Généralité sur la QoS et les Flux Multimédia  

Généralité sur la QoS et les Flux Multimédia  

Introduction

La QoS est la capacité d’un réseau à fournir un meilleur service pour un trafic réseau sélectionné sur diverses technologies, comme les réseaux Ethernet et 802.1, Synchronous Optical Networks (SONET), relais de trame (Frame Relay), Asynchronous Transfert Mode (ATM), ainsi que les réseaux routés IP qui peuvent utiliser n’importe quelle technologie de base d’entre elles. Le but principal de la QoS est de fournir une priorité en assurant une bande passante dédiée, une gigue et une latence contrôlées, ainsi qu’un taux de perte de paquets acceptable. Ces besoins représentent les prérequis des flux temps réel comme le streaming vidéo et la téléphonie sur IP. Il est également important de s’assurer que la priorité accordée à un ou plusieurs flux n’est pas faite au détriment d’une baisse de qualité des autres flux moins critiques. En effet, les solutions que nous proposons dans cette thèse, prendront en charge cette remarque, comme nous allons le voir lorsque nous aborderons les deux derniers chapitres, dédiés à la présentation des solutions proposées et à leur implémentation. Les applications multimédias sont actuellement très répandues que ce soit dans le
monde de l’informatique ou dans la vie de tous les jours. Le qualificatif de multimédia est très utilisé, on parle souvent de révolution multimédia ou du tout multimédia. La performance actuelle des différents types de périphériques disponibles sur le marché (téléphones mobiles, assistants personnels, ordinateurs portables, etc.) ainsi que l’émergence des réseaux et des débits actuels ont largement contribué à démocratiser ce terme. On peut désormais, échanger tout type de médias par l’intermédiaire de ces environnements.

Gestion de la Qualité de Service

Gestion de la Qualité de Service
Définition de la QoS
La qualité de service (QdS) ou quality of service (QoS) est la capacité à acheminer, dans de bonnes conditions un type de flux donné, en respectant ses prérequis, en termes de disponibilité des ressources réseaux, débit, délais de transmission, gigue, ainsi que le taux de perte de paquets [8]. Aussi, la QoS est un concept de gestion ayant pour but d’optimiser les ressources réseaux et de garantir de bonnes performances aux applications critiques (temps réel). Elle permet aux fournisseur de services de respecter le SLA (Service Level Agreement (SLA)) conclu avec ses clients et d’offrir aux utilisateurs des débits et des temps de réponse différenciés par applications (ou activités) suivant les protocoles utilisés sur leurs infrastructures IP.
La gestion de la QoS est un mécanisme utilisé dans les réseaux afin d’augmenter la performance de ces derniers et optimiser l’utilisation de leurs ressources sans la revue du dimensionnement total de l’infrastructure réseau. Le protocole OSPF (Open Shortest Path First (OSPF)) ainsi que d’autres protocoles de routage dynamiques, actuellement, très utilisés dans le réseau Internet, acheminent les paquets selon le plus court chemin. Ceci, peut causer des congestions dans le réseau, du moment où ces protocoles ne prennent pas en charge la situation en temps réel du réseau (bande passante disponibles des liens, délai de bout en bout réel…etc), ce qui représente une contrainte aux applications ayant besoin de garanties et de QoS pour leur bon fonctionnement si le plus court chemin ne les remplie pas. Les entreprises qui utilisent le Web pour la diffusion de leurs contenus et/ou services ont besoin de QoS pour attirer plus de clients alors que les FAI (Fournisseur Accès Internet (FAI)) sont confrontés au défi d’offrir une meilleure QoS à leurs clients tout en respectant le SLA conclu. Si nous voulons implémenter de la QoS, nous devrons mesurer et améliorer les débits de transmission, les taux d’erreur ainsi que d’autres caractéristiques pouvant être mesurés, améliorés et garantis à l’avance. La QoS est particulièrement préoccupante pour la transmission continue des flux vidéo et multimédia à large bande passante, cependant, la transmission fiable de ce type de contenu est difficile dans les réseaux IP publics utilisant les protocoles ordinaires. En effet, une application telle qu’une conversation vocale sur IP (Voice over IP (VoIP)) ou un streaming vidéo nécessite un délai et une gigue acceptables pour être d’une qualité aussi bonne que celle du téléphone et de la télévision traditionnels, et c’est ce qui est demandé par les utilisateurs. D’autre part, la communication de données est moins sensible à la latence et à la gigue, mais plus sensible à la perte de paquets. Cette multitude de services implique souvent des besoins.

