Modelo de gestión de red basado en sistema multiagente. Aplicación a la regeneración de nodos

Diego Marcos Jorquera1, Francisco Maciá Pérez1 y Juan Antonio Gil Martínez-Abarca2

1 Departamento de Tecnología Informática y Computación, Universidad de Alicante Carretera San Vicente s/n, 03690 San Vicente (Alicante)

{dmarcos, pmacia}@dtic.ua.es http://www.dtic.ua.es

2 Escuela Politécnica Superior de Alicante, Universidad de Alicante Carretera San Vicente s/n, 03690 San Vicente (Alicante)

gil@eps.ua.es http://www.eps.ua.es

Abstract. En un entorno dominado por sistemas y arquitecturas de redes que adolecen de serias dificultades para continuar incorporando cada vez más prestaciones y proporcionar servicio a un creciente número de usuarios, la perspectiva de crear redes con capacidad de autogestión y resolución desatendida de los problemas, a veces incluso antes de que el propio administrador sea consciente de su existencia es, no sólo muy deseable, sino imprescindible para aumentar el grado de confianza de empresas, Administraciones y ciudadanos, en las IST. En este artículo se presenta un modelo de gestión de redes basado en agentes software, concretando la solución al caso de la regeneración masiva de nodos de red que aporta un servicio de recuperación de software a un conjunto heterogéneo de dispositivos. El servicio tiene características de autogestión, desatención, escalabilidad y proactividad.

1 Introducción

En la medida que el uso y la aplicación de las TIC se hace básico, o incluso estratégico, para las organizaciones, es necesario extraer todo su potencial pero, al mismo tiempo, también es necesario garantizar su funcionamiento válido y continuado.

Para ello, se debe recurrir a servicios proactivos, capaces de reaccionar preventivamente, antes incluso de que se produzcan los incidentes o, al menos, asegurando que éstos tengan un impacto mínimo sobre la continuidad del negocio mediante una actuación rápida y, en la medida de o posible, sin intervención de los administradores. Además, cada servicio, cada componente, cada infraestructura, debe procurar su autogestión, minimizando la necesidad de configuración, mantenimiento y recuperación y, todo ello, de forma integrada dentro del modelo y de la arquitectura general del negocio.

164 D. Marcos et al.

Más que pensar en crear nuevos sistemas de gestión, es mucho más importante rediseñar los existentes, de forma que se conciban siguiendo modelos de negocio novedosos, que posibiliten su transferencia real a los tejidos sociales y productivos y que extraigan el verdadero potencial de las TIC. Para ello, deberán seguir los mismos patrones y utilizar las mismas técnicas e infraestructuras que las utilizadas en la concepción y desarrollo de las aplicaciones de nueva generación sobre Internet. Sólo de esta forma se conseguirá que las aplicaciones de gestión estén perfectamente integradas con las aplicaciones e infraestructuras a las cuales deben proporcionar soporte, frenando la actual tendencia a crear un entorno paralelo que obliga a emplear metodologías diferentes para el mantenimiento de su ciclo de vida, complicados entornos de gestión y personal altamente especializado. Está claro que las plataformas de gestión centralizada ya no son el recurso más adecuado para la naturaleza distribuida de las aplicaciones y servicios de la nueva arquitectura.

En este artículo se propone un modelo basado en sistemas multiagente software para la gestión desatendida, autónoma y proactiva de los componentes de un sistema distribuido, asumiendo su enorme heterogeneidad y respetando los estándares existentes. Para centrar al máximo la propuesta se particulariza al caso de la regeneración de nodos de red a través de Internet: la restauración de la configuración, las aplicaciones y los dados de un dispositivo conectado a red, de forma desatendida y en tiempos acotados. Hemos escogido este caso por resultar crítico y por que contempla la mayor parte de los requerimientos de las tareas de gestión de red, sobre todo las que tienen que ver con la continuidad en el negocio.

