Reroutage rapide pour les réseaux à hauts débits. Étude bibliographique de DEA Khalil Ghazzawi 2004 Encadreur : Bernard Cousin Projet : Armor

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1 Reroutage rapide pour les réseaux à hauts débits Étude bibliographique de DEA Khalil Ghazzawi 2004 Encadreur : Bernard Cousin Projet : Armor

2 Tables des matières 1 Introduction Routage sur les réseaux hauts débits Multicast Protocoles de routage multicast IGMP OSPF MOSPF PIM Conclusion La qualité de service Importance Les protocoles qui assurent une bonne qualité de service sur le réseau QOSMIC QOSCBT QOSPIM Conclusion 8 4 Récupération des fautes Principe de récupération avec les protocoles Multicast Récupération dans les réseaux Récupération dans les sous-réseaux avec le protocole PIM Nouvelle technique de Récupération Conclusion Conclusion

3 1 Introduction Assurer la qualité de service des communications est devenue essentielle dans l internet. En effet, les applications multimédias qui nécessitent des débits très élevés, sont souvent interactives et multipoint, imposent des contraintes très fortes et variées en termes de débits et de délais. Avec l arrivée de nouvelles techniques de transmission, comme WDM ("Wavelength Division Mode") [5] offrant plusieurs centaines de gigabit/s de débit sur une simple fibre optique ou les techniques de transmission sans fil, les critères de qualité de service pourraient se déplacer de la gestion de la pénurie vers une fiabilisation de l infrastructure de transmission. Cette fiabilisation est nécessaire, puisque la panne d une partie du réseau perturbe l ensemble communications qui la traversent. Actuellement, les protocoles de routages d Internet effectuent un reroutage, mais ce reroutage n est effectif que quelques secondes après la panne, ce qui n est pas acceptable pour les applications multimédias. Yiwen WU, dans son article propose une nouvelle technique pour le reroutage en temps réel, cette technique assure un reroutage rapide et améliore le temps de réaction en cas de panne. Au cours des dernières années, les recherches dans le domaine de la qualité de service se sont intensifiées, on va présenter des protocoles qui existent dans la littérature et qui assurent ce service dans les réseaux à hauts débits. Ce travail contient les parties suivantes : le chapitre 2 propose une définition générale sur la notion de routage, le multicast et les différents protocoles de multicast. On va mentionner dans le chapitre 3, l importance de la qualité de service, et comment assurer ce service sur les réseaux à hauts débits. Le chapitre 4 contient des techniques utilisées pour la récupération des fautes sur les réseaux à hauts débits. Chapitre 5 conclusion. 2 Routage sur les réseaux à hauts débits Le routage est le fait de transmettre des paquets de données sur le réseau, en utilisant des tables de routage qui existent sur chaque routeur. Chaque entrée de la table de routage contient les différentes adresses des stations. Chaque paquet contient l adresse de son émetteur, l adresse du destinataire et les données envoyées. 2.1 Multicast Le multicast désigne la possibilité qui est faite à un seul paquet IP d'atteindre différents destinataires qui sont référencés comme destinataires de ce paquet. Pour cela, le paquet IP en question ne fait pas référence précisément à une adresse individuelle de destination de classe A, B ou C, mais à une adresse de groupe, dite de classe D. Les destinataires sont eux référencés par un protocole 3

