Module : Technologies Réseau

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1 Université des Sciences et Technologies Houari Boumediene Faculté d Electronique et d Informatique Module : Technologies Réseau Rapport de projet : La qualité de service dans les réseaux informatiques Présenté par : TOUMI Nassima AFIR Tarek Amine BERAHAL Mohamed Tahar BEKKOUCHE Oussama Dirigé par : M me BOUZIANE Année universitaire : 2014/2015

2 Sommaire 0. Introduction 1. Pourquoi penser à la qualité de service? 2. Introduction à la QOS 2.1 Définition. 2.2 Architecture de la QOS. 2.3 Les marchés de la QOS. 3. Les différentes métriques de la QOS 3.1 La disponibilité. 3.2 La bande passante. 3.3 Le délai ou latence. 3.4 La gigue. 3.5 Le taux de pertes. 4. Amélioration de la QOS. 4.1 Les besoins Les besoins d applications Les besoins des utilisateurs. 4.2 Evaluation de la QOS Mesure Simulation Analyse mathématique. 4.3 Solutions Le best effort Gestion du trafic au sein de réseau Mettre en place une solution aux extrémités du réseau. 4.4 Modèles et niveaux de service de la QOS Le best effort Les services différenciés (DiffServ) Les services garantis (IntServ). 5. Les différents protocoles de la QOS 5.1 Ethernet. 5.2 Frame Relay. 5.3 ATM (Asynchronous Transfert Mode). 5.4 RSVP (Resource ReSerVation Protocol). 5.5 IP. 5.6 MPLS (Le MultiProtocol Label Switching). 6. Le protocole RSVP 7. Conclusion 8. Références bibliographiques 1

3 0. Introduction : L utilisation des réseaux informatiques a augmenté de façon exponentielle ces dernières années, entraînant une augmentation des besoins en capacité et en bande passante. Lorsque le réseau dispose de ressources largement suffisantes (surapprovisionné), les données circulent sans problèmes et aucun mécanisme n est nécessaire pour gérer le flux. En pratique et pour des raisons de coût, un réseau est rarement surapprovisionné et requiert une gestion des flux afin d éviter la congestion du réseau. Les réseaux classiques tels que IPv4 utilisent le service «Best Effort» ou service au mieux, où le réseau achemine les paquets le plus rapidement possible sans les différencier selon leur contenu et sans aucune garantie que ces paquets soient délivrés. 1. Pourquoi penser à la qualité de service? Avec l introduction de réseaux informatiques dans les secteurs économiques et administratifs, les utilisateurs ne peuvent plus se contenter de service au mieux (Best effort), il faut apporter des garanties de services. Dans le cas où les ressources sont insuffisantes, il est nécessaire de départager la bande passante entre les différents flux en considérant les besoins de chaque application : une application de visioconférence aura besoin d un flux constant alors qu une application de téléchargement peut tolérer des interruptions, il faut donc savoir différencier les types d applications et définir leurs besoins. La capacité d un réseau à garantir un transport optimal des flux de données en tenant compte de la bande passante et des différents besoins de chaque application est appelée «Qualité de Service» ou «QoS». 2

4 2. Introduction à la QOS : 2.1 Définition de la QoS : La qualité de service est définie par l UIT (Union Internationale des Télécommunications) comme suit : «C est un ensemble d exigences de qualité sur le comportement collectif d un ou de plusieurs objets» La définition de l IETF (Internet Engineering Task Force): «La qualité de service désigne la manière dont le service de livraison de paquets est fourni et qui est décrite par des paramètres tels que la bande passante, le délai et les taux de perte de paquets" La qualité de service d'un réseau désigne sa capacité à transporter dans de bonnes conditions les flux issus de différentes applications. 2.2 Architecture de la QOS: La mise en œuvre d'une solution globale de QoS impose de disposer: De mécanismes horizontaux: Pour signaler aux différents nœuds du réseau le comportement à adopter pour traiter tel ou tel flux issu d'une application. De mécanismes verticaux : Pour offrir aux applications par le biais d'une interface la QoS requise en utilisant des mécanismes de plus bas niveau. Mécanismes de mise en œuvre de la QoS 3

