THÈSE DE DOCTORAT. Steven MARTIN. le 6 juillet pour obtenir le titre de

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1 THÈSE DE DOCTORAT UNIVERSITÉ PARIS XII présentée par Steven MARTIN le 6 ullet 2004 pour obtenr le ttre de DOCTEUR EN SCIENCES Spécalté Informatque MAÎTRISE DE LA DIMENSION TEMPORELLE DE LA QUALITÉ DE SERVICE DANS LES RÉSEAUX Drectrce de thèse : Co-encadrement : Pascale MINET Laurent GEORGE JURY Rapporteurs : Francs COTTET ENSMA Françose SIMONOT-LION ENSMN Examnateurs : Yacne AMIRAT Unversté Pars 12 Laurent GEORGE Unversté Pars 12, nvté Pascal LORENZ Unversté de Haute Alsace Pascale MINET INRIA Rocquencourt Samr TOHMÉ Unversté de Versalles St-Quentn

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3 A mes parents A Armelle, Erwan et Isabelle

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5 Remercements Mes remercements s adressent tout d abord et tout partculèrement à Madame Pascale MINET pour avor accepté de drger cette thèse. Ce fût un très grand plasr de travaller sous votre drecton. Merc pour votre gentllesse, votre dsponblté et votre patence. Je vous sus profondément reconnassant pour l ade que vous n avez cessé de m accorder tout au long de ce traval et pour m avor nté à la méthodologe de la recherche par votre sens de l organsaton, la clarté de vos dées et la rgueur de vos rasonnements. Je souhate également exprmer toute ma grattude à Monseur Laurent GEORGE pour avor accepté l encadrement de cette thèse. Depus l ESIEE, vous m avez vvement encouragé et consellé dans mon proet d ensegnement et de recherche. Vous avez su me guder durant toutes ces années. Votre contrbuton à l orentaton des travaux de recherche et vos dées ont perms l aboutssement de cette thèse. Je vous en sus très reconnassant. Mes très vfs remercements vont à Madame Françose SIMONOT-LION et Monseur Francs COTTET pour m avor fat l honneur d accepter la lourde charge d être les rapporteurs de cette thèse. Je les remerce tout partculèrement pour l ntérêt accordé à mes travaux de recherche. Je sus très heureux que Messeurs Yacne AMIRAT, Pascal LORENZ et Samr TOHMÉ aent accepté de fare parte de mon ury de thèse. Qu ls trouvent c l expresson de ma profonde grattude. Je remerce le laboratore LIIA de l unversté Pars 12 de m avor accuell et asssté pour la préparaton de cette thèse, ans que le laboratore HIPERCOM de l INRIA. Je ne peux termner sans remercer de tout mon cœur ma famlle et notamment mes parents pour leur benvellance et leurs encouragements, Armelle et Erwan pour leur présence affectve et constante, Isabelle pour son souten, son ade et sa patence.

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7 Résumé Internet est devenu ncontournable dans notre ve et notre traval en proposant de nouvelles applcatons telles que la téléphone sur IP, la vdéo à la demande ou encore les eux nteractfs dstrbués. Mas ces nouvelles applcatons nécesstent des garantes de la part du réseau en termes de déla, de débt et de pertes pour fonctonner correctement. Dans cette thèse, nous nous ntéressons à des applcatons ayant des contrantes fortes en termes de temps de réponse et de ggue de bout-en-bout. Pour chaque flux généré par ces applcatons, l utlsateur spécfe deux paramètres de qualté de servce (QoS), à savor : un degré d mportance, représentant la crtcté du flux du pont de vue utlsateur ; un paramètre temporel, utlsé pour départager les flux de même degré d mportance. Le temps ms par un paquet pour traverser le réseau dépend essentellement du temps passé dans les fles d attente des dfférents noeuds vstés. La poltque d ordonnancement est donc un élément essentel dans une archtecture de QoS. Nous proposons un modèle d ordonnancement permettant de fournr des garantes détermnstes sur le temps de réponse et la ggue de bout-en-bout de tout flux parcourant le réseau. Ce modèle est basé sur un ordonnancement à base de prortés fxes (FP) combné à un ordonnancement à base de prortés dynamques (DP). Tout paquet entrant dans le réseau se vot assgner la prorté fxe du flux auquel l appartent, ans qu une prorté dynamque. Les paquets sont alors ordonnancés dans les dfférents nœuds selon les prortés attrbuées sur le premer nœud vsté. Plus précsément, les paquets sont tratés dans l ordre de leur prorté fxe, pus dans l ordre de leur prorté dynamque pour ceux ayant la même prorté fxe. Nous notons un tel ordonnancement FP/DP. Ans, nous établssons des bornes mathématquement calculables sur les temps de réponse et les ggues de bout-en-bout des flux consdérés lorsque les paquets sont ordonnancés FP/DP dans chacun des noeuds. Pour la détermnaton de ces bornes, nous applquons une approche dte par traectore, qu ne consdère que des scénaros possbles. L établssement de ces bornes est effectué successvement pour tros confguratons de complexté crossante : cas monoprocesseur ; cas d une smple lgne de dffuson : tous les flux suvent la même séquence de nœuds ; cas général dstrbué : les flux suvent des lgnes quelconques. Nous applquons ensute nos résultats à deux ordonnancements FP/DP partculers : FP/FIFO et FP/EDF. Nous pouvons dédure des résultats obtenus ceux concernant les ordonnancements FP (les flux ont tous une prorté fxe dfférente), FIFO et EDF (les flux ont tous la même prorté fxe).