4 comme étant "abonnés" au groupe désigné par l'adresse de classe D utilisée dans le champ adresse destination du paquet IP. La classe D va de à Ce sont les adresses réservées pour l adressage du multicat. Par exemple : = tous les systèmes multicast du réseau, = tous les routeurs multicast du réseau. Pour acheminer de façon optimale un paquet IP à tous ses destinataires est loin d'être une chose simple. Pour cela, le réseau construit en son sein un arbre dit de distribution grâce à des protocoles de routage multicast. 2.2 Protocoles de routage muticast La communication multicast demande le fonctionnement de plusieurs protocoles pour assurer une meilleure utilisation de la bande passante : un protocole pour informer les routeurs sur les groupes actifs locaux, un autre qui offre des mécanismes pour permettre l acheminement des données IGMP ("Internet Group Management Protocol") [6] Puisque l appartenance à un groupe est dynamique. Les stations peuvent quitter ou joindre les groupes à chaque instant. Pour cela il n existe aucune restriction sur le nombre ou sur la localisation des stations pour une groupe donnée. IGMP est utilisé pour gérer l existence des stations appartenant à un groupe dans chaque sous-réseaux [1]. On dit qu un groupe est actif au sein d un sous-réseau lorsqu il y a au moins une station de ce sous-réseau IP appartenant au groupe. Dans chaque sous-réseau, s il existe plusieurs routeurs, le routeur qui a la plus grande adresse IP, va être élu comme ("Dominant Router") DR pour envoyer des messages de ("Host Membership Query"), vers tous les membres de son groupe. Pour rafraîchir la liste des groupes actifs. La station qui veut adhérer à un groupe émet un message de réponse ("Host Membership Report"). Ce message contient l adresse du groupe auquel elle veut appartenir. Puis le DR ajoute à sa liste les adresses des groupes actifs OSPF ("Open Short Path First") [7] Basé sur la connaissance de la topologie du réseau. OSPF vient de remplacer le protocole de routage RIP ("Routing Information Protocol "). C est un protocole de routage unicast qui détecte des liens dynamiquement [1]. Chaque nœud sur le réseau possède une copie de la topologie du système autonome (OSPF area). Pour détecter un changement dans la topologie, OSPF envoie un message ("Hello") vers tous ces voisins chaque 10 s ("Hellointerval"). Si un routeur ne reçoit pas ce message durant le ("Deadinterval") qui vaux trois fois le 4

5 ("Hellointerval") d un de ces voisins, il le considère en panne. Il lance l exécution d un algorithme qui calcule un nouveau plus court chemin localement. Normalement cet algorithme est l algorithme de Dijkstra. Puis une mise à jour de la table de routage ce fait sur chaque routeur MOSPF ("Multicast Extensions to OSPF") [8] MOSPF est une extension de OSPF. Il fait routage à l intérieur d un système autonome. Les routeurs MOSPF et OSPF peuvent être mélangés et coopérer. Les routeurs OSPF ne peuvent transmettre les datagrammes multicast. Pour cela les routeurs MOSPF coopèrent avec les routeurs OSPF pour transmettre les datagrammes multicast. Car la communication multicast peut être rompue entre deux zones OSPF, s il n existe pas de chemin composé de routeurs MOSPF entre les deux. Le routage MOSPF ("Intra-Area") c est l acheminement de base, quand la source et les destinations sont dans le même OSPF area. La présence des membres dans les sous-réseaux est connue grâce au protocole IGMP et stockée dans une ("Local Group Database"). Le routeur dominant de IGMP doit être un routeur MOSPF PIM ("Protocol Independent Multicast ") [9] C est un protocole standard qui permet le routage dans les sous-réseaux, il utilise le tableau de routage unicast [1]. On distingue deux modes de fonctionnement pour le PIM : PIM-DM ("PIM-Dense Mode") et le PIM-SM ("PIM-Sparse Mode"). PIM-DM est conçu pour les zones où les membres sont denses et la bande passante est largement disponible. Dans ce mode, PIM utilise le RPF ("Reverse Path Forwarding") pour envoyer les datagrammes multicast sur les interfaces tant qu il ne reçoit pas de message ("prune") explicite. Si une nouvelle station adhère à un groupe elle envoie un message ("graft"). PIM-SM est conçu pour construire des arbres de communication pour les stations réparties dans des sous-réseaux éloignés. Sur chaque zone il y a un DR qui va envoyer des messages "join/prune", à travers un RP ("Rendez-vous Point") pour construire un arbre de communication appelée "Shared Based Tree". Cet arbre est créé pour la diffusion des messages indépendamment de la source. 2.3 Conclusion Comme nous venons de le voir, ils existent de nombreux protocoles qui fonctionnent ensemble pour réaliser la communication multicast. Mais ces protocoles présentent tous des inconvénients au niveau de la qualité de service, car ils ne prennent pas en considération le niveau de service présenté sur les liens lors de la construction des arbres de communication. Pour cela dans le chapitre suivant, 5

