Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de...
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Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de communication
Fabien [email protected]
Centre de Recherche en Automatique de NancyCRAN - CNRS UMR 7039
Université Henri Poincaré - Nancy I
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2
Exemple de télé-opération
Dispositiféchographique
Poste decommande
Echographie à distance
RéseauRéseau
Trafics "complexes": contrôle, vidéo Trafics contraints Fonctionnement de l'application dépendant de la Qualité de
Service (QdS) fournie par le réseau de communication Prise en compte de la QdS du réseau indispensable
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3
Approches possibles
Réservation de ressources [IntServ95], [Nahrstedt95], etc. Garantie stricte de QdS Performances optimales de l'application
Maîtrise des ressources pas totale ou impossible
Réseaux hétérogènes (Ex: Internet) Adaptation des applications aux ressources
disponibles "Multimedia applications should be adaptive" [Diot95]
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4
Générique?
Spécification QdS?
SpécificationQdS? Stabilité?
Mécanismed'adaptation
Adapter les applications à la QdS disponible?
Mesurer la QdS
Mécanismed'adaptation
Interactions?
Besoin d'un cadre pour l'adaptation:Architecture de QdS
Utilisateur
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5
Principes
Transparence et séparation [Campbell96] Mécanismes de gestion de QdS transparents pour
l'application Nombre limité de fonctionnalités "QdS" à implanter
dans l'application Complexité de la gestion de la QdS déléguée à
l'architecture Séparation des tâches de gestion de la QdS et de
traitement des flux applicatifs Ex. d'une application vidéo: Signalisation <-> Flux vidéo
Facilite le travail du développeur d'applications Permet une vision / gestion globale de toutes
les applications
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6
Spécification/Traduction de QdS [Cheong99]
Spécification de la QdS Utilisateur, application, système d'exploitation,
système de communication Exemple d'une application vidéo
Utilisateur Qualité vidéo subjective
Application Codec vidéo, taille de l'image, etc.
Système decommunication
Bande passante, etc.
Systèmed'exploitation
Mémoire, etc.
Traduction (translation) de la QdS Conversion de la spécification de la QdS
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7
Mécanismes d'adaptation existants
Adaptation du débit de la source Flux audio/vidéo
Taux de compression / choix du codec (Ex: [Fry99])
Dimensionnement dynamique de mémoires-tampon
Compensation de gigue Flux audio (Ex: [Benaissa02])
Techniques plus génériques Librairies de composants adaptables [Chang99][Ott98]
Implique de prévoir tous les composants possibles Modèle Prayer [Bharghavan97]
Exécution d'un code différent selon la QdS L'application spécifie comment réagir lorsque la QdS varie Un superviseur extérieur pilote l'adaptation Transparence/Séparation
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8
Modèles existants
XRM[Lazar94]
QoS-A[Campbell9
8]
Omega[Nahrstedt9
6]
Heidelberg [Vogt98]
Prayer[Bharghavan97
]
Adaptation du débit
Compensation
de gigue
Cadre architectur
al
Spécification QdS Traduction QdS Métrologie
Préférences Utilisateur
Adaptation des
applications
Générique Transparent Stabilité
Multi-application
Réservation de ressources
Oui Incomplet Non
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9
Problématique
Adapter les applications en ligne à la QdS mesurée
Métrologiede la QdS
PréférencesUtilisateur
GénériqueSpécification QdS
Stabilité
Spécification
QdS
Traduction QdS
Transparent
Architecture de QdS
Multi-application
Mécanismed'adaptation
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10
Suite de l'exposé:
