La qualité de servicedans les réseaux

filaires et sans fils

T. Chahedtijani.chahed@it-sudparis.eu

ISIMai 2012

filaires et sans fils

Trafic

Trafic Information à transporter dans le réseau

L’ingénierie du trafic (Teletrafic)La relation entre la demande et la capacité

T. Chahed – 05/20122

La relation entre la demande et la capacité Afin d’offrir aux usagers une performance qui

correspond à leur besoins en terme de qualité de service

Ingénierie pour la QoS

La demande dépend du type de trafic streaming, par exemple voix élastique, par exemple data

… qui ont des besoins de QoS différents ...

T. Chahed – 05/20123

… qui ont des besoins de QoS différents ... temporels pour la voix intégrité pour les données

… et requièrent une ingénierie différente commutation de circuits pour la voix commutation de paquets pour les données

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

T. Chahed – 05/20124

PLAN

Réseaux à un seul service réseau téléphonique : voix réseau Internet : données

Réseaux multi-services

T. Chahed – 05/20125

Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

PLAN

Réseaux à un seul service réseau téléphonique : voix réseau Internet : données

Réseaux multi-services

T. Chahed – 05/20126

Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

Construire un réseau téléphonique

Caractériser la demande Nombre de terminaux : n Probabilité d’émettre une transaction :p=> Prob. de k arrivées simultanées : knkk ppC −− )1(

T. Chahed – 05/20127

=> Prob. de k arrivées simultanées : Converge vers Poisson avec moyenne λ=np

Durée moyenne de l’appel: T Trafic offert: A= λT

knkkn ppC −− )1(

Dimensionnement

Fixer une mesure de QoS: La probabilité de blocage:

...1

!)( 2 AAA

m

A

mB m

m

++++== π

T. Chahed – 05/20128

Formule d’Erlang B (1917): E(m,A)

Dimensionner le réseau: Etant donné A, trouver le nombre de circuits m nécessaire

pour que la probabilité de blocage soit égale à B Le trafic écoulé est donné par :

!...

21

m

AAA ++++

)1( BAAe −=

Exemple de dimensionnement

Un groupe de circuits téléphoniques reçoit des appels Poissoniens avec une moyenne de 150 appels par heure. La durée de chaque appel est de 4 minutes en moyenne.

T. Chahed – 05/20129

chaque appel est de 4 minutes en moyenne.

Pour un taux de blocage égal à 1%, combien de circuits doit-on prévoir?

Erlang B

T. Chahed – 05/201210

Extension à un réseau

Lien l Avec ml circuits, trafic

offert Al, taux de blocage sur le lien bl ml, Al, bl

Rs, as, Bs

T. Chahed – 05/201211

blocage sur le lien bl

Flux de trafic S Route Rs, trafic offert

as, taux de blocage Bs

But: Calculer Bs

ml, Al, bl

Taux de blocage Si les taux de blocage sont petits:

Si les taux de blocage par lien sont indépendants:

Comment déterminer bl?

∑ ∈=

SRllS bB

)1(1 lRlS bB S −∏−= ∈

T. Chahed – 05/201212

Comment déterminer bl? Si les taux de blocage sont petits:

bl = E(ml,Al) Si les taux ne sont pas petits, la perte sur les liens précédents doit

être prise en compte

bl = E(ml,Al), de manière itérative (Erlang point fixe)

∑ ∈=

SRlssl aA

:

l

sRlsl

SaA ∑ ∈

=: ∏∏= ∈−∈ −−=− Rsk l

llRsk l bb

sbsls aaa )1(

1

1)1(

Ce dont Erlang a besoin

Des arrivées Poissoniennes Processus de Poisson

Un processus sans mémoire et dont la probabilité de la prochaine arrivée est proportionnelle à la moyenne des inter-

T. Chahed – 05/201213

proportionnelle à la moyenne des inter-arrivées propriété sans mémoire :

le processus des inter-arrivées suit une loi exponentielle : tetA λ−−=1)(

)Pr()Pr( rtrt nnn >=>+> τττ

Pourquoi Poisson ?

Un des rares qui soit tractable Bien adapté pour le trafic ‘transactionnel’

deux hypothèses :

n terminaux téléphoniques indépendants

T. Chahed – 05/201214

n terminaux téléphoniques indépendants taux d’activité moyen du terminal

probabilité p d’émettre une transaction

Prob. k arrivées simultanées : pour un trafic total moyen (np) constant, la distribution

géométrique converge vers Poisson (λ=np)

cette approximation est bonne à partir de n=20

knkkn ppC −− )1(

Et si les sources sont sporadiques ?

Poisson ne marche plus ! sources ON/OFF

périodes ON et OFF exponentiellement distribuées trafic voix

superposition de sources ON/OFF

T. Chahed – 05/201215

superposition de sources ON/OFF trafic de données, eg, Web, FTP

Sources MMPP (Markov Modulated Poisson Process) n états gouvernés par une chaîne de Markov

chaque état correspond à un processus de Poisson avec une intensité fixe différente

superposition de trafic voix et données

D ’autres échelles de modélisation

Les paquets du trafic Internet sont corrélés paquets appartenant à un seul flux plusieurs flux peuvent appartenir à une seule

session

T. Chahed – 05/201216

session

Plusieurs échelles de modélisation niveau paquet : plutôt auto-similaire

inter-arrivées gouvernés par la loi de Pareto par exemple

le niveau des sessions est Poissonien

PLAN

Réseaux à un seul service réseau téléphonique : voix réseau Internet : données

Réseaux multi-services

T. Chahed – 05/201217

Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

Bon vieux Internet

Assurer l’interconnexion sur la base du ‘ best effort ’ Une architecture ‘ réseau des réseaux ’

architecture saut-par-saut

T. Chahed – 05/201218

architecture saut-par-saut

Une nature non-orientée connexion paquets autonomes

Contrôle de la congestion la fiabilité via les retransmissions

A l ’intérieur d ’un routeur IP

Une affaire de routage Ports d ’entrée Tissu de commutation (switching) Ports de sortie : files d ’attente