6 nous allons étudiés quelques protocoles qui essaient de construire les arbres de communication en partant de la sensibilité de service sur les liens. 3 La qualité de service La majorité des protocoles utilisés dans le routage multicast, ne prend pas en considération la qualité de service. Ils construisent leurs arbres de communication en s appuyant sur l algorithme de plus court chemin. Pour cela on trouve dans la littérature plusieurs protocoles qui s appuient sur la qualité de service pour construire les arbres de communication. 3.1 Importance L implémentation des protocoles qui support la qualité de service sur les réseaux à hauts débits est devenue une chose essentielle, surtout pour les applications multimédias et les diffusions en temps réel. Plusieurs protocoles étés proposés pour assurer ce service et pour calculer des arbres de communication multicast lors du trafic. Plusieurs métriques peuvent affecter la qualité de service sur un réseau comme la nature des liens physiques, leurs capacités, et s ils sont fiables ou non, ce qu on appelle les métriques statiques ("Static Metrics"). Donc la qualité de service dépend tout d abord de la technologie utilisée dans le réseau. La situation actuelle du réseau peut aussi affecter la qualité de transmission, comme le temps de réponse des stations sur un service demandé, ce sont les métriques dynamiques ("Dynamic Metrics") [2]. 3.2 Les protocoles qui assurent une bonne qualité de service sur le réseau Plusieurs protocoles sont proposés pour assurer une bonne qualité de service sur le réseau utilisant la communication multicast. Il calcule des nouveaux arbres de communication pour éviter le trafic sur le réseau QOSMIC ("QOS Multicast Internet protocol") [2] C est un protocole qui s appuie sur les métriques statiques, pour choisir la branche qui présente la plus grande capacité d acheminement [2]. Un nouveau routeur qui adhère au sous-réseau, envoie sa demande à travers l arbre de communication vers la racine. Pour choisir une liste des nœuds qui peuvent présenter une meilleure qualité d acheminement. Ensuite touts les nœuds dans cette liste, envoie des messages ("Bid") contrôlés par le champ TTL ("Time To Live") vers le nouveau routeur, ce types de messages est utilisé pour évaluer la qualité de lien suivant les métriques dynamiques, le nouveau routeur attend un 6

7 certain temps pour qu il reçoit les ("Bids") de touts les candidats, pour choisir le routeur (branche) qui présente la plus grande capacité, donc la plus bonne QOS. Ensuite le nouveau routeur envoie un message ("Graft") à travers la branche choisie, pour que les nœuds qui se trouve sur ce chemin fait une réservation de ressources pour le nouveau routeur. Ce message sera envoyé périodiquement pour actualiser cette réservation QOSCBT ("QOS Core Based Trees") [2] C est un protocole qui peu prendre en considération plusieurs métriques comme le retard dans la livraison des paquets [2], la probabilité de perd des paquets et la capacité de la bande passante. Lorsqu une station ("Host") h adhère un sous-réseau, elle envoie sa demande à travers l arbre de communication vers la racine. Cette demande comporte une indication sur la qualité de service demandée. Les stations dans chaque groupe enregistrent des informations sur les métriques dynamiques valables, ses informations se changent à travers des messages de contrôles échangés entre les membres du groupe, qui actualisent la réservation des ressources. Chaque routeur r dans l arbre enregistre les métriques suivantes: - Métriques additives m a sera le maximum des m a entre chaque destination (dest) situé en aval du routeur et le routeur_max {m a (r, dest)}, et chaque source (src) et le routeur_max {m a (r, src)}. - La même chose pour les métriques multiplicatives. - Pour les métriques concaves m c, le routeur mémorise les métriques de chaque membre situé en aval, et le nombre des sources. Le premier nœud r de l arbre qui reçoit la demande de h l accepte si : La métrique additive envoyé par h est plus grande que la somme de m a (r, h) avec max {m a (r, dest)}, et la somme de m a (r, h) avec max {m a (r, src)}. Même chose pour la métrique multiplicative. Pour la métrique concave m c de r, s elle est plus grand que la métrique envoyée par h. Si la demande d adhérence est refusée, un message de r informe h par le cas, si non la demande est propagée vers la racine de l arbre. La même teste se répète sur chaque routeur existant sur le chemin. En cas de succès de tous les testes, un message d acquittement est envoyé du racine vers h. Chaque routeur qui reçoit l acquittement fait une réservation pour les ressources demandées par h QOSPIM ("QOS Protocol Independent Multicast") [2] C est un protocole qui support le protocole ("Tree Information-based QOS Multicast") TIQM [2]. Une station ("Host") h qui adhère au groupe G utilise les informations obtenues par le protocole ("Link State") pour construire un sous 7