"QdS-Adapt": Une architecture pour l'adaptation en ligne des applications
Mécanisme d'adaptation des applications Service de métrologie de la QdS Architecture "QdS-Adapt"
Expérimentations Télé-pilotage d'un robot mobile Télé-asservissement en position d'un robot mobile
Conclusions & Perspectives
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"QdS–Adapt"Une architecture pour l'adaptation en ligne des applications
1. Mécanisme d'adaptation des applications
2. Service de métrologie de la QdS
3. Architecture "QdS-Adapt"
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12
Métrologiede la QdS
GénériqueSpécification QdS
Stabilité
SpécificationQdS
Transparent
Architecture de QdS
Multi-application
Mécanismed'adaptation
Traduction QdS
PréférencesUtilisateur
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13
Mécanisme d'adaptation en ligne Basé sur des concepts issus du modèle Prayer
[Bharghavan97]
Classes de QdS "Niveaux" de QdS
Séquences d'exécution Associées aux classes de QdS Exécution d'un code différent selon la classe de QdS
disponible
Exemple
Classe de QdS 1
Classe de QdS 2
Classe de QdS 3
+
-
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14
Mécanisme d'adaptation: exemple
Choix de la séquence
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15
Mécanisme d'adaptation
S e q 1
C la s s e
E ta t In itia l
E x e c u te r se q 1
[x = A ]
T e rm in er s eq 1
F in s e q 1
E ta t F in a l
S eq 2 S e q 3F in s e q 2 F in s e q 3
E x e c u te r se q 2
[x = B ]
E x e c u ter s e q3
[x = C ]
T e rm in e r s e q 2 T e rm in e r s e q3
Je to n
x
x
x
J e to n
J e to n
x
x
x J e to n
x
x J e to n
J e to n J e to n
J e to n J e to n
x
x
x
x
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16
Adaptation en ligne: exemple
t
QdS
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17
Actions d'adaptation
Actions "Bas" Initiées lorsque la classe de QdS courante plus disponible BLOCK, BEST_EFFORT, ROLLBACK, ABORT, SWITCH()
Actions "Haut" Initiées lorsque une (des) classe(s) de QdS supérieure(s)
disponible(s) BEST_EFFORT, ROLLBACK, SWITCH()
Un couple (Action Haut, Action Bas) associé à chaque séquence Application informée de l'initiation nécessaire d'une action
d'adaptation
t
QdS
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18
Blocs d'adaptation
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19
PréférencesUtilisateurs
GénériqueSpécification QdS
Stabilité
SpécificationQdS
Transparent
Architecture de QdS
Multi-application
Mécanismed'adaptation
Traduction QdS
Métrologiede la QdS
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20
Métrologie de la QdS réseau Mesurer la QdS telle qu'elle est perçue par l'application
Mettre en œuvre une politique de métrologie
Fonctionnalités attendues
Paramètres différents
Plusieurs mesures simultanées
Mesures bidirectionnelles
Paramétrable
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21
Système A
Métrologie de la QdS réseau
Mesurer la QdS telle qu'elle est ressentie par
l'application
Mesures actives:Effectuées en envoyant des
paquets-sonde
Réseau
Réseau
Système B
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22
Paramètres retenus et outils de mesures
Outils de mesure
Capacité (lien)Pathchar [Jacobson97], Bing [Beyssac95], Clink [Downey99], Pchar [Mah99], Nettimer [Lai01]
Bande passante disponible (lien/chemin)
Cprobe [Carter96], Pipechar [Jin01], Pathload [Jain02],Spruce [Strauss03], Topp [Melander03]
Bande passante minimale (chemin)
Bprobe [Carter96], Pathrate [Dovrolis01],Nettimer [Lai01], Sprobe [Saroiu01]
Délai unidirectionnel -
Délai aller-retour Ping [BSD4.3]
Variation de délai Iperf [Tirumala03]
Pertes de paquets Ping [BSD4.3], Sting [Savage99], Iperf [Tirumala03]
Route Traceroute [Jacobson89]
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23
Analyse
