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Approches inter-couches pour la QoS dans les réseaux locaux sans
fil
Stéphane Lohier
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1. Solutions « Cross-Layer »Une autre approcheUtilisation d’un
plan de contrôleÉchange direct de métriques
2. Amélioration de TCP sur les liens 802.11Perte de signal ou
congestion TCP ?Solution : MAC-layer LDA + Cross-layer LDARésultats
et synthèse
3. Routage QoS dans les réseaux ad hoc 802.11Cross-layer pour
les mesures de délai et de BPRoutage QoS réactif avec
AODVÉvaluation de la solution
4. Conclusion et perspectives
Plan
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1. Solutions Cross-Layer
Cross-Layer : les protocoles sont conçus ou utilisés en
exploitant les dépendances ou les interactions entre les couches
dans le but d’améliorer les performances.
Par opposition au Layering : protocoles conçus séparément, avec
un mécanisme « decode and forward ».
Layering suffisant pour les réseaux filaires.
Cross-Layer utile pour les réseaux sans fil :ajustement
dynamique des paramètres TCP suivant la qualité du canal ;choix des
routes dans un réseau ad hoc suivant la qualité des liens
;adaptation des temps d’accès au support suivant les contraintes
des applications temps réel…
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Cross-Layer : une autre approche
Violation de l’architecture de référence :communication directe
entre protocoles non adjacents ;échange de variables entre couches
sans passer par un service ;fusion des protocoles de 2 couches
adjacentes ;ajustement successif des paramètres des couches
inférieures pour améliorer les performances au niveau
application.
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Utilisation d’un plan de contrôle
La communication entre les couches peut passer par un plan de
contrôle.Exemple : Mesure au niveau MAC de :
STR : Successful Transmission RateCCR : Clear Channel Rate
Exploitation au niveau réseau pour trouver des routes sans
collision ni congestion.Exploitation au niveau physique pour
ajuster la puissance radio.
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Échanges directs de métriques
Les interactions entre les couches peuvent être directes.
Exemple 1 : une indication de perte non résolue au niveau MAC
est transmise à la couche TCP pour son mécanisme de
recouvrement.
Exemple 2 : des mesures de métriques au niveau MAC peuvent
servir des décision de routage dans un contexte ad hoc.
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1. Solutions « Cross-Layer »Une autre approcheUtilisation d’un
plan de contrôleÉchange direct de métriques
2. Amélioration de TCP sur les liens 802.11Perte de signal ou
congestion TCP ?Solution : MAC-layer LDA + Cross-layer LDARésultats
et synthèse
3. Routage QoS dans les réseaux ad hoc 802.11Cross-layer pour
les mesures de délai et de BPRoutage QoS réactif avec
AODVÉvaluation de la solution
4. Conclusion et perspectives
Plan
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Beaucoup d’applications utilisent TCP sur le dernier lien sans
fil (Hot Spot , SOHO…).
TCP conçu pour les réseaux filaires est peu efficace devant les
pertes de signal 802.11 :
Les solutions au niveau liaison ne sont pas adaptées à 802.11
(ARQ est un mécanisme de retransmission…).
Les adaptations TCP (Jersey, Westwood…) ne sont pas optimisées
pour une couche MAC 802.11 avec un premier niveau de reprise sur
erreur.
Les LDA basés sur des temps TCP (RTT, cwnd, inter-arrival) sont
prévus pour des pertes ponctuelles et peu persistantes.
Les solutions au niveau de l’AP (Snoop Protocol) imposent des
modifications importantes du firmware.
Aucune de ces solutions ne tient compte des interactions
MAC-TCP.
Étude d’une solution Cross-Layer.
Préalable : distinction entre perte de signal 802.11 et
congestion TCP.
Amélioration de TCP sur les liens 802.11
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Perte de signal ou Congestion TCP ?
Au niveau MAC : une trame de données non acquittée (perte ou
collision) est retransmise par l’émetteur.
Le paramètre Retry Limit fixe le nombre maximum de
retransmissions.Au delà, la trame est éliminée.
En principe : résolution MAC (locale) avant que TCP (bout en
bout) ne soit alerté et n’interprète la perte comme une
congestion.
Timeout MAC ≈ 1msTimeout TCP ≈ 1s
802.11b/g
Eth802.11b/g
Emetteur TCPRouteur/AP
RTO = 1 s1 ms
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Perte PHY / Congestion TCP : mesures
Scénario :Transfert FTP entre 2 stations.Déplacement du
récepteur mobile pour provoquer des pertes de signal.Flux UDP
802.11g pour provoquer des interférences sur la transmission
802.11b (en l’absence de trames d’avertissement CTS, un équipement
802.11b ne voit pas les transmissions OFDM).
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Mesures avec déplacement
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Mesures avec interférences
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Perte PHY / Congestion TCP : analyse
Les mesures montrent :retransmissions MAC inefficaces si la fin
de la fenêtre TCP est atteinte avant la restauration du canal
;retransmission TCP inefficace si elle intervient longtemps après
la restauration du canal.