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différents en termes de QoS de la part du réseau qui transmettra les données de telles applications. Nous allons citer quelques métriques de la QoS, susceptibles d’intéresser le fournisseur de services, telles que la bande passante disponible, le taux de perte, la latence, ainsi que la gigue. Afin de prendre en charge la QoS, l’IETF a proposé plusieurs modèles permettant son implémentation. Les architectures et les mécanismes développés dans ce sens présentent, en réalité deux problème de QoS: l’allocation des ressources et l’optimisation des performances [9]. Pour la première problématique, l’IETF a proposé deux architectures, la première, basée sur l’intégration des services (IntServ [3]), qui permet de réserver des ressources réseaux par flux pour que le niveau de service soit garanti, et la deuxième basée sur la différentiation des services (DiffServ [5]), qui permet de subdiviser le trafic en différentes classes, et donner pour chacune d’elles, un traitement différent. Le MPLS (Multi Protocol Label Switching (MPLS)) ainsi que l’ingénierie du trafic (Traffic Engineering (TE)) donnent aux Fournisseur Accès Internet (FAI) un ensemble d’outils permettant l’optimisation de la performance et la gestion de la bande passante. Ils peuvent supporter la QoS à grande échelle et à un coût acceptable.

Les Métriques de la Qualité de Service

L’explosion de l’utilisation des applications multimédia sur les réseaux étendus (Wide Area Networks (WAN)) en général et dans Internet en particulier ont incité les chercheurs à mener des études plus approfondies sur la QoS. En effet, augmenter uniquement les ressources telle que la bande passante afin d’éviter la congestion n’assure pas une bonne utilisation des ressources. Ce changement (en terme de dimensionnement des ressources) était effectif pour les applications comme le FTP (File Transfer Protocol (FTP)), le HTTP (Hyper Text Transfer Protocol (HTTP)), et la messagerie d’une manière générale. Cependant, les caractéristiques des flux multimédia sur Internet, présents de plus en plus, ont changé, et requièrent différents prérequis en termes de paramètres de QoS comme montré dans le tableau 1.1. Le réseau Internet est devenu pratiquement omniprésent et utilisé pour toute communication étendues (VPN, Vidéo conférences, payement électronique, …etc). Les applications multimédia ont besoin des services réseaux, au-delà de ce que IP peut fournir. La latence ainsi que la synchronisation nécessaires pour la voix, les données et les images sont des préoccupations majeures. En effet, la téléphonie sur IP (ToIP) et d’autres applications multimédias telles que la vidéo conférence, la vidéo à la demande et le streaming de médias exigent des garanties de service ainsi que des exigences de délais strictes.

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QoS nous permet d’assurer un débit, un délai, une gigue, ainsi qu’un taux de perte de paquets, selon les prérequis des différentes applications. Flux Application Prérequis vidéo vidéo à la demande/vidéo conférence faible délai/bande passante garantie voix ToIP faible délai/gigue Données messagerie, accès web faible perte de paquets/disponibilité.

Disponibilité de la bande passante
Elle se rapporte à la capacité inutilisée d’un lien par unité de temps. Elle dépend de la capacité du lien mais aussi de la quantité de données présente dans le lien [10]. Cette métrique est une variable dépendante du temps, sachant que la capacité du lien est la quantité maximale de données pouvant transiter sur ce lien par unité de temps. Si l’on note Bdi(t) la bande passante disponible à l’instant t, Ci la capacité du lien i, et Bui(t) la quantité de données transitant sur le lien .