Outils inutilisables pour mettre en œuvre une politique de métrologie
Fonctionnalités
Paramètres différents Non
Plusieurs mesures simultanées Non
Mesures bidirectionnelles Non
Paramétrable Non
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24
Service de métrologie
Cadre générique pour l'implantation de techniques de mesure
Dont les techniques des outils précédents Mesures actives
Réalisées par des couples d'émetteur-récepteur de paquets-sonde: Capteurs
Structure modulaire Ajout de couples de capteurs
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25
Service de métrologie: principe
Service deMétrologie
Application
Capteur
Gère la politique de métrologie:
paramètres à mesurer,période de mesure(caractéristiques de
capteurs)
Système A Système B
Coordinateur
Service deMétrologie
Coordinateur
Canal de contrôle
Agent deSurveillance
Application
Capteur Capteur
Capteur
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26
Modélisation UML - Diagramme de Classes
Service deMétrologie
Capteur
Capteur
Système A
Coordinateur
Agent deSurveillance
Application
CapteurActif CapteurPassif
+démarrer()+arrêter()+évaluerTraficMesure()
-tailleSondes
CapteurActifDélaiVdPertesClient
+démarrer()+arrêter()+mesurerDélai()+mesurerVariationDélai()+mesurerPertes()+envoyerMesures()
-délai-variationDélai-pertes-timeout-périodeMesure
CapteurActifDélaiVdPertesServeur
+démarrer()+arrêter()+mesurerRtt()+envoyerMesures()+évaluerTraficMesure()
-périodeSondes-tailleSondes-périodeMesure
CapteurActifRttClient
+démarrer()+arrêter()
CapteurActifRttServeur
-périodeSondes
CapteurActifDélaiVdPertes CapteurActifRtt
+démarrerSurveillance()+validerCréationCapteurs()+recevoirMesures()
-idAgent-périodeMesure
AgentDeSurveillance
+créerCoupleCapteurs()+créerCapteur()+démarrerCoupleCapteurs()+démarrerCapteur()+aiguillerMessage()
Coordinateur
+connecterSystèmeDistant()+envoyerMessage()+recevoirMessage()
CanalDeContrôle
+obtenirAdresseCapteur()+obtenirCanalCapteur()+obtenirAdresseCapteurDistant()+obtenirCanalCapteurDistant()
-idCapteur-idAgent-protocoleTransport-idCapteurDistant
Capteur
-numéro
Canal
-typeCapteur-idAgent-adresseSystèmeLocal-adresseSystèmeDistant-numéroCanalLocal-numéroCanalDistant-protocoleTransport
DescripteurCapteur
1*
1
*
11
*1
1
*
-mesureParamètre1-mesureParamètre2-...
RésultatsDeMesure
1
1
1
*
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27
Modélisation UML – Diagramme de Séquence
idCapteur
numéroCanal
AgentDeSurvAppli:AgentDeSurveillance
CoordSiteA:Coordinateur
créerCoupleCapteurs
CanalSiteA:Canalcréer
CoordSiteB:Coordinateur
créerCapteur
CanalSiteB:Canalcréer
CapteurDVdPServeur:CapteurActifDélaiVdPertesServeur
créer
idCapteur
créer
idCapteur
validerCréationCapteurs
démarrerCoupleCapteurs
démarrerCapteur démarrer
étatétat
démarrer
état
CapteurDVdPClient:CapteurActifDélaiVdPertesClient
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28
Fonctionnalités du service de métrologie
Fonctionnalités
Paramètres différents
Plusieurs mesures simultanées
Mesures bidirectionnelles
Paramétrable
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29
Implantation: QoSMet
One-way delay (RFC2679)Type-P-One-way-Delay Type-P-One-way-Delay-Poisson-Stream Type-P-One-way-Delay-Percentile Type-P-One-way-Delay-Median Type-P-One-way-Delay-Minimum
One-way delay variation (RFC3393)Type-P-One-way-ipdv Type-P-One-way-ipdv-Poisson-Stream Type-P-One-way-ipdv-jitter Type-P-One-way-peak-to-peak-ipdv
Packet loss (RFC2680)Type-P-One-way-Packet-Loss Type-P-One-way-Packet-Loss-Poisson-Stream Type-P-One-way-Packet-Loss-Average Type-P-One-way-Packet-Loss
Packet loss pattern sample metrics (RFC3357) Type-P-One-way-Loss-Distance-Stream Type-P-One-way-Loss-Period-Stream Type-P-One-way-Loss-Noticeable-Rate
Packet reordering (draft)Type-P-Reordered-Ratio-Stream
En cours d'implantationBande passante disponible selon l'algorithme "Spruce" [Strauss03]