2 Estado del arte

En el ámbito de la gestión de las TI, los primeros estándares abiertos que trataron de abordar la gestión de dispositivos de una manera genérica fueron SNMP y CMIP [1], especificados por el IETF; ambos protocolos orientados principalmente a la supervisión y control de la red. Para labores de mantenimiento más complejas, como la instalación de software y configuración de equipos, aparecen soluciones, normalmente restringidas a determinadas plataformas, como es el caso de Microsoft Systems Management Server (SMS) para entornos Microsoft Windows.

El elevado número de tareas asociadas con la gestión de redes, así como su alta diversidad y complejidad, hace que las labores de mantenimiento de estos sistemas supongan un alto coste para las organizaciones tanto en recursos como en tiempo y personal. Por ello, muchas compañías apuestan por sistemas de administración que incorporen características de autogestión y autoconfiguración que faciliten, en lo posible, la gestión de las redes [2, 3]. Ejemplos de estos sistemas son Solstice Enterprise Manager de Sun [4] y NESTOR [5].

La utilización de sistemas multi-agente para la gestión redes de computadores aporta una serie de características que favorecen la automatización y desatención en los procesos de mantenimiento [6, 7]. La creación de proyectos como AgentLink III, la primera Acción Coordinada sobre Computación Basada en Agentes financiada por el 6º Programa Marco de la Comisión Europea, es un claro indicador del alto grado de interés que en la actualidad despierta la investigación sobre agentes software.

Sistema Multiagente para la Regeneración de Nodos 165

Dentro de los sistemas de mantenimiento existentes, los sistemas de alta disponibilidad, recuperación ante desastres y autogestión, aplican técnicas que pretenden evitar, o al menos minimizar, los tiempos de inactividad provocados por fallos o incidencias en los servicios ofertados [8, 9], permitiendo realizar una restauración completa de la información de los equipos en tiempos acotados. Con estos mecanismos se eliminan los problemas derivados de la degradación o pérdida de la información almacenada y también se facilita la puesta en marcha de nuevos equipos, replicando la información existente en otro de similares características.

En la actualidad existen multitud de sistemas de regeneración entre los que cabe destacar, en el ámbito comercial: Ghost de Symantec y REMBO y, como proyectos de código abierto: Clonezilla , G4L , Linbox y UDP Cast [10]. El principal inconveniente que se presenta todos estos sistemas en su alta dependencia de la tecnología que se desea recuperar, lo que obliga a tener que introducir múltiples soluciones para cubrir el abanico tecnológico de la organización.

En el Departamento de Tecnología Informática y Computación de la Universidad de Alicante se ha desarrollado Gaia [11, 12], un sistema de regeneración basado en código abierto que se utiliza para realizar un mantenimiento automático y desatendido de los laboratorios de prácticas de la Escuela Politécnica Superior de esta Universidad y que ha sido objeto en los últimos años de numerosos proyectos de colaboración nacionales e internacionales. Este sistema está concebido para ser totalmente independiente de la plataforma a la que debe proporcionar soporte, por lo que se convierte en un punto de partida ideal para aplicar las técnicas de recuperación a sistemas industriales y sistemas embebidos.

3 Propuesta global

En este trabajo se propone un sistema de gestión de redes de computadores basado en un sistema multiagente. Éste está compuesto por agentes software móviles, con capacidad para desarrollar sus tareas, tanto de forma autónoma, como mediante la cooperación e iteración con otros agentes del sistema y con los servicios e infraestructuras que les proporcionan apoyo.

Las tareas de gestión del sistema se definen como el conjunto de acciones y habilidades que los agentes pueden realizar, y las infraestructuras son consideradas de forma integral incorporando tanto aquellas que dan soporte al sistemas como las propias que van a ser gestionadas.

