Garantir la qualité de service temps réel: ordonnancement et gestion de files d’attente
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Garantir la qualité de service temps réel:
ordonnancement et
gestion de files d’attente
YeQiong SONG, LORIA – INPL – Nancy Université
ETR’2007, Nantes, 7 sept. 2007 Y.Q. Song 2
Plan
1. Mécanismes de gestion de la QdS
2. Gestion de files d’attente
3. Ordonnancement de messages
4. Remarques sur des méthodes d’évaluation des bornes de temps de réponse
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1 - Gestion de la QdS dans un nœud de réseaux à commutation de paquets
...
Serveur de capacité c
1
2
N
.
.
.
interarrivé sources
paquets
- Borner les flux d’arrivée: Leaky bucket
- Gérer la saturation de buffers: RED
- Ordonnancer les paquets: WFQ
Contrôle d’admission pour la garantie
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2 - Mécanismes de gestion de files d’attente
• TD (Tail Drop)
• RED (Random Early Detection)
• DLB (Double Leaks Bucket)
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TDRejet quand file pleine
Simulation TD avec flux d’arrivée Poissonnien =1, taille file = 9, C = 0,8
101101111100001100011111111111111111111111111011101010010111111111011111101001111101010010100001111100111111111111111111111111111111111111110111011001101000111111101111110111111110
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RED (rejet avec probabilité)
1
Maxp
min
max
Longueur moyenne de file
Ne rienrejeter
Rejet avecProba P
Rejetertout
P
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RED
Lg_moy = (1-Wq)*Lg_moy + Wq*lg_inst
Longueur de file
Temps
Lg_moy
Lg_inst
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Simulation RED avec flux d’arrivée Poissonnien =1, taille file = 9, C = 0,8, wq = 0,2, max_p = 0,34, minth = 3, maxth = 6
111010010000111111111111111111111111111111010111111111100110011111011111111111111111111111111111110110010111011111011111111111111111110100001111000110001010111111111111111111101010
RED
Simulation TD 101101111100001100011111111111111111111111111011101010010111111111011111101001111101010010100001111100111111111111111111111111111111111111110111011001101000111111101111110111111110
DLB RED TD
Taille moyenne de file 4.7 4.3 9.0
Délai moyen (ms) 4.8 4.5 8.7
Taux de perte 22% 22% 20%
Pertes consécutives max. 1 4 4
Pertes consécutives moy. 1 1.64 1.54
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ObservationsConsidérons un exemple de transmission de paquets de voix pour une session de téléphonie IPCongestion rejet de paquets dégradation de QdS
Problème: seul taux de pertes ne permet pas de mesurer la dégradation. Pour un même taux, une longue séquence de pertes consécutives impacte plus la QdS
Nouveaux modèles pour mieux spécifier la tolérance à la dégradation de QdS?Nouveaux mécanismes pour éviter de longues séquences de pertes?
Modèle (m,k)-firm
Double Leaks Bucket
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Modèle (m,k)-firm
• Temps réel dur: non respect d’une échéance entraîne des conséquences catastrophiques
• Temps réel souple: non respect des échéances entraîne une diminution de performances (QdS dégradée)– Temps réel « firm »: temps réel souple mais avec le
non traitement des paquets ne pouvant pas respecter leur échéances (paquets rejetés)
– (m,k)-firm: respect des échéances d’au moins m parmi k paquets consécutifs quelconques [Hamdaoui95]
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(m,k)-firm et états du system
• Exemple de (2,3)-firm
• k-séquence
1111
1100
101
100
1
0
011
010
001
000
0
1
0
1
0
1
0 11
0
10
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k-séquence et expression de contraintes
(3,5)-firm
- k-séquence fixe = k-pattern
1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 . . .
1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 ...