Paramètres mesurés selon les recommandations de l'IETF(métriques conformes aux
RFCs)
Compatible One-Way Active Measurement Protocol [IETF]
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30
Métrologiede la QdS
PréférencesUtilisateurs
GénériqueSpécification QdS
Stabilité
SpécificationQdS
Transparent
Architecture de QdS
Multi-application
Mécanismed'adaptation
Traduction QdS
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31
Architecture "QdS-Adapt"
Gestion
Application
Ressources
Processeur Mémoire Réseaux
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32
Modélisation UML - Diagramme de Classes
+exporterClassesQos()
-périodeBloc-périodeAdaptation
Application
+enregistrerApplication()+déterminerNouvelleClasseQos()+adapterApplication()
Superviseur
1
*
contrôle
+démarrerSurveillance()+validerCréationCapteurs()+recevoirMesures()
-idAgent-périodeMesure
AgentDeSurveillance
1
*
utilise
1
1
correspond à
+exécuterSéquence()+activerActionHaut()+activerActionBas()
-positionCourante
CAP
ClasseQosApplication
1
1
-paramètre1Inf-paramètre1Sup-paramètre2Inf-paramètre2Sup-...
ClasseQosMétrique
1
1
correspond à
+afficherClassesQos()+ordonnerClassesQos()+démarrerApplication()
-préférencesUtilisateur
InterfaceUtilisateur
1
1+enregistrerApplication()+ordonnerApplications()
-préférencesUtilisateurInterApplications
InterfaceUtilisateurInterApplications
1..* 1
représente
+faireTranslation()
Translation
-prioritésApplications
Ordonnanceur
+contrôlerTrafic()
ContrôleurDeTrafic
+corrigerTrafic()
GestionnaireDeFlux
+exporterCAP()
-numéro
BlocAdaptation11..*
1
1..*
1
1
interagit avec
1
1
1
1
utilise
11
utilise1* crée
+mettreAJour()
-classeCourante-classesPrécédentes
Historique
1
1
utilise
*
1
utilise
1
1
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33
-Saisie des préférences de l'utilisateur
:InterfaceUtilisateur
:InterfaceUtilisateurInterApplications
Paquetage supérieur::Utilisateur
2: ordonnerClassesQos()
3: démarrerApplication()
1: ordonnerApplications()
:Superviseur :Application
1: enregistrerApplication()2: exporterClassesQos()
:Translation
3: faireTranslation()
:ClasseQosMetriques
3.1: *[i:=1..n]:création()
:AgentDeSurveillance4: création()
5: démarrerS
urveillance()
-Enregistrement de l'application auprès du superviseur et exportation des classes de QdS "application"
-Traduction des classes de QdS en classes "métriques"-Création d'un agent de surveillance
-Démarrage de la métrologieDéterminer Nouvelle Classe QoS
[nouvelleClasse := classeCourante]
[sinon]
Démarrer séquence d'exécution suivante
Mettre à jour historique
[bloc en cours d'exécution] [fin d'exécution du bloc courant]
Activer action d'adaptation Haut Activer action d'adaptation Bas
[nouvelle classe < classe courante][nouvelle classe > classe courante]
Pendant l'exécution de l'application-Détermination périodique de la classe de QdS la plus adaptée
-Choix de la séquence d'exécution associée / Activation des actions d'adaptation
:Application
:InterfaceUtilisateur
2: création()
3: afficherClassesQos()
:InterfaceUtilisateurInterApplications1: enregistrerApplication()
-Enregistrement de l'application auprès de l'interface inter-applications
-Création de l'interface utilisateur propre
Fonctionnement
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34
Calcul de la classe de QdS la plus adaptée
Principe1. Parmi toutes les classes du bloc en cours, déterminer les classes disponibles selon la QdS courante2. Trier l'ensemble obtenu selon l'ordre indiqué par l'utilisateur
Soit A l'ensemble des couples (classes de QdS de l'application, préférence de l'utilisateur):
Soit B l'ensemble des classes de QdS du bloc,
Soit D l'ensemble des classes de QdS de l'application disponibles en fonction de la QdS courante,
L'ensemble des classes de QdS disponibles pour le bloc est
La classe de QdS la plus adaptée est
