Definición de una Arquitectura de Referencia para Sistemas de Información en Redes de ...

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“Definición de una Arquitectura de Referencia para Sistemas de Información
en Redes de Sensores Inalámbricos Ubicuos basado en calidad de servicio”

Juan Carlos Torres Pardo

Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería de Sistemas e Industrial
Maestría en Ingeniería - Ingeniería de Sistemas y Computación
Bogotá D.C., Colombia
2017

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“Definición de una Arquitectura de Referencia para Sistemas de Información
en Redes de Sensores Inalámbricos Ubicuos basado en calidad de servicio”

Juan Carlos Torres Pardo

Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería – Ingeniería de Sistemas y Computación

Directora:
Doctora Helga Duarte Amaya

Área:
Ingeniería de Software
Línea de Investigación:
Sistemas de Información, Sensores, Redes

Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería de Sistemas e Industrial
Maestría en Ingeniería - Ingeniería de Sistemas y Computación
Bogotá D.C., Colombia
2017

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Dedicatoria:
A mi Padre y Madre (única en el Universo), a mis Hijos y mi Hija, a mis Hermanos
y demás familiares, que han estado presentes incondicionalmente en los
momentos de mi vida.
A mi abuelo y abuelas que aunque ya no están fueron fuente de inspiración para
todo el trabajo a lo largo de mi vida.
A mi compañera actual, alguien con el carácter para impulsarme en los momentos
difíciles; para que haga propio este logro y lo proyecte en su realización.
A la madre de mi hija que con su cuidado a Juana, me permitió llevar a cabo mis
estudios.

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Agradecimientos
A la profesora Helga Duarte por su permanente asesoría y acompañamiento, y
quien confió en mi labor para realizar el desarrollo de la investigación. A mis
estudiantes: Jhonatan Rico, Raissa Angie Daniela Quintero y Juan Pablo Castro de
la Universidad Nacional, que apoyaron la investigación. A todas las personas que
me alentaron, y en especial a varios profesores y compañeros de la Universidad
Nacional (Sandra, Ismael, Alejandro, Fernando, Jenny y Guillermo) que me
impulsaron a continuar a pesar de que en algunos momentos todo parecía estar
perdido.