- k-séquence dynamique
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Exemple d’une application acceptant la contrainte (m,k)-firm
• Flux vidéo MPEG
I
B B BP
B BP
B BP
B
I
B B BP
B BP
B BP
B
1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0
GOP (Groupe Of Pictures)
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Maquette de tests
Routeur ClickCommutateur
LAN 1Commutateur
LAN 2
LAN 1 100 Mbits/s
Netmask = 255.0.0.0
LAN 210 Mbits/s
Netmask = 255.255.255.0
Lien 1 100 Mbits/s
Lien 2 10 Mbits/s
Serveur 1 @IP : 10.0.0.2
Serveur 2@IP : 10.0.0.3
Client 1 @IP : 192.168.1.2
Client 2@IP : 192.168.1.3
VideoLan : générateur de trafic MPEG
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Test sur maquette
• Vidéo initiale:
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• Test 1: rejet de tous les paquets de type I
Image fixe
Test sur maquette
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• Test 2: rejet de tous les paquets de type P
Test sur maquette
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• Test 3: rejet de tous les paquets de type B
Test sur maquette
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Modèle R-(m,k)-firm
R-(m,k)-firm est une relaxation du modèle (m,k)-firm afin d’augmenter le taux d’utilisation du serveur – un problème bien connu de l’ordonnancement est non préemptif [Thèse J. Li 07]
Source side
Destination side
s t
t+
s
time
time
Facteur (m,k) : pour un groupe quelconque de k paquets consécutifs, au moins m sont transmis avant un facteur de délai
Facteur délai: à l’instant t, k paquets sont émis par la source. Alors, m parmi eux doivent être transmis à la destination avant t+. une échéance par groupe de paquets au lieu d’une par paquet.
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DLB (Double Leaks Bucket)
Un simple lavabo avec une évacuation de trop plein
qq2q1
open
close
Switch state
ServingLeak C1
DiscardingLeak C2
q1
q2
Sw itch
TVB
q1
q2
q2
C1
C1+
C2
C1 +
C2
C1
tint t1 t2
Courbed'arriv ée
Courbe deserv ice
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DLBSimulation DLB (q1=3, q2 = 6, taille de file = 9, C1 = 0,8, C2 = 0,4)
011011011011011011011011011011011011011111111111111111101101101101101101101101111111110110110110110110110110110110111111111111111111111111111101101101101101101101101101101101101101
DLB RED TD
Taille moyenne de file 4.7 4.3 9.0
Délai moyen (ms) 4.8 4.5 8.7
Taux de perte 22% 22% 20%
Pertes consécutives max. 1 4 4
Pertes consécutives moy. 1 1.64 1.54
Propriété 1: non pertes consécutives
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DLBProperty 2: Garantie déterministe R-(m,k)-firm pour flux (,)-borné
Theorem: Pour un flux (,)-borné, si DLB est configuré selon les conditions suivantes, la contrainte R-(m,k)-firm sera respectée de façon déterministe
• Condition (1) : C1+C2> ;
• Condition (2): si >q2, alors
sinon
11
2
C mq
C k m
q1
q2
q2
C1
C1+
C2
C1 +
C2
C1
tint t1 t2
Courbed'arriv ée
Courbe deserv ice
2 2 1 1
1 1 2 1
1max ,
q q q qS S
C C C C
2 1 1
1 1 2 1
1max ,
q q qS S
C C C C
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3 - Ordonnancement de message
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WFQ
P21 P22 P23 P24 P25
WFQ
3
1
P11 P12 P13 P14 P15 P16
Flux 1 : 3 Mbit/s
Flux 2 : 1 Mbit/s
P11 P12 P13 P21 P14 P15 P16 P22
P17 P18 P19
P23 P24 P25
D2
D1
1max , ( )k
k k j
j j
j
LF F V t
Temps Virtuel de DépartTemps Virtuel de Départ
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WFQ et temps de réponse borné
• WFQ garantit à chaque source de flux i
– une portion de bande passante gi proportionnelle à son coefficient de partage i
– un délai maximal ssi le trafic du flux est borné par une courbe d’arrivée (i,i)-borné et avec
i gi :max
,maxi
ii
LD
g c
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Problème de WFQ pour temps réel• WFQ est initialement conçue pour garantir la bande
