Qualit

1
Qualité de servicesur un réseau hybrideet
adaptation de flux hiérarchiquessur un réseau
actif
Laboratoire dInformatique de lUniversité de
Franche-Comté

• David FUIN
• http//lifc.univ-fcomte.fr/fuin/
• fuin_at_lifc.univ-fcomte.fr

2
Contexte (1/3)

• Intérêt des réseaux actifs
• Différents points de vue
• Déploiement des réseaux actifs
• réseau dexpérimentation
• à petite échelle
• à plus grande échelle ABone
• au sein des réseaux actuels
• ? hétérogénéité accrue des réseaux

3
Contexte (2/3)

• la QoS de bout en bout est égal au maillon faible
  de la chaîne

A
B
4
Contexte (3/3)

• Vidéo à la demande - Stockage des vidéos
• ? codage hiérarchique
• Client léger (PDA, téléphone)
• codec adéquat (-)
• manque de ressources de calcul ()
• ? besoin de transcoder la vidéo
• agrégation distribuée des couches d un flux
  vidéo hiérarchique sur un réseau actif

5
Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

6
Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

7
QoS dans les réseaux  traditionnels 

• Plate-forme de test

Cisco 1605-R Linux Debian linux v3.0r1 (sid)
kernel 2.4.20
8
Architecture d un routeur QoS(1/3)

• ? Classification (IPs, ports, protocoles)
• ? routage vers une interface de sortie

9
Architecture d un routeur QoS(2/3)

• ? gestionnaire des files d attente et
  ordonnanceur

10
Architecture d un routeur QoS(3/3)

• ? sous-files (software)
• ? file principale (hardware)

11
Priorité forte PQ / PRIO

• Cisco 4 files
• Linux n files
• Trafic interactif / Urgence

Site
12
Partage équitable (W)FQ / SFQ

• Cisco jusquà 4096 files (plus équitable)
• Linux jusquà 1024  files  (plus rapide)
• Répartition

13
Réservation de bande passante WFQ, RED (RSVP) /
HTB, CBQ

• Vidéo, VoIP...
• WFQ/RSVP (IntServ)

14
Réservation de bande passante WFQ, RED (RSVP) /
HTB, CBQ

• Paramétré automatiquement
• RED/RSVP (IntServ) WFQ/RSVP (IntServ)

15
Réservation de bande passante WFQ, RED (RSVP) /
HTB, CBQ

• HTB paramètré automatiquement
• CBQ  endort  l interface
• Le paramétrage doit être ajusté

16
Priorité statistique CQ, WFQ, RED (DiffServ) /
GRED

• Priorité  faible 
• CQ
• byte-count ?  arrondi  au paquet près
• résultat dépend de la taille des paquets
• 4 files
• WFQ, RED (DiffServ) automatique
• 8 classes
• GRED
• 16 files peu de différentiation

17
Priorité statistique CQ, WFQ, RED (DiffServ) /
GRED

• Priorité maxi vs mini
• WFQ (DiffServ) RED (DiffServ)
• ? mieux pour MPEG ? paramètrable

18
Pour aller plus loin SNMPévolution des files
du routeur
FIFO
(W)FQ
19
Bilan QoS traditionnel (1/2)

• Cisco
• préconfiguré
• figé
• linux
• plus complexe
• plus configurable
• combinable

20
Bilan QoS traditionnel (2/2)

• cohérence
• ? mêmes  type  d algorithme
• ? implémentations différentes (nbre de files)
• ? paramétrages différents
• ? comportements différents

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Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

22
QoS dans les réseaux actifs

• Au niveau du nœud actif (approche classique)
• modification des nœuds actifs
• un champ à ajouter aux protocoles existants
• Premiers résultats avec ANTS
• Au niveau protocole (approche réseau  actif )
• modification des protocoles

