Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de...

Adaptation des applications distribuées à la Qualité de Service fournie par le réseau de communication

Fabien Michautfabien.michaut@cran.uhp-nancy.fr

Centre de Recherche en Automatique de NancyCRAN - CNRS UMR 7039

Université Henri Poincaré - Nancy I

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

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]

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

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

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

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

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

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

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

"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"

12

Métrologiede la QdS

GénériqueSpécification QdS

Stabilité

SpécificationQdS

Transparent

Architecture de QdS

Multi-application

Mécanismed'adaptation

Traduction QdS

PréférencesUtilisateur

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

+

-

14

Mécanisme d'adaptation: exemple

Choix de la séquence

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

16

Adaptation en ligne: exemple

t

QdS

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

18

Blocs d'adaptation

19

PréférencesUtilisateurs

GénériqueSpécification QdS

Stabilité

SpécificationQdS

Transparent

Architecture de QdS

Multi-application

Mécanismed'adaptation

Traduction QdS

Métrologiede la QdS

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

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

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]

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

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

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

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

*

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

28

Fonctionnalités du service de métrologie

Fonctionnalités

Paramètres différents

Plusieurs mesures simultanées

Mesures bidirectionnelles

Paramétrable

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]

30

Métrologiede la QdS

PréférencesUtilisateurs

GénériqueSpécification QdS

Stabilité

SpécificationQdS

Transparent

Architecture de QdS

Multi-application

Mécanismed'adaptation

Traduction QdS

31

Architecture "QdS-Adapt"

Gestion

Application

Ressources

Processeur Mémoire Réseaux

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

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

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

35

Métrologiede la QdS

PréférencesUtilisateurs

GénériqueSpécification QdS

Stabilité

SpécificationQdS

Transparent

Architecture QdS-Adapt

Multi-application

Mécanismed'adaptation

Traduction QdS

Expérimentations

Télé-pilotage d'un robot mobileTélé-asservissement en position d'un robot

mobile

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

38

Application de télé-pilotage

Application démonstrative Suivre le trajet de A à E

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

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

41

Exemple: Bloc B-C

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

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

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

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

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

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

48

Modélisation

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

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)

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)

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

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)

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