8 En contexte monoprocesseur, nous montrons alors que nous amélorons les résultats exstants pour les ordonnancements FIFO et EDF et retrouvons les résultats exstants pour l ordonnancement FP. De plus, la domnance de FP/EDF sur FP/FIFO est étable sous certanes hypothèses. Par alleurs, nous apportons de nouveaux résultats dans le cas dstrbué. Les résultats obtenus avec l approche par traectore amélorent sgnfcatvement les résultats obtenus par l approche holstque. Par alleurs, nous évaluons la précson de nos résultats par des exemples numérques en les comparant avec les valeurs exactes, fournes par un outl de valdaton que nous avons développé. Ensute, nous analysons l mpact d une remse en forme d un flux sur son temps de réponse de bout-en-bout. Nous consdérons deux technques de remse en forme : l annulaton de ggue et le seau à etons. Nous dscutons alors l ntérêt d une remse en forme et des mértes respectfs des deux technques de remse en forme étudées. Enfn, nous présentons un exemple d applcaton de notre soluton dans le cadre d une archtecture de QoS combnant DffServ et MPLS. Nous dérvons, à partr des résultats établs dans cette thèse, un contrôle d admsson permettant de garantr de manère détermnste les temps de réponse et les ggues de bout-en-bout des flux de la classe la plus prortare (la classe EF). Nous montrons ensute comment généralser à d autres archtectures de QoS. v

9 Table des matères I Présentaton du suet et de son contexte 1 Chaptre 1 Introducton Introducton Présentaton du suet Défnton de la qualté de servce Besons de garantes détermnstes Intérêt du suet Démarche suve Contrbutons et aspects novateurs Organsaton du document Chaptre 2 Problématque Introducton Inadéquaton d un tratement unforme Dmenson temporelle de la qualté de servce Importance de l ordonnancement Modèles consdérés Modèle de réseau Modèle de flux Modèle d ordonnancement Cas étudés Cas monoprocesseur Cas d une lgne de dffuson Cas général Outl de valdaton Problématque tratée Concluson Chaptre 3 Etat de l art Introducton Ordonnancement monoprocesseur Incdence de la non-préempton Ordonnancement non-préemptf Ordonnancement Fxed Prorty Ordonnancement Frst In Frst Out Ordonnancement Earlest Deadlne Frst v

10 3.2.6 Ordonnancements assocant prortés fxes et prortés dynamques Ordonnancement dstrbué Approche holstque Network calculus Archtectures de qualté de servce Les servces ntégrés (IntServ) Les servces dfférencés (DffServ) Contrôle d admsson Concluson II Nouveaux résultats pour les ordonnancements de type FP/DP 47 Chaptre 4 Notatons et défntons Introducton En contexte monoprocesseur En envronnement dstrbué Lgne de dffuson Cas général Concluson Chaptre 5 Contexte monoprocesseur Introducton Démarche suve Analyse pre cas Instant de démarrage au plus tard Temps de réponse pre cas Avantage de combner prortés fxes et prortés dynamques Cas partculers Les flux ont tous une prorté fxe dfférente Les flux ont tous la même prorté fxe Ordonnancement FP/FIFO Temps de réponse pre cas Ordonnancement FIFO Exemples Ordonnancement FP/EDF Temps de réponse pre cas Ordonnancement EDF Exemples Régon d ordonnançablté Domnance de FP/EDF sur FP/FIFO Proprétés Exemples Concluson v

11 Chaptre 6 Lgne de dffuson Introducton Démarche suve Analyse pre cas Approche par traectore Evaluaton des dfférents délas Instant de démarrage au plus tard sur le derner nœud vsté Instants à tester Temps de réponse pre cas de bout-en-bout Cas partculers La lgne de dffuson est rédute à un seul nœud Les flux ont tous une prorté fxe dfférente Les flux ont tous la même prorté fxe Ordonnancement FP/FIFO Temps de réponse pre cas de bout-en-bout Ordonnancement FIFO Exemples Ordonnancement FP/EDF Temps de réponse pre cas Ordonnancement EDF Exemples Concluson Chaptre 7 Cas dstrbué Introducton Demarche suve Analyse pre cas Approche par traectore Evaluaton des dfférents délas Instant de démarrage au plus tard sur le derner nœud vsté Instants à tester Temps de réponse pre cas de bout-en-bout Généralsaton Cas partculers Les flux suvent tous une même lgne de dffuson Les flux ont tous une prorté fxe dfférente Les flux partagent tous la même prorté fxe Ordonnancement FP/FIFO Temps de réponse pre cas de bout-en-bout Ordonnancement FIFO Ordonnancement FP/EDF Temps de réponse pre cas Ordonnancement EDF Concluson v

12 III Extensons et applcatons 131 Chaptre 8 Impact de la remse en forme du trafc Introducton Notatons Temps de réponse et ggue de bout-en-bout Sans remse en forme Avec remse en forme par flux Remse en forme par annulaton de ggue Remse en forme par seau à etons Exemple Etude comparatve avec l ordonnancement FIFO Sans remse en forme Avec remse en forme par annulaton de ggue Avec remse en forme par seau à etons Dscusson Annulaton de ggue ou seau à etons? Avec ou sans remse en forme? Concluson Chaptre 9 Exemples d applcatons Introducton Archtecture DffServ Modèle DffServ MPLS Soluton proposée Contrôle d admsson Exemple Dscusson Autres archtectures Archtecture IntServ Archtecture hybrde Concluson IV Concluson 161 Chaptre 10 Concluson et perspectves Concluson Perspectves Index Glossare Lste des publcatons Bblographe v