La latence
C’est le temps total nécessaire à la transmission d’un paquet de sa source à sa destination. On parle du Round Trip Time (RTT)) pour qualifier le temps nécessaire d’un aller-retour. Cette latence est liée à la congestion des liens de transmission, de la capacité de traitement des équipements réseaux ainsi qu’à la distance parcourue par le paquet pour atteindre sa destination. Les applications sensibles à la latence sont les applications temps réel comme la transmission vidéo, la communication vocale, les applications interactives de type jeux-vidéo, etc. La maîtrise du délai de transmission est un élément essentiel pour bénéficier d’un véritable mode conversationnel et minimiser la perception d’écho dans la téléphonie ou dans la visiophonie. La latence dépend de nombreux facteurs:
— Le débit de transmission sur chaque lien. — Le nombre d’éléments réseaux traversés.
— Le temps de traversée de chaque élément, qui est lui même fonction de la puissance et la charge de ce dernier. — Le délai de propagation de l’information.

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— L’influence du codec, et du nombre d’échantillons par paquet. — L’influence de la politique de gestion de la mémoire tampon de compensation de gigue. — L’influence du système d’exploitation utilisé, qui est un élément à prendre en compte pour minimiser les délais des applications multimédia.

La gigue
Connue aussi sous le nom de jitter, elle représente la différence des délais, comme montrée dans la figure 1.2, elle nécessite des capacités de mémoires tampons proportionnelles à son importance, et elle peut par conséquent agir sur la qualité de la voix. La gigue résulte principalement du fait que les paquets peuvent prendre des chemins différents, de plus, la charge supportée par le réseau est instable. Donc on peut avoir des temps d’attente différents sur la même file et pour le même flux, ce qui provoque une variation dans le délai [11]. Le récepteur doit être capable de la compenser. Ceci est réalisable grâce à des protocoles qualifiés temps-réel. Il serait peut-être nécessaire de préciser que la gigue serait présente mais non gênante dans le cas où les codecs n’élimine pas le silence, sur le plan traitement bien sûr, c’est-à-dire qu’il n’est plus indispensable de mettre en place un marquage temporel. Il est à noter que les buffers de la gigue (figure 1.3) causent un délai supplémentaire, car pour restituer le premier paquet à la réception, il nous faut attendre jusqu’à un certain temps appelé temps de libération, donné par la formule 1.1 suivante:

Gestion de la Qualité de Service 

tlibération −tdépart = L+J (1.1)

1.2 La gigue
Où L est la partie fixe du délai alors que J est la valeur attribuée à la gigue. Si cette dernière est très petite, le délai va s’améliorer mais on risque de ne pas avoir de paquets disponibles lorsqu’on restitue l’intégralité du paquet précédent, et inversement, si J est excessive, le délai de bout en bout peut atteindre une valeur inacceptable.

Taux de perte de paquets
Ce taux correspond au nombre de paquets qui n’arrivent pas correctement jusqu’à leurs destination dû à la congestion de l’infrastructure réseau (liens de transmission ou équipements réseaux saturés). Il peut être amélioré en agissant sur plusieurs aspects, tels que le routage intelligent connu sous le nom du TE, cette métrique influence.

 1.3 Architectures de QoS
négativement sur la QoS des applications temps réel comme le streaming vidéo ou audio, plus est elle est élevée, plus la qualité se dégrade. Les contraintes temps réel de délai de transit évoquées ci-dessus rendent inutile la retransmission des paquets perdus, même retransmis, un datagramme d’une application multimédia arriverait bien trop tard pour être d’une quelconque utilité dans le processus de reconstitution des données perdues. De ce fait et afin de réduire cette métrique, plusieurs modèles d’implémentation de la QoS ont été élaborés par l’IETF tels que le modèle à intégration de service (IntServ), à différentiation de service (DiffServ) et MPLS.