5 2.3 Les marchés de la QOS: Le marché des entreprises : La QoS dans un réseau d'entreprise doit offrir un service réseau adapté aux applications interactives, applications de voix sur IP et applications multimédia. Parmi les solutions utilisées l ajout systématique de BP dans le LAN mais c est une technique insuffisante donc il faut utiliser des équipements conformes aux normes de QoS. Le marché des opérateurs : Un opérateur est une entreprise qui commercialise des services de communication et qui possède ses infrastructures, le support de la QoS doit répondre à la demande des entreprises souhaitant interconnecter leurs sites disposant déjà de ces mécanismes et à la demande des clients souhaitant d'une QoS suffisante pour un fonctionnement correct de leurs applications critiques. La solution QOS côté opérateurs consiste à proposer une infrastructure de type IP comportant plusieurs niveaux de services pour le transport des flux des clients. Le marché des FAI : FAI pour Fournisseur d'accès Internet est une société qui fournit un service de connexion Internet et qui a pour objectif d offrir les coûts les plus bas à un très grand nombre de clients, avec les techniques de QoS, les FAI pourront continuer proposer des coûts de raccordement extrêmement réduits pour des connexions en best effort (aucune garantie n'est offerte sur les données) ou avec une faible QoS. 4

6 3. Les différentes métriques de la QOS 3.1 La disponibilité : Temps de bon fonctionnement du service par rapport au temps total durant lequel le service est disponible. 3.2 La bande passante : Les solutions de QoS ne permettent pas de générer de la bande passante mais permettent de gérer de manière optimale la bande passante disponible en fonction des besoins des applications 3.3 Le délai d acheminement : Temps d acheminement d un paquet entre un point du réseau à un autre, il dépend des facteurs suivants : - Temps de propagation. - Nombre de nœuds. - Temps d encapsulation, codage et compression au niveau de l émetteur. - Temps de décapsulation, décodage et décompression au niveau du récepteur. - Temps de traitement au niveau des nœuds. 3.4 La gigue : Différence entre le temps d acheminement du paquet courant et celui du paquet suivant, cette différence peut être générée lorsque deux paquets empruntent deux chemins différents. 3.5 Le taux de pertes : Mesure du taux de paquets perdus durant la transmission, les pertes peuvent avoir plusieurs raisons: - Rejet des paquets lors de la congestion. - Rupture d un lien de transmission. - Lorsque le TTL (Time to Live) ou nombre de sauts maximal d un paquet est atteint, le paquet est abandonné. 5

7 4. Amélioration de la QOS : 4.1 Les besoins : Les besoins des applications : Applications Informatiques : Ces applications se contentent d'une priorité faible. D'une bande passante faible. Une bonne tolérance aux délais de transfert sur le réseau. Les applications interactives : Des exigences strictes. Les entreprises engagées dans ces applications ne prennent pas en considération les besoins de ces applications. Les applications voix : Bande passante: utilisation modérée (8Kb/s) avec un bon algorithme de compression. Le délai de traversée du réseau est le critère le plus important. Il ne doit pas dépasser 250ms. Les applications vidéo : Utilisation de mécanismes multicast (une source vers plusieurs récepteurs) pour éviter la multiplication des flux Les Besoins des utilisateurs : Différentes solutions existent selon la finalité de l'exploitant du réseau, le choix se fait par rapport à certains critères : Nombre de connexions. Moyens techniques. Moyens humains. 6

