An overlay network solution for delay-tolerant video streaming over mobile ad-hoc networks

Abstract

Usar herramientas de comunicación eficientes mejora el rendimiento del personal que interviene en operaciones de emergencia. El vídeo es una de ellas. En concreto, las personas al mando tienen mucho interés de recibir vídeo desde el área de intervención. Los dispositivos y las redes móviles actuales permiten este tipo de comunicación. Sin embargo, la infraestructura de estas redes no está siempre disponible en emergencias. Por ejemplo, cuando éstas suceden en lugares aislados o son producidas por catástrofes naturales. En estos casos, una red móvil ad-hoc, también conocida como MANET por sus siglas en Inglés, puede ser una buena alternativa. Estas redes no necesitan infraestructura y podrían ser desplegadas utilizando los dispositivos móviles del personal de emergencias. Por el modo en el que el personal de emergencias se distribuye y se mueve, esta MANET sería poco densa. Por tanto, existirán particiones y desconexiones. Esto crea problemas en la distribución de vídeo que aún no han sido resueltos y en los que esta tesis se centra. En una MANET poco densa, el origen y el destino del vídeo pueden estar en la misma partición de red o en particiones distintas. Además, esto puede variar con el tiempo; ya que los nodos de la red se mueven. Cuando ambos están en la misma partición, es posible transmitir (mediante "streaming") el vídeo sobre la MANET. Sin embargo, si están en particiones distintas, es necesario utilizar mecanismos de las redes tolerantes a retardos. Hasta ahora la investigación se ha centrado principalmente en el streaming sobre MANETs, ignorando los mecanismos de transmisión en redes tolerantes a retardos. En esta tesis se ha estudiado la movilidad del personal de emergencias, concluyendo que tanto el video streaming, como la transmisión de vídeo tolerante a retardos serían necesarios. Además, se investiga como enviar los paquetes de vídeo cuando existen particiones. Para ello, es necesario identificar nodos de la red que se muevan desde la partición del origen del vídeo a la partición del destino (delay-tolerant routing). También es preciso investigar como los nodos deben reenviar los paquetes de vídeo (forwarding) para reducir las pérdidas. Aunque estos problemas se solucionen, la capacidad de la MANET puede ser insuficiente para transmitir todo el vídeo generado. Por esta razón, también se investigan técnicas de adaptación en este tipo de redes. Se propone utilizar una red superpuesta (overlay network) sobre la MANET, llamada MOMENTUM, que implementará las soluciones a estos problemas. MOMENTUM está formada por todos los nodos de la MANET y se ejecuta en el nivel de aplicación, sobre UDP. Es compatible con los protocolos de red y las aplicaciones de vídeo estándar. Esto facilitaría su despliegue en un entorno real. Se asume que la red utiliza el protocolo de routing OLSR, que MOMENTUM utiliza para descubrir la topología de la red. Esta información permite a MOMENTUM adaptar su comportamiento entre los modos de streaming en MANET y transporte de vídeo tolerante a retardos. Se ha construido un prototipo de MOMENTUM en Java, que se ha evaluado en un entorno de simulación de redes MANET. Al compararlo con una arquitectura cliente-servidor, se ha demostrado que MOMENTUM es capaz de adaptarse mejor a las desconexiones y particiones. Además, los recursos de red consumidos por MOMENTUM son despreciables en comparación con los recursos consumidos por el tráfico de vídeo. MOMENTUM incluye un protocolo de routing tolerante a retardos que está especialmente diseñado para operaciones de emergencia. La idea principal es utilizar el conocimiento "a priori" extraído de los escenarios de emergencia. Nuestra hipótesis es que el routing tolerante a retardos puede ser más eficiente cuando se utiliza información conocida sobre el escenario de aplicación, por ejemplo si el dispositivo móvil lo lleva una persona o está en un vehículo. Para demostrarlo, se ha comparado nuestra propuesta con PROPHET, un protocolo ampliamente utilizado. Ambas alternativas se han implementado y evaluado utilizando MOMENTUM. Los resultados obtenidos son prometedores. Nuestra propuesta incrementa el número de paquetes de vídeo entregados al destino y además, reduce el retardo. Estos experimentos se han ampliado con otra serie de experimentos utilizando una red overlay distinta (Dts-overlay), más escenarios y otros protocolos de routing. Esto ha permitido confirmar algunas de las fortalezas de nuestra propuesta, pero también ha revelado debilidades. La más importante es que nuestra propuesta falla cuando la información "a priori" es incorrecta. Las interrupciones temporales en las rutas de red causan perdidas de paquetes masivas. La razón más frecuente para estas interrupciones es el fallo en los protocolos de red; por ejemplo, OLSR declara una ruta, pero ARP no puede resolver las direcciones. Para solucionar esto, se propone un mecanismo de control de flujo en el reenvío (forwarding) de paquetes. Es un mecanismo sencillo que limita el número de paquetes que se pueden transmitir sin asentimiento entre dos nodos. La evaluación muestra que este mecanismo reduce drásticamente el número de paquetes perdidos por interrupciones temporales en la red. Por tanto, es una solución que mejora el rendimiento por defecto en las redes MANET poco densas, y que, además, funciona con protocolos de red estándar. Aunque se consiga minimizar el número de paquetes perdidos en la transmisión, una MANET puede no tener capacidad suficiente para enviar todo el vídeo generado en el origen. Cuando se da esta situación, el destino recibe un vídeo incompleto, siendo probable que falten los paquetes que forman el final del vídeo. Es necesario adaptar el vídeo a los recursos disponibles. Sin embargo, es muy complicado estimar los recursos de red disponibles en este tipo de escenarios; ya que las personas o vehículos que portan los dispositivos móviles se mueven libremente. Por ello, se ha diseñado una técnica de adaptación que no precisa de estimación de recursos. Se propone adaptar los fotogramas por segundo (frame rate) del vídeo modificando el orden de transmisión de los paquetes. Los resultados muestran que es posible obtener un número de fotogramas por segundo proporcional a la capacidad de la red y un vídeo con duración aproximada a la original.