Processus de routage

T. Chahed – 05/201219

switchfabric

Processus de routage

Ports d ’entrée Ports de sortie

PLAN

Réseaux à un seul service réseau téléphonique : voix réseau Internet : donnée

ordonnancement

T. Chahed – 05/201220

ordonnancement contrôle de congestion

Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

PLAN

Réseaux à un seul service réseau téléphonique : voix réseau Internet : donnée

ordonnancement

T. Chahed – 05/201221

ordonnancement contrôle de congestion

Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

Ordonnancement simple

FIFO (First In First Out) Problèmes d ’équité :

Sources agressives versus sources plus ‘amicales’ Petits paquets versus paquets plus longs

T. Chahed – 05/201222

Petits paquets versus paquets plus longs

Equité

Fair Queuing (FQ) Les files servies à tour de rôle (round robin)

Un paquet d ’une file non vide à la fois

T. Chahed – 05/201223

Flux 1Flux 2

Flux N

Processor Sharing (PS)

Les limites de FQ : paquets courts pénalisés Solution : servir sur la base d ’un bit à la fois

Temps virtuel d ’accomplissement de service Fi

j = Sij + Pi

j

S j = max (F j, R(φ j))

T. Chahed – 05/201224

Sij = max (Fi-1

j, R(φij))

R : nombre de cycles jusqu’au temps t, normalisé au débit de sortie

F : R quand le paquet i de la file j termine sa transmission S : R quand le paquet i de la file j commence sa

transmission P : temps de transmission du paquet i de la file j, normalisé

au débit de sortie φ : temps d ’arrivée du paquet i de la file j

Autres situations inéquitables

Fichiers grand versus petits Eléphants versus souris

Ordonnancement orienté taille de fichierShortest Jobs First (SJF)

T. Chahed – 05/201225

Shortest Jobs First (SJF) Shortest Remaining Processing Time (SRPT)

Version préemptive du SJF

Si la taille du fichier est inconnue Least Attained Service (LAS)

PLAN

Réseaux à un seul service réseau téléphonique : voix réseau Internet : donnée

ordonnancement

T. Chahed – 05/201226

ordonnancement contrôle de congestion

Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

Faire l ’expérience de la congestion

Débit effectif

pas de congestion

Congestion

Forte congestion

T. Chahed – 05/201227

Charge offerte au réseau

Congestionmodérée

Origines du phénomène

Variées Comportement de la source Interconnexion des nœuds etc

T. Chahed – 05/201228

etc

Comportement insistant

Système à capacitélimitée

FluxSuccès

T. Chahed – 05/201229

Rejet

Abandonner ? oui

En termes de file d ’attente

Soit A : le taux des arrivées ‘ fraîches ’ p : la probabilité de rejet H : l ’index d ’insistance

T. Chahed – 05/201230

H : l ’index d ’insistance

Le taux total des arrivées : Conséquence:

charge augmente congestion empire problème de mesures

HpA

Atot −=

1

Exemple numérique : M/M/1/K

K=4

T. Chahed – 05/201231

H=0.9

Congestion et contagion

Deux flux partageant un étage de multiplexage

Source A

T. Chahed – 05/201232

Source B

Destination

Nœud de multiplexage

Contrôle de congestion

Compliqué Surtout quand le système est distribué

Pas de vue centralisée (globale) sur l’état du réseau Informations incomplètes, voire dépassées

T. Chahed – 05/201233

Informations incomplètes, voire dépassées

Dans l’Internet TCP

Variantes de TCP

Tahoe

Slow start, congestion avoidance + fast retransmit

Reno

T. Chahed – 05/201234

Reno

Tahoe + fast recovery

Optimisé pour une seule perte dans une fenêtre TCP

Quand les pertes sont multiples

New Reno Fast recovery jusqu ’à ce que tous les paquets

sont acquittés

Selective ACK (SACK)

T. Chahed – 05/201235

Selective ACK (SACK) TCP utilise généralement un ACK cumulé le problème se pose quand plusieurs paquets

sont perdus dans une fenêtre TCP Le récepteur informe la source des paquets reçus

afin d ’éviter leur retransmission la source ne retransmet que les paquets perdus

Approche préventive

TCP Vegas Estimer le nombre de paquets stockés dans le

tampon du lien le plus lent (bottleneck) Utiliser la différence entre le RTT actuel et le minimum

Fixer deux seuils

T. Chahed – 05/201236

Fixer deux seuils En dessous du premier, le nombre de paquets stockés

est trop petit, augmenter le débit linéairement Au dessus du deuxième, le nombre de paquets

stockés est trop grand, diminuer le débit linéairement

Stabiliser l’état de la congestion autour d’un point optimal

Approche basée sur le débit

TCP Westwood Mesurer et moyenner le débit de retour des

ACKs L’intervalle inter-ACK reflète la présence/absence

T. Chahed – 05/201237

L’intervalle inter-ACK reflète la présence/absence des autres utilisateurs

Estimer la bande-passante disponible Adapter le débit d’envoi par rapports aux

conditions du réseau

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

T. Chahed – 05/201238

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services

ATMIP avec QoS

T. Chahed – 05/201239

IP avec QoS

Réseaux mobiles et sans fils

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services

ATMIP avec QoS

T. Chahed – 05/201240

IP avec QoS

Réseaux mobiles et sans fils

ATM

L’ATM pour le RNIS-LB Un domaine bien délimité

Distinction entre usager et réseau

L’orienté connexion

T. Chahed – 05/201241

L’orienté connexion Avec les phases accès, transfert et relâchement des

ressources

Signalisation pour réserver les ressources Une performance prévisible

Le contrat de QoS

UIT (Union Internationale de Telecoms.) Capacités de Transfer ATM (ATCs) Classes de QoS Conformité

