congestion control in high speed networks (in french)
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Nadir BOUCHAMA, Dcembre 2005 1 Nadir BOUCHAMA, Dcembre 2005
cole Doctorale dInformatique
Rseaux et SystmesDistribus
ReSyD
LAboratoire de Modlisationet
dOptimisation de Systmes
LAMOS
Universit Abderrahmane Mira de Bjaa
Soutenance Publique de
THEME
Prsent par:
Nadir BOUCHAMA
Directeur de Thse:
Pr D. AISSANI
Co-Directeur de Thse:
M.C Natalia DJELLAB
Magistre
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Plan de lexpos
Introduction Panorama des rseaux haut dbitRappels, Commutation de circuits vs commutation de paquets, RNIS-LB, QoS,
Frame Relay, ATM, MPLS Technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode) Qualit de Service dans ATM Contrle de Congestion dans les rseaux haut dbitDfinition, Principe du contrle de congestion, Proprits fondamentales,
taxonomie, Evaluation de Performances des Rseaux ATMMthodes analytiques, mesures, simulation, simulation vnements discrets Etude de deux Algorithmes de Contrle dadmissionModle M/D/1 , Modle N.D/D/1 Simulation : Rsultats & Discussions Conclusion Gnrale & perspectives
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Introduction
Commutation de circuits
(RTC)
commutation de paquets
(Internet, X.25)
(a) Topologie en bus (b) Topologie en toile (c) Topologie en anneau
De limportance des rseaux
Taxonomie des rseaux
Selon la distance : LAN, MAN, WAN
Selon la topologie : Etoile, Bus, Anneau, etc
Selon le type de commutation:
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Commutation de Circuits vs Commutationde paquets
Commutation de circuits Commutation de paquets
Exemple : Rseau Tlphonique Commut
invent en 1878
Exemple : X.25 et Internet
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Multiplexage Statistique versusmultiplexage dterministe
3
3
2.5
B = 5
Connexion 3
Connexion 1
Connexion 2
Somme (S)
Dbit
Temps
7Les rseaux tlphoniques sont
utiliss pour le transfert de la voixMultiplexage dterministe
(allouer chaque connexion son dbitmaximum)
Sous utilisation du rseauLes rseaux de communication de
donnes sont utiliss pour le transfertde donnes (trafic sporadique)
Multiplexage statistique
Bonne utilisation des ressources durseau
Possibilit de congestion
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Principe de CommutationPrincipe de Commutation
Paquet arrivant
Paquet arrivant
File dattente
Commutateur
Processeur
Paquets sortants
Paquet sortant
Lien dentre
Lien de sortie
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Rseaux Haut Dbit (motivation)
Besoins de plus en plus accru en
Applications Multimdias tellesque la VoD (Video on Demand) etlAoD (Audio on Demand), lavidoconfrence, etc
Ces applications sont trsgourmandes en bande passante;
Minimiser les cots de cblage(avoir sur une mme interface unseul accs plusieurs services);
Convergence des oprateurs detlcommunications et desconstructeurs du matrielinformatique
Naissance du RNIS-BE(Rseau Numrique Intgration de Services BandeEtroite)
RNIS de premire gnration
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Le RNIS-BE offre une interface daccs unique des rseaux commutation de circuits et de paquets mais ces deux rseaux restentdisjoints
Pourquoi ne pas remplacer ces deux techniques de commutation par uneseule et obtenir rseau qui aura les avantages suivants:
Une souplesse dadaptation aux changements et aux nouveaux besoins Une efficacit dans lutilisation des ressources disponibles
Un cot plus faible dinvestissement, de fabrication, dopration et demaintenance
Naissance du Rseau Numrique Intgration de Services
Large Bande
RNIS-LB
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StandardisationMode asynchrone (ATM)
Mode de transfert asynchroneUnit de donnes : cellules
(compromis entre commutation de circuits etcommutation de paquets)
Taille fixe de la cellule : 53 octets
http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.afralti.org/images/itulogo.jpg&imgrefurl=http://www.afralti.org/&h=198&w=175&sz=7&tbnid=iBkDsH5-R70J:&tbnh=99&tbnw=87&hl=fr&start=5&prev=/images%3Fq%3Ditulogo%26svnum%3D10%26hl%3Dfr%26lr%3D -
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Qualit de Service (QoS) dans ATM
Paramtres Dlais de bout en bout
Gigue: variation des dlais
Disponibilit
Taux de perte Bande passante
Une dfinition officielle de la qualit de service(QoS) est dfinie galement dans larecommandation E.800 de lUIT [25] : La qualit de service correspond leffetgnral de la performance dun service
quidtermine le dgr de satisfaction dun
utilisateur de service.