Dentro del sistema multiagente se distinguen los siguientes elementos: • Un conjunto de agentes de gestión móviles (MMA), capaces de desplazarse al

nodo donde tiene que realizar las tareas de gestión que les han sido encomendadas. Una vez allí toman el control total o parcial del equipo y utilizan sus recursos para llevar a cabo su objetivo

• Un conjunto de agentes de servicio (SA), de carácter más estático y que son los responsables de proporcionar los recursos adecuados a los MA.

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• Los servicios e infraestructuras que dan soporte tanto a los agentes de gestión móviles como a los agentes de servicio y que conforman la base del sistema multiagente.

Fig. 1. Escenario de un sistema distribuido con los agentes de gestión y las infraestructuras de soporte

En un escenario característico como se muestra en la figura 1 podemos distinguir el conjunto de nodos cliente a gestionar, equipos a los que se les envía un agente de gestión móvil desde la zona de servicio, donde residirían los agentes de servicio y las infraestructuras y servicios que les dan soporte. Desde una zona de gestión externa se puede gestionar remotamente el sistema mediante el uso de otros agentes de gestión móviles.

4 Marco formal

Vamos a definir el sistema globalmente considerando tanto el sistema informático a gestionar (IS) como el sistema de gestión que realizará su mantenimiento (MS). También existirá una interfaz (ISIMS) que se encargará de la comunicación entre ambos sistemas. Formalmente tendremos:

Sistema_distribuido = ⟨IS, MS, ISIMS⟩ (1) En los siguientes apartados describiremos con mayor detalle cada uno de estos elementos.

Router/ Proxy/ Firewall

Clientes de Regeneración

Servidor de Inventario

DB

Repositorio

Servidor Aplicaciones

HTML

Clientes de Administración

Servidor Web

InternetZONA DE

SERVICIOS

ZONA DE ADMINISTRACIÓN

ZONA DE CLIENTES

Router/ Proxy/ Firewall

Router/ Proxy/ Firewall

Cliente Administración ubicuo

Cliente ubicuo de regeneración (PDA, portátil, Móvil, ...)

MMA

MMA

MMA

MMA

SA

MMA Mobile Management Agent

SA Service

Transmition path

MMA

SA SA

SA

SA

SA

SA

Sistema Multiagente para la Regeneración de Nodos 167

4.1 Interfaz entre los sistemas (ISIMS)

La interfaz considera el sistema computacional distribuido como un sistema de acciones y reacciones, utilizando la siguiente estructura [13, 14]:

ISIMS = ⟨Σ, Γ, P⟩ (2)

donde Σ representa el conjunto de estados posibles en los que se puede encontrar el sistema. Dado que cada una de las entidades que componen el sistema distribuido no tienen un control completo del mismo, éstas tienen que combinar sus objetivos de forma que el resultado de cada acción es representada como una intención de actuación sobre el sistema global. Γ identifica el conjunto formado por las posibles intenciones de acciones en el sistema. Finalmente, P es el conjunto de todas las posibles acciones que el sistema de gestión puede realizar sobre el sistema distribuido.

Los estados del sistema (Σ) se pueden expresar mediante la unión de los estados de los nodos del sistema, de los segmentos de red que los interconectan y de los diferentes agentes que componen el sistema de gestión.

Para que el estado del sistema en un momento dado cambie a un nuevo estado, es decir, para que evolucione, es imprescindible que las entidades que lo componen realicen acciones. La suma de las actuaciones de todas las entidades, que denominamos influencias, es la que determina el nuevo estado del sistema.

4.2 El sistema de gestión (MS)

El sistema de gestión estará compuesto por un conjunto de agentes software (MS) con capacidad cognitiva [11] donde cada uno de estos agentes de gestión ma ∈ MS actúa sobre el sistema ejecutando las tareas que le son encomendadas. Puede describirse formalmente utilizando la estructura:

ma = ⟨Φma, Sma, Perceptma, Memma, Decisionma, Execma, Rma, Oma⟩ (3)

donde Φma corresponde al conjunto de percepciones; Sma es el conjunto de estados internos; Perceptma proporciona información al agente de gestión sobre el estado del sistema; Memma dota al agentes de gestión con la capacidad de ser consciente de su propio estado; Decisionma selecciona la siguiente tarea a ejecutar; Execma representa la intención que tiene el agente de gestión de actuar sobre el sistema.

