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Maîtrise de la dimension temporelle de la qualité de service dans les réseaux

Thèse de doctorat Université Paris XII. Steven MARTIN. Maîtrise de la dimension temporelle de la qualité de service dans les réseaux. Directrice de thèse : Co-encadrement :. Pascale MINET Laurent GEORGE. PLAN DE LA PRESENTATION. Thèse de doctorat Université Paris XII.

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Maîtrise de la dimension temporelle de la qualité de service dans les réseaux

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  1. Thèse de doctorat Université Paris XII Steven MARTIN Maîtrise de la dimension temporelle de la qualité de service dans les réseaux Directrice de thèse :Co-encadrement : Pascale MINET Laurent GEORGE

  2. PLAN DE LA PRESENTATION Thèse de doctorat Université Paris XII •  Sujet et problématique •  Modèles considérés •  Cas monoprocesseur • Cas distribué • Exemple d’application : DiffServ/MPLS •  Conclusion et perspectives Steven MARTIN Maîtrise de la dimension temporelle de la qualité de service dans les réseaux Directrice de thèse :Co-encadrement : Pascale MINET Laurent GEORGE 1 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  3. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion PLAN DE LA PRESENTATION •  Sujet et problématique •  Modèles considérés •  Cas monoprocesseur • Cas distribué • Exemple d’application : DiffServ/MPLS •  Conclusion et perspectives 1

  4. INTRODUCTION PLAN DE LA PRESENTATION • Applications temps-réel - téléphonie sur IP •  Sujet et problématique •  Modèles considérés •  Cas monoprocesseur • Cas distribué • Exemple d’application : DiffServ/MPLS •  Conclusion et perspectives - contrôle/commande de processus industriels - jeux interactifs distribués - vidéo à la demande • Exemple : téléphonie - délai de bout-en-bout < 250 ms - variation du délai de bout-en-bout < 50 ms • L’évolution rapide des débits n’est pas une solution - surdimensionnement coûteux - surplus de bande passante rapidement utilisé - aucune assurance pour les applications temps-réel 2 1 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  5. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion INTRODUCTION • Applications temps-réel - téléphonie sur IP - contrôle/commande de processus industriels - jeux interactifs distribués - vidéo à la demande • Exemple : téléphonie - délai de bout-en-bout < 250 ms - variation du délai de bout-en-bout < 50 ms • L’évolution rapide des débits n’est pas une solution - surdimensionnement coûteux - surplus de bande passante rapidement utilisé - aucune assurance pour les applications temps-réel DIFFERENCIATION DE SERVICES / ASSURANCE DE PERFORMANCES 2

  6. PROBLEMATIQUE INTRODUCTION • Applications temps-réel - téléphonie sur IP - contrôle/commande de processus industriels - jeux interactifs distribués - vidéo à la demande • Exemple : téléphonie - délai de bout-en-bout < 250 ms - variation du délai de bout-en-bout < 50 ms • L’évolution rapide des débits n’est pas une solution Flux : séquence de paquets ayant des caractéristiques communes. - surdimensionnement coûteux - surplus de bande passante rapidement utilisé  Fournir à chacun des flux des garanties déterministes sur : - aucune assurance pour les applications temps-réel - son temps de réponse de bout-en-bout, DIFFERENCIATION DE SERVICES / ASSURANCE DE PERFORMANCES - sa gigue de bout-en-bout. 2 3 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  7. Flux : séquence de paquets ayant des caractéristiques communes.  Le temps de réponse de bout-en-bout d’un paquet comprend :  Fournir à chacun des flux des garanties déterministes sur : - un délai fixe ; - son temps de réponse de bout-en-bout, - un délai variable. - sa gigue de bout-en-bout. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion PROBLEMATIQUE 3

  8.  Le temps de réponse de bout-en-bout d’un paquet comprend : - un délai fixe ; - un délai variable. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion PROBLEMATIQUE processeur processeur 3

