L'ordonnancement de type opportuniste

5.3 L'ordonnancement dans les réseaux satellitaires . . . 104 5.3.1 Introduction . . . 104 5.3.2 Le cadre de référence des réseaux satellitaires DVB-S2/DVB-RCS . . . 104 5.3.3 Passage en revue des solutions d'ordonnancement proposées . . . 105 5.3.4 La problématique de l'ordonnancement dans les réseaux satellitaires . . . 106 5.3.5 Proposition d'un mécanisme d'ordonnancement dans un réseau DVB-S2 . . . . 108 5.3.6 Résultats et analyse . . . 111 Conclusion . . . 115

5.1 Introduction

Les techniques d'ordonnancement ont été adaptées pour accompagner l'évolution des réseaux de communication et les demandes croissantes des applications en termes de débit, délai ou gigue. Nous sommes passés du FIFO ou premier arrivé, premier servi, à des techniques capables d'assurer une qualité de service et tirer bénéce de la capacité variable du support.

Dans un système de communication, un mélange d'applications temps réel (vidéo, multimédia, etc) et best-eort (web, ftp) est déployé. D'une manière générale, l'ordonnancement est une étape essentielle dans l'assurance des garanties de service des applications temps-réel mais aussi d'un débit aux services best-eort.

Les techniques d'ordonnancement ont donc évolué dans le but de s'adapter à une telle variation de sources de données. Dans les réseaux sans l où l'on peut observer une capacité limitée, l'équité de ces mécanismes est mise en question et entre souvent en contradiction avec les contraintes de qualité de service. Les conditions de transmission étant variables, la prise en compte des changements de débits dans les techniques d'ordonnancement peut engendrer de meilleures performances par rapport aux cas classiques.

Nous cherchons dans ce chapitre à retracer une évolution des mécanismes d'ordonnancement pro- posés dans la littérature. Nous passons passe en revue leurs principales caractéristiques en proposant

des critères de classication et nous étudions la conception d'une solution d'ordonnancement pour les réseaux satellitaires.

5.2 Présentation générale de l'ordonnancement

5.2.1 Illustration du concept d'ordonnancement

L'ordonnancement est un concept clé dans l'allocation de ressources d'un système de communica- tion. Le principe a été déni tout d'abord dans un contexte de partage du processeur d'un système informatique. Pour gérer l'accès au processeur, la mise en ÷uvre d'une politique de partage de celui-ci est nécessaire qui assure que toutes les tâches y ont accès selon une stratégie prédénie : à tour de rôle, par priorité, etc.

Dans un contexte réseau, le processus d'ordonnancement a comme but principal de partager le support entre les ux de données entrants dans le système et de décider la composition des ux

sortants comme le montre la gure5.1.

0000 0000 0000 1111 1111 1111 000 000 000 111 111 111 000 000 000 111 111 111 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 00000 00000 00000 00000 00000 11111 11111 11111 11111 11111 00000 00000 00000 00000 00000 11111 11111 11111 11111 11111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 1111 00000 00000 00000 11111 11111 11111 0000000 0000000 0000000 1111111 1111111 1111111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 Flux 1 Flux 2 Flux 3 Flux N Trafic sortant Trafic entrant

Fig. 5.1  Exemple de système de le d'attente et d'une politique d'ordonnancement

D'une manière générale, un ux est déni au niveau réseau comme une série de paquets traversant la même route à partir de la source jusqu'à la destination et nécessitant le même type de service au

niveau de chaque routeur et passerelle [161]. De plus, tout paquet appartient d'une manière unique à

un ux qui peut être déterminé en fonction de son en-tête.

La notion de ux est donc très générale et elle s'applique dans les réseaux orant des services sans connexion tels que les réseaux IP aussi bien que dans des réseaux tels que X.25 et ATM. Par exemple, dans un réseau IP, un ux est constitué par les paquets avec le même quintuplet d'adresses source et destination IP, numéro de protocole de transport et numéro de port.