13 Lste des fgures 1.1 Exemple d applcaton à fortes contrantes temporelles Structure d un nœud du réseau consdéré L ordre d ordonnancement dépend du nœud Exemple d mplémentaton d un ordonnancement de type FP/DP Paramétrage du réseau est des flux Résultats fourns par l outl de valdaton Effet non-préemptf Composants nécessares dans le modèle IntServ Fonctonnement du protocole RSVP Composants nécessares dans le modèle DffServ Prncpe du contrôle d admsson Prncpales notatons utlsées en contexte monoprocesseur Prncpales notatons utlsées en envronnement dstrbué Pérode actve de nveau P G (t) consdérée Comparason des régons d ordonnançablté obtenues avec FP et FP/FIFO Comparason des régons d ordonnançablté obtenues avec FP et FP/EDF Comparason des régons d ordonnançablté obtenues avec FP/FIFO et FP/EDF Détermnaton du temps de réponse de bout-en-bout avec l approche par traectore Temps de réponse pre cas de bout-en-bout Temps de réponse pre cas de bout-en-bout du flux τ Temps de réponse pre cas de bout-en-bout Temps de réponse pre cas de bout-en-bout du flux τ Les flux peuvent se croser au plus une fos Pérodes actves de nveau P G (t) consdérées Pérodes actves de nveau P G (t) consdérées dans le pre cas Structure d un nœud du réseau consdéré Dstorson d un flux τ sur les deux premers nœuds vstés Technque de l annulaton de ggue Shaper composé d un seau à etons Technque du seau à etons Temps de réponse avec et sans remse en forme x

14 9.1 Structure d un label Combnason de DffServ et MPLS Trafc EF dans le domane DffServ x

15 Lste des tableaux 5.1 Améloratons obtenues sur les temps de réponse pre cas avec FP/FIFO Caractérstques des flux consdérés Améloratons obtenues sur les temps de réponse pre cas avec FP/EDF Caractérstques des flux consdérés Comparason entre les ordonnancements FP/EDF et FP/FIFO Caractérstques des flux consdérés Caractérstques des flux consdérés Temps de tratement maxmum de tout flux τ sur chaque nœud Caractérstques des flux consdérés Temps de tratement maxmum de tout flux τ sur chaque nœud Condtons à vérfer pour l acceptaton d un nouveau flux τ dans la classe EF x

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17 Premère parte Présentaton du suet et de son contexte

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19 CHAPITRE 1 Introducton 1.1 Introducton Présentaton du suet Défnton de la qualté de servce Besons de garantes détermnstes Intérêt du suet Démarche suve Contrbutons et aspects novateurs Organsaton du document

20 4 CHAPITRE 1. INTRODUCTION 1.1 INTRODUCTION Dans cette thèse, nous nous ntéressons à la détermnaton de garantes détermnstes de qualté de servce dans un réseau. Ans, dans la secton 1.2, nous présentons le suet et précsons les notons de qualté de servce (QoS) et de garante détermnste, en décrvant les paramètres temporels de QoS étudés. Nous montrons dans la secton 1.3 l ntérêt de ce suet, en présentant notamment pluseurs types d applcatons nécesstant des garantes de QoS pour fonctonner correctement. Dans la secton 1.4, nous présentons la démarche suve dans cette thèse. Pus, dans la secton 1.5, nous résumons les contrbutons et aspects novateurs du traval réalsé 1. Enfn, l organsaton du document est détallée dans la secton PRÉSENTATION DU SUJET Internet est devenu ncontournable dans notre ve et notre traval en proposant de nouvelles applcatons telles que la téléphone sur IP, la vdéo à la demande ou encore les eux nteractfs dstrbués. Contrarement aux applcatons pour lesquelles Internet fut conçu (transfert de fchers, accès à dstance, courrer électronque), ces nouvelles applcatons nécesstent des garantes de la part du réseau en termes de déla, de débt et de pertes pour fonctonner correctement [1, 2]. Or l archtecture de base d Internet est restée longtemps nchangée, la transmsson des paquets de données s effectuant touours selon le prncpe au meux (best-effort). Ce prncpe représente le type de servce le plus smple qu un réseau pusse offrr, ce derner garantssant smplement qu l fera de son meux pour qu un paquet sot délvré à son destnatare. La geston du trafc en best-effort correspond en fat à l absence de mécansme de qualté de servce. Le réseau ne peut donc offrr aucune garante aux nouvelles applcatons. Les partsans d un réseau basé sur le prncpe du best-effort consdèrent que l évoluton rapde des débts satsfat les besons sans qu l sot nécessare de mettre en œuvre une geston complexe du trafc. S cette pratque est envsageable sur un réseau local, l exercce devent rapdement onéreux dans de grands réseaux, malgré une basse constante du coût des lasons. De plus, l abondance de bande passante est rapdement comblée par de nouvelles applcatons encore plus gourmandes et par des usagers touours plus nombreux. Par alleurs, le surplus de bande passante ne prvlége pas les applcatons sensbles (au déla d achemnement par exemple), qu reçovent touours un servce de type best-effort. Il est donc nécessare de prvléger le tratement d applcatons sensbles, sans pour autant surdmensonner le réseau. Afn de répondre à ces nouveaux besons à forte valeur aoutée, les prestatares de servce dovent ntégrer les deux aspects suvants : l assurance de performance. L archtecture de base d Internet a peu de capactés pour gérer les ressources dans le réseau et ne peut donc pas fournr de garantes, notamment en termes de délas de bout-en-bout. La téléphone sur IP, par exemple, est sensble au déla. Lorsque celu-c devent trop mportant, l applcaton est nutlsable ; la dfférencaton de servce. Internet trate tous les paquets de la même manère, l ne peut donc offrr qu un seul et unque nveau de servce. Les besons des utlsateurs sont pourtant dfférents. Par exemple, une entreprse se servant d Internet pour des transactons bancares voudra certanement payer davantage pour obtenr un tratement préférentel de son trafc. La noton de qualté de servce, défne dans la secton suvante, devent donc prmordale [3]. 1 Les contrbutons seront présentées en détal dans la concluson de cette thèse.