Solution :Augmenter dynamiquement la durée de la fenêtre de
retransmission (CRD) pour éviter un Timeout TCP.Dès que le canal
est restauré, TCP réagit immédiatement après la réception de 3
acquittements dupliqués (Fast Retransmit).Solution efficace pour
des durées de perte inférieures au Timeout TCP.
CRD est fonction de différents paramètres au niveau MAC et TCP
:
Choix : augmentation du paramètre MAC Retry Limit(configurable
sur tous les équipements 802.11).
1 0( 1) ( )
cwnd RL
CST BACKOFFs i
CRD RL T T i+ =
⎡ ⎤= + +⎢ ⎥
⎣ ⎦∑ ∑
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Perte PHY / Congestion TCP : types de perte
3 causes de perte de segments :Congestions TCP dues au trafic
sur les liens ;Ruptures de signal dues aux déplacements ou aux
obstacles ;Interférences dues aux autres transmissions dans la
bande ISM (802.11, Bluetooth…).
L’augmentation du RL est efficace pour des pertes dues aux
ruptures de signal.
Besoin de différentier les types de pertes.
Solution : MAC-Layer LDA + Cross-Layer LDA
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MAC-Layer LDA : principe
Permet de différentier ruptures de signal et congestions.
Basé sur la valeur du SNR mesurée par les stations :
Si le SNR est maximum, la probabilité pour que la perte soit due
àune rupture de signal est faible.
Augmentation progressive et dynamique du seuil Retry
Limitsuivant SNR.
Augmentation bornée par 3 évènements :Réception d’un
acquittement MAC ;Fin de la fenêtre TCP atteinte ;Timeout TCP
atteint.
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MAC-Layer LDA : résultats
Le LDA de niveau MAC et l’adaptation dynamique du Retry
Limitpermettent de maintenir le flux pour des durées de perte
jusqu’à 0,8 s.
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Cross-Layer LDA : principe
Permet de différentier interférences et congestions.
Basé sur le nombre de retransmissions MAC pour chaque segment
TCP :
Lors d’une perte de segment (3 acquittements dupliqués),Si pour
un des segments de la fenêtre TCP, le seuil RL est atteint :Alors
la perte est due à une interférence.
Le nombre de retransmissions MAC est disponible via la MIB
802.11.
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Cross-Layer LDA : efficacité
En cas d’interférences, la différentiation est beaucoup plus
efficace qu’avec les LDA basés seulement sur des paramètres TCP
(plus de 90% des pertes sont identifiées).
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Cross-Layer LDA : efficacité
En cas de congestion, la différentiation est encore plus
efficace.
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Cross-Layer LDA : amélioration de TCP
Le cross-layer LDA permet d’améliorer TCP New Reno :
Lors d’une perte de segment (3 acquittements dupliqués),
Si la perte est due à une congestion :Réaction TCP normale :
cwnd = cwnd/2 RTO = 2 x RTO
Si la perte est due à une interférence :Résolution préservée :
cwnd = cwnd RTO = RTO
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Cross-Layer LDA : résultats
En cas d’interférences, la solution permet d’améliorer le débit
moyen jusqu’à 50%.
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Solution Cross-layer : synthèse
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1. Solutions « Cross-Layer »Une autre approcheUtilisation d’un
plan de contrôleÉchange direct de métriques
2. Amélioration de TCP sur les liens 802.11Perte de signal ou
congestion TCP ?Solution : MAC-layer LDA + Cross-layer LDARésultats
et synthèse
3. Routage QoS dans les réseaux ad hoc 802.11Cross-layer pour
les mesures de délai et de BPRoutage QoS réactif avec
AODVÉvaluation de la solution
4. Conclusion et perspectives
Plan
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Routage QoS dans les réseaux ad hoc 802.11
Objectif : assurer une QoS dans les MANETs.
Cible : réseaux ad hoc fortement dynamiques et de taille
limitée.
Pour préserver la réactivité : QoS intégrée au routage.
Utilise les protocoles standards sans les modifier : 802.11 et
AODV.
Objectif du routage QoS : trouver une route R vers une
destination D avec suffisamment de ressources disponibles pour
satisfaire la requête d’une source S.
Pour les métriques de délai et de BP, il faut :
delai(R) = delai(S,A) + … + delai(B,D) < délai requisBP(R) =
min {BP(S,A),…,BP(B,D)} > BP requise
Utilisation d’une solution Cross-Layer simple et réactive.
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Routage avec AODV (Ad hoc On demand Distance Vector)
Routage réactif à vecteur de distance (nombre de
sauts).Mémorisation temporaire des routes directes et inverses.
Réponse unicastde la destination
Recherche de route par broadcast initié par la source
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Évaluation du délai de bout en bout
Le délai est évalué sur chaque lien de la route.
