoran el comportamiento de la red. Proporciona además un vínculo crucial entre el tradicional análisis por capas de los protocolos de red y las técnicas de optimización convexa, dando lugar a lo que se denomina análisis multi-capa de las redes. En este trabajo nos centramos en el análisis de la red desde una perspectiva a nivel de conexiones. En particular, se estudia el desempeño de eficiencia y justicia en la escala de conexiones de varios modelos de asignación de recursos en la red. Este estudio se realiza en varios escenarios: tanto single-path como multi-path (redes con múltiples caminos) así como escenarios cableados e inalámbricos. Se analizan en detalle dos problemas importantes: por un lado, la asignación de los recursos realizada por los protocolos de control de congestión cuando se permiten varias conexiones por usuario. Se identifican algunos problemas del paradigma actual, y se propone un nuevo concepto de \emph{equidad centrada en el usuario}, desarrollando a su vez algoritmos descentralizados que se pueden aplicar en los extremos de la red, y que conducen al sistema a un global adecuado. El segundo problema importante analizado aquí es la asignación de los recursos realizada por los algoritmos de control de congestión cuando trabajan sobre una capa física que permite múltiples velocidades de transmisión como es el caso en las redes inalámbricas. Se demuestra que los algoritmos usuales conducen a ineficiencias importantes desde el punto de vista de las conexiones, y se proponen mecanismos para superar estas ineficiencias y mejorar la asignación de los recursos prestados por dichas redes. A lo largo de este trabajo, se aplican varias herramientas matemáticas, tales como la optimización convexa, la teoría de control y los procesos estocásticos. Por medio de estas herramientas, se construye un modelo del sistema, y se desarrollan leyes de control y algoritmos para lograr el objetivo de desempeño deseado. Como paso final, estos algoritmos fueron probados a través de simulaciones a nivel de paquetes de las redes involucradas, proporcionando la validación de la teoría y la evidencia de que pueden aplicarse en la práctica