21 1.2. PRÉSENTATION DU SUJET Défnton de la qualté de servce Intutvement, l dée de la qualté de servce, ou QoS (Qualty of Servce), est d offrr meux que le servce best-effort afn que les applcatons ayant des exgences spécfques fonctonnent correctement. Cette dée n est pas nouvelle ; elle est en réalté auss ancenne que les réseaux eux-mêmes. Les réseaux téléphonques, les réseaux synchrones fédérateurs, pus les réseaux de type ATM, ont par exemple touours ntégrés des mécansmes de QoS. En effet, ces réseaux ont été hstorquement construts pour transporter de la vox. Dans le monde de l Internet, la premère proposton de qualté de servce date de 1979 [4]. Plus récemment, l IETF (Internet Engneerng Task Force), organsme responsable de la coordnaton des propostons ayant valeur de standards pour les protocoles de l Internet, fut le sège de nouveaux protocoles et archtectures de qualté de servce 2 : IntServ [5] (avec le protocole de réservaton RSVP [6]), pus DffServ [7]. Comme l observe [8], les termes qualté et servce sont ndvduellement vagues et permettent bon nombre d nterprétatons. Nous consdérerons par la sute que la qualté de servce d un réseau est sa capacté à fournr un servce adapté aux besons spécfques des applcatons. D un pont de vue technque, la QoS proposée à une applcaton est caractérsée par un ensemble de paramètres, à savor : le temps de réponse de bout-en-bout, correspondant au temps que requert un paquet pour traverser le réseau d un pont d entrée à un pont de sorte ; la ggue de bout-en-bout, représentant la varaton maxmale des temps de réponse de bout-en-bout des paquets dans le réseau ; la bande passante dsponble, devant être suffsante pour absorber le trafc généré par les utlsateurs ; le taux de pertes sub par les paquets, représenté par le rapport entre le nombre d octets éms et le nombre d octets reçus ; la dsponblté du servce rendu, qu peut s exprmer comme la probablté que le servce sot dsponble à un nstant t quelconque. La bande passante est le paramètre généralement adopté comme crtère de QoS. En effet, les solutons proposées sont prncpalement axées sur ce paramètre, en argumentant que la garante d un grand débt est synonyme de fables temps de réponse. Malheureusement, cette affrmaton est coûteuse car elle ntrodut un couplage déla / bande passante et mplque un surdmensonnement du réseau lorsque les applcatons sensbles au déla ne nécesstent pas un débt mportant [9]. Il est donc nécessare de s ntéresser plus fnement à la dmenson temporelle de la QoS, c est pourquo nous nous focalserons dans cette thèse aux deux paramètres correspondants : le temps de réponse de bout-en-bout et la ggue de bout-en-bout Besons de garantes détermnstes Nous nous ntéressons aux applcatons temps-réel, c est-à-dre aux applcatons ayant des exgences fortes en termes de déla d achemnement des données et de varaton de ce déla d achemnement. Typquement, une applcaton temps-réel a une échéance sur le temps de réponse de bout-en-bout (et éventuellement une autre sur la ggue de bout-en-bout). S cette échéance n est pas respectée, l applcaton se dégrade ou devent nutlsable. A ttre d exemple, une applcaton de téléphone IP [10], consstant à transmettre la vox dans des paquets IP, ne nécesste pas une bande passante mportante (au maxmum 8 kb/s avec un bon algorthme de compresson) mas a les contrantes suvantes : 2 Ces archtectures sont décrtes dans la secton 3.4.

22 6 CHAPITRE 1. INTRODUCTION le déla de transmsson total des paquets dot être suffsamment fable pour ne pas nterférer avec les conversatons. [11] recommande un déla nféreur à 150 ms ; la varaton du déla de transmsson total ne dot pas excéder quelques dzanes de mllsecondes pour ne pas nure à la qualté audo en récepton. Les applcatons à fortes contrantes temporelles, telle que la vox, nécesstent donc des garantes de QoS pour fonctonner correctement. Ces garantes peuvent être probablstes ou détermnstes. En effet, une applcaton peut se contenter d une qualté que l on pusse suffsamment prédre pour qu elle sot convenablement satsfate. Garantr, par exemple, pour le contrôle à dstance d un téléscope, que le temps de réponse des commandes n excédera pas quelques centanes de mllsecondes dans 99% des cas semble satsfasant. D autres applcatons, en revanche, nécesstent des garantes détermnstes, c est-à-dre le respect sans faute des contrantes mposées par le servce demandé. C est le cas des applcatons en bases de données gérant des données réplquées et pour lesquelles le temps de mse-à-our d une donnée sur toutes les copes dot être strctement borné. Les résultats présentés dans ce document permettent d établr des garantes détermnstes sur les temps de réponse de bout-en-bout et les ggues de bout-en-bout des dfférentes applcatons coexstant dans un réseau. 1.3 INTÉRÊT DU SUJET L avènement de technologes de plus en plus performantes rend possble le développement d applcatons de plus en plus exgeantes en terme de qualté de servce [12]. Par alleurs, la numérsaton de la vox et de l mage permet, au-delà de la ratonalsaton des coûts, le développement de nouvelles applcatons réellement multméda (c est-à-dre assocant vox, données et mages). L ensemble des nvestssements consents par les constructeurs et les opérateurs dans le domane de la vox sur IP attestent de cette réalté. Mas l utlsaton d un même réseau pour pluseurs types d applcatons, dont les contrantes et les profls peuvent être très dfférents, nécesste de défnr et de mettre en place des règles pour que ces applcatons se partagent effcacement les ressources réseaux et la bande passante dsponble, tout en répondant au meux à leurs exgences de QoS. Pour résoudre les problèmes de QoS sur Internet, l une des technques consste à augmenter fortement la bande passante. Ans, les réseaux d entreprse, qu l s agsse des réseaux locaux ou des réseaux étendus, ont été souvent surdmensonnés pour répondre à ce beson de QoS, au détrment d une rentablté maxmale. Auourd hu, les constructeurs d équpements de télécommuncatons et les opérateurs nvestssent beaucoup dans le domane de la QoS, afn d exploter au meux les ressources et donc permettre une réducton des coûts généraux de l nfrastructure. Ce constat s applque à Internet mas également à la concepton de systèmes embarqués (type véhcule) dsposant de pluseurs nœuds nterconnectés par pluseurs réseaux. Les réseaux d entreprse actuels sont encore relatvement smples et leurs trafcs maortarement ssus d applcatons peu sensbles à la QoS (messagere, réplcaton de bases de données, transfert de fchers ou accès à des serveurs Web ntranet). Mas face à la généralsaton d applcatons de type ERP 3, e-busness ou vdéoconférence, les entreprses se tournent de plus en plus vers des opérateurs proposant une offre d nterconnexon comportant au mnmum tros nveaux de servces : un servce best-effort pour les applcatons non sensbles, un servce assuré pour les applcatons crtques de l entreprse et un servce temps-réel pour les applcatons de vox ou vdéo sur IP. 3 Un progcel de geston ntégré, ou ERP (Entreprse Resource Plannng), est un ensemble complet de programmes standard utlsables drectement pour la geston d une entreprse après une adaptaton sous forme de paramétrage.