Utilisation d’un paramètre d’AODV : Node_Traversal_Time.
ntt mesuré au niveau MAC devient dynamique : nttAB = tTA +
dAB
Utilisation des paquets de requête AODV munis d’extensions
temporelles :nttAB = Tarrival - Timestamp
Pas de modification du standard : les extensions sont prévues
par AODV.
temps de traitement et délais dans les files de A
délai de transmission entre A et B
Timestamp Tarrival
RREQS A B D
nttSA nttAB
tTA dAB
nttBD
Timestamp
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Corrections sur le délai
Correction pour tenir compte de la taille réelle des paquets de
données :
Pour tenir compte de la variance des délais, une moyenne
pondérée par un facteur d’oubli λ est calculée au fur et à mesure
:
( _ _ )' Data length RREQ lengthntt nttThroughput
−= +
0( ) (1 ) . '( )
kn
kntt t ntt t kλ λ
=
= − −∑
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Évaluation de la BP disponible
Contraintes liées au contexte choisi :Routage réactif ;Bande
passante disponible sur un lien et non sur un nœud ;Prise en compte
des transmissions dans les zones de voisinage etd’interférence.
Choix d’une estimation au niveau MAC, prenant en compte
directement les effets des flux voisins et interférents.
BA
C
FE
G
I1 abwABZone de voisinage de B
Zone d’interférence de B
I2 I3
I4
I5
I6I7
I8
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Éstimation au niveau MAC
BP disponible :_ _
AB BUSY CW CST
Data length Data lengthabw
d T T T= =
+ +
Partie « constante » dépendant de la taille des paquets
(tMPDU)
Partie variable liée à l’occupation du canal par les autres flux
et à la durée de la fenêtre de contention 3 4CST RTS CTS MPDU SIFS
ACK PHYT t t t t t t= + + + + +
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Corrections sur la BP
Correction sur la longueur des paquets :
Lissage prenant en compte les mesures précédentes réalisées avec
les paquets de contrôle et de données :
_' _ _
AB
Data lengthabw
dData length RREQ length
Throughput
=−+
( ) . '( ) (1 ). '( 1)abw t abw t abw tα α= + − −
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Routage QoS avec contrainte de délai1. La source diffuse un RREQ
avec une contrainte de délai dans l’extension.2. Soustraction du
ntt sur chaque noeud et diffusion tant que la requête est
possible.3. La destination répond avec un RREP muni d’une extension
« délai ».4. Chaque nœud intermédiaire calcul le délai jusqu’à la
destination et mémorise ce
délai dans sa table de routage.5. Une nouvelle requête pourra
être traitée directement.
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Routage QoS avec contrainte de BP
1. La source diffuse un RREQ avec une contrainte de BP.2.
Comparaison avec abw sur chaque noeud et diffusion tant que la
requête est
possible .3. La destination répond avec RREP muni d’une
extension BP.4. Chaque nœud intermédiaire retient la BP minimum
disponible jusqu’à la destination.
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Notification de perte de QoS
Mécanisme de notification pour prévenir la source d’une perte de
QoS (réactivité).
Activé si nttAB > old_nttAB + QDM (QoS Delay Margin).
Utilise le processus standard d’erreur d’AODV (paquets RERR vers
les prédécesseurs).
Même principe si abwAB < old_abwAB - QBM (QoS Bandwidth
Margin).
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Évaluation de la solution de routage QoS
La contrainte de délai est respectée pour quasiment toutes les
intensités de trafic.
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Évaluation de la solution de routage QoS
La contrainte de BP est respectée à moins de 6% dans 96% des
cas.
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Évaluation de la solution de routage QoS
Moins de 12% de paquets éliminés en chemin avec la solution
QoS.
(Contrainte BP)
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Évaluation de la solution de routage QoS
Surcharge efficace (paquets de contrôle/paquets reçus)
inférieure dans un réseau de 50 nœuds avec la solution QoS.
(Contrainte BP)
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Conclusion et perspectives
Proposition de 2 solutions Cross-Layer :
1. Amélioration des performances de TCP sur le dernier lien sans
fil :MAC-Layer LDA + Cross-Layer LDA.Amélioration des algorithmes
de recouvrement de pertes.Solution implémentable sans changement du
standard 802.11.
2. Routage QoS réactif dans les réseaux ad hoc :Solution
complète intégrant extensions AODV, mesure de délai/BP et
notification de perte de QoS.Solution performante sur des réseaux
ad hoc dynamiques et de taille limitée.Pas de modification des
protocoles standards (IETF AODV et IEEE 802.11).Compatible avec les
derniers travaux du GT MANET sur le réactif (DYMO).
Perspectives :Optimisation des LDA (augmentation non linéaire de
RL, adaptation dynamique de RTO).Estimation de abw (utilisation
d’autres paramètres PHY ou MAC 802.11).Approche Cross-Layer pour le
routage QoS dans les réseaux de capteurs multimédia.
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Questions