L'ordonnancement est le plus souvent un mécanisme de niveau liaison de données ou de niveau réseau, responsable de la gestion des les. Nous nous concentrons sur l'ordonnancement de niveau liaison de données dans les les duquel sont stockées les trames. Ainsi, les trames des ux sont choisies pour être transmises sur le support suivant une politique bien dénie au niveau de l'ordonnanceur. Le processus d'ordonnancement prend en compte les techniques de communication proposées par le réseau, par exemple, dans les systèmes sans l, de type TDMA où l'allocation de ressources est réalisée sous forme de slots temporels, le mécanisme d'ordonnancement décide l'allocation de ces slots aux diérents ux.

Dans un réseau satellitaire, le processus d'allocation de ressources spécié dans par la norme DVB- RCS met en place un accès au support en utilisant des slots temporels alloués par le contrôleur de trac (NCC). Le mécanisme d'ordonnancement est déployé au niveau du terminal satellite (RCST) pour la voie montante et au niveau de la gateway pour la voie descendante. Ainsi, au niveau du terminal satellite, les slots pour la voie retour sont distribués aux ux existants, tandis qu'au niveau de la gateway, la distribution de slots permet l'envoi des trames sur la voie aller. La problématique

5.2. Présentation générale de l'ordonnancement 95 est donc spécique à chaque sens de communication. Sur la voie descendante, la prépondérance de la diusion vidéo conduit à des méthodes simples et peu adaptatives.

Il est donc important de proposer des méthodes plus souples permettant l'intégration de nouveaux services tout en préservant une qualité de service acceptable aux applications historiques.

5.2.2 Classication des mécanismes d'ordonnancement

Dans cette partie, nous passons en revue les principales caractéristiques qu'un outil d'ordonnan- cement peut présenter dans le but d'identier celles qui sont désirables pour une technique d'ordon- nancement dans un réseau satellitaire. Nous distinguons deux catégories de critères permettant une classication des mécanismes d'ordonnancement, les critères qualitatifs et les critères quantitatifs. 5.2.2.1 Critères qualitatifs d'évaluation des techniques d'ordonnancement

La stabilité d'un mécanisme d'ordonnancement consiste en sa capacité à maintenir un système stable en empêchant les les d'attente de s'allonger indéniment. La stabilité reste un concept théo- rique dans le contexte réel où la taille nie des les et les mécanismes de contrôle d'admission em- pêchent un système de devenir instable. Néanmoins, l'instabilité peut se reéter dans les mauvaises performances en terme de délai et de pertes d'un système de communication en raison des grandes variations que les les d'attente peuvent expérimenter surtout en présence de rafales de données.

Le coût calculatoire de la majorité des mécanismes d'ordonnancement qui sont proposés dans un contexte de modélisation d'un ux par session, est directement proportionnel au nombre de ses- sions. Plus le nombre est grand, plus le coût calculatoire augmente. La complexité calculatoire a fait l'objet de plusieurs études, les premières techniques oraient des coûts calculatoires de O(log(n))

[153,159], n étant le nombre de ux actifs.

Le passage à l'échelle des techniques d'ordonnancement permet d'évaluer le comportement face à un nombre importants de ux. Dans un routeur de c÷ur de réseau, dénir une technique au niveau des ux compromet le passage à l'échelle en raison du nombre très grand de ux et la politique d'ordonnancement au niveau des ux devient non déployable.

L'ecacité d'une technique d'ordonnancement consiste en une utilisation maximale de la capacité du système c'est-à-dire servir le plus grand nombre possible de ux. Ainsi, une technique est plus ecace qu'une autre si elle permet de garantir de meilleures performances dans un système à charge donnée.

L'isolation des ux caractérisés par diérents débits et diérents types de contrôles de conges- tion est une mesure nécessaire dans l'assurance des garanties demandées surtout celles qui concernent les contraintes temporelles. Ainsi, le débit d'une source ne doit pas empêcher les autres ux de rece- voir leur part de service. A titre d'exemple, les mécanismes dits équitables prévoient que chaque ux reçoive sa part de débit tandis que d'autres tels que FIFO n'orent pas d'isolation de ux.