T. Chahed – 05/201242

Conformité

Conformité et pénalité

Définition de la conformité: Generic Cell Rate Algorithm (GCRA)

Virtual Scheduling Algorithm (VSA)

Leaky bucket source réseau

T. Chahed – 05/201243

Leaky bucket

En cas de non-conformité: Le bit CLP est marqué non-prioritaire, càd, 1 au lieu de 0

Si déjà 1, la cellule est rejetée

source réseau

Capacités de Transfert ATM (ATCs)

Un ensemble de paramètres et de procédures à la couche ATM qui prennent en charge le modèle de service et la QoS associée

T. Chahed – 05/201244

associée Le modèle:

Un modèle de service Un descripteur de trafic Des procédures spécifiques Une définition de la conformité

ATCs à boucle ouverte

Deterministic Bit Rate (DBR) Basé sur le débit crête (PCR - Peak Cell Rate ) (0+1)

Statistical Bit Rate (SBR) Décrit en terme de PCR, débit moyen (SCR - Sustainable Cell

Rate) et une tolérance à la sporadicité (IBT - Intrinsic Burst Tolerance)

T. Chahed – 05/201245

Tolerance) Trois versions en fonction des paramètres en plus du PCR

(0+1)

ATM Block Transfer (ABT) / Immediate Trans. Bloc de cellules délimité par des cellules de gestion ou RM Paramètres statiques: PCR(0+1), SCR(0+1) et les tolérances Paramètres dynamiques : BCR(0+1) Deux versions : Transmission Immédiate ou retardée

ATCs à boucle fermée

Available Bit Rate (ABR)

Service avec un débit minimal garanti (MCR - Minimal Cell Rate)

Le contrôle de flux doit ajuster le débit de la source à la quantité de ressources disponibles

T. Chahed – 05/201246

Paramètres statiques : PCR et MCR

Paramètres dynamiques : Explicit Cell Rate (ECR) et Congestion Indication (CI)

⇒ Débit d’émission permit ou Allowed CR (ACR)

Mode explicite versus binaire

ABT / Delayed Transmission

ABR illustré

Data Cell

Forward RM

Débit D’émission = ACRCellules RM toutes les (Nrm-1) cellules data

Point de congestion :champs EFCI marqué

Renvoi des cellules RMSi congestion, réduire ERSi EFCI marque, marquer CI

T. Chahed – 05/201247

Forward RM

Backward RM

Point de congestionréduire ER oumarquer CI ou NI

Modifier ACR basé sur CI, NI et ER

Les paramètres de QoS

Fonctionnalités de communication Accès Transfert Relâchement

T. Chahed – 05/201248

Relâchement

Critères de performance Vitesse Précision Fiabilité

Les paramètres de QoS primaires

Vitesse Précision Fiabilité

Accès

Délai Probabilité d’erreur

Probabilité de blocage

T. Chahed – 05/201249

Transfert

Délai Débit

Probabilité d’erreur

Probabilité de mauvaise insertion

Probabilité de perte

Relâchement

Délai Probabilité de relâchement intempestif

Probabilité d’échec

Les paramètres de QoS secondaires

Seuils sur les paramètres de QoS primaires Exemple, la disponibilité

T. Chahed – 05/201250

Les classes de QoS CTD

Cell Transfer Delay

CDV Cell Delay Variation

CLR0+1

Cell Loss Rate

CLR0

Cell Loss Rate

CMR Cell Mis-insertion Rate

CER Cell Error Rate

SECBR

QoS 1 stringent

400 ms 3 ms 3 10-7 _ Default Default Default

QoS 2 U U 10-5 _ Default Default Default

T. Chahed – 05/201251

QoS 2 tolerant

U U 10-5 _ Default Default Default

QoS 3 bi-level

U U _ 10-5 Default Default Default

QoS 4 Un-specified

U U U U U U U

QoS 5 stringent bi-level

400 ms 6 ms _ 3 10-7 Default Default Default

Offre: classes de QoS et ATCA T C s

Q o S 1s t r i n g e n t

D B RS B R 1

A B T

Q o S 2t o l e r a n t

D B RS B R 1

T. Chahed – 05/201252

t o l e r a n t S B R 1A B T

Q o S 3b i - l e v e l

S B R 2S B R 3

A B R

Q o S 4U n - s p e c i f i e d

A l l

Q o S 5s t r i n g e n tb i - l e v e l

S B R 2S B R 3

A B R

Erlang multi-débits

Lien de capacité C K classes de trafic

Chaque classe avec un débit c1, c2, …, cK

Arrivées Poissoniennes, intensités: λ1, λ2, …, λK

T. Chahed – 05/201253

Arrivées Poissoniennes, intensités: λ1, λ2, …, λK

Services exponentiels, taux moyens: µ1, µ2, …, µK

Trafics offerts: i

iAi

µλ=

Taux de blocage

Les probabilités d’état:

Taux de blocage de trafic de classe i:

Ccncnn

A

n

Ann KK

nK

K

Kn

K ≤++= ...;!

...!