Para un agente de gestión, la percepción representa la cualidad de ser capaz de clasificar y distinguir estados del sistema que regula. La percepción se define como una función que asocia un conjunto de valores, llamados percepciones o estímulos, con un conjunto de estados del sistema.

Cada agente de gestión tiene un estado interno que puede recordar, lo que le permite comportamientos más complejos. La función de memorización asocia un estado interno del agente de gestión con su actual percepción del entorno y su experiencia pasada.

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La función de decisión define una tarea según la percepción que el agente de gestión posee en ese momento del estado del sistema, junto con su experiencia en el pasado, determinada por su estado interno.

Una vez el agente de gestión ha determinado qué acción tomar, debe ejecutarla [11]. Las acciones sobre el sistema se realizan mediante la función de ejecución.

En función de las tareas que puede realizar un agente, que denominaremos habilidades del agente, podremos identificar y clasificar los agente en función de una serie de roles. El rol de un agente (Rma ⊆ P) vendrá determinado por el conjunto de tareas que puede realizar este agente con dicho rol. Cada agente tendrá un objetivo asignado de forma que las tareas que realice irán encaminadas a conseguir dicho objetivo. El objetivo de un agente (Oma ∈ Σ) es un estado del conjunto de estados del sistema.

4.3 El sistema informático (IS)

Una de las características más importante del sistema de gestión es que es de la misma naturaleza que el propio sistema que va a gestionar, es decir, que está compuesto por los mismos elementos: redes, nodos cliente, servidores, dispositivos de networking, sistema de almacenamiento distribuido. Esto permite que se pueda realizar una integración completa entre el sistema de gestión y el sistema a gestionar.

Según esto el sistema informático sobre el que actuamos incluirá tanto las infraestructuras y elementos a los que se va a dar soporte como aquellos que dan el soporte en si. Estos últimos son un conjunto de infraestructuras TIC que conforman un sistema de backend, organizados de diferentes formas, que constituye el soporte tecnológico del sistema de gestión.

Fig. 2. Esquema del sistema informático modelado como un sistema multiagente.

El sistema informático (IS) se define mediante una función IS() que recoge su funcionamiento y es llevada a cabo gracias a acciones que transforman el sistema de un estado a otro [11]. Esta dinámica se conoce como la reacción del sistema ante diferentes influencias.

α3

Exec() Decision() Percept()

sα(t)Mem()

φα(t)p

α2

Exec() Decision() Percept()

sα(t)Mem()

φα(t)p

α1

Exec() Decision() Percept()

s1(t)Mem()

φ1(t)

p

γ(t)

σ(t)

σ(t+1) γ3

γ1

γ2

∏ γi

IS()

Sistema Multiagente para la Regeneración de Nodos 169

La dinámica del sistema se define mediante card(MS)+1 ecuaciones, en las que la primera determina el estado global del sistema en un determinado instante t y en función del comportamiento de cada agente de gestión, y el resto de ecuaciones corresponde al estado interno de los diferentes agentes en ese mismo instante t:

( )

( )

( )))(()(

)(),()1(

)(),()1(

)()),(),((),()1(

1111

1

tPercepttwithtstMemts

tstMemts

ttstDecisiónExectISt

ii

nnnn

iiiiin

i

σφφ

φ

φφσσ

==+

=+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Π=+=

M (4)

En la figura 2 se puede observar la estructura del sistema con las relaciones entre los agentes.

5 Propuesta del servicio de regeneración

Para centrar la propuesta y no analizar todas las tareas posibles del sistema vamos a concretar el estudio al caso de la regeneración de nodos por ser un caso que recoge la mayor parte de los requerimientos de las tareas de gestión de red.