La exibilité des techniques d'ordonnancement consiste à prendre en compte les diérents types de trac des ux et orir les garanties demandées par ceux-ci. Ainsi, les ux best-eort et les ux temps-réel peuvent co-exister en recevant un service satisfaisant. De plus, avec le nombre croissant d'applications dans les réseaux de communication, les techniques d'ordonnancement devront être exibles de sorte à garantir un nombre varié de contraintes de délai, de débit et de taux de pertes à des ux ayant des besoins hétérogènes en terme de qualité de service.

L'équité est la propriété de l'ordonnancement permettant d'assurer que la proportion entre les ressources souhaitées et les ressources obtenues sera sensiblement la même pour tous les ux. L'équité a donc comme but de répartir les ressources du système entre ux conformément aux proportions dénies dans leurs exigences. Cela n'est possible qu'à travers la mise en ÷uvre d'isolation des ux.

5.2.2.2 Critères quantitatifs d'évaluation des techniques d'ordonnancement

Des critères quantitatifs peuvent être calculés et mesurés suite au service reçu par les ux dans le processus d'ordonnancement.

Le débit reçu par un ux lors du processus d'ordonnancement dépend du service reçu. Le débit représente une contrainte de qualité de service pour des services type multimédia. Dans un réseau sans l, le débit dépend en plus de l'état du support de l'utilisateur et aussi du nombre de paquets en attente dans les les.

Le délai des paquets servis par le processus d'ordonnancement représente un critère important en raison du fait qu'une grande valeur du délai peut induire des expirations de temporisation en diminuant ainsi les performances du système de communication. La variation de ce délai, ou gigue, est également une métrique importante puisqu'elle peut pénaliser la reproduction des médias tem- porellement contraints. Des mécanismes fondés sur des buers peuvent aider à les limiter, mais au prix d'un délai supplémentaire. La gigue est également un indicateur de la stabilité du système de communication. Le délai des paquets est important du fait que, pris en compte, il permet d'éviter les expirations de temporisation qui pénalisent les protocoles de communication tels que TCP. Un ordonnancement en fonction du délai permettrait ainsi de fournir de meilleures performances aux entités protocolaires hautes.

5.2.3 Historique des mécanismes d'ordonnancement

5.2.3.1 Quelques exemples d'ordonnancement basiques

L'historique que nous réalisons dans cette partie retrace l'évolution du déploiement des techniques d'ordonnancement, d'abord dans les réseaux laires et ensuite dans les réseaux sans l. Nous retraçons à travers le passage en revue des mécanismes d'ordonnancement l'évolution de ces techniques, en passant par des techniques d'ordonnancement dites équitables et des mécanismes d'ordonnancement pouvant assurer des garanties de qualité de service.

L'ordonnancement FIFO L'ordonnancement de type FIFO ou premier arrivé, premier servi, représente un des premiers mécanismes d'ordonnancement proposés dans les réseaux de paquets.

Les avantages de cette politique d'ordonnancement est sa simplicité et l'ecacité qui en résulte à faible charge, mais les performances se révèlent mauvaises à forte charge. Ainsi, l'équité et la qualité de service ne sont pas assurées. Dans le cas d'un déploiement dans les réseaux de communication sans l, l'état du canal a une forte inuence sur les performances de cet algorithme, qui montre des

performances faibles en terme d'équité et de débit [167].

L'ordonnancement round robin La politique round-robin [145] ou tourniquet est un algorithme

d'ordonnancement courant dans les systèmes d'exploitation comme Unix. Il consiste à servir une liste de processus ou tâches sans priorité en attribuant un quantum de temps ni à chacun(e).