Pour ATM, LA QoS est dfinie en terme de paramtres deQos qui sont les suivants:
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Paramtres de QoS dans ATM
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Classes de service dans ATM
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Congestion dans ATM La commutation de cellules
Si ATM a hrit de la commutation de paquets sasouplesse, elle a aussi hrit de celle-ci savulnrabilit au phnomne de congestion
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Congestion: le phnomneCongestion: le phnomneDfinition :
Etymologiquement, Congestion (en latin congestio) = accumulation On peut dfinir la congestion comme un tat de certains lments du rseaudans lequel le rseau nest plus capable de rpondre aux objectifs deperformance fixs.
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Consquence de la congestionConsquence de la congestionLa congestion est indsirable dans un rseau car elle cause:
Des dlais de bout en bout trs longs;Des pertes de paquets et par consquence des retransmissions inutiles;
Un Affaiblissement du dbit et des performances en gnral
Ncessit dun contrlede congestion
C l d C iC l d C i
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Contrle de Congestion vsContrle de Congestion vsContrle de fluxContrle de flux
TransportRseauLiaison
Physique
TransportRseauLiaison
Physique
On voit le rseau comme tant une bote blanche
Contr
lede
flux
TransportRseauLiaison
Physique
TransportRseauLiaison
Physique
C
ontr
lede
congest
ion
Le contrle de trafic est dfini comme tant :"lensemble des actions qui peuvent tre prises parle rseau pourempchertoute
congestion
Le contrle de congestion correspond aux actions qui
peuvent tre prises par le rseau pour
minimiserlintensit, ltendue, etla dure de la congestion
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Effondrement de CongestionEffondrement de Congestion
On a commenc sintresser au problme de congestion dans Internet ds lesannes 1980.
Effondrement de congestion des performance de TCP sous la version BSD UNIXde luniversit de Berkley
Raison: aucun mcanisme de contrle de congestion na t inclus dans leprotocole TCP
Deux solutions ont t proposes alors:
Congestion Control and Avoidance dans TCP (Van Jacobson et Karels)(Notification implicite)
DECBIT : Jain et Ramakrishnan(Notification explicite)
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Taxonomie des mthodes de contrledadmission
Selon le stade dintervention
Mthodes prventives:Mthodes ractives:
Mthodes hybrides
Selon la boucle utilise
Boucle ferme :
boucle ouverte
Selon la couche OSI
Liaison, transport, rseau
Selon la notification de congestion
Implicite
explicite
Selon linterventionDe bout en bout,
saut par saut
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Mythes propos de la congestionMythes propos de la congestion
La congestion est due au manque de mmoire dans lescommutateurs Le problme sera rgl quand on auraassez de mmoire
La congestion est due la lenteur des processeurs
Le problme sera rgl quand des processeurs
haute vitesse seront invents
La congestion est due aux liaisons faible dbitLeproblme sera rgl avec lavnement de la fibre
optique et des liaisons haut dbit
Dans:R. Jain. Congestion Control in Computer Networks : Issues and
Trends. IEEE Network Magazine, pages 2430, Mai 1990.
Lauteur montre quelques fausses ides propos des
solutions que lon peut apporter au problme de congestion:
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MalheureusementMalheureusement
Augmenter la tailledes buffers ne
rglera pas le
problme de
congestion
Augmenter labande passante de
ne rglera pas le
problme de
congestion
John Nagle nous montre
dans le RFC970 :On packet Switches
with Infinite Storage
(1985)
Que:
Buffers de taille infinieCongestion plus grave
Augmenter lavitesse desprocesseurs ne
rglera pas le
problme de
congestion
1.2 Go
2 Go
1 Go
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La solution ?La solution ?
Les technologies haut dbit nont fait quaggraverle problme de congestion Le renforcement dun seul lment dun systme ne permet pas damliorerfortement ses performancessimple dplacementdu problme
Le vrai problme est la diffrence de performances
De ce fait, la congestion persistera aussi longtemps que cette diffrence demeure
La solution alors.Il faut pas trop comptersur les technologies matrielles mais il faut investir dansla conception de nouveaux protocoles.
