Algorithme de Routage Multipoint à Contraintes Multiples pour les Applications Temps-réel et Multimédia sur Internet

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1 Internatonal Conferene: Senes of Eletron, Tehnologes of Informaton and Teleommunatons Marh 15-20, 200 TUNISIA Algorthme de Routage Multpont à Contrantes Multples pour les Applatons Temps-réel et Multméda sur Internet Kaïs Mnf, Bo Rong et Mhel Kadoh LaGRIT, Laboratore de Geston des Réseaux Informatques et de Téléommunatons Département de Géne Életrque Éole de Tehnologe Supéreure Notre Dame O., Montréal (Q) HC 1K Canada Émal : kas.mnf.1@ens.etsmtl.a, mhel.kadoh@ele.etsmtl.a Résumé Dans la mesure de supporter les applatons temps réel et multméda sur Internet, l est néessare de développer les algorthmes de routage qu tennent ompte des paramètres de QoS. C'est du fat que les nouveaux serves et applatons tels que la vdéo en demande, la vdéoonférene et. exgent un nveau de QoS plus élevé que le Best Effort atuel. Les algorthmes de routage ave QoS dovent être adaptatfs et flexbles pour une geston effae des ressoures dans le réseau. Dans e traval, nous présentons une nouvelle proposton pour un algorthme de routage multpont pour les applatons temps réel et multméda. Cet algorthme tent ompte des ontrantes de QoS telles que le déla, la ggue, le taux de perte de paquets et la bande passante. Les résultats prélmnares montrent que l'algorthme permet de trouver une soluton optmale tout en gardant une harge équlbrée sur le réseau. Mots Clés: Routage multpont, Routage ave QoS, Fonton oût 1 INTRODUCTION La plupart des applatons utlsant Internet ont été onçues pour utlser le serve Best Effort. Les nouvelles applatons, y omprs les applatons multméda et temps réel, ont des besons addtonnels en terme de Qualté de Serve (QoS). Ces besons peuvent être exprmés en terme de déla de bout en bout, de ggue, qu représente la varaton de déla, de taux de perte de paquets, est le rapport des paquets perdus par rapport aux paquets envoyés, et la bande passante mnmale requse pour véhuler l applaton. La plupart de es applatons mplquent le routage multpont afn de rédure l'utlsaton de la bande passante dans le réseau. Le beson de ontrôler les données multponts appartenant aux dfférents types d'applatons a néessté le développement de pluseurs algorthmes de routage et protooles. Le problème de routage ave QoS est l un des problèmes qu préoupe l attenton de pluseurs herheurs es dernères années [1-]. Dans [10], l a été prouvé que le problème de trouver un hemn ave des ontrantes multples est NP-Complet. Pluseurs propostons heurstques ont été présentées pour résoudre e problème. Ces propostons peuvent être lassfées suvant nq atégores : la premère approhe onsste à mnmser un seul paramètre de QoS [11], les algorthmes de Djkstra et Bellman-Ford et leurs varantes trouvent le plus ourt hemn entre la

2 Internatonal Conferene: Senes of Eletron, Tehnologes of Informaton and Teleommunatons Marh 15-20, 200 TUNISIA soure et la destnaton. La deuxème approhe est basée sur la mnmsaton d un paramètre de QoS sujet à une deuxème ontrante. Salama [] a proposé un algorthme heurstque dstrbué pour le problème de Delay-Constraned Unast Routng (DCUR). Cet algorthme utlse le oût et le déla alulés par un protoole veteur-dstane mantenu à haque nœud. DCUR est smple et effae, l a une omplexté de message de O( V ) où V est le nombre de nœuds dans le réseau, le pont négatf de et algorthme est que des