Title: Th
1Théorie de Réseaux de Files dAttente
- Ramon Puigjaner
- Universitat de les Illes Balears
- Palma, Espagne
Université Paul Sabatier. Toulouse
2INDICE
- Introduction
- Types de réseaux
- Méthodes analytiques exacts
- Méthodes approchées
3THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Introduction
- Types de réseaux
- Méthodes analytiques exacts
- Méthodes approchées
4THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Introduction
- La performance des systèmes informatiques est
caractérisée par plusieurs points de congestion à
cause du partage des différentes ressources. - Il est trop restrictif et simpliste de
représenter la performance du système par une
seule station. - Il faut modeler explicitement les différents
points de congestion du système. Le modèle
résultant est un réseau de files dattente.
5THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Introduction
- Formellement un réseau de files d'attente est un
graphe orienté dont les nœuds sont les stations
de service. Les arcs entre ces nœuds indiquent
les transitions possibles des clients entre
stations de service. - Les temps de transit entre stations sont toujours
nuls. - Les clients que circulent à travers le réseau
peuvent être de classes différentes.
6THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Introduction
- Types de réseaux
- Méthodes analytiques exacts
- Méthodes approchées
7THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Types de réseaux
- Réseau monoclasse Tous les clients ont le même
(aléatoire) comportement. Tous les clients sont
(statistiquement) indistinguibles. - Réseau multiclasse Les clients de différente
classe ont différentes caractéristiques de temps
de service et/ou de parcoure à travers le réseau.
Tous les clients dune même classe sont
(statistiquement) indistinguibles
8THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Types de réseaux
- Réseaux ouverts. Elles sont caractérisées par
- l'existence dune source de clients, au moins
- l'existence dun puits de clients, au moins
- la possibilité de trouver un chemin que, à partir
de chaque nœud, mène (éventuellement) hors du
réseau. - El nombre de clients est inconnu et varie avec
le temps. - La productivité ou débit (throughput) est connu
et égal à la fréquence darrivée au système, si
le système est stable.
9THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Types de réseaux
- Réseaux fermés. Les clients ni entrent ni
sortent, et donc, son nombre est constant. On
peut considérer comme si la sortie était
connectée à lentrée. Le débit de clients à
travers la connexion "sortie-entrée'' définit la
productivité du réseau fermé. - Réseaux mixtes. Dans un réseau avec multiples
classes de clients, il est possible que la réseau
soit ouvert pour un type de clients et fermé pour
un autre.
10THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Types de réseaux réseau ouvert
11THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Types de réseaux réseau fermé
12THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Types de réseaux réseau mixte
13THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Introduction
- Types de réseaux
- Méthodes analytiques exacts
- Méthodes approchées
14THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- N, stations de service.
- C, classes de clients, que peuvent changer de
classe quand ils passent dune station à une
autre. - Routage probabiliste pi,cj,d probabilité quun
client de classe c quand il sort de la station i
sen aille à la station j en classe d. - La matrice P pi,cjd est la matrice de
routage. Un client quitte la réseau avec
probabilité
15THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- (i,c), état du client.
- Lensemble des états des clients forme un ou
plusieurs sous-ensembles disjoints (o
sous-chaînes) deux états de client appartiennent
à la même sous-chaînes sil et a une probabilité
non nulle quun client puisse passer par ces deux
états pendant sa vie dans le réseau. - Sous-chaînes E1, E2, , EK (K ³ 1)
- ouvertes
- fermées
16THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- S état du réseau
- M(S) nombre de clients dans létat S
- M(S, Ek) nombre de clients dans la sous-chaîne
Ek, quand le réseau est à létat S.
17THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Arrivées externes générées par des processus de
Poisson - indépendants de létat du système
- dépendants de létat du système à travers le
nombre de clients quil y a dans le réseau,
lM(S). Une arrivée va à la station i en classe
c avec probabilité p0,ic - dépendants de létat du système par m processus
de Poisson, un par sous-chaîne, de fréquence
lM(S,Ek). Une arrivée à la k-ème sous-chaîne va
à la station i en classe c avec probabilité p0,ic
18THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Quatre types de stations de service
- type 1.
- Un seul canal
- Temps de service réparti exponentiellement, de
temps moyen 1/mi Fi(mi), identique pour toutes
les classes, avec mi (mi mi1 mi2 miC),
nombre de clients - Discipline de la file, FIFO.
- Fi(mi), capacité du serveur avec Fi(1) 1 (nous
pouvons réprésenter serveurs múltiples en faisant
Fi(mi) min(mi, ni), où ni est le nombre maximum
de serveurs).
19THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Quatre types de stations de service
- type 2.
- Un seul canal
- Discipline de service serveur partagé
- Chaque classe de client a une distribution des
temps de service, différente et arbitraire et
avec transformée de Laplace rationnelle (ou avec
distribution coxienne) - La capacité du serveur peut être fonction du
nombre de clients, Fi(mi).
20THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Quatre types de stations de service
- type 3.
- Nombre de canaux plus grand ou égal que le
nombre maximum de clients - Chaque classe de client a une distribution des
temps de service, différente et arbitraire et
avec transformée de Laplace rationnelle (ou avec
distribution coxienne)
21THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Quatre types de stations de service
- type 4.
- Un seul canal
- Discipline de la file LIFO avec interruption
provoquée par le dernier client en arriver - Chaque classe de client a une distribution des
temps de service, différente et arbitraire et
avec transformée de Laplace rationnelle (ou avec
distribution coxienne) - La capacité du serveur peut être fonction du
nombre de clients, Fi(mi).
22THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Etat du réseau S défini par le vecteur
- (S1, S2, , SN)
- Si (mi1, mi2, , miC)
23THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Suposition que le système atteint un régime
stationnaire de probabilités des états p(S) - Équations dequilibre
- Équation de normalisation
24THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Equations de l'équilibre du débit dans le réseau
- Si le réseau est ouvert, on peut le résoudre sans
difficulté puisque quelque p0,jd est non nulle. - Si le réseau est fermé, toutes les p0,jd sont
nulles système déquations homogène il faut
trouver une des infinies solutions différente
celle qui est identiquement nulle.
25THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- G constante de normalisation pour que l'addition
de toutes les probabilités détat soit égal à 1. - Si le système est fermé, le nombre détats du
système est fini et le problème est numérique. - Si le système est fermé, le nombre détats du
système est infini et le problème est analytique.
26THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- d(S) est une fonction telle que si la réseau est
fermé elle vaut 1 et si la réseau est ouvert vaut - si la fréquence darrivée dépend de M(S),
- si la fréquence de arrivée à chaque sous-chaîne
dépend de M(S,Ek)
27THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Les fonctions gi(Si) valent
- si la station est de type 1
- si la station est de type 2 ó 4
28THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes analytiques exacts Théorème de BCMP
- Las fonctions gi(Si) valent
- si la station est de type 3
29THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
- Réseau fermé
- N stations
- M clients, tous de la même classe
- Etat du réseau m (m1, m2, , mN),
- mi est le nombre de clients dans la station i
- m1 m2 mN M
- pij probabilité de routage
30THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
- mi, capacité de service que peut dépendre du
nombre de clients k, mi(k) - si, temps moyen de service si le service est
indépendant de la charge, si 1/mi. - Théorème de BCMP réduit à l'énoncé par Gordon et
Newell
31THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
- si la station i a un service indépendant de la
charge
32THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
- Equations de l'équilibre du débit dans chaque
station - G(M) est la constante de normalisation
33THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
- Nombre total détats
- fonction auxiliaire
-
- avec G(M) gN(M) et G(m) gN(m).
34THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
35THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
- Si la capacité de service est indépendante du
nombre de clients dans la station - fn(k) (en sn)k Xnk Xn fn(k - 1)
36THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
37THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithme de Buzen
- Initialisation
-
- pour m 0, 1, , M, et
- gn(0) 1, pour n 1, 2, , N
38THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Variables opérationnelles
- Probabilités
39THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Variables opérationnelles