23 1.3. INTÉRÊT DU SUJET 7 La geston préconsée par les constructeurs d équpements réseau consste à dsposer de mécansmes nhérents aux équpements réseau permettant de favorser certans flux prortares, grâce à leur analyse préalable (demande mplcte) ou à leur demande explcte de QoS (préalablement au transfert) [9]. Les flux mons prortares sont alors ms en fle d attente dans les nœuds du réseau et écoulés dès que possble, à mons qu une saturaton trop mportante du réseau n oblge à les détrure partellement ou en totalté. Cette geston mplque que les nœuds du réseau soent en mesure d assurer les tros fonctonnaltés suvantes [13] : la classfcaton ; la mse en fle d attente conformément à la classfcaton ; l ordonnancement en foncton des classes. Afn de smplfer les équpements, certans modèles de QoS proposent d effectuer la classfcaton complexe des paquets à l entrée du réseau. Ans, les paquets sont marqués sur leur nœud d entrée pus tratés dans les éléments centraux du réseau en foncton de leur marquage. Cependant, l est mportant de rappeler qu à ce our, la plupart des applcatons ne savent pas sgnaler dynamquement leurs besons de QoS pour recevor le nveau de servce adapté. Dans cette thèse, nous proposons une soluton (vor secton 2.2.3, page 17) proposant des garantes détermnstes en termes de déla de traversée du réseau et varaton de ce déla, basée sur une poltque d ordonnancement spécfque. Ces garantes sont essentelles pour la mse en place d applcatons à fortes contrantes temporelles. Par alleurs, notre soluton ne nécesste de la part des applcatons que deux paramètres de QoS, à savor un degré d mportance et un paramètre temporel. Enfn, cette soluton est conforme aux orentatons actuelles car les tratements complexes sont réalsés sur les nœuds en bordure du réseau. Pour llustrer les besons de QoS en termes de temps de réponse et de ggue de bout-en-bout, outre les applcatons temps-réel classques, nous pouvons cter le proet Concert Vrtuel Répart [14] mené par le CNAM (Conservatore Natonal des Arts et Méters) et llustré à la fgure Cette mage est extrate de [14]. FIG. 1.1 Exemple d applcaton à fortes contrantes temporelles

24 8 CHAPITRE 1. INTRODUCTION Des muscens, physquement réparts, dovent ouer vrtuellement ensemble en temps-réel. Une telle applcaton nécesste des bornes strctes sur le temps de réponse de bout-en-bout afn de s assurer d une bonne cohérence audtve. Mas une telle garante détermnste ne sufft pas. En effet, pour assurer une smultanété entre les dfférents muscens, la ggue de bout-en-bout dot également être bornée. Un autre exemple d applcaton est la vdéo à la demande, ou VoD (Vdeo on Demand), permettant à un utlsateur de chosr un contenu multméda à vsualser et de contrôler sa transmsson par des commandes classques du type : play, pause, etc. Des études [15] affrment qu en 2006, 40% de la populaton bénéfcant d une connexon Internet haut débt sollctera un tel servce. En Amérque du Nord, ce marché représentera envron 7, 6 mllons d utlsateurs et générera 820 mllons de dollars de revenus. Commercalement, les systèmes multméda dovent être capables de fournr les servces demandés avec la qualté de servce requse. Pour l utlsateur, cette qualté de servce s exprmera prncpalement par une vsualsaton flude et une bonne réactvté du serveur aux commandes transmses [16]. La maîtrse de la dmenson temporelle de la QoS est donc, là encore, prmordale. Cette thèse s nscrt donc dans la problématque actuelle de QoS dans les réseaux et, plus précsément, de garantes détermnstes pour la mse en place d applcatons temps-réel. Ces garantes sont essentelles pour le bon fonctonnement de ces applcatons. Elles sont également nécessares aux fournsseurs de servce et aux constructeurs nformatques qu commercalsent ans une qualté de servce à forte valeur aoutée. En effet, ceux-c dovent fournr des mesures de QoS orentées de plus en plus vers la dsponblté et le respect de contrantes temporelles de bout-en-bout [17]. 1.4 DÉMARCHE SUIVIE Dans cette thèse, nous souhatons offrr des garantes détermnstes à des applcatons ayant des contrantes temps-réel. Nous nous ntéressons plus partculèrement aux flux générés par ces applcatons. Nous proposons une soluton basée sur un ordonnancement combnant prortés fxes et prortés dynamques. Les prortés fxes consttuent le crtère prncpal d ordonnancement, les prortés dynamques ne servant qu à départager les paquets de même prorté fxe. Nous notons un tel ordonnancement FP/DP. Deux exemples d ordonnancement FP/DP sont FP/FIFO et FP/EDF. Le premer est le plus utlsé en rason de sa smplcté. Le second tre avantage de l optmalté d EDF en monoprocesseur. Dans ce contexte, nous consdérons successvement tros confguratons de complexté crossante : 1) cas monoprocesseur ; 2) cas d une smple lgne de dffuson, c est-à-dre tous les flux suvent la même séquence de nœuds ; 3) cas général dstrbué. Pour chaque confguraton, nous réalsons une analyse pre cas afn de détermner les temps de réponse pre cas des flux. Cette analyse pre cas est réalsée avec une approche dte par traectore (vor chaptre 6). Cette approche se base sur les scénaros pouvant se produre, c est pourquo elle fournt des résultats précs. Afn de valder les résultats que nous obtenons, nous procédons comme sut :