boules pourraent se former pendant la onstruton du hemn. Sun [] a proposé une verson amélorée de l algorthme de Salama appelée Delay Constraned Routng (DCR) où les boules ne se forment pas, et algorthme a une omplexté O(V) pour les messages. La trosème approhe pour le routage ave QoS onsste à onstrure le hemn sous deux ontrantes smultanément (généralement déla et oût). Chen [] a présenté deux algorthmes Delay-Cost- Constraned dérvés des algorthmes du plus ourt hemn Djkstra et Bellman-Ford. Jaff a proposé une heurstque polynomale pour résoudre le problème ave deux ontrantes [12]. Les hemns formés par et algorthme sont les hemns optmsés sous les ontrantes de QoS. Cette proposton est plus omplexe que les autres heurstques et elle ne garante pas le passage à l éhelle. La quatrème approhe mnmse dfférents paramètres selon un ordre spéfque. Les algorthmes Wdest-Shortest et Shortest-Wdest [10] sont des exemples de ette approhe. Ces algorthmes produsent de melleurs hemns par rapport aux algorthmes du plus ourt hemn. Cependant, le gan n'est pas onsdérable pare que dans la plupart des as les paramètres auxlares ne sont pas prs en ompte pendant la onstruton du hemn. La nquème approhe au problème de hemnement de QoS onsste à onstrure des hemns en utlsant une métrque ombnée qu est alulée en fonton de deux (ou plus) ontrantes. Verma [] a ombné le oût et la largeur de bande dans une seule métrque. Costa [5, ] a proposé de ombner le déla et le taux de perte de paquet dans une seule métrque et l utlse la tehnque Shortest-Wdest. Les approhes de routage ave QoS présentés préédemment possèdent une fablesse ommune, ls ne garantssent pas d avor un système équlbré au nveau de la dstrbuton de la harge. Ils utlsent un ordre de prorté dans le hox des ontrantes qu mène à la onstruton des hemns non équlbrés. Ces hemns sont optmaux en termes du premer paramètre de QoS hos mas neffaes pour les autres paramètres. Par exemple, le routage sous ontrante de déla, le oût est mnmsé mas on tent ompte de déla de bout à bout omme ontrante dans le système à optmser. Quand une applaton de vdéo-streamng utlse un tel hemn, de telles applatons offrent leur plus mauvas (mas aeptable) serve. C est pare que le déla est trop prohe de la ontrante annonée par l applaton, de plus, la qualté du serve offert est mauvase. Avor un déla de bout en bout prohe de la ontrante de déla peut être rsquée dans le as où on aurat une varaton fréquente de la harge dans le réseau, pare que le déla de bout en bout va voler la ontrante de déla. Le problème devent plus dffle quand on ajoute la noton du multpont au problème de routage ave QoS. Le problème de routage multpont ave QoS omporte la détermnaton des arbres de hemnement optmaux dans le réseau, tout en répondant à toutes les exgenes de QoS. Bertsekas et Gallager [1] dvsent la fonton de routage en deux omposantes. La premère onsste à hosr un hemn pour la sesson pendant la phase d'établssement et la deuxème est pour s assurer que haque paquet est expédé au hemn assgné. Dans e traval, nous donnons plus d attenton aux algorthmes de onstruton d arbre pour le multpont. Rouskas [1] a présenté un algorthme heurstque pour onstrure l'arbre de multpont qu garantssent ertanes lmtes sur le déla de bout en bout de la soure vers les nœuds de destnaton. Mas et algorthme n optmse pas l arbre multpont en termes de oût. Cet artle est organsé omme sut. La seton II présente le modèle de réseau multpont. La seton dért l'algorthme proposé. Nous présentons l exemple que nous avons étudé ans qu une dsusson dans la seton. La onluson sera présentée dans la seton 5. 