)0(),...,( 11

1

1

11 ππ

T. Chahed – 05/201254

Taux de blocage de trafic de classe i:

∑

∑

≤++

≤++<−=

CnKcKcn

nK

K

Kn

CnKcKcnciC

nK

K

Kn

i

n

A

n

A

n

A

n

A

B

...11

1

1

1

...11

1

1

1

!...

!

!...

!

Bande passante effective

Effective bandwidth

Débit constant pour les sources à débit variable

T. Chahed – 05/201255

Entre le débit crête et le débit moyen

Contrôle d’admission:

somme des bande passantes effectives < capacité totale du réseau

Extension à un réseau

Plusieurs liens j=1, …,J Chaque lien j de capacité cj

Plusieurs classes k de trafic; k=1, …,KChaque classe k définie par sa route et capacité

T. Chahed – 05/201256

Chaque classe k définie par sa route et capacité requise Elle requière une quantité bj,k sur chaque lien j Le trafic offert est ak

Taux de blocage

L’espace Ω des états de notre système est donné par: n.bj ≤ cj ; n=(n1 ,…, nK); bj=(bj,1,….,bj,K)

Les états bloquants sont donnés par:

T. Chahed – 05/201257

Les états bloquants sont donnés par:

Le taux de blocage d’une connexion de classe k: Ω∉+Ω∈=Β kk ennn ,:

∑ Β∈=

knk nB )(π

∏∑ =

−

Ω∈

====K

k

ak

k

kkk

n

en

anNPnp

np

npn

nk

1 !)(;

)(

)()(π

Mais

Trop ambitieux Trop cher Trop tard

T. Chahed – 05/201258

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services

ATMIP avec QoS

T. Chahed – 05/201259

IP avec QoS

Réseaux mobiles et sans fils

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services

ATMIP avec QoS

T. Chahed – 05/201260

IP avec QoS sur-dimensionnement avec contrôle

Réseaux mobiles et sans fils

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services

ATMIP avec QoS

T. Chahed – 05/201261

IP avec QoS sur-dimensionnement avec contrôle

Réseaux mobiles et sans fils

Initiative de l’Internet 2

Groupe de travail QoS de l’Internet 2 Cadre de solution de QoS

Etendue De bout-en-bout ou intermediaire

T. Chahed – 05/201262

De bout-en-bout ou intermediaire

Modèle de contrôle Granularité Durée Point de contrôle

Paramètres de transmission

Premières solution de QoS IP

Integrated Services (intserv) Basé sur une nouvelle signalisation

Resource Reservation Protocol (RSVP)

Trois niveaux de service:

T. Chahed – 05/201263

Trois niveaux de service: garanti (déterministe) charge contrôlée (statistique) best-effort

Opération de RSVP dans l’Internet

PATH

T. Chahed – 05/201264

PATH

RESV

Le problème de intserv

La scalabilité Traitement par flux Utilisation d’une réservation soft, à rafraichir

Implémentation

T. Chahed – 05/201265

Implémentation Les terminaux et les routeurs doivent implémenter

RSVP

La deuxième solution de QoS

Differentiated Services (diffserv) Actions scalables

agrégation prioritisation

T. Chahed – 05/201266

prioritisation

En réalité, l’émergence d’un domaine actions dans les routeurs du bord, autres dans les

routeurs du cœur

Illustration

T. Chahed – 05/201267

Actions dans le bord

Mesures

T. Chahed – 05/201268

classifierShaper/

rejeterMarquer

DSCP

DS Code Point

Per Hop Behaviors (PHBs)

Expedited Forwarding (EF) Perte, délai et gigue minimales Service premium, comme des liaisons louées L’agrégat ne voit pas de file d’attente

T. Chahed – 05/201269

L’agrégat ne voit pas de file d’attente

Assured Forwarding (AF) Besoins moins fort en délai ou en gigue Quatre classes, chacune contenant trois classes

selon le niveau de conformité

Best Effort

Types de priorités

AF1

AF2

EF

T. Chahed – 05/201270

AFAF2

AF3

AF4BE

Comment gérer les priorités? Limitation de PS

Capacité égale à chaque flux General Processor Sharing (GPS)

Chaque flux va être attribué un poids Le poids indique le nombre de bits transmis par cycleLes nouvelles équations:

T. Chahed – 05/201271

Les nouvelles équations: Fi

j = Sij + (Pi

j/poids de j) Si

j = max (Fi-1j, R(φi

j)) R : nombre de cycles jusqu’au temps t, normalisé au débit de

sortie F : R quand le paquet i de la file j termine sa transmission S : R quand le paquet i de la file j commence sa transmission P : temps de transmission du paquet i de la file j, normalisé au

débit de sortie φ : temps d ’arrivée du paquet i de la file j

Weighted Fair Queuing (WFQ)

Emuler le service bit-par-bit de GPS mais envoyer des paquets entiers

Quand un paquet est servi, le paquet suivant est celui ayant la plus petite valeur Fi

j

Le délai maximal D subi par le flux i

T. Chahed – 05/201272

Le délai maximal Di subi par le flux i GPS : Di ≤ Bi / Ri

Bi : taille du sceau (Bucket size) Ri : débit du sceau (Token rate)

WFQ : Di ≤ (Bi/Ri) + [ (Ki-1)Li/Ri ] Σ m=1,.., Ki Lmax / Cm

Ki : nombre de nœuds dans le chemin du flux i Li : taille maximale du paquet du flux i Lmax : taille maximale des paquets de tous les flux sur le chemin Cm : capacité à la sortie du nœud m

Et la signalisation ?

