Quality Of Service Models In Ad Hoc Netwoks (in French)

Laboratoire de Modélisation & d’Optimisation des Systèmes

Modèles de Qualité de Service dans les Réseaux Mobiles Ad Nadir BOUCHAMA Hoc [email protected]

18/02/2008

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Plan de l’Exposé..  Réseaux Mobiles Ad Hoc : Motivation, Application  Qualité de Service dans les Réseaux Mobiles Ad Hoc: Besoins et motivation,  Surdimensionnement versus ingénierie de trafic  Approches pour offrir la QoS: Taxonomie et Critiques  Notions de soft QoS, hard QoS, et QoS adaptive  Performances des Modèles de QoS hérités du monde filaires: IntServ et DiffServ:  Modèles de QoS pour les MANETS: évolution ou révolution ?  Trois modèles phare: INSIGNIA, SWAN, FQMM

 Taxonomie & Comparaison qualitative  Conclusion générale et perspectives

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Réseaux mobiles ad hoc Liens sans fils Une topologie dynamique Contraintes d’énergie Absence d’infrastructure centralisée  Auto-organisation et autoconfiguration  Limitation du canal Radio  Vulnérabilité    

Applications: Militaire, missions de sauvetage, communications de groupes, accès Internet, etc

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Motivation Au début des réseaux sans fils : Le premier souci est de permettre la connectivité Le principe utilisé est le BEST EFFORT c’est-à-dire « AU MIEUX» Aucune garantie de livraison des données SEND AND PRAY

Mais…. pour certains applications ce service n’est pas du tout suffisant Exemple: Applications multimédias, téléphonie, jeux, applications critiques, communications dans un champs de bataille, etc.  La QoS n’est pas une OPTION mais une NECESSITÉ pour permettre d’attirer surtout l’attention des INDUSTRIELS

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Qualité de Service ? Comme définie dans le RFC 2386, « Ensemble de besoins à assurer par le réseau pour le transport d’un trafic d’une source à une destination. Ces besoins peuvent être traduits en un ensemble d’attributs pré-spécifiés et mesurables en terme de :  Délai de bout en bout  Variance de délai (gigue)  Bande passante :.  Taux de Perte de paquets »



Recommandation E.800 du CCITT : « Effet global des performances du service qui détermine le degré de satisfaction d’un utilisateur du service. »

Cette définition n’est pas adéquate pour les réseaux mobile ad hoc La Qualité de Service dans les réseaux mobiles ad hoc veut dire fournir des paramètres afin d’adapter les applications à la “qualité “ du réseau.

 Objectif principal: OPTIMISER l’utilisation des ressources Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008

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Complexité

Qualité de service dans les MANETs = Fournir une fonctionnalité complexe dans un environnement très dynamique où les ressources sont rares. Solution: Deux approches classiques:

Sur-dimensionnement

Ingénierie de trafic Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008

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Sur-Dimensionnement Principe :

Agir sur les RESSOURCES (solution matérielle) Approvisionner le réseau avec « suffisamment » de ressources si besoin est

 Avantages:

F I T I B

 Facile et peut se faire de façon graduelle;  Aucun mécanisme de QoS n’est nécessaire;

I H O R

 Inconvénients:

Peut être très coûteux pour le déploiement et la mise a jour; Difficile à prédire les besoins futurs du trafic; Ne peut pas garantir les garanties sur le délais; Dans la plupart des cas, il s’agit d’un déplacement du problème; Perte de ressources (réseau sous-utilisé); Pour un réseau mobile ad hoc les ressources sont rares et volatiles;  La bande de fréquence est très limitée      

P

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Ingénierie de trafic (Traffic engineering ) Principe

Agir sur le Trafic (solution logicielle)

Utiliser des mécanisme de contrôle et de priorité pour le trafic Avantages:

 Rentable;  Utilisation rationnelle des ressources;

Inconvénients:

 Complexe à implémenter;  Problème de passage à l’échelle (scalability)

C’est cette deuxième approche qui nous intéresse dans l’exposé actuel Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008