23
QoS au niveau nœud actif Priorité forte PQ
 actif 

• Classe 1 prioritaire sur la classe 2
• paquets reçus paquets perdus

24
QoS au niveau nœud actif Partage équitable
FQ  actif 

• Partage équitable entre les 3 flux
• paquets reçus paquets perdus

25
QoS au niveau nœud actif Priorité statistique
WFQ  actif 

• Forte congestion
• classe 1 70 classe 2 20 classe 3 10
• paquets reçus paquets perdus

26
QoS au niveau protocoleUn exemple (1/2)

• Diffusion de vidéo MPEG sur un réseau actif
  (INRIA/LaBRI)
• Group of pictures IBBPBBPBBPBBPBB
• Les frames I sont essentielles aux rendus de
  toutes les images du GoP
• Les frames P ont besoin de la frame I et des
  frames P précédentes du GoP
• Les frames B sont encore moins importantes

27
QoS au niveau protocoleUn exemple (2/2)

• QoS dépendant de la sémantique
• frames I  jamais  détruites
• frames P détruites si
• une P précédente a été détruite
• ou forte congestion
• frames B détruites si
• une P précédente a été détruite
• ou congestion plus faible

28
QoS dans les réseaux actifsBilan (1/3)

• 2 politiques
• au niveau des nœuds actifs
• premiers résultats (en développement)
• au niveau des protocoles

29
QoS dans les réseaux actifsBilan (2/3)

• Au niveau du nœud actif (approche classique)
• ? proche de la QoS des réseaux traditionnels
• ? un champ à ajouter aux protocoles existants
• ? politique  par défaut  pour les autres
• ? modification de tous les nœuds
• ? administrateur

30
QoS dans les réseaux actifsBilan (3/3)

• Au niveau protocole (approche  active )
• ? définie par lutilisateur
• ? adaptée au contenu
• ? déployée automatiquement sur les nœuds
• ? uniquement les protocoles l implémentant
• ? favorise les autres protocoles
• ? fonctionnement  intelligent  très différent
  de la QoS dans les réseaux traditionnels

31
Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

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Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
hybrides (1/2)

• Comment assurer une QoS de bout en bout?

A
B
33
Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
hybrides (2/2)

• Algorithmes similaires
• ? Cisco
• ? Linux
• ? Réseaux actifs  niveau nœud 
• ? Réseaux actifs  niveau protocole 
• Besoin d une architecture pour assurer la
  cohérence

34
Architecture du service QoS
?
?
?
?
35
Qualité de service dans un réseau hybride

• Différents algorithmes
• Différents modes de paramétrage
• Différentes efficacités
• Besoin de cohérence
• pour les flux actifs
• pour les flux non actifs
• Service QoS reste à développer

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Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

37
Contexte

• Vidéo à la demande - Stockage des vidéos
• ? codage hiérarchique
• Client léger (PDA, téléphone)
• codec adéquat (-)
• manque de ressources de calcul ()
• ? besoin de transcoder la vidéo

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Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

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Vidéo à la demande

• Offre de vidéos (clips, films, journaux
  télévisés)
• Plusieurs qualités disponibles (satisfaction)

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Codage hiérarchique (1/3)

• Avantages
• plusieurs couches dans un seul fichier
• une couche de base
• n couches d améliorations successives
• ?
• n1 qualités

41
Codage hiérarchique (2/3)
42
Codage hiérarchique (3/3)

• Avantages (suite)
• plusieurs niveaux de qualités pour un espace de
  stockage réduit
• multicast adapté aux clients (non traité ici)
• Inconvénients
• utilisation des ressources de calcul importante
  ()
• faible disponibilité de codecs (-)

43
Réseaux actifs

• Utilisation dANTS (Active Network Transport
  System)
• ? Extension des possibilités dANTS
• Mesure
• QoS
• files d attente des routeurs
• utilisation du CPU...

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Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

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Objectifs (1/2)

• Rendre possible l affichage de vidéos
  hiérarchiques sur clients légers
• Une approche distribuée (vs proxys)
• Utiliser les ressources réseaux pour cette tâche
  (nœuds actifs)
• Trois opérations
• sélection des couches
• agrégation des couches
• gestion des ressources.