Il faut revoir la philosophie des protocoles classiques et les adapter auxcaractristiques des rseaux haut dbit
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Pire encore Pire encore
La congestion est plus ardue rsoudre dans les rseaux haut dbit:
Produit Bande passante- dlai trs grand;
Qualit de Service des applications
Application temps rel
Htrognit des services
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Contrle de Congestion dans ATMContrle de Congestion dans ATM
Contrairement Internet qui utilise un contrle de congestion ractif, ATM
prconise un contrle de congestion prventif
Contrle dadmission
(Accepter ou rejeter une connexion)
Contrle des paramtres dutilisateur
(Vrifier la conformit du trafic)
Canalisation de trafic (Trafic shaping)
(Rgulariser le trafic et supprimer les pics ventuels)
Rejet de paquets
(Minimiser leffet de la congestion)
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Evaluation de performancesEvaluation de performances
On distingue trois classes principales:
Mesures- Utilisation de moniteurs logiciels et moniteurs matriels
- Ncessitent que le systme tudier soit disponible pour tre tudi
Mthodes analytiques
Relations fonctionnelles entre les paramtres dentre du systme et le
indices de performances
Exemples: Files dattente
SimulationUtilisation de loutil informatique
- Paradigme le plus connu : Simulation vnements discrets
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Files dAttenteFiles dAttente
ServeurFile dattenteClients
Une file dattente peut tre dcrite laide de la notation de Kendall:
A/B/n/K/N
A : Loi des arrives (Poisson, Dterministe, etc)
B : Dure de service (exponentielle, Dterministe, etc)
n: Nombre de serveurs
K: Taille de la file
N : Politique de service (FIFO, RANDOM,LIFO,etc)
Dpart
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Exemple : File dattente M/D/1M : loi des arrives est la loi de Poisson
O : lambda : intensit du trafic
D: Temps de service dterministe
1 : nombre de serveurs gal 1
Taille de la file infinie
Politique de service : FIFO
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Simulation vnements discretsSimulation vnements discrets
1 2 1
vnementsDure entre 2 arrives
Axe du temps
Arrive du client #1 + entre en service
Dpart du client #1
Arrive du client #2 + mise en file
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Simulation dune file M/D/1
Fixer la paramtre dentre : Temps de simulation, taux darrive
lambda et taux de service muGnrer un v.a selon une loi normale
(plusieurs gnrateurs alatoires existent dans la litrature rand())
Gnrer les vnements: (mthode dinversion)
Exemple de simulationExemple de simulation
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Exemple de simulationExemple de simulation(volution de la taille de la file dattente)(volution de la taille de la file dattente)
Temps de service = 2.83 milli seconde
Lambda = 0.33 Mu = 0.35 Temps Simulation = 1000
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Contrle dadmission
Algorithme bas sur un modle M/D/1
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Algorithme bas sur un modle M/D/1(Call Level)
CAC
hi
Une connexion est admise si on a:
CLPi
Adquat pour un trafic VBR (vido
compresse)Chaque connexion i est caractrise par
* son dbit crte Hi
* son taux de perte CLP i
Capacit (bande passante) du lien desortie gale C (gnralement 155.52Mo/s)
x
O
KNO
?
Fonction
CAC
CHARGE ADIMISSIBLE
Algorithme bas sur un modle M/D/1
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Algorithme bas sur un modle M/D/1(Cell Level)
Problme : Comment estimer la chargeadmissible ?
Mthode analytique exacteMthode analytique Approximative
Simulation
l i h b dl / /
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Algorithme bas sur un modle N.D/D/1
Algorithme bas sur un modle N.D/D/1
Adquat pour un trafic CBR (exemple Voix et vido noncompresse)
Temps de service dterministe
Un seul serveur
N sourcesParamtres dune connexion:
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Algorithme bas sur un modle N.D/D/1
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Rsultats Obtenus
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Conclusion Gnrale & Perspectives
Dans un rseau intgration de services, un mcanisme de contrle de
congestion prventifdoit tre inclus
Le contrle ractif nest pas exclu mais est utilis pour minimiser lintensit, ladure, et ltendue de la congestion;
Cependant, TCP doit tre modifi pour sadapter aux rseaux haut dbit;
Le contrle dadmission est lexemple le plus simple du contrle prventif;
Dans notre travail, nous avons fait une tude comparative entre deuxalgorithmes de contrle dadmission
Nous avons utilis la simulation par vnements discrets pour tablir des tablesde recherche qui seront utilises par la fonction CAC
Comme perspectives, il serait intressant dtendre notre tude pour inclure les
mcanismes dquilibrage de charge. Il serait aussi intressant dtudier de faon plus dtaille les amliorations
apportes au protocole TCP dans les rseaux liaisons satellitaires.