à ni;npppaA iiii 1,1 , avec ,
AB
AD
nmmj, qeDBE jj , à 1 avec
k...mk
jj qqe1
min que tel
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35
Métrologiede la QdS
PréférencesUtilisateurs
GénériqueSpécification QdS
Stabilité
SpécificationQdS
Transparent
Architecture QdS-Adapt
Multi-application
Mécanismed'adaptation
Traduction QdS
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Expérimentations
Télé-pilotage d'un robot mobileTélé-asservissement en position d'un robot
mobile
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37
Plate-forme d'expérimentation
Ordinateur embarqué
Système mobile
Carte réseau sans-fil802.11b
Robot et caméra embarquée
Point d’accès802.11b
Poste decommande
Serveur vidéo http
EmulateurInternet
[Lecuire01]
Délai, pertes
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38
Application de télé-pilotage
Application démonstrative Suivre le trajet de A à E
![Page 39: Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de communication Fabien Michaut fabien.michaut@cran.uhp-nancy.fr.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022070309/551d9d81497959293b8babab/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Stratégie d'adaptation / Classes de QdS Degré d’autonomie du robot variable selon l’importance
des perturbations [Lin96] Modes de pilotage
Mode "joystick" Maîtrise complète du robot par l'opérateur (pilotage interactif)
Mode "rail" Déplacement le long d'un rail virtuel Maîtrise des degrés de liberté du robot partagée entre le robot
et l’opérateur Mode "point à point"
Maîtrise de la trajectoire par le robot (interactivité quasi-nulle)
Interactivitéopérateur-robot
+ -
Délaialler-retour (s)
0,100 0,25 1,00
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40
Blocs – Séquences – Actions d'adaptationA
B
C
D
E
Aller de A à B(- / SW)
Aller de A à B(B_E / SW)
Aller de A à B(B_E / BL)
Aller de D à E(- / SW)
Aller de D à E(B_E / SW)
Aller de D à E(B_E / BL)
Aller de C à D(- / SW)
Aller de C à D(B_E / BL)
Aller de B à C(- / SW)
Aller de B à C(B_E / BL)
Tra
jet
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41
Exemple: Bloc B-C
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42
Application de télé-asservissement
Asservir la position du robot Commande en vitesse
RobotCorrecteurpositionconsigne vitesse
RéseauRéseau
Hypothèses Délais identiques à l'aller et au retour Pas de perte de paquets Correcteur proportionnel
2AR
RA
DDD
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43
Boucle de commande
Identification du robot CONTSID [Garnier02]
Fonction de transfert en boucle fermée
sD
sD
AR
AR
eksss
eksFTBF
3
3
10.7023
210.70
..6117,165611,160450,4
..6117,16)(
F(s)k e-(D /2)s
Yref Y+
-
e-(D /2)s
Correcteurproportionnel
Délai
Fonction de transfertdu robot
AR
AR
sss
eksF
s
5611,160450,4
..6117,16)(
23
10.70 3
![Page 44: Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de communication Fabien Michaut fabien.michaut@cran.uhp-nancy.fr.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022070309/551d9d81497959293b8babab/html5/thumbnails/44.jpg)
44
Etude en simulation: Impact du réseau
Introduction de délai dans la boucle Provoque des dépassements
0 5 10 150
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
temps (s)
po
sitio
n (
mm
)
rtt=0srtt=0.2srtt=0.4s
Simulation Matlab
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45
Comment supprimer le dépassement? Calcul d'un gain pour délaiAR max
tel que dépassement nul
Pas satisfaisant Système inutilement lent lorsque le
retard est très inférieur au retard max
Gain (k) 0,9 0,7 0,5 0,3
DélaiAR max (s) 0,1 0,3 0,5 1,1
tm (s) 1,38 2,37 3,59 6,53
0 5 10 15 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
temps (s)
po
sitio
n (
mm
)
k=0.3 - rtt=0.3k=0.9 - rtt=0.3
Simulation Matlab
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46