46
Objectifs (2/2)

• Plusieurs stratégies possibles
• orientée qualité de vidéo perçue,
• ?orientée économie de bande passante,?
• orientée maximisation du nombre de clients,
• ?orientée client léger,? (minimum de
  traitement sur le client)
• ?topologie du réseau inconnue?
• ...

47
Sélection des couches

• Selon la qualité de la vidéo souhaitée.
• Inutile d envoyer des couches sur le réseau qui
  ne seront pas utilisées dans la restitution de la
  vidéo.
• Il faut filtrer au plus tôt les couches inutiles

48
Agrégation des couches

• Agrégation des couches reçues selon la qualité
  souhaitée
• Les ressources des autres routeurs sont inconnues
• ? Dès quun routeur a suffisamment de
  ressources, on y agrège une partie du flux.
• (pas d équilibrage de charge)

49
Gestion des ressources

• Les traitements ne doivent pas porter atteinte au
  fonctionnement des autres flux.
• Il faut donc
• partager l utilisation du CPU avec les autres
  protocoles (en limitant l utilisation des
  ressources de calcul).
• partager la bande passante (en diminuant le
  nombre de couches du flux en cas de congestion).

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Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

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Fonctionnement (1/5)

• Requête
• vidéo souhaitée
• qualité souhaitée
• caractéristiques (CPU, codecs supportés)
• analyse de la bande passante
• marquage de Rn

Nombre de couches
52
boolean evaluate (Node n) if
(n.bandwidthAvailable lt ourBandwidthLimit)
makeServerDecreaseVideoQuality() //
Congestion if (this.alreadyDone) return
n.routeForNode(this,getDst()) // paquet
déjà traité else
// paquet non-traité if (n !
lastNode) if (n.resourcesCPUAvailableltlimi
t) // Pas le dernier nœud return
n.routeForNode(this,getDst()) // CPU trop
chargé else this.AggregateAllLayer
s() // On traite le paquet
this.alreadyDonetrue return
n.routeForNode(this,getDst()) else
if (n.resourcesCPUAvailableltlimit)
// Dernier routeur this.AggregateOnlyBasic
Layer() // Dernier routeur surchargé
this.alreadyDonetrue //
on agrège que la couche de
makeServerDecreaseVideoQuality() // base
return n.routeForNode(this,getDst())
else //
Dernier routeur a this.AggregateAllLayers(
) // suffisamment de ressources
this.alreadyDonetrue //
on agrège donc toutes les return
n.routeForNode(this,getDst()) // couches

53
Fonctionnement (3/5)

• Dans les réseaux non-actifs un flux par couche
• Multicast (qualités différentes suivant les
  clients).
• QoS (type DiffServ) selon la couche.
• ...

54
Fonctionnement (4/5)

• localisation de l agrégation? Tampon (délai?)?

55
Fonctionnement (5/5)

• traitement des images indépendant si
• 1 image est contenue dans 1 seul paquet ?toutes
  les couches utilisent le même flux
• (pas de frames P,B seulement des I)
• Les avantages précédents sont conservés
• multicast évolué peut-être reproduit
• QoS adaptée au niveau protocole

56
Paquet actif transportant une image encodée
hiérarchiquement

• Un paquet contient toutes les couches d une
  image
• Exemple d un paquet contenant une image encodée
  en 3 couches

57
QoS pour flux hiérarchiqueAlgorithme

• S il n y a pas de congestion
• Le paquet est envoyé intact
• S il y a une congestion de  niveau  1
• On supprime 1 couche du paquet
• ...
• S il y a une congestion de  niveau  n
• On supprime n couches du paquet
• Si la congestion est très forte
• On supprime le paquet

58
QoS pour flux hiérarchiqueBilan

• ? QoS permettant un traitement des couches
  importantes statistiquement meilleur
• ? QoS  intelligente  tenant compte de la
  sémantique des données
• ? Pas de réservation de bande passante possible
• ? Pas encore d expérimentation

59
Gestion des ressources (1/3)

• CPU
• si un routeur est surchargé alors il  laisse
  passer  les paquets
• s ils sont tous surchargés, alors ils arrivent
  sur Rn non-traités
• si Rn n a pas suffisamment de ressources, il
  n agrège que ce qu il peut
• une couche de moins,
• ...
• la couche de base,
• rejet du paquet.