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Resumen
Los rápidos avances tecnológicos han permitido una nueva generación de redes denominadas
USN (Ubiquitous Sensor Network), donde los dispositivos móviles y pequeños sensores están
presentes en todas partes y se entremezclan en las actividades cotidianas del ser humano.
Esta nueva generación de redes permitirá ofrecer diferentes servicios a usuarios, a través de
arquitecturas computacionales que integrarán: nuevas tecnologías, aplicaciones tecnológicas,
redes de comunicaciones y otros servicios especializados. Con las redes USN se amplían las
posibilidades de desarrollo tecnológico, sobre todo en el diseño de “ciudad inteligente”, y en
otros sectores importantes de la economía como el agrícola y de transporte, entre otros.
La investigación recoge una mirada a las principales propuestas realizadas en diferentes
ámbitos por instituciones referentes - en especial en lo definido por la Unión Internacional
de Telecomunicaciones – UIT/ITU, que han intentado estandarizar una arquitectura de
referencia para este tipo de redes con el fin de reducir las complejidades de integración, el
uso de múltiples tecnologías, la heterogeneidad de los diferentes protocolos existentes y
facilitar: la interconexión, la comunicación y futuros desarrollos en este campo. A partir de
una revisión sistemática y completa en la investigación, se logró la construcción del Estado
del Arte que determinó las necesidades y características que deben ser satisfechas por una
arquitectura de referencia para las redes USN, en especial, lo referente a calidad de servicio
debido a que estas redes por su gran crecimiento y volumen de datos recolectados, no podrán
atender la demanda requerida en los próximos años. La investigación aborda un estudio de
la implementación de la calidad de servicio en Redes USN, teniendo en cuenta factores como
el tiempo, la pérdida de información, diferenciación de servicios de emergencia y la
capacidad de la red. Por ejemplo, en entornos inalámbricos es necesario alcanzar estabilidad
y poca variabilidad en el tiempo tanto en la transmisión de los datos como en las peticiones
realizadas por los diferentes actores. Además, se incorpora en cada una de las capas definidas
de la arquitectura de referencia, la calidad de servicio como un componente esencial para
garantizar la capacidad de la red para transmitir datos con los niveles de servicio adecuados
de acuerdo con cada servicio definido. En las capa de la arquitectura se definen elementos
estructurales que permiten pasar entre cada una los parámetros y métricas definidos, que
evitan la pérdida o retraso de paquetes asociados a aplicaciones o servicios determinados
previamente como críticos.
Para el caso de las Redes USN integradas a los servicios ITS, fue necesario asociar un
servicio de emergencia al conductor de un vehículo por estados de somnolencia como un
evento súbito tal como se propone en (Garcés, Salgado, Andrés, & Henry, 2015). En este
caso, los paquetes se transmiten con una clase de servicio mayor a las demás haciendo que
en cada capa, la información/paquete tenga un tratamiento especial y prioritario durante su
envío al middleware o en otros casos, a las aplicaciones o servicios finales. Dentro de la
investigación, se analizaron los protocolos usados actualmente, revisando los modelos que
soportan los volúmenes de datos requeridos por este tipo de redes, determinando aplicar en
la capa MAC diferenciación de servicio, asociando clases de servicio sobre los paquetes y
haciendo que la transmisión de estos, se sintonicen con las demás capas de la Red y con toda
la arquitectura.
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Establecida la necesidad de contar con un modelo de diferenciación de servicio, se
determinaron los requerimientos de calidad de servicio. Con la prueba de concepto se pudo
utilizar un modelo continúo (transmisión de datos en intervalos de tiempo periódico) y
orientado por consultas en donde los datos son solicitados por un receptor, dando origen a un
Modelo Hibrido con datos y peticiones en intervalos de tiempo bien definidos a lo largo de
la Red USN y de la Arquitectura en general.
Por otro lado, y avanzando en el conocimiento de estas redes, dentro de la investigación se
propuso una arquitectura de referencia aplicable a un caso de estudio de orden nacional e
internacional, tomando el área de los Sistemas Inteligentes de Transporte SIT/ITS, como un
sector fundamental en el desarrollo de las naciones y del cual se tiene pleno conocimiento
por parte de los involucrados en la investigación.
Palabras clave: Redes USN, Redes de Sensores inalámbricos Ubicuos, Arquitectura de
Sensores, Sistema de Información de Sensores, Sistema Inteligente de Transporte, SIT,
Calidad de Servicio en Redes de Sensores.