Stratégie d'adaptation / Classes de QdS
Choix du gain du correcteur en fonction du délaiAR
Dépassement au détriment de la rapidité du système
Classe de QdS
Gain (k) 0,9 0,7 0,5 0,3
DélaiAR max (s) 0,1 0,3 0,5 1,1
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47
Bloc – Séquences – Actions d'adaptation
Réguler(- / SW)
Gain=0,9
Réguler(B_E / SW)Gain=0,7
Réguler(B_E / SW)Gain=0,5
Réguler(B_E / BL)Gain=0,3
Périodes Choisies en fonction de la dynamique du système Période du bloc: 2s Période du calcul de la classe de QdS la plus adaptée: 0,5s
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48
Modélisation
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49
Résultats Expérimentaux
Mesure dudélai aller-retour
(secondes)
Gain
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
1.60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,300,50
1,10
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0,3
0,5
0,7
temps (s)
délai A-R(s)
k
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50
Résultats Expérimentaux (2)
Consigne / Réponse(mm)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
1.60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,300,50
1,10
temps (s)
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
consigne
réponse
0100
200
400
600
position (mm)
Mesure dudélai aller-retour
(secondes)
délai A-R(s)
![Page 51: Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de communication Fabien Michaut fabien.michaut@cran.uhp-nancy.fr.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022070309/551d9d81497959293b8babab/html5/thumbnails/51.jpg)
51
Conclusions
Adaptation en cours d'exécution de l'application en fonction de la QdS mesurée possible
Contributions Architecture de QdS pour l'adaptation Service de métrologie de la QdS Plate-forme d'expérimentation opérationnelle pour
l'accueil et le test de Nouvelles techniques de métrologie Algorithmes de commande évolués pour les systèmes à
retard (Equipe Projet Multi-Laboratoires "Retards de Transmission en Télé-opération", CRAN-LAIL-LIRMM)
![Page 52: Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de communication Fabien Michaut fabien.michaut@cran.uhp-nancy.fr.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022070309/551d9d81497959293b8babab/html5/thumbnails/52.jpg)
52
Conclusions
XRM[Lazar94]
QoS-A[Campbell9
8]
Omega[Nahrstedt9
6]
Heidelberg [Vogt98]
Prayer[Bharghavan97
]
QdS-Adapt
[Michaut03]
Cadre architectur
al
Spécification QdS Traduction QdS
Métrologie Préférences Utilisateur
Adaptation des
applications
Générique Transparent Stabilité Multi-application
Réservation de ressources intégrable
Oui Incomplet Non
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53
Conclusions
Réservation de ressources
Adaptation de l'application
+
- Garanties strictes de QdS
- Performances optimales de l'application
- Fonctionnement correct de l'application même lorsque la maîtrise des
ressources incomplète ou impossible
- Orienter les dégradations de la QdS
-
- Non utilisable pour les réseaux hétérogènes
(Internet)
- Réservation impossible: Mauvais fonctionnement (voire fonctionnement
impossible) de l'application
- Performances inférieures de l'application
- Tolérance aux dégradations limitée (Ex:
Action ABORT)
![Page 54: Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de communication Fabien Michaut fabien.michaut@cran.uhp-nancy.fr.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022070309/551d9d81497959293b8babab/html5/thumbnails/54.jpg)
54
Perspectives
Classification des applications Modèles de spécification de la QdS Fonctions de traduction de la QdS Politiques de métrologie adaptées
Paramètres pertinents, période, etc.
Métrologie Impact du flux de mesure sur le réseau (finesse des
capteurs) Quantifier les incertitudes de mesures Prédiction des mesures
Stabilité Priorités inter-applications