25 1.5. CONTRIBUTIONS ET ASPECTS NOVATEURS 9 Valdaton par la confguraton de mondre complexté Dans le cas d une smple lgne de dffuson, nous montrons que nous retrouvons les résultats établs dans le cas monoprocesseur lorsque cette lgne se rédut à un seul nœud. De même, dans le cas général dstrbué, nous montrons que nous retrouvons les résultats établs dans le cas d une smple lgne de dffuson lorsque tous les flux suvent la même séquence de nœuds. Valdaton par l état de l art Pour chaque confguraton, nous consdérons deux ordonnancements partculers, à savor FP/FIFO et FP/EDF. Nous consdérons ensute deux cas : () les flux ont tous une prorté fxe dfférente et () les flux ont tous la même prorté fxe. Nous établssons ans des résultats pour les ordonnancements FP, FIFO et EDF. Ces résultats sont alors comparés à ceux présentés dans l état de l art. Valdaton par comparason avec l approche exhaustve Pour chaque confguraton, nous présentons des exemples numérques permettant d apprécer la précson des résultats obtenus. Pour ce fare, nous avons développé un outl de valdaton permettant de générer la soluton exhaustve à un problème d ordonnancement donné. Nous pouvons alors comparer les résultats fourns par cet outl avec ceux obtenus grâce à l approche par traectore. 1.5 CONTRIBUTIONS ET ASPECTS NOVATEURS Les contrbutons et les aspects novateurs de cette thèse concernent prncpalement les ponts suvants : Prse en compte de contrantes temporelles Nous proposons une soluton permettant de prendre en compte, pour chaque flux généré, deux paramètres smples de QoS spécfés par l utlsateur : le degré d mportance du flux et un paramètre temporel. Le degré d mportance représente la crtcté du flux du pont de vue utlsateur et le paramètre temporel permet de départager les flux de même degré d mportance. Ordonnancements compostes Notre soluton se base sur un ordonnancement combnant prortés fxes et prortés dynamques. Ans, la prorté fxe reflète le degré d mportance du flux et la prorté dynamque est calculée à partr de son paramètre temporel. La prorté fxe est le crtère prncpal d ordonnancement, la prorté dynamque ne servant qu à départager les flux de même prorté fxe. Nous consdérons que les prortés fxes et dynamques sont attrbuées sur le nœud d entrée du flux et notons un tel ordonnancement FP/DP (vor secton 2.2.3). Garantes détermnstes Avec la soluton proposée, nous offrons des garantes détermnstes sur les temps de réponse et les ggues de bout-en-bout des flux. Le détermnsme des bornes proposées est ndspensable pour certanes applcatons temps-réel (par exemple le contrôle de processus). Approche par traectore Les résultats sur les temps de réponse pre cas sont obtenus à l ade d une approche par traectore, ne consdérant que des scénaros pouvant se produre, à la dfférence de l approche holstque (vor secton 3.3). Dans cette thèse, nous montrons comment utlser l approche par traectore dans une analyse pre cas en envronnement dstrbué.

26 10 CHAPITRE 1. INTRODUCTION Nouveaux résultats ou améloratons de résultats exstants Nous obtenons les temps de réponse pre cas pour FP/DP 5. Nous applquons ces résultats à deux ordonnancements FP/DP partculers : FP/FIFO et FP/EDF. Ans, nous montrons qu en contexte monoprocesseur : () nous amélorons les résultats pour les ordonnancements FIFO et EDF, () nous retrouvons les résultats exstants pour l ordonnancement FP et () nous établssons de nouveaux résultats pour les ordonnancements FP/FIFO, FP/EDF. Par alleurs, nous établssons de nouveaux résultats en envronnement dstrbué pour les ordonnancements FP/FIFO, FP/EDF, FP, FIFO et EDF. Comparason de dfférentes approches (traectore, exhaustve, holstque) Nous montrons que les résultats établs en envronnement dstrbué avec l approche par traectore amélorent sgnfcatvement les résultats obtenus avec l approche holstque. Par alleurs, pour chaque confguraton étudée, nous évaluons la précson de nos résultats par des exemples numérques en les comparant avec les valeurs exactes, fournes par un outl de valdaton que nous avons développé. Domnance de FP/EDF sur FP/FIFO en monoprocesseur En monoprocesseur, deux ordonnancements FP/DP sont partculèrement ntéressants : - FP/FIFO, qu correspond à l mplémentaton la plus utlsée de FP en rason de sa smplcté ; - FP/EDF, qu tre bénéfce de l optmalté d EDF [18]. Nous démontrons qu en monoprocesseur, FP/EDF domne FP/FIFO lorsque les flux partageant la même prorté fxe ont même temps de tratement maxmum. Contrôle d admsson A partr des résultats établs dans cette thèse, nous montrons comment dérver un contrôle d admsson permettant de garantr, de manère détermnste, des bornes sur les temps de réponse et les ggues de bout-en-bout. Ce contrôle d admsson est établ dans une archtecture de QoS combnant DffServ et MPLS. Il est généralsable à d autres archtectures de QoS (vor chaptre 9). Garantes quanttatves pour la classe EF du modèle DffServ La classe de servce la plus prortare du modèle DffServ, proposée pour des applcatons ayant des contrantes temps-réel, souffre d une défnton purement qualtatve. Dans cette thèse, nous montrons comment apporter des garantes quanttatves. 1.6 ORGANISATION DU DOCUMENT Cette thèse est organsée en quatre partes, présentées c-dessous. Parte I Présentaton du suet et de son contexte Dans la premère parte, nous ntrodusons tout d abord le suet étudé et montrons son ntérêt (chaptre 1). Nous précsons ensute la problématque consdérée (chaptre 2), à savor : fournr aux dfférents flux parcourant un réseau des garantes détermnstes en termes de temps de réponse et de ggue de bout-en-bout. 5 Dans le cas monoprocesseur, un ordonnancement FP/DP équvaut à un ordonnancement FP/DP.