8 4.2 L évaluation de la QOS : Afin d optimiser la qualité de service, il existe des méthodes de mesure et de prédiction des performances du réseau, chacune avec ses avantages et inconvénients. Une bonne évaluation de la qualité de service met en pratique les trois méthodes citées ci-dessous : Mesure : Consiste à placer des points de mesure aux points critiques du réseau et mettre en marche le système en collectant les données. La mesure de performances du réseau présente l avantage de fournir des données réelles sur le fonctionnement du système mais nécessite un système opérationnel au préalable, la mise en place du dispositif de mesure est également difficile et coûteuse. Il existe plusieurs outils de mesure de performances mais peu d outils d analyse des données collectées, parmi les outils de mesure : Mesure de charge du système (monitoring). Traces de paquets. Mesures de temps de réponse (ping). Protocole SNMP (Simple Network Management Protocol) et MIB (Management Information Base) Simulation : Consiste à reproduire le fonctionnement du système à l aide d un logiciel de simulation en utilisant les mesures collectées du réseau. La simulation est flexible dans le changement de paramètres, permet de contrôler les conditions expérimentales et a une exécution relativement rapide mais la conception du programme est complexe car nécessite la compréhension du système Analyse mathématique : Le principe est de modéliser mathématiquement le système afin d établir des formules ou algorithmes qui permettent de calculer la qualité de service à partir des paramètres. En plus des avantages et inconvénients de la simulation, l analyse mathématique ne peut s appliquer qu à des modèles relativement simples, il faut donc restreindre le domaine d application ou bien négliger plusieurs éléments ce qui nous fait perdre en précision. 7

9 4.3 Les solutions Il existe 3 solutions : 1- Best Effort : La gestion en best effort correspond à l'absence de mécanismes de QoS. Les partisans de cette approche considèrent que l'évolution des débits satisfait les besoins sans mettre en œuvre une solution complexe de gestion de trafic. Problématique : Cet avis peut être juste si on est dans un LAN (Local Area Network) où la BP est disponible, mais en WAN (Wide Area Network) cela devient faux : des statistiques ont montrés que les lignes WAN des entreprises sont chargées 20% du temps. Il faut donc gérer le trafic qui s écoule dans le réseau. Les nœuds du réseau en best effort ne font qu'acheminer les paquets suivant le principe du premier arrivé premier servi (FIFO First In First Out) 8

10 2- Gestion du trafic au sein du réseau : Implémenter des solutions de QoS dans les équipements du réseau. Politique: Les flux les moins prioritaires seront mis en files d'attente jusqu'à ce que la BP soit disponible. si au bout d'un certain temps la BP n'est pas disponible on détruit ces paquets implication des couches supérieures pour pallier cette perte. Les nœuds doivent assurer: La classification La mise en file d'attente L'ordonnancement Problème: Augmentation de la charge de calcul dans les nœuds. Solution: Faire la classification à l'entrée du réseau. Les nœuds s'occuperont de l'ordonnancement. 3- Gestion du trafic aux extrémités du réseau : Réservé au monde IP. Utilisation d'équipements variés et destinés aux entreprises. Nous citons: Les gestionnaires de bande passante. Les équipements de médiation application/réseau. Gestion de la bande passante 9

11 4.4 Modèles et niveaux de service QOS : Le best effort : Comme indiqué précédemment, le Best Effort représente l absence de mécanismes de QoS avec une transmission basique des paquets en FIFO (First In First Out) sans prendre en compte leur contenu ou leur degré d importance, le niveau de service est donc nul. Il est utilisé par défaut dans les réseaux IPv Les services différenciés (DiffServ) : Décrit par l IETF dans les RFC 2474 et 2475, ce modèle repose sur la différenciation des services en classifiant le trafic. Le principe est de reporter les pertes de données sur certaines classes pour en protéger d autres considérées prioritaires. Les flux sont classifiés par des routeurs périphériques au réseau et traités par les routeurs du réseau en fonction de leur classe spécifiée dans l entête des paquets selon un comportement spécifique PHB (Per Hopping Behaviour). Les différents niveaux de service sont : Assured Forwarding : Est composé de 4 classes garantissant une bande passante et un délai minimal, chaque classe comporte 3 niveaux de priorité. Expedited Forwarding ou Premium Service: Défini pour les applications temps réel, il prend en compte des contraintes importantes en termes de délai, de gigue et de pertes de données, son utilisation doit être limitée afin de ne pas pénaliser les autres types de trafic. Ce modèle présente l avantage de pouvoir s adapter aux grands réseaux car ne nécessite pas de maintenir les informations d état. 10