  9. MODELE DE RESEAU PROBLEMATIQUE • Réseau fiable. • Liens supposés FIFO (First In First Out). • Lmin ≤ délais réseau ≤ Lmax. 4 3 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  10. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MODELE DE RESEAU • Réseau fiable. • Liens supposés FIFO (First In First Out). • Lmin ≤ délais réseau ≤ Lmax. 4

  11. MODELE DE FLUX MODELE DE RESEAU • Soitτ = {τ1, τ2, … , τn} l’ensemble des n flux sporadiques. Chaque flux τi est caractérisé par : Ti , Cih , Ji , Di • Réseau fiable. instant de génération instant de prise en compte • Liens supposés FIFO (First In First Out). Ci1 Ji m 1 Ti t • Lmin ≤ délais réseau ≤ Lmax. Cih h t + Di Ciq q 4 5 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  12. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MODELE DE FLUX • Soitτ = {τ1, τ2, … , τn} l’ensemble des n flux sporadiques. Chaque flux τi est caractérisé par : Ti , Cih , Ji , Di instant de génération instant de prise en compte Ci1 Ji m 1 Ti t Cih h t + Di Ciq q 5

  13. MODELE DE FLUX MODELE D'ORDONNANCEMENT • Chaque flux spécifie deux paramètres de QoS : • Soitτ = {τ1, τ2, … , τn} l’ensemble des n flux sporadiques. Chaque flux τi est caractérisé par : Ti , Cih , Ji , Di 1) un degré d’importance (critère principal d’ordonnancement) associé à une priorité fixe. instant de génération instant de prise en compte Ci1 Les paquets sont ordonnancés selon leurs priorités fixes (ordonnancement FP non-préemptif). Ji m 1 Ti t 2) un paramètre temporel Cih permettant d’attribuer une priorité dynamique à chaque paquet. h t + Di Ciq Les paquets de même priorité fixe sont ordonnancés selon leurs priorités dynamiques (ordonnancement DP). q 6 5 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  14. Les paquets sont ordonnancés selon leurs priorités fixes (ordonnancement FP non-préemptif). Les paquets de même priorité fixe sont ordonnancés selon leurs priorités dynamiques (ordonnancement DP). Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MODELE D'ORDONNANCEMENT • Chaque flux spécifie deux paramètres de QoS : 1) un degré d’importance (critère principal d’ordonnancement) associé à une priorité fixe. 2) un paramètre temporel permettant d’attribuer une priorité dynamique à chaque paquet. 6

  15. Chaque flux spécifie deux paramètres de QoS : τi : Pi ORDONNANCEMENT FP/DP Pi1(t) 1 1) un degré d’importance (critère principal d’ordonnancement) • A chaque flux τi est assignéeune priorité fixe : Pi. associé à une priorité fixe. • A tout paquet de τi sont assignéesdes priorités dynamiques : Pih(t). Pi2(t) 2 Les paquets sont ordonnancés selon leurs priorités fixes (ordonnancement FP non-préemptif). Pi3(t) 3 2) un paramètre temporel permettant d’attribuer une priorité dynamique à chaque paquet. Pi4(t) 4 Les paquets de même priorité fixe sont ordonnancés selon leurs priorités dynamiques (ordonnancement DP). 6 7 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MODELE D'ORDONNANCEMENT

  16. Pi(t) Pi1(t) Pi2(t) Pi3(t) ORDONNANCEMENT FP/DP* • A chaque flux τi est assignéeune priorité fixe : Pi. Pi4(t) • A tout paquet de τi est assignéeune priorité dynamique : Pi(t). Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MODELE D'ORDONNANCEMENT τi : Pi ORDONNANCEMENT FP/DP 1 • A chaque flux τi est assignéeune priorité fixe : Pi. • A tout paquet de τi sont assignéesdes priorités dynamiques : Pih(t). 2 3 4 7