8 graphe G1 inclut dans G, qui élimine les liens qui ont des débits insuffisants, puis h lance l exécution de l algorithme de Dijkstra pour identifier tous les liens dans G1 qui on des liaisons avec h et qui on un délai plus petit que celle envoyé par h. Puis h va choisir le chemin qui offre le minimum délai. Puisque les métriques dynamiques ne sont pas stables sur le réseau, h va tester le délai et le taux de perdent sur le chemin choisi. En envoyant des requêtes d adhérassions qui parcourent le chemin choisi vers le racine, chaque nœuds qui reçoit la demande de h fait une réservation pour ces ressources. Chaque routeur traversé par la demande fait une teste pour assurer la validation de ces ressources suivant la demande de h pour assurer la réservation. Si la teste ne réussie pas, donc un acquittement négatif est envoyé vers h sur le même chemin pour que les nœuds libèrent les réservations déjà faites. Si tous les testes réussis, donc la demande arrive chez la racine qui envoi un message d acquittement vers h. 3.3 Conclusion Les trois protocoles (QOSMIC, QOSPIM, QOSCBT) qu on a traité s appuient sur les différentes mesures qui peuvent influencer sur la qualité de service dans le réseau, pour construire leurs arbres de communication, en choisissant les chemins qui offrent les meilleures qualités en termes de délais et de débits. De plus on a vu que la topologie du réseau présente un facteur majeur qui entre dans l évaluation de la qualité de service. Puisque cette topologie est en relation directe avec les différents types de défaillances du réseau. Dans le chapitre suivant, on va donc étudier les techniques qui permettent au réseau de récupérer ces défaillances. 4 Récupération des fautes La cherche pour trouver des techniques de récupération dont le temps sera le plus petit pour assurer une bonne qualité de service s évolue. Dans ce chapitre on va mentionner d une part la technique de récupération avec les protocoles de multicast pour les différents types de défaillances, ensuite on va parlés d une nouvelle technique de récupération proposée par Yiwen Wu. 4.1 Principe de récupération avec les protocoles Multicast Dans le cas d une défaillance dans les réseaux, les trois protocoles ci dessus se synchronisent pour récupérer cette défaillance. Le temps nécessaire pour la récupération est égal: ("OSPF topology updating time + number of hops from the router adjacent to the network failure * propagation delay of an OSPF control message on a point serial link + dijkstra execution time on the router + the time for the PIM to detect the 8