60
Gestion des ressources (2/3)

• CPU
• si la situation persiste, alors, Rn contacte le
  filtre du serveur vidéo pour baisser le nombre de
  couches
• réduction de la qualité
• réduction de la bande passante utilisée
• diminution des traitements sur chaque routeur.
• On aimerait ce fonctionnement au niveau protocole

61
Gestion des ressources (3/3)

• Bande passante
• si une file d attente sature, alors on contacte
  le filtre du serveur vidéo afin de baisser le
  nombre de couches envoyées
• réduction de la qualité
• réduction de la bande passante utilisée
• diminution des traitements
• Tous les routeurs précédents sont reconfigurés
  afin de quils suppriment une couche sur les
  paquets déjà envoyés.

62
Plan de lexposé

• Qualité de service dans un réseau hybride
• QoS dans les réseaux  traditionnels 
• QoS dans les réseaux actifs
• Vers une cohérence de la QoS dans les réseaux
  hybrides
• Adaptation d un flux hiérarchique sur un réseau
  actif.
• Vidéo à la demande et codage hiérarchique
• Objectifs de notre protocole
• Fonctionnement de notre protocole
• Simulation et premiers résultats.

63
Simulation (n3)

• Essai 1 10 flux hiérarchiques
• Essai 2 20 flux
• Essai 3 30 flux?Rn reçoit des paquets
  non-traités
• Essai 4 30 flux après baisse d une couche

64
Développement en cours (1/2)

• Tests des algorithmes de QoS  active  dans un
  environnement plus réaliste
• ? Implantation et tests de la QoS pour les flux
  hiérarchiques
• Implantation et tests de la gestion du Multicast
  (avec des qualités différentes suivant les
  clients)
• implantation du protocole complet
• ANTS ? Tamanoir?

65
Développement en cours (2/2)

• Implanter les autres politiques de distribution
  des calculs notamment
• permettre le choix des nœuds actifs utilisés en
  fonction de  tarifs  par exemple,
• permettre une répartition plus uniforme de charge

66
Limitation de débit GTS / TBF, HTB

• TBF global paramètres à ajuster
• GTS / HTB par classe
• token bucket

67
QoS au niveau nœud actif Priorité statistique
WFQ  actif 

• Environnement peu stressé
• classe 1 70 classe 2 20 classe 3 10
• paquets reçus paquets perdus

68
QoS au niveau protocole Bilan

• ? Tenant compte de la sémantique des données
• ? QoS  intelligente 
• ? Approche totalement différente des approches
  sur réseaux traditionnels
• Un autre exemple plus loin

69
Perspectives (1/3)

• Amélioration du simulateur
• plus réaliste
• ? NS2 Panama
• ? JavaSim esib-anet
• prenant en compte la bande passante
• basé sur un modèle de files d attente

70
Perspectives (2/3)

• Amélioration de la QoS détection sur chaque
  routeur actif du retard des paquets. Deux
  politiques possibles
• curative suppression des paquets qui devraient
  être arrivés,
• préventive
• suppression de couches en fonction du retard,
• suppression des paquets estimés en retard (à
  partir d une estimation du temps restant pour
  atteindre le client).

71
Perspectives (3/3)

• Gestion de la bande passante.Deux politiques
  possibles
• curative On attend la perte effective de
  paquets et on attend la notification (comme RTCP
  de RTP)
• préventive On interroge les routeurs sur le
  niveau de remplissage de leurs files
  d attenteOn peut réagir avant la perte
  effective de paquets.