Abstract
The rapid technological advances have allowed a new generation of networks called USN
(Ubiquitous Sensor Network), where the mobile devices and small sensors are present
everywhere and are intermingled in the daily activities of the human being. This new
generation of networks will allow to offer different services to users, through computational
architectures that will integrate: New technologies, technological applications,
communications networks and other specialized services. With the USN networks the
possibilities of technological development are extended, especially in the design of "smart
city", and in other important sectors of the economy as the agricultural and transport, among
others.
The research takes a look at the main proposals made in different fields by relevant
institutions - especially as defined by the International Telecommunication Union, ITU-,
which have tried to standardize a reference architecture for this type of networks in order to
Reduce the complexity of integration, the use of multiple technologies, the heterogeneity of
the different existing protocols and facilitate interconnection, communication and future
developments in this field. From a systematic and complete review in the investigation, the
State of the Art was achieved, which determined the needs and characteristics that must be
satisfied by a reference architecture for the USN networks, especially the quality of service
due to the fact that these networks due to their great growth and volume of data collected,
will not be able to meet the demand demanded in the coming years.
The research addresses a study of the implementation of quality of service in USN Networks,
taking into account factors such as time, loss of information, differentiation of emergency
services and network capacity. For example, in wireless environments it is necessary to
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achieve stability and little variability in time both in the transmission of data and in the
requests made by different actors. In addition, quality of service is included in each of the
defined layers of the reference architecture as an essential component to guarantee the
capacity of the network to transmit data with the appropriate levels of service according to
each defined service. In the layers of the architecture are defined structural elements that
allow to pass between each one the defined parameters and metrics, that avoid the loss or
delay of packages associated with applications or services previously determined as critical.
In the case of USN networks integrated with the ITS services, it was necessary to associate
an emergency service to the driver of a vehicle by states of drowsiness as a sudden event as
proposed in (Garcés, Salgado, Andrés, & Henry, 2015). In this case, the packets are
transmitted with a higher class of service than the others, causing the information / packet to
have special and priority treatment during its delivery to the middleware or in other cases to
the final applications or services. In the research, we analyzed the protocols currently used,
reviewing the models that support the data volumes required by this type of networks,
determining to apply service differentiation in the MAC layer, associating service classes on
the packets and making the transmission of these, be tuned with the other layers of the
Network and with all the architecture.
Establishing the need to have a service differentiation model, the quality of service
requirements were determined. With the proof of concept it was possible to use a continuous
model (data transmission in periodic time intervals) and oriented by queries where the data
are requested by a receiver, giving origin to a Hybrid Model with data and requests in good
time intervals defined throughout the USN Network and Architecture in general.
On the other hand, and advancing in the knowledge of these networks, the research proposed
a reference architecture applicable to a national and international case study, taking the area
of Intelligent Transport Systems SIT / ITS, as a Fundamental sector in the development of
the nations and of which it is had full knowledge on the part of those involved in the
investigation.
Keywords: USN, Ubiquitous Wireless Sensor Networks, Sensor Architecture, Intelligent
Transport System, ITS, Quality of Service in Sensor Networks.