9 topology change + propagation delay for a PIM join/graft message to recover the multicast channel") [1]. On peut différer les types de défaillances dans la communication multicast, entre les défaillances qui apparaissent dans les sous-réseaux ou les groupes de stations, et les défaillances dans le réseau Récupération dans les réseaux Les deux protocoles OSPF et PIM, se coopèrent pour recouvrer la défaillance dans les réseaux [1]. Il existe deux types de fautes : Faute de lien : l OSPF détecte qu un lien est en panne quand l intervalle ("Dead") se termine sans qu il ait reçu un message ("Hello") de cette station, puis il fait un mise à jour pour son tableau de topologie du réseau, et il va informer les autres routeurs par ce changement via un message LSA ("Link State Advertisement"), le PIM s informe aussi sur ce changement à travers un message ("Notify") envoyé par le protocole OSPF et il commence ces calcule pour trouver un RPF ou un RP. Faute de routeur : on traite ce cas comme si plusieurs liens étaient tombés en panne Récupération dans les sous-réseaux avec PIM I- Si le DR et le ("Last hop router") sont séparés, dans ce cas le DR n a pas un ("Outgoing InterFace") oif à travers le sous-réseau pour cela quand les lien aval ou amont tombent en panne, la communication reste car le ("Last hop router") va délivrer les paquets aux stations dans ce sous-réseau, les cas suivants peuvent existés [1] : 1- Lorsque les liens avals du DR tombent en panne, il cherche un autre oif, et il envoie un message ("Join") vers le RPF qui donne le chemin le plus efficace vers le RP. La récupération aura lieu quand IGMP envoie un message ("Membership Report") vers le DR. 2- Lorsque le lien entre le DR et le sous-réseau tombe en panne, le sous-réseau va choisir la routeur qui a la plus grande adresse IP pour être son nouveau DR, et le protocole IGMP va informer le nouveau DR par les membres de son groupe. 3- Lorsqu un lien aval du ("Last hop router") tombe en panne, le ("Last hop router") va utilisé le RPF pour lancer l exécution du processus ("Assert"), dédier à choisir un autre ("Last hop router"). Dans le cas où aucun autre lien existerait, le multicast utilise le DR pour ses communication avec se groupe. 4- Lorsque le lien entre le ("Last hop router") et le sous-réseau tombe en panne, un autre ("Last hop router") va être élu s il existe. Si non le DR attend la réception d un message IGMP pour activer un nouveau lien vers le sous-réseau. II- Si le DR et le ("Last hop router") sont le même, les cas suivants peuvent existés [1]: 9

10 1- Lorsque les liens avals du DR tombent en panne, le DR va directement calculer un autre RPF pour recouvrer la défaillance. 2- Lorsque le lien entre le DR et les sous-réseaux tombe en panne, s il y a un autre DR donc cette dernière va utiliser le RPF pour établir les communications du groupe, si non le réseau va choisir un autre DR. 4.2 Nouvelle technique de récupération La récupération d une défaillance avec les protocoles multicast nécessite l échange de messages entre les différentes stations, ce qui prend du temps. En plus on a le temps de calcul dans chaque protocole qui entre dans le mécanisme de récupération va être ajouter sur le temps de récupération, mais c est une chose qui diminue la qualité de service sur le réseau [3]. Un autre défaut est posé par la récupération normale, parfois sur les réseaux on rencontre des fautes instantanées. Le problème tombe lorsqu une station détecte ce type de défaillance, elle va diffuser des messages de récupération sur le réseau, mais le temps de la faute est plus petit que le temps de récupération total, ce qui génère un trafic inutile par ces messages sur le réseau. Pour résoudre ce problème, un intervalle de temps nommé ("Down") sera initialisé qui va retarder le lancement des procédures de récupération, pour savoir si la faute est instantanée. Comme ça une récupération locale aura lieu, si non, la station qui se trouve avant l endroit de la défaillance va envoyer ces informations sur la faute dans le réseau. La nouvelle technique de récupération, consiste à faire une récupération locale pour la faute si s est possible. Cette technique nommée DPP ("Distributed preplanned") consiste à calculer un lien alternatif pour l utiliser dans le cas de panne du lien initial, donc chaque station lorsqu elle détecte une défaillance, fait un changement qui dure quelques millisecondes pour acheminer ses données sur le nouveau lien calculer auparavant, cette technique fait une récupération locale de la faute ("local recovery for local failure") [3]. Mais ce type de récupération cause des problèmes dans le réseau, car lors d une défaillance, une seule station S va la détecter, sans informer les autres, et quand elle utilise le chemin alternatif pour envoyer des paquets vers une destination D quelconque, il est possible qu une station K sur ce chemin alternative, a sur son tableau de routage local une information indiquant que les paquets vers D doivent passer à travers S. Ainsi les paquets vont être envoyer de nouveau vers S, donc on a une boucle qui ne termine que lorsque les paquets sont détruits, ou bien la boucle termine, ce problème est le "Routing loop". Il existe plusieurs solutions pour résoudre les boucles de routage ("Routing loop") [3], la station qui veut utiliser le chemin alternatif peut encoder les adresses des différents nœuds visités sur le chemin dans l entête des paquets envoyés. Ou bien elle peut utiliser la notion d encapsulation, chaque nœud sur le chemin reçoit un 10

