Modelo de gestión de red basado en sistema multiagente

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)
[email protected]
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.
166
•
D. Marcos et al.
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.
ZONA DE
ADMINISTRACIÓN
Clientes de
Administración
MMA
Router/ Proxy/ Firewall
SA
DB
SA
SA
SA
Router/ Proxy/ Firewall
MMA
Cliente
Administración
ubicuo
Repositorio
Servidor de
Inventario
MMA
SA
Internet
ZONA DE
CLIENTES
Clientes de
Regeneración
SA
HTML
SA
Servidor
Web
Router/ Proxy/ Firewall
ZONA DE
SERVICIOS
Servidor
Aplicaciones
MMA
MMA
MMA
SA
Mobile Management Agent
Service
Transmition path
Cliente ubicuo de regeneración
(PDA, portátil, Móvil, ...)
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.
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]:
IS
IMS = ⟨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.
168
D. Marcos et al.
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.
α3
α2
σ(t+1)
Mem()
φα(t)
α1
sα(t)
Mem()
φα(t)
Percept()
sα(t)p
Decision()
Mem()
φ1(t)
Percept()
Decision()
Decision()
Percept()
s1(t)
p
p
Exec()
γ3
γ2
Exec()
Exec()
γ1
∏ γi
σ(t)
γ(t)
IS()
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.
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:
n
⎛
⎜
i =1
⎝
s1 (t + 1) = Mem1(φ1 (t ), s1 (t ) )
⎞
⎟
⎠
σ (t + 1) = IS ⎜ σ (t ), Π Execi (Decisióni (φi (t ), si (t )), φi (t ) )⎟
M
(4)
sn (t + 1) = Memn (φn (t ), sn (t ) )
with φi (t ) = Percepti (σ (t ))
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
Iniciar_nodo
Obtener_configuración
Guardar_configuración
Obtener agente
Iniciar_gestión
Obtener_plan_mantenimiento
Obtener_paquete_software
Instalar_paquete_software
Almacenar_registro_acciones
Apagar_nodo
Descripción
Despierta un nodo apagado iniciando su proceso boot
mediante el envío de una trama de red especial como puede
ser WoL
Obtiene la configuración almacenada de un nodo de red
Almacena la configuración de un nodo de red en el inventario
Traslada un agente de la granja de agentes al nodo a
regenerar
Inicia una nuevo proceso de regeneración
Recupera el plan de mantenimiento para un nodo
Obtiene la información a regenerar para un nodo
Instala el software en el nodo restaurando su contenido
original
Almacena el conjunto de acciones indicadas
Apaga o reinicia el nodo indicado
170
D. Marcos et al.
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
RGN
DDP
DDT
Rol
Regeneración
Difusión bajo demanda
permanente
Difusión bajo demanda temporal
DPT
Difusión proactiva temporal
RCP
CRR
Recepción
Corrección
INV
PLN
Inventario
Planificación
GST
Gestión
Objetivo
Restaurar la información de un nodo
Transmitir información masiva
Transmitir información masiva si le es
solicitado expresamente y no tiene otro
objetivo de prioridad superior o
actividad programada
Transmitir información masiva si no
posee actividad programada
Recepción de información masiva
Corrección de información perdida o
corrompida durante la difusión
Almacenar la información del sistema
Planificar y desencadenar el proceso de
regeneración
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
RA
Agente
(ma)
Regeneración
CRA
Regeneración
Colaborativo
PRA
Repositorio
permanente
Repositorio
auxiliar
ARA
TRA
Repositorio
temporal
CA
Corrección
SA
Planificación
IA
MA
Roles
(Rma)
RGN
RCP
RGN
RCP
DPT
CRR
DDP
CRR
DDT
RCP
CRR
DDP
RCP
CRR
RCP
CRR
PLN
Relación con
otros agentes
IA
*RA
IA
*RA
CRA
Acceso a
servicios
S. Regeneración
S. Log
S. Regeneración
S. Log
IA
PRA
IA
PRA
MB MEM AUT LC
▲ ▼
▲ ▼
▲
■
▲
▼
S. Repositorio SW
▼
▲
■
▲
S. Repositorio SW
■
▲
■
■
IA
PRA
S. Repositorio SW
▼
■
▲
▼
IA
PRA
IA
S. Repositorio SW
▼
■
▲
■
S. Inventario
▼ ▼
▲ ▲
S. Configuración
Inventario
INV
S. Inventario
▼ ▲
▼ ▲
Repositorio SW
Sistema
Configuración
Gestión
GST
SA
S. Repositorio SW
▲ ▼
▲ ■
IA
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.
172
D. Marcos et al.
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.
Sistema Multiagente para la Regeneración de Nodos
173
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