2 MODELE DE RÉSEAUX MULTIPOINT Les ontrantes de QoS, Pour une applaton temps réel et multméda les ontrantes (appelés auss métrques) peut être exprmée en terme de déla de bout en bout (D), de ggue (J), de taux de perte de paquets (P), et de bande passante (B) néessare pour véhuler l applaton. Généralement, l exste tros los de déompostons sot : addtve, multplatve et onave. Les ontrantes de QoS dentfées -haut possèdent des

3 Internatonal Conferene: Senes of Eletron, Tehnologes of Informaton and Teleommunatons Marh 15-20, 200 TUNISIA los de déompostons dfférentes. En effet, le déla et la ggue sont des métrques addtves, la bande passante et une métrque onave. La lo de déomposton pour le taux de perte de paquets est un peu omplexe. Toutefos, en utlsant la noton de probablté de suès, on peut montrer falement que le taux de perte de paquets est une métrque multplatve[10]. Modèle du réseau, Sot G (N,E) représente le réseau, ave N représente l ensemble des nœuds et E représente l ensemble des lens. Sot s N, le nœud soure dans l arbre multpont, M {V-{s}} est l ensemble des nœuds de destnaton et le hemn (s, v) de la soure, s, vers la destnaton, v, ave v est un membre du groupe multpont. Chaque len l G ave l (p,q) du nœud p vers le nœud q possède une fonton oût. Pour un nœud soure s N et un ensemble de destnatons v M, dans un arbre multpont T(s,M) et pour haque hemn du nœud soure s vers le nœud de destnaton v, nous avons les relatons suvantes : Déla : Ggue : D d (1) ( s, v ) J j (2) ( s, v ) Perte de paquets : P 1 (1 p ) () Bande passante : ( s, v) B mn b P () T P ( s, v ) La bande passante sur haque len dans le hemn dot être supéreure à la bande passante demandée par l applaton. L objetf du routage multpont ave QoS est de détermner l arbre de routage multpont T(s,M) qu satsfat les relatons suvantes: (1) pour le déla : D D (2) pour la ggue : J J () pour le taux de perte de paquets : P P () pour la bande passante : B B Ave D, J, P et B représentent, respetvement, les ontrantes du déla, de la ggue, du taux de pertes et de la bande passante néessares pour véhuler l applaton. T L ALGORITHME PROPOSÉ Affn d avor un méansme effae, nous avons beson d un algorthme qu dot être le plus smple que possble. Partant de ette dée, nous avons proposé une nouvelle méthode de séleton pour détermner le melleur hemn. L dée prnpale de notre approhe est basée sur la détermnaton du hemn qu possède un oût mnmum. Nous alulons une fonton oût omme étant la ombnason des oûts partels relatfs à haune des ontrantes de QoS. La fonton oût est proportonnelle au oût relatf à la bande passante, B, et nversement proportonnelle aux oûts relatfs au déla, d, à la ggue, j, et au taux de pertes p. On peut érre alors : d x B j x p (5) Dans la sute, nous allons détermner l expresson des oûts relatfs. Étant donné que le déla et la ggue sont des métrques addtves alors le oût relatf pour le déla (la ggue) sont données par les expressons suvantes : D d et J j d j P T ( s, v ) P T ( s, v ) Le taux de perte de paquet est une métrque multplatve alors p est exprmée par : P p 1 (1 p ) ( s, v ) Matta et al. [15] ont étudé dfférentes fontons oût pour la bande passante, où le oût relatf à la bande passante pour un len est fonton de la bande passante réservée pour les onnexons en ours et qu utlsent e len et fonton auss de la bande passante réservée pour une nouvelle demande s elle va être admse. L expresson la plus ntéressante dans ette étude est appelée EXP [15]. Cette expresson est donnée par l équaton (), elle donne de melleurs résultants pour un réseau dynamque et garante une harge balane dans le réseau. 1 EXP CL ( Br + B) () ave C L représente la apaté totale du len, B r est la quantté de bande passante utlsée par les