11 paquet, elle trouve dedans un autre paquet dont l adresse de destination est le nœud suivant et comme ça jusqu au noeud de destination. Pour s assurer que le problème "Routing loop" ne va pas durer, un l intervalle de temps ("update") sera introduit, pour dire que le chemin alternatif en cas d une boucle n est pas utilisable et il faut calculer un autre chemin après un temps qui est la somme des deux intervalles ("Update") et ("Down"). Le temps nécessaire pour la récupération avec cette nouvelle technique est égal á ("time for detection of a particular failure + time to update the path information for distributed traffic + time to redirect the traffic to backup path") [3]. 4.3 Conclusion Comme nous venons de le voir dans le chapitre 2, le taux de panne influence d une manière directe sur le niveau de qualité de service. Surtout si on prend en considérations le temps de récupération de panne avec les différentes techniques qui existent. On peut remarquer avec une simple comparaison pour le temps de récupération déjà mentionner, entre la méthode traditionnelle qui utilise les protocoles multicast et la technique DPP, que la deuxième est plus efficace pour la qualité de service, car elle ne charge pas le réseau par les messages de récupération (pour les fautes instantanées). Mais on trouve encore un autre problème de "Routing loop", qui augmente le trafic sur le réseau et qui diminue la qualité de transmission à cause des boucles. 5 Conclusion Nous avons introduit la notion de multicast, avec les différents protocoles qui assurent ce mode de communication dans les réseaux à hauts débits. Nous sommes ensuite intéressés à la qualité de service sur les réseaux à hauts débits. Nous avons mentionné les différentes métriques utilisées pour détecter la qualité de service présente sur un réseau. Puis nous avons étudié le mode de fonctionnement de trois protocoles QOSMIC, QOSPIM et QOSCBT avec les différentes techniques utilisées pour assurer une bonne qualité en terme de bande passante. Puis nous avons étudié, les différentes techniques de reroutage dans les réseaux à hauts débits avec les protocoles multicast dans tous les cas de défaillances possibles. On peut conclure qu ils ne peuvent pas assurer une bonne qualité de service en termes de temps, car la durée de récupération n est effective que quelques secondes après la panne. Même si cet intervalle est petit, il reste inacceptable pour les applications multimédias. Le même problème reste avec la nouvelle technique de reroutage qu on a décrit, car on trouve un intervalle de temps qui est assez suffisant pour faire le reroutage, mais la transmission de tel type d application sera aussi perturbé. 11

12 Le reroutage doit satisfaire certaines contraintes afin d être le plus transparent possible pour l utilisateur : rapide, tolérant et sans perte de la qualité de service ou de la bande passante réservée. Pour réaliser cette transparence, il faut essayer de diminuer le temps de coupure de la connexion lors d une défaillance. Surtout que ce facteur est essentiel pour les applications en diffusion temps réel. C est à résoudre un tel problème que je consacrerai mon stage à venir. L objectif est de trouver une technique qui améliore le temps de récupération de fautes pour diminuer le temps de reroutage surtout sur les réseaux optiques. Références [1] X.Wang, C.Yu, H. Schulzrinne, IP multicast fault recovery in PIM over OSPF, P (2000). [2] E.Pagni, G-P.Rossi, Analysis and Evaluation of QoS Sensitive Multicast Routing Policies, P (2001). [3] Y.Wu, J. Hui, H.Sun, Fast restoration gigabit wireless networks using a directional mesh architecture, P (2003). [4] A.Fei, M.Gerla, Extending BGMP for Shared-Tree Inter-Domain QOS Multicast, P (2001). [5] S.Sengupta, R.Ramamurthy, From Network Design to Dynamic Provisioning and Restoration in Optical Cross-Connect Mesh Networks: An Architectural and Algorithmic Overview, P (2001). [6] W.Fenner, Internet Group Management Protocol, RFC 2236, (1997). [7] J.Moy, OSPF Version 2, RFC 2328, (1998). [8] J.Moy, Multicast Extensions to OSPF, RFC 1584, (1994). [9] D.Estrin, D.Farinacci, A.Helmy, D.Thaler, S.Deering, M.Handley, V.Jacobson, C.Liu, P.Sharma, and L.Wei, Protocol Independent Multicast-sparse mode (PIM- SM), RFC 2362, (1998). 12