La qualité de service dans les réseaux filaires et sans fils · 2018. 10. 15. · Trafic Trafic...
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La qualité de servicedans les réseaux
filaires et sans fils
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