Dans les réseaux de communication, la technique tourniquet permet de servir les ux à tour de rôle, chaque ux étant servi de la même manière. Par exemple, le service consiste à choisir le même nombre de paquets pour chaque ux. Dans ce cas, à première vue, le round-robin est un mécanisme équitable, mais en présence de tailles diérentes de paquets perd cette caractéristique. De plus, aucune garantie de service n'est assurée en utilisant ce type d'ordonnancement. Il permet en revanche une certaine isolation entre les ux.

L'ordonnancement Max SNR Le principe de choisir les utilisateurs avec de bonnes conditions

5.2. Présentation générale de l'ordonnancement 97 principe Max SNR consiste à choisir l'utilisateur qui bénécie du meilleur rapport signal à bruit ou signal-to-noise ratio (SNR) en anglais.

Cette technique est très attractive du point de vue de l'ecacité du système en permettant de

maximiser la capacité du système en orant un accroissement de 20% à 120% [173] par rapport aux

algorithmes qui ne prennent pas en compte l'état du canal tels que l'ordonnancement round-robin ou l'algorithme FIFO. En revanche, l'équité et les contraintes de qualité de service ne sont pas garanties par cette technique.

5.2.3.2 Présentation de l'ordonnancement équitable

Un système de communication dispose d'une capacité nie d'un support à partager entre un nombre d'utilisateurs potentiellement grand. L'ordonnancement équitable assure le partage des res- sources du réseau de manière homogène entre les utilisateurs. Il repose sur un principe de base : la séparation des sources de manière à empêcher que le débit d'une source porte préjudice à d'autres sources.

Dénition de l'équité La notion d'équité a été utilisée dans des contextes économiques, systèmes d'exploitation et réseaux de communication lorsqu'une quantité de ressources (richesse, temps de traitement, bande passante, etc.) est à partager entre plusieurs bénéciaires. Dans les réseaux de communication, les bénéciaires sont les ux de données et la ressource est le temps de transmission sur un support. Ainsi, l'équité peut être dénie selon les conditions suivantes :

• Un ux a droit à la même proportion de ressources du réseau que tout autre ux.

• Un ux peut utiliser plus de ressources que les autres ux si l'excès de ressources n'aecte pas

les autres ux.

Il est important de disposer d'un critère permettant de préciser si une allocation de ressources est équitable.

L'équité du processus d'ordonnancement Il n'existe pas de méthode universellement reconnue

pour évaluer l'équité d'un mécanisme d'ordonnancement [146]. D'une manière générale, le système

pour être qualié d'équitable devrait servir les ux en fonction de leurs réservations et ne pas pénaliser les ux pour un service reçu en excès auparavant, par lui ou par un autre. Des critères permettant de préciser si une allocation de ressources est équitable ont été proposés pour la première fois pour les réseaux laires en dénissant des indices. Trois indices principaux sont connus : l'indice de Gini

[142], l'indice de Jain [143] et le critère max-min [144] ; ils ont été utilisés dans diérentes études pour

qualier les mécanismes d'allocation de ressources. En particulier, l'allocation équitable de type max- min alloue le débit en donnant la priorité aux ux à faible débit. A la n, la modication d'un débit alloué à un ux n'est pas possible sans diminuer le débit des autres ux. De plus, si cette allocation existe, elle est unique.

Plusieurs autres mesures d'équité ont été proposées dans la littérature :

• Une mesure pour l'équité a été proposée dans [158] sous le nom d'indice d'équité du service ou

Service Fairness Index (SFI). Elle mesure la diérence entre les services reçus par deux ux dans un intervalle quelconque.

• La borne absolue d'équité ou Absolute Fairness Bound (AFB) mesure la diérence entre les ser-

vices obtenus sous une discipline d'ordonnancement quelconque et sous la politique de référence

théorique Generalized Processor Sharing (GPS) [150].

• Il s'avère que la borne absolue d'équité (AFB) est dicilement calculable [147]. En raison de

mesurant la diérence maximale de service reçu par deux ux quelconques sous la même politique d'ordonnancement. RFB correspond ainsi à la mesure proposée par Golestani.