27 1.6. ORGANISATION DU DOCUMENT 11 Nous proposons alors un modèle d ordonnancement, basé sur un ordonnancement FP (Fxed Prorty) combné à un ordonnancement DP (Dynamc Prorty). Ans, un flux se vot assgner une prorté fxe en entrée du réseau et à chaque paquet de ce flux est attrbuée une prorté dynamque. Dans les nœuds, les paquets sont ordonnancés en foncton de leurs prortés généralsées, c est-à-dre suvant leurs prortés fxes pus leurs prortés dynamques s ls ont même prorté fxe. Nous notons un tel ordonnancement FP/DP s la prorté dynamque d un paquet est attrbuée sur le premer nœud vsté, FP/DP s un paquet se vot attrbuer une prorté dynamque sur chacun des nœuds. Afn de comparer les résultats obtenus à ceux exstants, nous rappelons également dans la premère parte (chaptre 3) un ensemble de résultats de l état de l art connus en ordonnancement monoprocesseur et dstrbué. Parte II : Nouveaux résultats pour les ordonnancements de type FP/DP Dans la deuxème parte, nous consdérons un ordonnancement de type FP/DP non-préemptf, c està-dre lorsque la prorté dynamque d un paquet est attrbuée sur le premer nœud vsté. Après avor précsé nos notatons (chaptre 4), nous détermnons le temps de réponse pre cas d un flux quelconque parm un ensemble de flux. Tros cas sont étudés : le cas monoprocesseur où les flux sont tratés dans un seul et même nœud (chaptre 5), le cas d une lgne de dffuson, où les flux suvent tous une même séquence de nœuds (chaptre 6) et le cas général, où les flux suvent des chemns dfférents dans le réseau (chaptre 7). Pour la détermnaton du temps de réponse pre cas d un flux, nous adoptons l approche par traectore, consstant à examner l ordonnancement produt sur l ensemble des nœuds vstés par le flux. Avec cette approche, les seuls scénaros consdérés sont des scénaros pouvant se produre, ce qu condut à des résultats mons pessmstes que ceux basés sur l approche holstque. Nous comparons les résultats obtenus avec l approche par traectore aux résultats établs avec l approche holstque pus ceux fourns par une approche exhaustve. Nous applquons enfn nos résultats à deux ordonnancements DP partculers : FIFO (Frst In Frst Out) et EDF (Earlest Deadlne Frst). Nous montrons ans que nous amélorons les résultats connus pour les ordonnancements FIFO et EDF en contexte monoprocesseur et apportons de nouveaux résultats en envronnement dstrbué. De plus, les résultats théorques obtenus sont confrmés par un outl de valdaton réalsé dans le cadre de cette thèse. Parte III : Extensons et applcatons Dans la trosème parte, nous nous ntéressons au cas où les flux sont rems en forme en entrée de chaque nœud (chaptre 8). Pour cela, nous consdérons deux technques de remse en forme, à savor : l annulaton de ggue (tter cancellaton) et le seau à etons (token bucket). Cette analyse nous permet de détermner les cas où l est ntéressant () de ne pas remettre en forme les flux, () de remettre en forme les flux avec la technque de l annulaton de ggue et () de remettre en forme les flux avec la technque du seau à etons. Nous proposons ensute (chaptre 9) des exemples d applcatons de nos résultats, notamment en proposant une archtecture de qualté de servce combnant DffServ (Dfferentated Servces) et MPLS (MultProtocol Label Swtchng). Nous montrons en effet comment mettre en place, dans une telle archtecture, un contrôle d admsson garantssant aux flux acceptés le respect de leurs contrantes temporelles de bout-en-bout. Une généralsaton à d autres archtectures de QoS est alors décrte.

28 12 CHAPITRE 1. INTRODUCTION Parte IV : Concluson Dans la quatrème et dernère parte, nous concluons sur le traval réalsé dans cette thèse et présentons pluseurs perspectves ntéressantes pour la sute de cette étude.

29 CHAPITRE 2 Problématque 2.1 Introducton Inadéquaton d un tratement unforme Dmenson temporelle de la qualté de servce Importance de l ordonnancement Modèles consdérés Modèle de réseau Modèle de flux Modèle d ordonnancement Cas étudés Cas monoprocesseur Cas d une lgne de dffuson Cas général Outl de valdaton Problématque tratée Concluson