  17. τi : Pi • Exemples d’ordonnancement FP/DP* : FP/FIFO* et FP/EDF* ORDONNANCEMENT FP/DP Pi(t) 1 • A chaque flux τi est assignéeune priorité fixe : Pi. (τi) (τj) m m’ • A tout paquet de τi sont assignéesdes priorités dynamiques : Pih(t). 1 2 t’ t ? m ou m’ h 3 ORDONNANCEMENT FP/DP* t’ + Dj t + Di • A chaque flux τi est assignéeune priorité fixe : Pi. q 4 • A tout paquet de τi est assignéeune priorité dynamique : Pi(t). 7 8 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MODELE D'ORDONNANCEMENT

  18. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MODELE D'ORDONNANCEMENT • Exemples d’ordonnancement FP/DP* : FP/FIFO* et FP/EDF* (τi) (τj) m m’ 1 t’ t ? m ou m’ h t’ + Dj t + Di q 8

  19. ETAT DE L'ART MODELE D'ORDONNANCEMENT • Tous les flux visitent un seul et même noeud. • Exemples d’ordonnancement FP/DP* : FP/FIFO* et FP/EDF* - Flux : tâche, - Paquet : instance de tâche. (τi) (τj) • Calcul du temps de réponse pire cas : - Approche “préemptif  non-préemptif” (Tindell, Migge) - Approche “instant de démarrage au plus tard” (Tindell, George) m m’ 1 t’ t ? m ou m’ h t’ + Dj t + Di q m t Paquet moins prioritaire 8 9 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  20. Fin Début de traitement du paquet m Ci Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion ETAT DE L'ART • Tous les flux visitent un seul et même noeud. - Flux : tâche, - Paquet : instance de tâche. • Calcul du temps de réponse pire cas : - Approche “préemptif  non-préemptif” (Tindell, Migge) - Approche “instant de démarrage au plus tard” (Tindell, George) m Wi(t) t Paquet moins prioritaire 9

  21. ETAT DE L'ART RESULTATS AVEC FP/DP • Tous les flux visitent un seul et même noeud. - Flux : tâche, - Paquet : instance de tâche. • Calcul du temps de réponse pire cas : - Approche “préemptif  non-préemptif” (Tindell, Migge) - Approche “instant de démarrage au plus tard” (Tindell, George) Ci Ci m Wi(t) t Paquet moins prioritaire 9 10 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion m Wi(t) t Paquet moins prioritaire

  22. -Ji Bi(ti0) m Wi(t) t Paquet moins prioritaire Gj,i(t) = -Jl + kl·Tl Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion RESULTATS AVEC FP/DP Ci t 10

  23. Pi Ci Ti Di Flux 1 1 4 20 26 Flux 2 1 4 20 28 Flux 3 1 4 20 30 Flux 4 2 4 20 20 3 8 40 15 Flux 5 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLES 11

  24. Sous certaines hypothèses, FP/EDF domine FP/FIFO. Pi Ci Ti Di Flux 1 1 4 20 26 Flux 2 1 4 20 28 Flux 3 1 4 20 30 Flux 4 2 4 20 20 3 8 40 15 Flux 5 Région d’ordonnançabilitéavec FP/FIFO Améliorations obtenuesavec FP/EDF 12 11 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLES

  25. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLES • Sous certaines hypothèses, FP/EDF domine FP/FIFO. Région d’ordonnançabilitéavec FP/FIFO Améliorations obtenuesavec FP/EDF 12

