congestion control in high speed networks (in french)

8/14/2019 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.

100 Kb/s 50Kb/s 100 Kb/s

80 Kb/s

50 Kb/s

50 Kb/s


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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


Physique

On voit le rseau comme tant une bote blanche

Contr

lede

flux


Physique


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


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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Rsultats Obtenus


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Nadir BOUCHAMA Dcembre 2005 36 Nadir BOUCHAMA Dcembre 2005

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.

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