4 Internatonal Conferene: Senes of Eletron, Tehnologes of Informaton and Teleommunatons Marh 15-20, 200 TUNISIA onnexons en ours et B représente la bande passante demandée par une nouvelle demande de onnexon. Afn de pouvor utlser ette expresson dans l équaton du oût total (5), où nous avons beson d une expresson sans unté. Nous multplons l équaton () par la quantté B, nous dédusons alors l expresson du oût relatf à la bande passante et elle est exprmée par l expresson suvante : B B B EXP CL ( Br + B) (7) Proédure de onstruton de l arbre multpont Nous présentons la proédure proposée dans [1] pour la onstruton de l arbre multpont pour une nouvelle demande de onnexon dans un réseau donné. Nous supposons que nous possédons des lens de transmssons à grande vtesse où le taux de pertes dans les lens est néglgeable. Pour haque len l E, nous avons les paramètres (d,j,b ) qu représentent respetvement le déla, la ggue et la bande passante dsponble et pour haque nœud n N, nous avons les paramètres (d,j,p ) qu représentent respetvement le déla, la ggue et le taux de pertes de paquets. La demande a pour ontrantes de QoS les paramètres suvants (D,J,P,B). La proédure de onstruton de l arbre multpont se fat suvant les étapes suvantes : 1) Intalsaton T : 0 2) Élmner tous les nœuds qu ne satsfont pas la ontrante de bande passante ) Élmner tous eux qu ne satsfont pas la ontrante de taux de perte de paquets ) Pour haque destnaton d, on détermne tous les hemns réalsables de la soure. a. Caluler à haque nœud le déla et la ggue. b. S D et J sont vérfés, ontnuer ave le même hemn, Snon hanger pour un autre hemn. 5) S pour une destnaton d on trouve des hemns multples, on prend le hemn qu possède un oût mnmum utlsant l équaton (5). RÉSULTATS ET DISCUSSION Dans le but d évaluer notre proposton, nous avons utlsé le réseau llustré par la fgure -1, le groupe multpont est formé par les nœuds { }, le nœud 1 représente la soure et les nœuds 2, 5 et 7 sont les destnatons. Les ontrantes pour l applaton sont D70, J, P0.001 et B70. Pour smplfer le alul, nous allons supposer que tous les lens possèdent une apaté totale égale à C L 150. (1,1,10 - ) (5,2,120) (1,1,10 - ) 1 (,1,110) (10,,110) (5,1,0) (,1,110) (,,100) (1,2,10-5 ) 5 (,1,10 - ) (,,70) (,,100) (2,1,10 - ) (10,1,110) (7,,120) 7 (,2,70) (1,1,10 - ) (,2,100) (1,1,10-5 ) 2 (5,1,0) (7,,110) Fgure -1 : exemple de réseau (,1,0) (5,2,120) (1,2,10 - ) (1,2,10 - ) En applquant l algorthme dért dans la seton préédente, on trouve l arbre de routage multpont llustré par la fgure -2, (a) représente la onfguraton ntale, (b) la onfguraton après les étapes 2 et, et () la onfguraton fnale de l arbre multpont. Afn d évaluer l effaté de notre algorthme, nous allons modfer les valeurs de la bande passante dans le hemn 1--5, la bande passante dsponble sur haun des lens (1-) et (- 5) est mantenant égale à 0. Nous applquons notre algorthme pour ette nouvelle onfguraton et l arbre multpont obtenu est donné la fgure -2-d. Nous pourrons remarquer que la soluton obtenue tent ompte de la harge du réseau et l algorthme fournt une soluton optmale tout en gardant une harge balanée sur le réseau. Ce résultat est très mportant pour la onsommaton des ressoures dans le réseau. 