  26. EXEMPLES ETAT DE L'ART • Sous certaines hypothèses, FP/EDF domine FP/FIFO. • Deux techniques différentes pour la déterminationdu temps de réponse pire cas de bout-en-bout : - Approche holistique (Tindell & Clark) - Network calculus (le Boudec & Thiran) • Analyse pire cas basée sur une approche par trajectoire. Région d’ordonnançabilitéavec FP/FIFO Améliorations obtenuesavec FP/EDF 12 13 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  27. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion ETAT DE L'ART • Deux techniques différentes pour la déterminationdu temps de réponse pire cas de bout-en-bout : - Approche holistique (Tindell & Clark) - Network calculus (le Boudec & Thiran) • Analyse pire cas basée sur une approche par trajectoire. 13

  28. ETAT DE L'ART MEME LIGNE DE DIFFUSION m 1 • Deux techniques différentes pour la déterminationdu temps de réponse pire cas de bout-en-bout : t - Approche holistique (Tindell & Clark) - Network calculus (le Boudec & Thiran) m q-1 q m • Analyse pire cas basée sur une approche par trajectoire. Wiq(t) 13 14 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  29. f(1) f(2) m f(q-1) f(q) m f(q) m m Wiq(t) Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MEME LIGNE DE DIFFUSION 1 0 t q-1 q 14

  30. f(1) f(1) m m Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MEME LIGNE DE DIFFUSION f(2) f(2) 1 0 t f(q-1) f(q-1) f(q) f(q) q-1 slow q f(q) f(q) 14

  31. f(1) f(2) f(2) 1 0 t f(q-1) f(q-1) f(q) f(q) q-1 slow q f(q) f(q) m 15 14 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MEME LIGNE DE DIFFUSION

  32. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MEME LIGNE DE DIFFUSION 15

  33. MEME LIGNE DE DIFFUSION EXEMPLE : FP/EDF* Approche holistique Approche par trajectoire Valeurs exactes Pi Ti Di Flux 1 Flux 1 1 30 50 Flux 2 1 30 47 Flux 3 2 30 44 Flux 2 Flux 4 3 30 39 Flux 3 Flux 4 15 16 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  34. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLE : FP/EDF* Approche holistique Approche par trajectoire Valeurs exactes Pi Ti Di Flux 1 Flux 1 1 30 50 Flux 2 1 30 47 Flux 3 2 30 44 Flux 2 Flux 4 3 30 39 Flux 3 Flux 4 16

  35. CAS GENERAL DISTRIBUE EXEMPLE : FP/EDF* Approche holistique Approche par trajectoire Valeurs exactes Pi Ti Di Flux 1 Flux 1 1 30 50 Flux 2 1 30 47 Flux 3 2 30 44 τi Flux 2 Flux 4 3 30 39 Flux 3 τj Flux 4 17 16 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  36. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion CAS GENERAL DISTRIBUE τi slowj firstj lastj τj 17

  37. τi slowj firstj lastj τj 17 18 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion CAS GENERAL DISTRIBUE

  38. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion CAS GENERAL DISTRIBUE 18

  39. MISE EN OEUVRE DES RESULTATS DiffServ 19 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion CAS GENERAL DISTRIBUE 18

  40. Best-effort FP AF EF DP* Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MISE EN OEUVRE DES RESULTATS DiffServ MPLS 19

  41. Label (20 bits) Exp (3 bits) Stack (1 bit) TTL (8 bits) label / priorité dynamique priorité fixe Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion MISE EN OEUVRE DES RESULTATS DiffServ MPLS 19

  42. EXEMPLE D'APPLICATION MISE EN OEUVRE DES RESULTATS • ClasseEF : faibles délais et faibles taux de pertes. • Aucune garantie quantitative ! - le Boudec : faible taux d’utilisation DiffServ MPLS - Gerla : garanties non déterministes • Mise en place d’un contrôle d’admission Label (20 bits) Exp (3 bits) Stack (1 bit) TTL (8 bits) label / priorité dynamique priorité fixe 20 19 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  43. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLE D'APPLICATION • ClasseEF : faibles délais et faibles taux de pertes. • Aucune garantie quantitative ! - le Boudec : faible taux d’utilisation - Gerla : garanties non déterministes • Mise en place d’un contrôle d’admission 20