Congestion-related performance degradation has been found to cause the majority of network downtime costs Michael Howard President, Infonetics Research 8

Taxonomies….. Classification la plus connue et la plus citée: [WuH99] K. Wu and J. Harms, QoS Support in Mobile Ad Hoc Networks. Crossing Boundariesthe GSA Journal of University of Alberta, Volume 1, n° 1. pages 92- 106. Novembre 2001

Qualité de Service dans les Réseaux Ad Hoc

X

Surdimensionnem ent

Ingénierie de trafic

Protocoles Couche Routage de MAC avec QoS signalisatio n Interviennent à une couche ou souscouche du modèle de référence OSI Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008

Modèles de QoS Approches Inter couche CROSS LAYER 9

Modèles de QoS  Modèle de QoS Un modèle définit généralement les blocs de base d’une solution donnée :  Contrôle d’admission  politique d’ordonnancement  contrôle de congestion,  signalisation,  routage avec QoS  Lissage de trafic, etc Définir QUI FAIT QUOI?  Interaction ? Aspect architectural

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Propriétés d’un bon modèle de QoS Adaptabilité: s’adapter à l’état du réseau ad hoc Simplicité: éviter la complexité et la surcharge Scalabilité: résister aux facteurs limite tels que le nombre de nœuds , nombre de flux, nombre de classes, etc

Efficacité: offrir un bon niveau de QoS pour les applications prioritaires

Equité: vis-à-vis du trafic best effort Robustesse: résister aux perturbations dans le réseau Sécurité: dans certains cas comme le domaine militaire

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Critiques Taxonomie critiquée notamment dans: [Chaudet2006] Claude Chaudet, Isabelle Guérin Lassous, - État des lieux sur la qualité de service dans les réseaux ad hoc - Invited paper, in 'Colloque Francophone sur l'Ingénierie des Protocoles'' - November 2006 - Tozeur, Tunisia.

Raisons ? •Impossible de classifier les solutions existantes selon cette taxonomie; •Pourquoi séparer la signalisation et le QoS routing alors qu’ils sont souvent complémentaires; •Un bon modèle de QoS est souvent construit à partir de plusieurs blocs de base

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Classification proposée Classifier selon le niveau de QoS : échelle allant du best effort à la hard QoS

Meilleure QoS

QoS level

•

Best effort QoS:

•

Soft QoS:

•

Hard QoS:

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Autres noms

Examples

Peut on l’avoir dans les MANETS?

send and pray

Transfert de données, FTP, etc

OUI

statistical QoS, better than best effort, qualitative QoS,

Applications Multimédias adaptives

OUI

guaranteed service, Chirurgie à distance, contrôle quantitative QoS d’une réacteur nucléaire, deterministic QoS, contrôle de trafic aérien

non

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Question Principale Les deux modèles classiques IntServ et DiffServ sont-ils applicables aux réseaux mobiles ad hoc ? MOTIVATION:  Pourquoi réinventer la roue et inventer des modèles ex nihilo alors que deux modèles existent déjà ?  Prendre en considération la possibilité de connexion à Internet  Interopérabilité avec IntServ et DiffServ classiques INTERNET Passerelle (gateway)

Faut-il une évolution ou une Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008

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IntServ (Integrated services)

• Emulation de circuits; • Mécanisme de bout en bout; • mécanisme de QoS par flux; •Utilise le protocole de signalisation RSVP

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Pour MANETS ? AVANTAGES:  Fournit une bonne QoS;  Zéro paquets perdus

INCONVENIENTS:  Nécessite des informations exactes sur l’état des liens, chose qui est difficile dans le contexte des réseaux mobiles ad hoc;  Génère beaucoup d’overhead;  Complexité au niveau du cœur du réseau ;  N’est pas pratique pour les flux de courte durée;

 SCALABILITÉ Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008

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DiffServ (Differentiated Services)

Nœud d’entrée

Nœud interne

Nœud de sortie

Résoudre le problème de scalabilité par deux façons:  Remplacer le principe par flux par un principe par agrégats;  La complexité dans les nœuds du coeur est déplacée vers les équipements aux extrémités; Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008

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Pour MANETS ?