Première version Policy-based management (PBM)

Plus récemmentPas de signalisation

T. Chahed – 05/201273

Pas de signalisation

Gestion d’un domaine diffserv

POLICY

SERVER

COPS

Common

Open Policy

Server

SLA

Service

Level

Agreement

TCA

PIB

LDAP

BandwidthBroker

T. Chahed – 05/201274

SERVERTCA

Traffic

Conditioning

Agreement

Broker

MobilityBrokerSecurity

Broker

Est-ce que diffserv suffit?

Diffserv n’est pas de bout-en-bout Important

La QoS est un besoin de l’usagerL’usager doit être capable de spécifier ses

T. Chahed – 05/201275

L’usager doit être capable de spécifier ses besoins au réseau

Dans diffserv, les usagers individuels ne peuvent pas le faire

QoS IP de bout-en -bout

Intserv/RSVP à la périphérie d’un domaine diffserv POLICY

SERVER

T. Chahed – 05/201276

Problèmes d’interoperabilité

Dans le plan contrôle Agrégation de RSVP Inter-operabilité entre RSVP et COPS

Dans le plan des données

T. Chahed – 05/201277

Dans le plan des données Agrégation des flux intserv dans un agrégat

diffserv Conditionnement du trafic agrégé versus le trafic

individuel

Mapping de la QoS

Au niveau de l’offre de service mapping entre les classes intserv classes et les PHBs

diffserv Guarantie → Expedited Forwarding

Charge contrôlée → Assured Forwarding

T. Chahed – 05/201278

Charge contrôlée → Assured Forwarding

Best-effort

Et après ?

L’orienté-connexion MPLS (Multi-Protocol Label Switching)

LSPs (Labeled Switched Paths) Convient aux services premiums

T. Chahed – 05/201279

Convient aux services premiums

Bref …

Ce que l’on attend de la QoS est ce que l’ATM a promis Cela nécessite intserv, diffserv et MPLS

T. Chahed – 05/201280

Expérimentations: QBone

QBone (Internet 2 QoS WG) Plate-formes inter-domaines Diffserv

But premier: Service premium service, service EF de diffserv

T. Chahed – 05/201281

Service premium service, service EF de diffserv

Conclusion (Mai 2002) : Déploiement impossible

Causes : trop complexe par rapport aux bénéfices Changement radical de l’architecture de bout-en-

bout de IP

GEANT2

T. Chahed – 05/201282

Du côté de l’UIT

Recom. Y.1541 Bornes sur les paramètres de QoS

Les classes de QoSTrois dans un premier draft:

T. Chahed – 05/201283

Trois dans un premier draft: Classe 1 - Interactive

Classe 2 - Non-interactive

Classe U

Six dans la version finale

Classes de QoS IPIPTD IPDV IPLR IPER

Class O 100 ms 50 ms 10-3 10-4

Class 1 400 ms 50 ms 10-3 10-4

T. Chahed – 05/201284

Class 2 100 ms U 10-3 10-4

Class 3 400 ms U 10-3 10-4

Class 4 1s U 10-3 10-4

Class 5 U U U U

Guidance for IP QoS classes

class 0 real-time, jitter sensitive, high interaction

class 1 real-time, jitter sensitive, interactive

class 2

T. Chahed – 05/201285

class 2 transaction data, highly interactive

class 3 transaction data, interactive

class 4 low loss only (short transactions, bulk data, video streaming)

class 5 traditional applications of IP default networks

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services

ATMIP avec QoS

T. Chahed – 05/201286

IP avec QoS sur-dimensionnement avec contrôle

Réseaux mobiles et sans fils

Tout autour de TCP

Contrôle de la congestion Fiabilité Stabilité de tout le réseau Internet

Tous les efforts autour de TCP Ramener les applications non-TCP vers TCP

T. Chahed – 05/201287

Ramener les applications non-TCP vers TCP Ou au moins, les rendre amicale avec TCP

Trois types de solutions TCP plus doux Un peu de prévention Gestion active des files d’attente (AQM - Active Queue

Management)

AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease)

Ajustement de la fenêtre TCP augmenter de 1, décroître de moitié

En général, le flux est en congestion avoidance

T. Chahed – 05/201288

avoidance augmenter le fenêtre de α par fenêtre de paquets

acquittés s ’il n ’y a pas de perte par RTT, décroître la fenêtre de β de sa taille actuelle s ’il y a une perte indiqué par 3 ACKs dupliqués; autrement, la taille de la fenêtre est fixée à 1

Eg, dans TCP Reno : α = 1 et β = 1/2

Propriétés de AIMD

Stabilité et équité pour α > 0 et 0 < β < 1

TCP-friendlinessle débit d ’émission des flux non-TCP doit être

T. Chahed – 05/201289

le débit d ’émission des flux non-TCP doit être approximativement le même que pour TCP sous les mêmes conditions de perte et de délai (RTT)

Condition : α = (4/3)(1 - β2) Eg, β = 7/8 et α = 0.31 : la chute dans le débit

(en cas de perte) est moins dramatique que celle de TCP

TFRC (TCP Friendly Rate Control)

Equation-based congestion control Borne supérieure sur le débit d’émission:

T = _________________s__________________RTT sqrt(2bp/3) + T0 3sqrt(3bp/8) p(1+32p2)

où

T. Chahed – 05/201290

où s : taille du paquet RTT : temps aller-retour (round trip time) p : taux de perte T0 : valeur du time-out de retransmission b : nombre de paquets par ACK cumulé

Calcul du taux de perte

Loss event rate Calculé par la destination et renvoyé vers la source

Compromis entre des mesures rapides sur des petites périodes versus des mesures plus précises sur de plus longues périodes