El servicio de regeneración de nodos permite que, ante la caída, degradación y, en general, necesidad de mantenimiento de un dispositivo de la red, el sistema tome su control y, en cuestión de unos pocos minutos, vuelva a dejarlo perfectamente operativo, restaurando la información original que contenía el nodo en cuestión. El proceso se realizará de forma proactiva, sin intervención humana y con independencia del nodo que va a restaurar. Con ello aportamos características de alta disponibilidad y continuidad en el negocio a los nodos que componen nuestro sistema.

Tabla 1. Tareas asociadas al servicio de regeneración.

Nombre Descripción Iniciar_nodo Despierta un nodo apagado iniciando su proceso boot

mediante el envío de una trama de red especial como puede ser WoL

Obtener_configuración Obtiene la configuración almacenada de un nodo de red Guardar_configuración Almacena la configuración de un nodo de red en el inventario Obtener agente Traslada un agente de la granja de agentes al nodo a

regenerar Iniciar_gestión Inicia una nuevo proceso de regeneración Obtener_plan_mantenimiento Recupera el plan de mantenimiento para un nodo Obtener_paquete_software Obtiene la información a regenerar para un nodo Instalar_paquete_software Instala el software en el nodo restaurando su contenido

original Almacenar_registro_acciones Almacena el conjunto de acciones indicadas Apagar_nodo Apaga o reinicia el nodo indicado

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En la tabla 1 se muestra un listado de algunas de las tareas que se pueden efectuar para realizar la regeneración de un nodo. Cada una de las tareas descritas puede ser conformada por un conjunto de subtareas de menor tamaño que la componen. Según estas tareas podemos identificar los siguientes roles recogidos en la tabla 2.

Tabla 2. Roles de los posibles agentes implicados en la regeneración

Id Rol Objetivo RGN Regeneración Restaurar la información de un nodo DDP Difusión bajo demanda

permanente Transmitir información masiva

DDT Difusión bajo demanda temporal Transmitir información masiva si le es solicitado expresamente y no tiene otro objetivo de prioridad superior o actividad programada

DPT Difusión proactiva temporal Transmitir información masiva si no posee actividad programada

RCP Recepción Recepción de información masiva CRR Corrección Corrección de información perdida o

corrompida durante la difusión INV Inventario Almacenar la información del sistema PLN Planificación Planificar y desencadenar el proceso de

regeneración GST Gestión Gestionar los parámetros del sistema

En función de estos roles definidos podemos determinar los diferentes tipos de agentes del sistema como se muestra en la tabla 3. La tabla también muestra la relación de un determinado tipo de agente con el resto, entendido como que realiza un uso o consumo de estos agentes, así como los servicios a los que cada agente accede.

5.1 Modelo de regeneración

El servicio de regeneración se basa en un modelo de servicios gestionado por un agente de regeneración que se desplaza al nodo a regenerar. En este modelo el agente de regeneración interactúa con otros agentes y con el propio sistema para obtener la información almacenada del nodo a regenerar y restaurarla de forma desatendida, llevando a cabo la secuencia de desarrollo de su plan de trabajo.

El servicio puede ofrecerse bajo demanda, a petición del propio nodo que requiere las tareas de mantenimiento, o bien mediante planificación, es decir, el servicio decide realizar determinadas tareas de manteniendo sobre determinado nodo.

Con independencia de la naturaleza desencadenante del proceso, el protocolo es básicamente el mismo (ver figura 3). En el primer caso, el nodo, una vez iniciado su proceso de boot, analiza su estado y, si detecta la necesidad de realizar un mantenimiento, se lo solicita al sistema de regeneración. En el caso de la planificación, es el propio sistema el que se ocupa de iniciar el nodo. A partir de este instante, en ambos casos, el sistema de regeneración envía un agente de regeneración adecuado para el elemento de fabricación.