12 4.4.3 Les services garantis (IntServ) : Décrit par l IETF dans les RFC 2205 à 2212, ce modèle repose sur les principes de contrôle d admission et de réservation des ressources pour chaque flux, le protocole utilisé est RSVP (Resource reservation Protocol). Le modèle IntServ permet de réserver dynamiquement la bande passante requise au flux sur chaque routeur du chemin qu empruntent les paquets, tout en mémorisant les informations d états pour s adapter aux changements de route des paquets. Les niveaux de services proposés sont : Guaranteed Service : Garantie de bande passante requise et délai d acheminement limité. Controlled Load : Equivalent du Best Effort. Il permet de garantir un délai d acheminement et un taux de pertes de données très faibles mais manque de «scalabilité» et est difficilement applicable aux réseaux étendus car les informations d états seraient trop importantes en raison du nombre de flux, ce qui provoquerait une surcharge dans les routeurs. IntServ est donc approprié aux réseaux locaux LAN mais déconseillé pour les réseaux plus importants. 11

13 5. Les différents protocoles de la QOS : La QOS est implémentée à différents niveaux du modèle OSI, Soit à l aide des protocoles qui existent déjà dans ces couches ou avec des nouveaux protocoles de qualité de service. 5.1 Ethernet : La mise en œuvre de la QoS au niveau Ethernet est basée sur la priorité des trames. L'implémentation permet de définir 8 classes de trafic (sur 3 bits) à l'intérieur du champ TAG ajouté à la trame Ethernet de base. 5.2 Frame Relay : C'est un protocole à commutation de paquets situé au niveau de la couche de liaison de données et utilisé pour les échanges inter-sites(wan). Le protocole est basé sur le principe qu'il y a peu de chances que tous les flux aient besoin d'une bande passante maximale simultanément et donc propose aux clients un contrat indiquant un Excess Information rate (ou burst), c est-à-dire le débit maximum accepté sur le réseau Frame Relay et un CIR (Committed Information Rate), c est-à-dire un débit garanti minimum. La mise en œuvre de la QoS au niveau Frame Relay est basée sur l'utilisation du débit moyen garanti par le réseau et sur les temps de transfert. On achemine les flux critiques dans les limites du débit moyen et les flux non critiques s'accommoderont du reste de la BP disponible. 5.3 ATM (Asynchronous Transfert Mode) : C est un protocole réseau de niveau 2 à commutation de cellule, le principe des réseaux ATM est le découpage des paquets IP en petits paquets de taille fixe (53 octets) appelés cellules. Tout échange entre deux points du réseau doit d'abord donner lieu à une phase d'appel qui aboutira à la création d'un circuit virtuel entre les deux points. Lors de la phase d'appel des messages sont envoyés au réseau pour préciser les caractéristiques du circuit virtuel à établir, l'ensemble des caractéristiques fournies forme des classes de trafic qui permet la mise en œuvre de la QoS entre l'usager et le réseau. 12

14 Les classes de services dans ATM sont : 1- CBR (Constant Bit Rate): Classe utilisée par les applications nécessitant une BP fixe garantie durant toute la connexion et ayant des contraintes fortes sur le délai et la gigue. 2- RT-VBR ( Real-Time-Variable Bit Rate): Classe utilisée par les applications ayant de fortes contraintes de délai et de gigue mais dont le débit est variable (pics de trafic), Exemple: codecs vidéo de très haute qualité. 3- NRT-VBR (Non-Real Time Variable Bit Rate): Utilisée par les applications de débit variable mais n'ayant pas de contraintes temps réel (délai et gigue). 4- ABR (Available Bit Rate): Cette classe de service est destinée aux applications qui peuvent adapter leurs débits aux conditions de charge du réseau. 5- GFR (Guaranteed Frame Rate): Destinée aux applications qui nécessitent un minimum de débit garanti. 6- UBR (Unspecified Bit Rate): Destinée aux applications dépourvues d'exigences de débit, de délai, de gigue ou même de perte best effort. 13