T. Chahed – 05/201291

longues périodes Somme moyenne pondérée sur les derniers n intervalles

de perte (si) s = somme (wi si ) / somme (wi) Taux de perte est 1/s 8 intervalles avec poids 1,1,1,1, 0.8, 0.6, 0.4 and 0.2

Explicit Congestion Notification (ECN)

Motivation les routeurs du futur auraient des mécanismes développés

pour la détection de début de l ’approche de la congestion, avant que les pertes réelles ne commencent

Notification de congestion aux terminaux afin de prévenir

T. Chahed – 05/201292

Notification de congestion aux terminaux afin de prévenir des pertes de paquets et tout le délai qui s ’en suit (expiration du timer, ACKs dupliqués, etc)

le trafic interactif est sensible au délai et peut souffrir de la perte suivie par la retransmission

quand le flux traverse d ’autres réseaux, eg ATM, ECN peut être invoquée à l ’edge de ces réseaux

Directives pour l ’implémentation de ECN

Sur les grandes échelles de temps, la réponse de TCP à ECN doit être la même que face à la perte

Sur des petites échelles de temps (un ou deux RTT), la réponse de TCP doit être moins

T. Chahed – 05/201293

conservative TCP doit réagir à ECN au maximum une fois par

RTT, tout en ignorant tous les autres indicateurs de congestion, eg ACKs dupliqués, et autres ECNs

Gestion Active des files

Active Queue Management (AQM) Random Early Detection (RED)

But :Eviter la synchronisation globale

T. Chahed – 05/201294

Eviter la synchronisation globale notifier uniquement les sources concernées

Eviter le biais contre les sources sporadiques

L ’algorithme RED

Seuilmaximum

Seuil minimum

Taille moyenne de la file

0

T. Chahed – 05/201295

rejeter Rejeter avecune certaineprobabilité

accepter

maximum minimum

Calcul des paramètres RED : taille moyenne de la file

Taille moyenne et non pas instantanée filtrer la congestion transitoire dans le routeur

Algorithme : initialisation : avg ← 0

T. Chahed – 05/201296

si file non vide :avg ← (1 - w) avg + w . taille actuelle

autrement : avg ← (1 - w) m avg

le poids w détermine la rapidité du changement par rapport à la taille réelle de la file eg, w = 0.002 : pas de réaction aux petits bursts

Calcul des paramètres RED : probabilité de rejet

Algorithme : si avg < seuil minimumpaquet accepté

si seuil min < avg < seuil maxpaquet rejeté avec probabilité P accepté avec probabilité 1-P

T. Chahed – 05/201297

accepté avec probabilité 1-Psi avg > seuil maximum

paquet rejeté remarque : le rejet ne doit pas produire des ‘ clusters ’

P = (F . Pmax) / (1 - count . F . Pmax) count : nombre de paquets depuis dernier rejet Pmax : e.g. 0.02

F = (avg - seuil min) / (seuil max - seuil min)

Mais ...

Prendre les problèmes à plus grandes échelles ne les résout pas forcément

Pas de discrimination possiblePas de performance garantie

T. Chahed – 05/201298

Pas de performance garantie

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services

ATMIP avec QoS

T. Chahed – 05/201299

IP avec QoS sur-dimensionnement avec contrôle y aurait-il une troisième voie?

Réseaux mobiles et sans fils

Erlang dans IP

La formule d’Erlang nécessite des arrivées Poissoniennes

Ceci ne marche pas pour le trafic IP au niveau paquet

T. Chahed – 05/2012100

Ceci marche au niveau session

Nouvelle théorie de l’Internet

Modélisation niveau flux Arrivées des flux: Poissoniennes avec taux λ Taille de fichier exponentielle avec moyenne σ Le trafic (bits/sec):File M/M/1 Processor Sharing

σλ ×=A

T. Chahed – 05/2012101

File M/M/1 Processor Sharing n flux TCP partage la bande passante équitablement entre

eux Chaque flux reçoit: C/n ; C: capacité (bits/sec)

Charge: CA/=ρ

Métriques de performance

Le délai moyen par bit: Insensible, comme Erlang!

Le débit moyen:

)1( ρσσ−

=−

=CAC

D

)1( ργ −=−= CAC

T. Chahed – 05/2012102

Le débit moyen:

Taux de blocage:

Si débit minimal:

)1( ργ −=−= CAC

max

max

...1 n

n

Bρρ

ρ+++

=

max/ nC

En cas de surcharge

ρ > 1 Débit temps vers zéro Les modèles processor sharing ne sont plus stables

Le nombre de flux peut accroitre indéfiniment La performance devient sensible à la distribution des tailles

T. Chahed – 05/2012103

La performance devient sensible à la distribution des tailles de flux

Dans le régime stationnaire, le nombre de flux se stabilise Impatience des usagers Nombre de flux accroit lentement parce que « heavy-

tailed »

Besoin d’arrêt de certains flux, contrôle d’admission

Extension à un réseau

Réseau: L liens Capacité du lien:

Flux de classe i lC

T. Chahed – 05/2012104

Requière la même ressource, eg, liens Nombre de flux de classe i:

Chaque flux de classe i est servi par un débit:

Contrainte de capacité:

)(niφin

lCn li

rlli

i ∀≤∑∈

φ:

Exemples d’allocations

Max-min fairness ø1=1/2; ø2=1/2; ø3=1/2 U=3/2=1,5

Proportional fairness ø1=1/3; ø2=2/3; ø3=2/3

T. Chahed – 05/2012105

ø1=1/3; ø2=2/3; ø3=2/3 U=5/3=1,67

Toute la capacité à 2 et 3, rien à 1 ø1=0; ø2=1; ø3=1 U=2

1

2 3

C1=1 C2=1

Allocations basées sur l’utilité

Problème d’optimisation: Allocations alpha-fair

∑iiiii nnUn )/)((max φ

1;0;1

(.)(.)

1

≠>−

=−

ααα

α

αU

log(.)(.)1 =U

T. Chahed – 05/2012106

Maximisent la stabilitélog(.)(.)1 =U

équité

efficacité

Max-minProportional fair

10

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

T. Chahed – 05/2012107

La nouveauté

Dans les réseaux filaires La capacité des liens est fixe La stochasticité vient de l’activité des usagers

Dans les réseaux sans fils

T. Chahed – 05/2012108

Dans les réseaux sans fils La capacité radio varie aussi

Diversité usagers, fréquences, temps, espace

Importance de prendre en considération les couches basses Cross-layer design

Couches basses

RLC (Radio Link Control) Segmentation et réassemblage Détection des erreurs dans le mode non-acquitté,

retransmission dans le mode acquitté

T. Chahed – 05/2012109

Basé sur ARQ

MAC (Medium Acces Control) Assiste chaque nœud quand et comment accéder

au canal

PHY (Physical layer) Modulation et codage

MAC

Deux types : Ordonnancé (ou statique)

Éviter les interférences/collisions en ordonnançant les nœuds selon le temps (TDMA), la fréquence (FDMA) ou les codes (CDMA)

T. Chahed – 05/2012110

(CDMA)

Basé sur la contention (ou aléatoire) Les nœuds sont en compétition sur la ressource partagée Collisions possibles Eg, ALOHA, CSMA

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

un seul service

T. Chahed – 05/2012111

un seul service multiservice

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

un seul service

T. Chahed – 05/2012112

un seul service multiservice

GSM

Une combinaison de TDMA et FDMA FDMA dans la division de la bande (maximale) de

25 MHz entre 124 porteuses espacées de 200 kHz

T. Chahed – 05/2012113

kHz

Chaque sous-porteuse est sub-divisée dans le temps, avec TDMA, en 8 bursts

Un débit allant jusqu’à 9,6 Kbps

Wireless LAN (WLAN)

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Distributed Control Function (DCF)

Basé sur CSMA/CA

T. Chahed – 05/2012114

Basé sur CSMA/CA

Débits jusqu’à 54 Mbps En théorie, en pratique 30 Mbps

Deux modes: Infrastructure et ad hoc

Versions a

Débits élevés (54Mbps en théorie, 30 en pratique) 10m de couverture en 5GHz

b La version la plus utilisée

T. Chahed – 05/2012115

11Mbps en théorie, 6 en pratique 300m (LOS) de couverture en 2,4GHz La suivante : g (54Mbps en théorie, 26 en pratique)

n 540Mbps en théorie, 100 en pratique 90m de couverture en 2,4 et 5GHz MIMO (Multiple Input Multiple Output)

PLAN

Réseaux à un seul service Réseaux multi-services Réseaux mobiles et sans fils

Un seul service

T. Chahed – 05/2012116

Un seul service Multi-services

GPRS

General Packet Radio Service 2.5G

Les données à un débit plus élevé, jusqu’à 8 fois celui du GSM

T. Chahed – 05/2012117

celui du GSM Deux réseaux coeur:

Celui du GSM: commutation de circuits Un nouveau: commutation de paquets

TDMA Les données utilisent les slots non-utilisés par la voix

EDGE

Enhanced Data for GSM Evolution Utilisation de plusieurs slots GPRS, une nouvelle

modulation, un nouveau codage “Link adaptation”

T. Chahed – 05/2012118

“Link adaptation” Permet des débits plus élevés

E-GPRS EDGE+GPRS

UMTS

Des débits jusqu’à 2 Mbps Radio Access Network (RAN)

Interface air Basée sur Wideband CDMA

T. Chahed – 05/2012119

Basée sur Wideband CDMA Capacité soft

UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) Transport temps réel entre le NodeB et le RNC AAL2/ATM ou IP

Les classes de QoS

Conversationelle (eg, voix, visiophone) Streaming Interactive (web)

T. Chahed – 05/2012120

Background (email)

Après la 3G (B3G) ...

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Méthodes dérivées du GSM/EDGE

Contrôle plus proche de l’interface air, dans le Node B

T. Chahed – 05/2012121

Contrôle plus proche de l’interface air, dans le Node B AMC (Adaptive Modulation and Coding) HARQ (Hybrid ARQ) Pas de contrôle de puissance

Ordonnancement opportuniste

1xEV-DO L’équivalent Américain en cdma2000

Ordonnancement opportuniste

Allocations alpha-fair

Max-min

Proportional fairPartage?

∑ −

−

k

kkk

xx

αφ α

1

)/(max

1

T. Chahed – 05/2012122

EquitéEfficacité

Max-minProportionalFair (PF)

0 1

… et après

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Canaux dédiés dans le lien montant améliorés

Ordonnancement opportuniste

T. Chahed – 05/2012123

Ordonnancement opportuniste

Des débits jusqu’à 5,76Mbps

Du côté du WiFi: 802.11e ...