passante mais pas le délai !• Pour un flux donné, plus le coefficient de partage
est petit, plus le délai est grand Problème : flux temps-réel de faible besoin en bande
passante, mais nécessitant un délai étroit (Voix sur IP avec Débit=64Kb/s)
• Sous-utilisation de ressources pour garantir le délai– Borne sur le délai = f(Bande passante réservée, Rafale)
max,max
ii
i
LD
g c
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(m,k)-WFQ [thèse A. Koubâa 04]
• Objectifs de (m,k)-WFQ:– Prise en compte de (m,k)-firm– Utilisation plus efficace de la bande passante
pour réduire Dmax
• Principe de (m,k)-WFQ:– Marquage des paquets par la source selon -
pattern (introduction de deux priorités)– Estampillage des paquets selon le temps virtuel
de départ de WFQ
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Algorithme (m,k)-WFQ
Paquet Critique Paquet Optionnel
Echéance RatéeEchéance Respectée
Envoyer le paquet Rejet du paquet
Sélection min(Fik)
parmi les paquets critiquesSinon parmi les paquets optionnel
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Un exemple
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(m,k) Débit Trafic -pattern Echéance Voix (4,5) 64 kb/s ON/OFF (500/755/50)ms 11011 10 ms
Vidéo (3,5) 2Mb/s Pseudo Périodique ~2Mb/s 10110 4 ms FTP (0,1) 7,936 Mb/s Pseudo Périodique ~7.936 Mb/s 0 Infinie
Performances de (m,k)-WFQ
Taille de paquet constante = 1 Ko
(m,k)-WFQ WFQ (m,k)-FIFO FIFOVoix 9,769 4776,83 20,529 48,031Vidéo 3,999 41,084 21,086 49,031FTP 3,837 18,048 21,442 49,083
Temps de réponse maximal simulé :
Taux de rejet (m,k)-WFQ: Voix: 6,8%Vidéo: 5,5%
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Garantie de temps de réponse de (m,k)-WFQ
S
t
bits
(()-Shaper)-Shaper
(m, k)-Filtre(m, k)-Filtre
Flux CritiqueFlux Critique
(k-m,k)-Filtre(k-m,k)-Filtre (b,(b,)-Shaper)-Shaperk-mk-mkk
Flux OptionnelFlux Optionnel
*R (t)MUXMUX
*( ) , m k mR t bk k
R(t)
Le nombre maximum de paquets optionnels transmis par le serveur est l’ensemble des paquets ayant un délai inférieur à l’échéance désirée Dop : b = Dop (supposons que la bande passante du serveur g = )
ETR’2007, Nantes, 7 sept. 2007 Y.Q. Song 32
Borne de temps de réponse de (m,k)-WFQ
• Les deux systèmes suivants sont équivalents• servi par un serveur WFQ
• servi par un serveur (m,k)-WFQ
• Borne sur le délai d’un flux ()-borné servi par (m,k)-WFQ
*( ) , m k mR t bk k
( ) , R t
** maxmax
LDC
* maxmax
Lm k mbDCk k
ETR’2007, Nantes, 7 sept. 2007 Y.Q. Song 33
Borne de temps de réponse de (m,k)-WFQ
• Si aucun paquet optionnel n’est servi:
• Pour garantir un temps de réponse entre D*min et D*max, on peut ajuster Dop qui détermine b = Dop
* max
minLmDCk
ETR’2007, Nantes, 7 sept. 2007 Y.Q. Song 34
Délai Garanti par (m,k)-WFQDélai Garanti par (m,k)-WFQ
*( , )
*max
max
m k WFQ LDC
( , ) maxmax
M Om k WFQ LbD
C
WFQ
maxmax
WFQ LD
C
Temps (sec)
Arrivées (bits)
DWFQ R
T= Lmax/c
Courbe de Service
Courbe d’arrivée
Le flux est ()-borné
(m,k)-WFQ
Temps (sec)
Arrivées (bits)
DWFQ R
T= Lmax/c
Courbe de ServiceCourbe
d’arrivée
D(m,k)-WFQ
*
*
Le flux est (**)-borné
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4 – Remarques sur méthodes d’évaluation de bornes des temps de réponse
• Flux périodique et son enveloppe majorante (,)
t
6 5 4 3 2 1
Bornes pour majorer les flux d’entrée
F(t) périodique
F(t) périodique avec gigues
0 1 2 3 4 5 6 7
J
ETR’2007, Nantes, 7 sept. 2007 Y.Q. Song 36
L’analyse de la trajectoire du « pire cas » vs. l’analyse de l’enveloppe majorante (,)
Serveur de capacité c
S1
S2
SN
.
.
.
ordonnancement
interarrivée
Exemple de priorité fixe
11
1
1
max ( ) ( 1)i
ni i j N j j
j
ni j
jI C C
I J
T
i i iR C I (si Ri < Ti)
1
1max 1
1
maxi
j i j N j
ji i
j
j
W
D
c
.i iW c Cavec
ETR’2007, Nantes, 7 sept. 2007 Y.Q. Song 37
Questions?