30 14 CHAPITRE 2. PROBLÉMATIQUE 2.1 INTRODUCTION Nous nous ntéressons dans cette thèse à la dmenson temporelle de la QoS dans un réseau. Pour cela, nous consdérons un réseau dans lequel coexstent n flux dfférents. Un flux est une séquence de paquets ayant des caractérstques communes. Dans un réseau de type Internet, par exemple, un flux est dentfé par les cnq champs suvants de l entête TCP/IP [19] : les adresses IP source et destnaton, les ports source et destnaton et le protocole de transport (TCP, UDP ou autre). Dans la sute, nous consdérerons un flux comme une séquence de paquets ayant ces cnq champs IP dentques, une QoS égale et le même dentfcateur, défn par l utlsateur. Dans ce contexte, nous souhatons fournr à chacun des flux parcourant le réseau des garantes détermnstes sur son temps de réponse de bout-en-bout et sa ggue de bout-en-bout 1. Pour cela, nous adoptons tros modèles, détallés dans la secton 2.2. Mas avant de détaller les tros modèles adoptés, nous revenons sur l nadéquaton d un tratement unforme pour le problème posé. Nous présentons alors le type de réseau consdéré, pus nous défnssons précsément la dmenson temporelle de la QoS. Enfn, nous soulgnons l mportance de l ordonnancement pour la QoS. Pus, après avor décrt les modèles de réseau, de flux et d ordonnancement que nous utlserons tout au long de cette thèse, nous présentons les tros cas dans lesquels nous apportons des résultats nouveaux par rapport à l état de l art 2, à savor () en contexte monoprocesseur, () pour une lgne de dffuson et () dans le cas général. A chaque cas correspond un chaptre de cette thèse. Une défnton formelle de la problématque tratée dans cette thèse est alors donnée à la fn de ce chaptre Inadéquaton d un tratement unforme Nous consdérons un réseau dans lequel coexstent des applcatons aux exgences varées, telles que des applcatons crtques d entreprses, des applcatons multméda et des applcatons de messagere ou de transfert de fchers. Pour satsfare les dfférentes contrantes, un tratement unforme serat nadéquat. En effet, même avec un surplus de bande passante, les flux mportants (c est-à-dre d applcatons crtques ou temps-réel) ne sont pas prvlégés. Ils peuvent donc être pénalsés par des flux mons prortares. Par exemple, un paquet multméda, très sensble au déla d achemnement, peut être gêné pluseurs fos dans le réseau par un paquet volumneux lé au transfert d un fcher. Le paquet multméda subt alors des délas d attente préudcables dans les nœuds du réseau, sans pour autant que les lens soent saturés. Par alleurs, l n est pas possble avec un tratement unforme d allouer de la bande passante à des applcatons spécfques. Nous supposons donc un réseau proposant des servces dfférencés en foncton des exgences des flux, tel IntServ ou DffServ, afn de prvléger le tratement des applcatons sensbles sans surdmensonner le réseau. Cette dfférencaton consstera c à prendre en compte deux crtères de QoS spécfés par chacun des flux, à savor : un degré d mportance, représentant la crtcté du flux ; un paramètre temporel, utlsé pour départager les flux de même degré d mportance. Ces paramètres sont défns en détals dans la secton 2.2.3, page La nécessté de telles garantes et l mportance de ces paramètres temporels ont été dscutées dans le chaptre précédent. 2 L état de l art fat l obet du chaptre 3.

31 2.2. MODÈLES CONSIDÉRÉS Dmenson temporelle de la qualté de servce Nous nous focalsons sur le paramètre temporel de la qualté de servce, à savor le temps de réponse de bout-en-bout et éventuellement la ggue de bout-en-bout. Plus précsément, nous consdérons un réseau tel que celu décrt dans la sous-secton précédente et dans lequel coexstent n flux. Nous avons alors les deux défntons suvantes : Défnton Le temps de réponse pre cas de bout-en-bout d un flux est le temps maxmum ms par un de ses paquets pour traverser le réseau. Défnton La ggue de bout-en-bout d un flux est la dfférence entre les temps maxmum et mnmum ms par deux de ses paquets pour traverser le réseau. Afn de proposer des garantes détermnstes sur le temps de réponse de bout-en-bout d un flux quelconque parcourant le réseau, l convent de détermner une borne sur le temps de réponse pre cas du flux. Pour cela, nous proposons une analyse pre cas basée sur une approche par traectore 3. Concernant la ggue de bout-en-bout, deux technques exstent pour la lmter, vore l annuler, à savor : la technque de lmtaton de ggue, consstant à vérfer que la ggue d un flux reste bornée par une valeur acceptable maxmale avant que le flux ne sot consdéré par l ordonnanceur. S ce n est pas le cas, la ggue est rédute à sa valeur acceptable maxmale par des mécansmes de remse en forme ; la technque de l annulaton de ggue, consstant à annuler sur chacun des nœuds vstés la ggue du flux avant qu l ne sot consdéré par l ordonnanceur [20]. Pour ce fare, les paquets sont retenus usqu à leurs nstants d arrvée au plus tard. Ans, les paquets arrvent sur chacun des nœuds avec une ggue égale à celle ntrodute par le nœud précédent et le len parcouru. Nous verrons en détal ces technques dans le chaptre Importance de l ordonnancement Le temps ms par un paquet pour traverser le réseau peut se décomposer en () un déla fxe (temps de propagaton et temps mnmum de tratement) qu dépend du chemn suv et () un déla dans les fles d attente des nœuds [21]. Le temps passé dans les fles d attente est foncton de la geston de ces fles d attente, c est-à-dre de l ordonnancement. En effet, un algorthme d ordonnancement [22] détermne, parm les paquets en attente de tratement, le prochan paquet à transmettre. Il est donc mportant de s nterroger sur l ordonnancement à applquer dans chacun des nœuds du réseau lors de la mse en place d une archtecture de QoS. Dans cette thèse, nous proposons un modèle d ordonnancement (vor secton 2.2.3) permettant de fournr des garantes détermnstes sur le temps de réponse de bout-en-bout et la ggue de bout-en-bout de tout flux parcourant le réseau. 2.2 MODÈLES CONSIDÉRÉS Modèle de réseau Nous consdérons un réseau fable, c est-à-dre sans défallances des processeurs ou du réseau et sans pertes de paquets. Par alleurs, les lens relant les dfférents nœuds sont supposés FIFO : les paquets arrvent sur le nœud h + 1 dans l ordre où ls ont été éms sur le nœud h. De plus, le déla réseau entre deux nœuds est borné nféreurement par Lmn et supéreurement par Lmax. 3 Vor le chaptre 3 pour plus de détals.