- Probabilités
40THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Variables opérationnelles
- Probabilités
- Variables opérationnelles Utilisation
41THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Variables opérationnelles
- Variables opérationnelles Productivité
42THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Variables opérationnelles
- Variables opérationnelles Longueur de file
43THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Variables opérationnelles
- Variables opérationnelles Longueur de file
44THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Variables opérationnelles
- Variables opérationnelles Temps de réponse
45THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Algorithmes exacts
- Méthode de convolution est l'extension de
lalgorithme de Buzen aux réseaux BCMP - Analyse de la valeur moyenne
46THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
- vecteur del nombre total de clients de chaque
classe - vecteur de zéros partout sauf à la c-ième
composante - nombre moyen de clients dans la station i quand
il y a de un client moins de classe c dans la
réseau
47THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
- Pour des stations de service de types 1, 2 et 4
- Pour des stations de service de type 3
- Vic le nombre moyen de visites à la station i des
clients de classe c
48THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
49THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
- Exemple
50THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
- Exemple
- 11 21 31 12 22 32 sic
- 11 0 0.5 0.5 0 0 0 1
- 21 1 0 0 0 0 0 1
- 31 1 0 0 0 0 0 2
- 12 0 0 0 0 1 0 2
- 22 0 0 0 1 0 0 1
- 31 0 0 0 0 0 0 2
51THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
- Exemple
- V11 1 V21 0.5 V31 0.5
- V12 1 V22 1 V32 0
52THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
- Exemple
- Pas 1 m1(0,0) m2(0,0) m3(0,0) 0
- Pas 3 R11(1,0) 1
- R21(1,0) 1
- R31(1,0) 2
- Pas 4 l1(1,0) 1/(1 1 1 0.5 2 0.5)
0.4 - Pas 5 m1(1,0) 0.4
- m2(1,0) 0.2
- m3(1,0) 0.4
53THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes de calcul Analyse de la valeur moyenne
- Exemple
- Pas 3 R11(2,0) 1 (1 0.4) 1.4
- R21(2,0) 1 (1 0.2) 1.2
- R31(2,0) 2 (1 0.4) 2.8
- Pas 4 l1(2,0) 2/(1.4 1 1.2 0.5 2.8
0.5) 0.588 - Pas 5 m1(2,0) 0.588 1.4 1 0.824
- m2(2,0) 0.588 1.2 0.5 0.353
- m3(2,0) 0.588 2.8 0.5 0.824
54THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Pas 3 R11(2,0) 1 (1 0.4) 1.4
- R21(2,0) 1 (1 0.2) 1.2
- R31(2,0) 2 (1 0.4) 2.8
- Pas 4 l1(2,0) 2/(1.4 1 1.2 0.5 2.8
0.5) 0.588 - Pas 5 m1(2,0) 0.588 1.4 1 0.824
- m2(2,0) 0.588 1.2 0.5 0.353
- m3(2,0) 0.588 2.8 0.5 0.824
55THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Pas 3 R12(0,1) 2
- R22(0,1) 1
- R32(0,1) 2
- Pas 4 l2(0,1) 1/(2 1 1 1 2 0) 0.333
- Pas 5 m1(0,1) 0.667
- m2(0,1) 0.333
- m3(0,1) 0
56THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Pas 3 R12(0,2) 2 (1 0.667) 3.333
- R22(0,2) 1 (1 0.333) 1.333
- R32(0,2) 2 (1 0) 2
- Pas 4 l2(0,2) 2/(3.333 1 1.333 1 2 0)
0.429 - Pas 5 m1(0,2) 0.429 3.333 1 1.429
- m2(0,2) 0.429 1.333 1 0.571
- m3(0,2) 0.429 2 0 0
57THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Pas 3 R11(1,1) 1 (1 0.667) 1.667
- R21(1,1) 1 (1 0.333) 1.333
- R31(1,1) 2 (1 0) 2
- R12(1,1) 2 (1 0.4) 2.8
- R22(1,1) 1 (1 0.2) 1.2
- R32(1,1) 2 (1 0.4) 2.8
- Pas 4 l1(1,1) 1/(1.667 1 1.333 0.5 2
0.5) 0.3 - l2(1,1) 1/(2.8 1 1.2 1 2.8 0)
0.25 - Pas 5 m1(1,1) 0.3 1.667 1 0.25 2.8 1
1.2 - m2(1,1) 0.3 1.333 0.5 0.25 1.2 1
0.5 - m3(1,1) 0.3 2 0.5 0.25 2.8 0 0.3
58THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Pas 3 R11(2,1) 1 (1 1.2) 2.2
- R21(2,1) 1 (1 0.5) 1.5
- R31(2,1) 2 (1 0.3) 2.6
- R12(2,1) 2 (1 0.824) 3.647
- R22(2,1) 1 (1 0.353) 1.353
- R32(2,1) 2 (1 0.824) 3.647
- Pas 4 l1(2,1) 2/(2.2 1 1.5 0.5 2.6
0.5) 0.471 - l2(2,1) 1/(3.647 1 1.353 1 3.647
0) 0.2 - Pas 5 m1(2,1) 0.471 2.2 1 0.2 3.647 1
1.765 - m2(2,1) 0.471 1.5 0.5 0.2 1.353 1
0.623 - m3(2,1) 0.471 2.6 0.5 0.2 3.647 0
0.612
59THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Pas 3 R11(1,2) 1 (1 1.429) 2.429
- R21(1,2) 1 (1 0.571) 1.571
- R31(1,2) 2 (1 0) 2
- R12(1,2) 2 (1 1.2) 4.4
- R22(1,2) 1 (1 0.5) 1.5
- R32(1,2) 2 (1 0.3) 2.6
- Pas 4 l1(1,2) 1/(2.429 1 1.571 0.5 2
0.5) 0.237 - l2(1,2) 2/(4.4 1 1.5 1 2.6 0)
0.339 - Pas 5 m1(1,2) 0.237 2.429 1 0.339 4.4
1 2.068 - m2(1,2) 0.237 1.571 0.5 0.339 1.5