Enhanced DCF (EDCF ou EDCA) Quatre catégories d’accès (ACs):

AC CWmin CWmax AIFS (number of

T. Chahed – 05/2012124

AC CWmin CWmax AIFS (number of

DIFS)

0 CWmin CWmax 2

1 CWmin CWmax 1

2 (CWmin+1)/2 - 1 CWmin 1

3 (CWmin+1)/4 - 1 (CWmin+1)/2 - 1 1

… et après

PAN WiMedia Alliance

Bluetooth (IEEE 802.15), Zigbee, UWB LAN

IEEE 802.11

T. Chahed – 05/2012125

IEEE 802.11 Infrastructure et ad hoc

MAN WiMax (IEEE 802.16) Wi-Mobile (IEEE 802.16e; ex-IEEE 802.20)

RAN IEEE 802.22

+ handover diagonal (IEEE 802.21)

WPAN

Wireless Personal Area Networks Petite zone de couverture, quelques mètres

Eg, Bluetooth Piconet (un maître+8 esclaves)

TDMAScatternet :

T. Chahed – 05/2012126

Scatternet : Ensemble de piconets, CDMA pour la communication entre

clusters Quelques centaines de Kbps, 2Mbps dans la version 2.0

(2004) Next generation 3.0:

Combiné avec UWB dans les couches basses 480Mbps

Deux extrêmes

UWB Débits élevés sur petite distance Basé sur la transmission de pulsations sur des durées très

courtes sur tout le spectre ZigBee

T. Chahed – 05/2012127

Très basse consommation d’énergie Basé sur le 802.15.4 Définit les « superframes »

Une période d’accès basée sur la contention CSMA/CA

Et une période d’accès sans contention, basée sur des slots négociés

WLAN

Retour en force! Nouvelles normes

802.11ac: gigabit Wi-Fi (6 Ghz) Multiplexage de fréquence et multiplexage spatial pour

T. Chahed – 05/2012128

Multiplexage de fréquence et multiplexage spatial pour supporter plusieurs terminaux sur un seul canal

802.11ad: WiGig Hautes fréquences (60 GHz)

802.11af: Wi-fi sur les espaces blancs TV Basses fréquences (500 Mhz), bandes licenciées Zones rurales avec obstacles (par exemple, forêts)

WLAN: mode ad hoc Réseaux spontanés

Une idée révolutionnaire! Pas de point d’accès (AP)

Chaque usager peut être routeur pour d’autres usagers Routage dynamique:

OLSR

T. Chahed – 05/2012129

OLSR Optimized Link State Routing Protocol (RFC3626) HIPERCOM – INRIA Roquencourt Protocole proactif basé sur l’état du lien Les MPR (Multi-Point Relays) pour inonder avec des informations sur

la topologie AODV

Ad hoc On Demand Distance Vector (RFC 3561) Reactif, construit les routes à la demande, en utilisant des messages

de demande/réponse de route

Réseaux mesh

IEEE802.11s Réseau ad hoc avec des nœuds de routage fixes

1 à 2Mbps Usagers sont connectés aux APs via des liens sans fils et

les APs sont liés entre eux via des liens sans fils aussiMême fréquences ou pas

T. Chahed – 05/2012130

Même fréquences ou pas Peuvent couvrir une zone géographique étendue sans faire

appel aux câbles Routage:

HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) Combinaison de AODV + RM-AODV (Radio Metric-

AODV) RA-OLSR (Radio Aware-OLSR)

Réseaux de capteurs

Réseaux mesh ad hoc Des protocoles plus simples et qui consomment moins

d’énergie Nouveau défis en terme de taille

Hardware, Software, EnergieUn exemple

T. Chahed – 05/2012131

Un exemple Smart Dust Berkely motes (TinyOS and Tiny protocol)

Standards ZigBee WiBree (Nokia)

10m à 1Mbps 6LowPAN (IETF)

WiMAX

IEEE802.16 MAN sans fil haut débit Couverture de l’ordre de 50 km

134 Mbps pour Line-Of-Sight (LOS)

T. Chahed – 05/2012132

134 Mbps pour Line-Of-Sight (LOS) version originale

75 Mbps pour Non-LOS version a

Version d Introduit la portabilité WiMAX

IEEE802.16e

Mobilité 5 classes de QoS

UGS (Unsolicited Grant Service)rtPS (real-time Packet Service)

T. Chahed – 05/2012133

rtPS (real-time Packet Service) Extended rtPS (ErtPS) nrtPS (non-rtPS) Best-effort

Autres versions 802.16f

Réseaux mesh 802.16j

Mobile Multihop Relay (MMR) Trois types de relais: fixe, nomade et mobile

T. Chahed – 05/2012134

802.16m Convergence du WiFi, WiMAX et 4G (OFDMA+MIMO) Gigabit WIMAX

1 Gbps (dans le lien descendant, mode nomade) ,100Mbps en mode mobile

Expérimentée par NTT DoCoMo 5Gbps pour un usager mobile à 10km/h 12 antennes réceptrices + traitement de signal avancé

… et chez les opérateurs

LTE (Long Term Evolution) 4G

High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) Super3G

T. Chahed – 05/2012135

Super3G

Une nouvelle interface radio OFDMA dans le lien descendant et Single Carrier

(SC-FDMA) dans le lien montant Convient au MIMO

Wi-RAN

IEEE802.22 Pour les zones rurales et/ou éloignées

Couverture jusqu’à 100 Km

Sur les bandes de fréquence non-licenciées

T. Chahed – 05/2012136

Sur les bandes de fréquence non-licenciées allouées à la télévision Sans nuire aux signaux de la télévision La radio cognitive pour détecter et mesurer le spectre

Détecter la présence ou pas de signaux dits primaires Une performance flexible adaptative Une coexistence sans interférences entres les services

Références

IETF : www.ietf.org ITU : www.itu.ch IEEE : www.ieee.org 3GPP

T. Chahed – 05/2012137

3GPP Notes de cours, G. Hébuterne Les réseaux, G. Pujolle Notes de cours, J. Virtamo Papiers/présentations par T. Bonald, A. Proutière