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 21
1 FUNDAMENTOS DEL PROYECTO ............................................................................ 26
1.1 Antecedentes del Tema .................................................................................. 26
1.2 Identificación del Problema ............................................................................ 27
1.3 Conceptos y/o tecnologías a considerar .......................................................... 28
1.3.1 Red de Sensores Inalámbricos Ubicuos ....................................................................................... 28
1.3.2 Sistemas de Información ............................................................................................................. 29
1.3.3 Arquitectura de referencia .......................................................................................................... 30
1.3.4 Calidad de Servicio ...................................................................................................................... 31
1.3.5 Teoría de la Virtualización de Procesos ....................................................................................... 32
1.3.6 Teoría de la computación en la nube .......................................................................................... 34
1.4 Premisa preliminar ......................................................................................... 36
2 PROPUESTA DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................................... 37
2.1 Objetivo de la Investigación ........................................................................... 37
2.2 Planteamiento de la Hipótesis de la Investigación .......................................... 38
2.3 Alcance del Desarrollo de la Investigación ...................................................... 39
2.4 Caso de Estudio. Sector Transporte. ............................................................... 43
3 METODOLOGIA ..................................................................................................... 44
3.1 Metodología Utilizada .................................................................................... 44
3.2 Matriz Multi-Metodológica ............................................................................ 45
3.3 Explicación de las Metodologías (Matriz Multi-metodológica) ........................ 46
3.3.1 Teoría de Pensamiento Crítico en Sistemas ................................................................................ 46
3.3.2 Metodología iterativa basada en análisis cualitativo .................................................................. 48
3.3.3 Análisis y Diseño de Sistemas de Información ............................................................................ 48
3.3.4 Dinámica de Sistemas – Simulación ............................................................................................ 49
3.3.5 Teoría del Éxito en Sistemas de Información (DELONE & MCLEAN) ........................................... 55
4 ESTADO DEL ARTE ................................................................................................. 58
4.1 Elementos comunes en una Arquitectura de red USN ..................................... 59
4.1.1 Modelo ITU .................................................................................................................................. 59
4.1.2 Protocolos usados en las redes USN ........................................................................................... 63
4.1.3 Calidad de Servicio - QoS ............................................................................................................. 71
4.1.4 Redes de Próxima Generación – NGN ......................................................................................... 85
4.1.5 Seguridad ..................................................................................................................................... 87
4.2 Arquitectura para Redes de Sensores Ubicuos - USN ....................................... 90
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4.2.1 Arquitecturas basadas en el Modelo ITU .................................................................................... 90
4.2.2 Arquitecturas basadas en otros Modelos.................................................................................. 101
4.3 Pruebas a elementos de la Arquitectura USN ................................................ 119
4.3.1 Componentes de la Arquitectura USN ...................................................................................... 119
4.3.2 Resultados de pruebas a los protocolos usados en la Arquitectura.......................................... 121
4.4 Comparativo de arquitecturas Actuales ........................................................ 122
4.4.1 Comparativo de Capas de la Arquitectura según el modelo ITU ............................................... 122
4.4.2 Comparativo de las Características de las arquitecturas USN ................................................... 123
4.4.3 Análisis de las Características en Redes USN ............................................................................. 125
4.4.4 Conclusión de la comparación de las arquitecturas USN .......................................................... 128
5 MARCO DE REFERENCIA DEL TRABAJO................................................................. 131
5.1 Detalle del caso de estudio – Sector Transporte ............................................ 131
5.2 Sistema SINITT ............................................................................................. 133
5.2.1 Subsistema RUTT ....................................................................................................................... 135
5.2.2 Arquitectura de Referencia actual del SINITT ........................................................................... 136
5.2.3 Servicios ITS del SINITT .............................................................................................................. 140
5.3 Servicios ITS con Redes USN ......................................................................... 143
6 ARQUITECTURA DE REFERENCIA DEL SISTEMA USN ............................................. 144
6.1 Requerimientos del Sistema ......................................................................... 145
6.1.1 Requerimientos Funcionales Gestión de la Red USN ................................................................ 146
6.1.2 Requerimientos Funcionales Operación de la Red USN ............................................................ 146
6.1.3 Requerimientos Funcionales Transporte de Datos ................................................................... 147
6.1.4 Requerimientos Funcionales Gestión de datos de la red USN .................................................. 147
6.1.5 Requerimientos Funcionales Gestión de Servicios / Aplicaciones ............................................ 148
6.1.6 Requerimientos NO Funcionales ............................................................................................... 148
6.2 Análisis del Sistema ...................................................................................... 149
6.2.1 Identificación de Actores (Stakeholders) .................................................................................. 149
6.2.2 Reglas de Negocio ..................................................................................................................... 151
6.2.3 Casos de Uso – Nivel General .................................................................................................... 151
6.2.4 Caso de Uso Gestionar Red USN ............................................................................................... 151
6.2.5 Caso de Uso Operación de Red USN ......................................................................................... 153
6.2.6 Caso de Uso Transporte de datos en Red de Enlace y NGN ...................................................... 153
6.2.7 Caso de Uso Gestión de datos en las redes USN ....................................................................... 154
6.2.8 Caso de Uso Gestión de servicios o aplicaciones ...................................................................... 155
6.3 Diseño del Sistema ....................................................................................... 157
6.3.1 Modelo de Dominio Vista General ............................................................................................ 157
6.3.2 Modelo de Dominio Capa de Red USN ...................................................................................... 157
6.3.3 Modelo de Dominio Capa de Enlace ......................................................................................... 158
6.3.4 Modelo de Dominio Capa NGN ................................................................................................. 159
6.3.5 Modelo de Dominio Gestión de Redes USN .............................................................................. 159
6.3.6 Modelo de Dominio Gestión de Datos ...................................................................................... 159
6.3.7 Modelo de Dominio Gestión de Aplicación y Servicios ............................................................. 160
6.3.8 Modelo de clases ....................................................................................................................... 160
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