• Un autre critère, l'indice maximum de non équité ou Worst-case Fairness Index (WFI) est

proposé dans [156] et mesure le délai supplémentaire d'un paquet dans les les en attendant

le service par rapport au délai qu'il aurait subi avec GPS, délai normalisé par le poids du ux. Ainsi, le maximum des indices de tous les ux représente la mesure d'équité d'une politique d'ordonnancement par rapport au mécanisme GPS.

Il est important de remarquer que tous les critères fondés sur une comparaison entre une poli- tique d'ordonnancement quelconque et la politique GPS est dicilement déployable en raison de la complexité de la politique GPS comme on le verra par la suite. De plus, les mesures évoquées visent des politiques fondées sur des poids attachés aux ux. L'hypothèse prise dans ces cas est celle que les poids sont alloués (a priori) et sont statiques. Une solution consiste dans une modication du WFI

adaptative de façon à prendre en compte le changement des poids [148].

5.2.3.3 L'ordonnancement équitable dans les réseaux laires

Processor sharing Les algorithmes d'ordonnancement équitables sont tous inspirés de la politique

de partage du processeur dans les systèmes informatiques appelée processor-sharing (PS) [149]. Dans

un contexte avec un seul serveur, N les correspondant à N ux, chaque le étant gérée en mode FIFO, le PS propose une manière équitable max-min de partager le service entre les tâches. Les hypothèses prises dans le cadre de cette politique équitable sont les suivantes :

1. le trac est inniment divisible ;

2. tous les ux actifs sont servis en même temps, à un débit de 1/N du débit du lien, où N représente le nombre de ux actifs.

Bien qu'une gestion des ux en les séparées ne puisse pas, seule, fournir de garanties de qualité de service, l'utilisation de mécanismes de gestion des buers et de mécanismes comme le leaky-bucket dans les mécanismes qui émulent PS permet de fournir un délai faible, une allocation équitable et des

performances stables en cas de forte charge [149].

Dans un réseau de communication, on ne peut pas interrompre la transmission d'un paquet pour en transmettre un autre, comme dans le cas théorique du mécanisme PS fondé sur un trac inniment

divisible. Une émulation du mécanisme PS en considérant les ux comme une série de paquets [153]

est proposée sous le nom d'ordonnancement équitable ou fair queueing en anglais.

Generalized processor sharing Une généralisation du mécanisme PS est l'ordonnancement dé-

nommé Generalized Processor Sharing (GPS) [150,151] qui propose un service pondéré pour les ux

actifs dans le système. Il assure une équité max-min. La politique GPS ore des débits diérents pour les ux en utilisant des poids sans aucune connaissance sur les caractéristiques des processus d'arrivée des ux. En supposant que le lien possède un débit constant égal à r, les poids des ux

étant dénis par φi, i étant le numéro de ux, i = 1..N où N le nombre de ux actifs, F = [1, .., n],

le poids φi détermine la quantité de débit ri du débit total r qu'un ux i reçoit pendant l'intervalle

[τ, t]conformément à l'équation (5.1). ri= φi P j∈Fφj r. (5.1)

Dans le cas où tous les poids φi sont égaux, le GPS est identique au cas d'ordonnancement

équitable, PS. Un serveur GPS assure que tout ux reçoit au moins sa part de débit spécié par le

5.2. Présentation générale de l'ordonnancement 99 ri(τ, t) rj(τ, t) ≥ φi φj , ∀i, j ∈ F et∀τ, t (5.2)

pour tout ux actif pendant l'intervalle [τ, t] où ri(τ, t) représente le débit transféré par un ux

pendant l'intervalle [τ, t].

Le mécanisme GPS sert chaque ux i avec son débit minimal spécié dans l'équation (5.1). La

capacité non utilisée par les autres ux est répartie entre les ux suivant les poids assignés. Ainsi, GPS ore une isolation des ux, une équité pondérée optimale et nalement un délai faible. Le mécanisme GPS est considéré comme idéal car il permet aux ux actifs dans le système d'envoyer des données