AVANTAGES  Plus scalable que IntServ  Modèle léger dans les nœuds du réseau plus facile à déployer  Peut fournir des fois une bonne QoS

INCONVENIENTS:  Ne signale pas à la congestion de façon explicite  Quand la topologie du réseaux change les rôles des neouds change également  Difficile de négocier dynamiquement un profil de trafic

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INSIGNIA http://comet.columbia.edu/insignia/ Idées principales de INSIGNIA:  Premier protocole de signalisation pour MANETS  Inspiré de IntServ  fournir un modèle de QoS de bout en bout  Un modèle de QoS adaptif

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SWAN (Stateless Wireless Ad hoc Networks) http://comet.columbia.edu/swan/overview.html     

Soft QoS Inspiré de DiffServ Ne pas garder les informations sur l’état 2 classe de trafic: best effort et real time Définit un contrôle d’admission pour accepter/rejeter une nouvelle connexion

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FQMM Modèle HYBRIDE: IntServ + DiffServ

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Year

Internet models

Ad hoc QoS models

QoS model

Service provisioning policy

Advantages

Disadvantages

per-flow-Merges the advantages of packet networks and switched networks; -Provides hard QoS; -Zero packet loss;

-Need accurate link state information; -not scalable; -generates overhead; -complex to implement; -hard to maintain a virtual circuit ; -Impractical for short-lived connections;

per-class

-lightweight in the interior nodes by pushing complexity to the network edges ; -Offered QoS is sometimes sufficient; -More scalable than IntServ; -Does not need signalling at every hop;

-Does not provide end-to-end guarantees; -Difficult to verify service quality by users or providers; -Does not define any congestion control mechanism; -QoS provisioning is separate from routing process; -Very difficult to make a dynamically negotiated traffic;

FQMM

hybrid

-Combines the benefits of IntServ with those of DiffServ ; -Interoperability with wired network; -Flexible; -Independent from the underlying routing protocol;

-Can not provide hard QoS due to the DiffServ ingress nodes; -not scalable when real-time traffic increases; -difficulty in distinguishing edge and core nodes due to the peer to peer nature of MANETs ;

2002

SWAN

per-class

-More scalable than INSIGNIA; -reacts to congestion by using ECN (Explicit Congestion Notification) feedback; -Independent from the underlying routing protocol;

-All UDP (real-time) traffic is treated similarly; -Can not provide hard QoS;

1998

INSIGNIA

1994

IntServ

1998

DiffServ

2000

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Per flow-Independent from the underlying routing -not scalable; protocol; -Inefficiency in bandwidth management; -Reduced complexity due to in-band signalling; -Not suitable for real-time applications that have stringent QoS requirements; -quick response to topology changes;

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Schéma récapitulatif Soft QoS

Hard/ pseudo hard QoS

DiffServ 1998

IntServ 1994

INSIGNIA 1998

Temps

FQMM 2000 SWAN 2002

Harpree t et al

Modèles QoS de INTERNET

+ TORA

SCALABILITÉ

INORA 2002

QPART 2004

Solutions basées sur Nadir BOUCHAMA© RESYD 2008DiffServ

HQMM 2006 CEQMM 2006 Solutions hybrides

Modèles de QoS pour MANETS Solutions basées sur IntServ

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Conclusion &Perspectives La qualité de Service dans les réseaux mobiles ad hoc doit être ADAPTIVE IntServ et DiffServ ne sont pas directement mappables pour les réseaux mobiles ad hoc La conception des modèles de QoS peut se faire EVOLUTIONNAIRE Le problème majeur des protocoles et modèles proposés reste le problème de scalabilité appelé aussi « S » word problem  DiffServ est mieux adapté aux réseaux mobiles ad hoc que IntServ;  Chaque modèle proposé est dédié à des scénarios bien définis;  La scalabilité reste le problème majeur des solutions proposées;    

 Travail en cours: Projet au CERIST: « VoiP dans les réseaux ad hoc pour les opérations de secours » Métriques: délai de bout en bout, gigue,

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