Table des matières

Introduction Générale
1 Généralité sur la QoS et les Flux Multimédia  
1.1 Introduction 
1.2 Gestion de la Qualité de Service
1.2.1 Définition de la QoS
1.2.2 Les Métriques de la Qualité de Service
1.2.2.1 Disponibilité de la bande passante
1.2.2.2 La latence
1.2.2.3 La gigue
1.2.2.4 Taux de perte de paquets
1.3 Architectures de QoS
1.3.1 L’architecture IntServ
1.3.1.1 Le protocole RSVP
1.3.1.2 Les faiblesses de l’architecture IntServ
1.3.2 L’architecture DiffServ
1.3.2.1 Le traitement par saut (PHB)
1.3.2.2 Rôle des routeurs dans une architecture DiffServ
1.3.2.3 Conditionnement du trafic
1.3.2.4 Comparaison avec IntServ
1.3.2.5 Inconvénients majeurs de DiffServ
1.3.3.1 Principe du concept MPLS
1.3.3.2 Avantages du MPLS
1.3.4 Ingénierie de Trafic
1.3.4.1 Définition
1.3.4.2 Objectif de l’ingénierie de trafic
1.3.4.3 Routage avec prise en charge des contraintes réseaux (RCR)
1.4 Applications Multimédia
1.4.1 La vidéo conférence
1.4.2 La télésurveillance
1.4.3 La vidéo à la demande
1.4.4 Synchronisation des médias .
1.5 Codage et structure des médias continus
1.5.1 Le codage audio
1.5.2 Le codage vidéo
1.5.3 Compression des médias
1.6 Conclusion 
2 Etat de l’art sur les Réseaux SDN et QoS  
2.1 Introduction
2.2 Le concept SDN
2.2.1 Définition
2.2.2 Le protocole OpenFlow
2.2.2.1 Définition
2.2.3 Le commutateur Open vSwitch
2.2.4 Le protocole Forwarding and Control Element Separation (ForCES)
2.2.5 Prérequis des éléments de transfert pour le support de ForCES
2.2.5.1 Types des fonctions logiques
2.2.5.3 Ordre des fonctions logiques
2.2.5.4 Flexibilité
2.2.5.5 Un ensemble minimal de fonctions logiques
2.2.6 Comparaison entre OpenFlow et ForCES
2.2.6.1 Comparaison en terme d’élément de transfert
2.2.6.2 Comparaison du point de vue protocole
2.2.7 Le contrôleur SDN
2.2.7.1 Support de la QoS dans le contrôleur SDN
2.3 Avantages du concept SDN
2.3.1 Plans de Contrôle et Plan de Données
2.3.2 Réseaux traditionnels
2.4 Prise en charge de la QoS dans les réseaux SDN
2.5 Conclusion 
3 Solutions proposées dans la Supervision et le Routage avec QoS basées sur le concept 
3.1 Introduction  
3.2 ARCSDN: Architecture de Routage Consistante dans les Réseaux SDN 55
3.2.1 Création d’une vue abstraite consistante
3.2.2 Contrôle du réseau
3.2.3 Caractérisation de la topologie réseau
3.3 Optimisation de la Supervision dans les réseaux SDN
3.3.1 Composant de l’architecture de supervision optimisée
3.3.2 Un modèle de supervision adaptatif
3.4 Routage avec QoS dans les réseaux SDN
3.4.1 Stratégie de Routage Consistante (SRC) dans les réseaux SDN
3.4.1.1 L’algorithme SRC
3.4.2 Stratégie de routage avec QoS pour la vidéo conférence
3.4.2.2 L’Algorithme DCLC
3.5 Conclusion  
4 Implémentation, Expérimentation, Evaluation et Comparaison des Solutions Proposées
4.1 Introduction  
4.2 Implémentation et évaluation de l’approche de supervision proposée
4.2.1 Modèles de flux utilisés
4.2.2 Discussion des résultats obtenus
4.3 Implémentation et évaluation de la SRC
4.3.1 Modèle de flux utilisé
4.3.2 Résultats Obtenus
4.4 Implémentation de la stratégie de routage avec QoS pour les flux de vidéo conférence
4.5 Conclusion 
Conclusion Générale et Perspectives Futures

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