1 0.695 - m3(1,2) 0.237 2 0.5 0.339 2.6 0
0.237
60THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Pas 3 R11(2,2) 1 (1 2.068) 3.068
- R21(2,2) 1 (1 0.695) 1.695
- R31(2,2) 2 (1 0.237) 2.474
- R12(2,2) 2 (1 1.765) 5.530
- R22(2,2) 1 (1 0.623) 1.623
- R32(2,2) 2 (1 0.612) 3.224
- Pas 4 l1(2,2)2/(3.0681 1.6950.52.47 0.5)
0.388 - l2(2,2)2/(5.53011.62313.2240 ) 0.280
- Pas 5 m1(2,2)0.3883.06810.2805.5301 2.737
- m2(2,2)0.3881.6950.50.2801.62 1 0.783
- m3(2,2)0.3882.4740.50.2803.2240 0.480
61THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Introduction
- Types de réseaux
- Méthodes analytiques exacts
- Méthodes approchées
62THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées
- Diffusion
- Décomposition-agrégation
- Itératives
63THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Diffusion
- Réseau avec N stations dun seul canal avec
- Distribution générale de temps de service avec
moyenne, mi, et coefficient quadratique de
variation Ksi2. - Probabilité de transition pij, indépendante de
létat du système. - Fréquence darrivée l0 avec coefficient
quadratique de variation des temps entre arrivées
K02. - Probabilité darrivée p0i et de sortie pj(N 1).
64THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Diffusion
- Supposition que la probabilité détat a forme de
produit. - Processus darrivée et sortie
- Pour appliquer la formule de diffusion il faut
connaître le processus darrivée li et Kai2 et le
temps de service si mi-1 et Ksi2. - li et Kai2 sont déterminées à partir des
processus de sortie des autres stations et du
processus de arrivée.
65THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Diffusion
- Processus de sortie de la station i.
- Pendant les périodes d'occupation, la fréquence
de sortie est mi et le coefficient quadratique de
variation Ksi2. Mais la station est occupée
seulement avec probabilité ri. - Fréquence moyenne de sortie, ri mi
- Variance des sorties, ri Ksi2 mi
66THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Diffusion
- Processus darrivée à la station i.
- Superposition des processus de sortie.
-
67THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Diffusion
- Réseaux ouverts.
- Fréquence darrivée à la station i
- li l0 ei
- ri eil0mi-1
68THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées
- Diffusion
- Décomposition-agrégation
- Itératives
69THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Décomposition-agrégation
- Remplacement dun groupe déléments par un
élément synthétique que reproduise son
comportement. - En générale, on cherche des groupes déléments
qui aient tous une dynamique similaire et que les
clients circulent avec une grande probabilité
entre eux et avec faible probabilité avec les
éléments externes à lensemble considéré.
70THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Décomposition-agrégation
- Réseau BCMP avec une seule station non-BCMP
71THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Décomposition-agrégation
72THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Décomposition-agrégation
- Théorème de Norton
- Pas de décomposition
- court-circuit de la station non-BCMP.
- analyse du réseau résultant et calcul du débit à
travers le court-circuit X(m) pour m clients dans
la réseau, où m 1, 2, ..., M. - Pas dagrégation La réseau de files d'attente
original se réduit à la station court-circuitée
et à une autre station que représente
approximativement la réseau court-circuité, dont
la capacité de service est X(m).
73THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Décomposition-agrégation
74THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées
- Diffusion
- Décomposition-agrégation
- Itératives
75THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Itératives
- En général, on part dune conjoncture raisonnable
pour établir litération - En général, on ne démontre pas que litération
soit convergeante, ni que, en cas de convergence,
cette convergence le soit sur une valeur proche
de la solution exacte. - Malgré sa manque de justification théorique par
rapport à sa convergence fournissent une voie
intéressante pour traiter des réseaux de files
dattente.
76THÉORIE DES RÉSEAUX DE FILES D'ATTENTE
- Méthodes approchées Itératives
- Itération entre el traitement analytique dun
réseau de files dattente et le traitement
analytique dune file - Méthode des modèles subordonnés
- Méthode du réseau auxiliaire