5 CONCLUSION Dans et artle, nous avons proposé une nouvelle approhe pour la onstruton de l arbre multpont qu tent ompte des ontrantes de QoS. Nous avons tenu ompte de dfférents paramètres de QoS pour les applatons temps réel et multméda tels que le déla, la ggue, le taux de perte de paquets et la bande passante L algorthme proposé a les aratérstques suvantes : (1) le oût est une

5 Internatonal Conferene: Senes of Eletron, Tehnologes of Informaton and Teleommunatons Marh 15-20, 200 TUNISIA fonton des oûts relatfs à haune des ontrantes de QoS, e donne plus d effaté dans le hox du melleur hemn. (2) le oût relatf à la bande passante (équaton (7)) tent en onsdératon de la bande passante utlsée par les autres onnexons en ours, Ce permet de garantr plus de ontrôle au nveau de la onsommaton des ressoures et la dstrbuton de la harge du traf dans le réseau. d2 5 d2 5 d 7 d 7 s 1 s 1 (a) () d1 2 d1 2 d2 5 d2 5 d 7 s 1 d 7 s 1 Fgure -2 : (a) onfguraton ntale, (b) onfguraton après étape 2 et, () arbre multpont fnale (d) arbre multpont après modfaton RÉFÉRENCES (b) (d) d1 2 d1 2 [1] Yang Y., Muppala J. K., and Chanson S. T., Qualty of Serve Routng Algortms for Bandwdth-Delay Constraned Applaton. IEEE, vol. 1: p [2] Bettahar H. and Bouabdallah A., QoS Routng Protool for the Generalzed Multast Routng Problem (GMRP). IEEE Internatonal Conferene on Networkng ICN'01, [] Sun Q. and Langendorfer H, A New Dstrbuted Routng Algorthm for supportng Delay-Senstve Applatons. Computer Communatons, 1. vol. 21 (): p [] Verma S., Pankaj R., and Leon-Gara A., QoS Based Multast Routng for Multmeda Communatons. IEEE Workshop on QoS, 17. [5] Costa L. H. M. K., Fdda S., and Durate O. C. M. B., Dstane-vetor Qos based routng wth three metrs. IFIP Networkng 2000/HPH Hgh Performane Networkng, [] Costa L. H. M. K., Fdda S., and Durate O. C. M. B., A Salable Algorthm for Lnk-State QoS-based Routng wth Three Metrs. IEEE Internatonal Conferene on ICC 2001, Helsnk Fnland, vol. : p [7] Van Meghem P. and Kupers F. A., On the omplexty of QoS Routng. Computer Communatons, 200. vol. 2 (): pp [] Salama H. F., Reews D. S., and Vnots Y., Evaluaton of Multast Routng Algorthm for Real- Tme Communatons on Hgh-Spedd Networks. IEEE JSAC, 17. vol. 15 (): p [] Chen S. and Nahrstedt K., An Overvew of Qualty of Serve Routng for Next-Generaton Hgh Speed Networks: Problems and Solutons. IEEE Network, 1. [10] Wang Z. and Crowrofl J., Qualty-of-Serve Routng for Suppotng Multmeda Applatons. IEEE J. on Seleted Areas n Comm., 1. vol. 1 (7): p [11] Parsa M., Zhu Q., and Gara L.A.J, An Interatve Algorthm for Delay-Constraned Mnmum Cost Multastng. IEEE/ACM Transaton on Networkng, 1. (): p [12] Jaffe J. M., Algorthms for Fndng Paths wth Multple Constrants. Networks, 1. vol. 1: p [1] Bertsekas D. and Gallager R., Data Networks. 12: Prente Hall [1] Rouskas G. N. and Baldne I., Multast Routng wth End-to-End Delay and Delay Varaton Constrants. IEEE Journal on Seleted Areas n Communatons, 17. vol. 15: p. -5. [15] Matta I. and Guo L., On Routng Real-Tme Multast Connetons. Pro. Fourth IEEE Symposum on Computers and Communatons ISCC', 1. vol. : p [1] K. Mnf, Méansme de routage à ontrantes multples dans les réseaux multponts. Rapport tehnque, LAGRIT-ETS Montréal, 200

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