Sistema Multiagente para la Regeneración de Nodos 171

Para optimizar el proceso de regeneración y garantizar su consecución en tiempos acotados además del agente de regeneración se distribuyen diversos agentes de apoyo por los nodos implicados en el proceso, de forma que cada nodo adoptará el rol del agente que le ha sido enviado. Esto configura el sistema bajo un modelo de computación GRID donde el proceso queda distribuido entre los componentes que lo conforman sin haber un control centralizado en el mismo.

Tabla 3. Tipos de agentes según su rol

Id Agente (ma)

Roles (Rma)

Relación con otros agentes

Acceso a servicios MB MEM AUT LC

RA Regeneración RGN RCP

IA *RA

S. Regeneración S. Log

▲ ▼ ▲ ▼

CRA Regeneración Colaborativo

RGN RCP DPT CRR

IA *RA CRA

S. Regeneración S. Log

▲ ■ ▲ ▼

PRA Repositorio permanente

DDP CRR

IA PRA

S. Repositorio SW ▼ ▲ ■ ▲

ARA Repositorio auxiliar

DDT RCP CRR

IA PRA

S. Repositorio SW ■ ▲ ■ ■

TRA Repositorio temporal

DDP RCP CRR

IA PRA

S. Repositorio SW ▼ ■ ▲ ▼

CA Corrección RCP CRR

IA PRA

S. Repositorio SW ▼ ■ ▲ ■

SA Planificación PLN IA S. Inventario S. Configuración

▼ ▼ ▲ ▲

IA Inventario INV S. Inventario Repositorio SW Sistema Configuración

▼ ▲ ▼ ▲

MA Gestión GST SA IA

S. Repositorio SW S. Configuración

▲ ▼ ▲ ■

MB – Movilidad, MEM – Almacenamiento, AUT – Autonomía, LC – Ciclo de vida ▲ – Alto, ■ – Medio, ▼– Bajo

Este esquema tendrá una gran importancia en los procesos de transmisión de la información desde los repositorios hasta los nodos a regenerar, de forma que los distintos agentes distribuidos en el sistema cooperaran entre ellos utilizando técnicas de multicast y peer-to-peer (P2P), en el que cada agente de regeneración puede colaborar con el resto para conseguir la transmisión masiva de la información, realizando para ello reenvió de datos en local o corrección de información perdida o incorrecta.

Distribuyendo agentes de difusión auxiliares o temporales en el sistema también conseguiremos mejorar los procesos de comunicación, produciéndose una redistribución inteligente de la información, de forma que esta se desplaza a las zonas del sistema donde más se está solicitando un paquete software donde existen problemas de saturación en la transmisión.

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Fig. 4. Diagrama de secuencia de un plan de regeneración planificado.

6 Conclusiones

En este artículo se ha presentado y analizado un modelo de gestión de redes concretado en un servicio de regeneración para nodos de red. El servicio es capaz de absorber la enorme heterogeneidad existente en este entorno y se integra sin ningún problema con los elementos TI existentes.

El servicio está basado en un sistema de regeneración de nodos desarrollado en la Universidad de Alicante y que ha sido validado en multitud de escenarios a través de proyectos de colaboración nacionales e internacionales. Los análisis realizados permiten asegurar que con el servicio de regeneración se disminuyen drásticamente los tiempos de recuperación después de imprevistos y averías producidos en las plataformas y aplicaciones instaladas, aportando características de alta disponibilidad y recuperación en frío. También se obtiene una importante disminución en el riesgo antes del desastre, actuando dentro de valores de tiempos comprendidos entre la replicación asíncrona y la copia de seguridad.

El hecho de utilizar un sistema basado en un sistema multiagente, compuesto por agentes software móviles, aporta características interesantes a la propuesta, resolviendo diversos aspectos, como la adecuación del agente a cada plataforma o su actualización. Además, el enfoque también aporta la autonomía y proactividad deseadas en el servicio.

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