15 5.4 IntServ & RSVP (Resource ReSerVation Protocol) Ce modèle se base sur la réservation de ressources dans le réseau. Le protocole de réservation de ressources utilisé par l'émetteur et le récepteur est le RSVP (Resource ReSerVation Protocol) qui est un protocole de signalisation permettant de réserver des ressources dans un réseau informatique, ou encore le moyen par lequel les applications communiquent de manière efficace et robuste leurs exigences sur le réseau. RSVP ne fournit pas de service réseau mais communique simplement une condition, il peut être considéré comme un «protocole d'établissement de l'état de commutation». Réservation des ressources avec le protocole RSVP 5.5 DiffServ & IP : Ce modèle se base sur l'affectation d'un niveau de priorité à un ensemble de flux IP qui ont certaines caractéristiques en commun regroupés en agrégats. En fonction de cette identification on affecte une valeur de priorité dans l'en-tête des paquets IP. Les nœuds du réseau vont acheminer ce paquet en fonction de la priorité donc les opérations complexes de classification du trafic (affectation d'une priorité) se font à la périphérie du réseau. 14

16 5.6 MPLS (Le MultiProtocol Label Switching) : C est un protocole indépendant qui Réside uniquement sur les routeurs, utilisé pour établir des routes LSP (Label Switch Path) de BP fixe (similaire aux circuits virtuels ATM) en fonction des besoins des applications. Les routeurs dans un réseau MPLS sont appelés LSR (Label Switch Router) dont les fonctions de routage sont basé sur les labels. On peut résumer les opérations de MPLS de la manière suivante: 1. A l'entrée du réseau, le LSR affecte au paquet reçu un label fondé sur le préfixe de destination du paquet. Après avoir associé le label au paquet, le LSR achemine ce dernier vers le LSR suivant. 2. Ce dernier examine le label correspondant au paquet et s'en sert comme index d'entrée dans une table de commutation qui lui indique le prochain LSR et le label à affecter au paquet. 3. La succession de label de bout en bout forment un LSP (Label Switch Path) ou circuit virtuel. 4. On peut définir une politique de gestion de distribution des étiquettes selon les besoin les différentes applications. 15

17 6 Le protocole RSVP 6.1 Définition : Resource ReSerVation Protocol (ou RSVP) est un protocole de la couche transport du modèle OSI permettant de réserver des ressources dans un réseau informatique, ou encore le moyen par lequel les applications communiquent de manière efficace et robuste leurs exigences sur le réseau. RSVP ne fournit pas de service réseau mais communique simplement une condition, il peut être considéré comme un «protocole d'établissement de l'état de commutation». Réservation des ressources dans un réseau informatique 7.2 Services proposés RSVP est un protocole de signalisation pour allouer dynamiquement de la bande passante aux applications orientées réseau dans des environnements traditionnellement datagramme. Il est particulièrement utile pour les applications Multimédias de type CBR RSVP travaille au dessus de IP (IPv4 ou IPv6) et occupe la place d'un protocole de transport dans la pile des protocoles mais ne transporte pas de données utilisateurs. RSVP passe de façon transparente les routeurs non RSVP. RSVP n'est pas un protocole de routage. Il est censé travailler avec les protocoles de routage unicast et multicast 16