  44. Le nouveau flux peut-il compromettre les garanties donnéesaux flux déjà acceptés ? • ClasseEF : faibles délais et faibles taux de pertes. oui Rejet Contrôle d’admission • Aucune garantie quantitative ! non - le Boudec : faible taux d’utilisation - Gerla : garanties non déterministes Les contraintes du nouveau fluxseront-elles satisfaites ? non Rejet • Mise en place d’un contrôle d’admission oui Acceptation 21 20 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLE D'APPLICATION

  45. oui Rejet non Les contraintes du nouveau fluxseront-elles satisfaites ? non Rejet oui Acceptation Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLE D'APPLICATION Le nouveau flux peut-il compromettre les garanties donnéesaux flux déjà acceptés ? Contrôle d’admission 21

  46. Le nouveau flux peut-il compromettre les garanties donnéesaux flux déjà acceptés ? oui Rejet Contrôle d’admission non Les contraintes du nouveau fluxseront-elles satisfaites ? non Rejet oui Acceptation 21 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLE D'APPLICATION

  47. di1 di2 di3 di4 • Quatre conditions à vérifier par le contrôle d’admission : - Condition de charge locale - Condition de charge distribuée - Condition sur les durées de séjour - Condition sur les temps de réponse de bout-en-bout Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion EXEMPLE D'APPLICATION τi (Di) Flux EF DiffServ MPLS 22

  48. EXEMPLE D'APPLICATION CONCLUSION • Applications à fortes contraintes temporelles - Degré d’importance (priorité fixe) - Paramètre temporel (priorité dynamique) τi (Di) di1 di2 di3 di4 • Etablissement de bornes mathématiquement calculables Flux EF - Temps de réponse de bout-en-bout - Gigue de bout-en-bout DiffServ MPLS • Ordonnancement FP/DP* (FP/FIFO* et FP/EDF*) - Contexte monoprocesseur • Quatre conditions à vérifier par le contrôle d’admission : - Ligne de diffusion - Condition de charge locale - Cas général distribué - Condition de charge distribuée • Mise en œuvre des résultats établis - Condition sur les durées de séjour - Architecture DiffServ/MPLS - Condition sur les temps de réponse de bout-en-bout - Contrôle d’admission pour la classe EF 23 22 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

  49. Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion CONCLUSION • Applications à fortes contraintes temporelles - Degré d’importance (priorité fixe) - Paramètre temporel (priorité dynamique) • Etablissement de bornes mathématiquement calculables - Temps de réponse de bout-en-bout - Gigue de bout-en-bout • Ordonnancement FP/DP* (FP/FIFO* et FP/EDF*) - Contexte monoprocesseur - Ligne de diffusion - Cas général distribué • Mise en œuvre des résultats établis - Architecture DiffServ/MPLS - Contrôle d’admission pour la classe EF 23

  50. PERSPECTIVES CONCLUSION • Applications à fortes contraintes temporelles • Ordonnancement - Degré d’importance (priorité fixe) - Précision de la borne / Complexité de calcul - Paramètre temporel (priorité dynamique) - FP/FIFO* vs. FP/EDF* • Etablissement de bornes mathématiquement calculables - FP/DP* vs. FP/DP - Temps de réponse de bout-en-bout - Caractérisation des scénarios pire cas - Gigue de bout-en-bout • Garanties proposées • Ordonnancement FP/DP* (FP/FIFO* et FP/EDF*) - Garanties probabilistes - Contexte monoprocesseur - Garanties de type (m,k)-firm - Ligne de diffusion - Cas général distribué - Cas général distribué • Network calculus • Mise en œuvre des résultats établis - Intégration des résultats dans l’approche Network Calculus - Architecture DiffServ/MPLS - Contrôle d’admission pour la classe EF 24 23 Présentation Modèles Monoprocesseur Cas distribué Applications Conclusion

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