18 RSVP fait des réservations de ressources pour les applications unicast et multicast et s'adapte dynamiquement aux évolutions (participants, changements de routes). Il est utilisé par un "host" pour le compte d'une application, pour demander une QoS au réseau (bande passante garanti, débit crête,..). Il est utilisé par les routeurs pour le contrôle de la QoS et l'établissement et maintient du service demandé. 6.3 Types de messages échangés grâce à RSVP : Sept types de messages RSVP ont été prévus: Path: Envoyé par la source pour indiquer la liste des routeurs du chemin suivi par les données. Resv: Demande de réservation. PathErr: Message d'erreur concernant le chemin. ResvErr: Message d'erreur de demande de réservation. PathTear: Indique aux routeurs d'annuler les états concernant la route. ResvTear: Indique aux routeurs d'annuler les états de réservation (fin de session). ResvConf (optionnel): Message de confirmation envoyé par le routeur au demandeur de la réservation 17

19 Un message RSVP est constitué d un en-tête fixe et d un corps variable. Vers (4): Version du protocole RSVP (=1). Flags (4): Non utilisé à ce jour. Champs de l en-tête d un message RSVP Type de Msg (8): 1 à 7 selon le type ci-dessus. Checksum (16): Contrôle d'erreurs. Send_TTL (8): Valeur du TTL IP à comparer avec le TTL du paquet IP pour savoir s'il y a des routeurs non-rsvp. Longueur (16): longueur du message en octets (en-tête et objets). 6.4 Fonctionnement 1) Le récepteur envoie la requête de QoS au démon RSVP local au routeur. 2) La requête Qos passe à 2 modules de décision: Admission Control : qui détermine si les ressources sont suffisantes en fonction de la requête (débit, taux de pertes...). Policy Control : qui vérifie que l'utilisateur a l'autorisation administrative de faire cette réservation. Il authentifie le demandeur et permet la facturation. 3) Envoi des paramètres de QoS aux deux modules de gestion de flots: Packet Classifier et Packet Scheduler 4) Le scénario se reproduit pour le "saut" suivant. 18

20 7. Conclusion : Avec la diversification des domaines d utilisation des réseaux informatiques et la convergence de ceux-ci, un bon nombre d applications ont été développées, ces applications ayant chacune ses exigences par rapport aux performances du réseau et aux services proposés. Le nombre de personnes et de périphériques interconnectés ayant fortement augmenté, les réseaux doivent également prendre en charge un grand nombre d utilisateurs connectés simultanément et éviter les situations de congestion. Pour cela, la qualité de service est devenue un paramètre important à prendre en considération lors de la conception d un réseau informatique. La qualité de service peut être évaluée, analysée et améliorée par le biais de plusieurs méthodes pour garantir différents niveaux de performances. Un bon niveau de qualité de service garantit une exploitation optimale du réseau et une expérience d utilisation améliorée à l utilisateur final. 19

21 8. Références bibliographiques : Alain, J-M. (2011) Qualité de service dans les réseaux, introduction (En ligne) Aoun, A. (2001) IntServ et RSVP (En ligne) Aoun, A. (2001) Le modèle DiffServ (En ligne) Benduduh, B. & Fourcade J-M (2001) MPLS (En ligne) Beuran, R. (2004) Mesure de la qualité dans les réseaux informatiques. (Thèse) Université «POLITEHNICA» Bucuresti et Université «Jean Monnet» St. Etienne. Bouyakoub, F. (nd) Historique et enjeux de la QoS. (En ligne) Costas, H. (nd) QoS Protocols & Architectures. (En ligne) Huston, G. (2011) Best Efforts Networking (En ligne) 20

22 Samhat, A. & Chahed, T. (2003) IntServ sur DiffServ : Etude du rapport micro-flux/agrégat. GRES Février 2003, Fortaleza-CE-Brésil. Tanenbaum, A. & Wetherall, D. (2011) Réseaux 5 ème édition. Nouveaux Horizons. Vivian, D., Alchieri, E., Westphall, C. (nd) Evaluation of QoS metrics in Ad hoc networks with the use of secure routing protocols (En ligne) Wikipedia: