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Systèmes multimédia répartis & QoS
Master2p GI 2003-2004UE « Études d’approfondissement »
Hugo ETIÉVANT
Systèmes multimédia répartis et qualité de serviceHugo ETIEVANT
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PlanContexte historiqueQoSÉvolution
MatérielsInfrastructuresProtocolesLogiciels
Application concrète : SMILPerspectivesConclusione-bibliographie
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Systèmes multimédia répartis et qualité de serviceHugo ETIEVANT
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Démocratisation du Web
temps
nombre d’internautes(en millions)
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
0
20
60
100
140
d’après : Hobbes’s Internet Timeline © Robert H Zakon, 2002
1990 : quelques centaines de milliers2003 : 160 millions
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Systèmes multimédia répartis et qualité de serviceHugo ETIEVANT
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Le new deal !Centres d’intérêts des internautes très divers
offre de services variée
Internet est un businessforte concurrence (matériel, logiciel, contenu, connexion)
Investissements importants publics et privésinfrastructures de qualité sans cesse renouvelées
Moteur pour la recherchenouvelles technologies exploitées de suite
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Explosion générale
Nombre d’internautes
Nombre de sites web
TraficPerformances
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Évolution des réseauxplan | contexte | QoS | évolution | SMIL | perspectives | conclusion | e-biblio
Technologiecuivre RTC, fibre optique, satellite
DébitRTC (28 kb/s), ADSL (512 kb/s), T1 (1.5 Mb/s), OC-192 (10 Gb/s)
Contenu texte, image, musique, voix, vidéo
DR
DR
DR
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Infrastructure
© TeleGeography Inc, 2003
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Bande passante agrégéeÉnormément de communications inter-continentales
Médias lourds non traditionnels : câbles sous-marins et liaisons satellites
d’après : © TeleGeography Inc, 2001
US & Canada Europe
Asie &Pacifique
Amériquelatine et
Caraïbes
Afrique
162 Gb/s41.8 Gb/s
68 Mb/s
445
Mb/
s
14 G
b/s
766 Mb/s
1.7 Gb/s
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Évolution des contenusAvant
Textes
Peu d’images
Web statique
AprèsImages de grande qualité
Vidéos
Musiques
Graphismes évolués
Web dynamique
Interactivité accrue
Forteattractivité
de l’Internet
Grandnombre
d’internautes
Profusiondes
contenus
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fond.png
site B
Structure répartie d’une page web
<html><body background=…> <script src=…></script> <img src=… /></body></html>
site A
home.html
news.js
…
site C
visiteur
référence
qualité du média
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image.jpg
site D
DR
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Aux origines…Internet asynchrone
Architecture commune aux données, voix, vidéos…
Principes de base d’Internet :simplicité
robustesse
universalité
« On part près pour aller loin. »
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Problèmes d’aujourd’huiDélais prohibitifs
Gigue
Perte de paquets
Congestions
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DR
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SolutionsAméliorer les capacités de transport
Utiliser au mieux la bande passante
Améliorer la puissance des routeurs
Améliorer les algorithmes d’ordonnancement
Isoler les types de flux
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QoS : définitionQoS : « Quality of service » (qualité de service), assurer aux internautes un confort optimal.World Wide WaitChargement immédiat des pages, éléments graphiques de qualité, services temps réels (video streaming) efficaces, synchronisation, interactivité…
Internet était lent, moche et statique.Internet v2 sera rapide, beau et interactif.
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Nouveaux servicesVidéo à la demandee-TV interactiveTemps réel continu Jeux en réseauxLogiciels collaboratifs
A chaque type de service correspondent des contraintes de qualité différentes parfois antagonistes d’où la nécessaire différenciation de traitement
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Nouvelles contraintesAuthentification (VPN)
Confidentialité (paiement en ligne)
Intégrité (transfert de fichier)
Gigue contrôlée (vidéo)
Flux prioritaires (services payants)
Contrôle de congestion (continuité de service)
Calcul de chemin (détection des pannes)
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Comment garantir la QoS ?plan | contexte | QoS | évolution | SMIL | perspectives | conclusion | e-biblio
Marquer les paquets
Isoler les classes de trafic
Réservation de ressources selon les services
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Solution matérielleMédia
Fibres optiques• Peu chères• Fiabilité très élevée (taux d’erreur :10-12)
• Très haut débit (10 Gbps)
Hertzien • Haut débit• Grande couverture
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DR
DR
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Solution matérielle
Les routeurs ne commutent plus assez vite pour supporter les débits qu’on leur injecte !
19901
10
100
1000
d’après : SPEC95Int & David Miller, Stanford
1
10
100
1000
2x / 18 mois 2x / 7 mois
Vitesse routeursCPU
Vitesse liensGbp
1995 2000 1990 1995 2000
TDM
DW
DM
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Solution matérielleRouteurs hautes performances
1ère génération (capacité < 500 Mbps)
CPUTable
deroutage
Mémoire
Interface
MAC
Interface
MAC
Interface
MAC
(1)
(2)
(3)
(4)
Bus DMA
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Solution matérielleRouteurs hautes performances
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Mémoire• Temps d’accès réduit
• Quantité adressable plus importante
Bus• Contrôleurs plus rapides
CPU• Fréquence d’horloge plus élevée
• Diminuer le nombre d’opérations de traitement par paquet
DR
DR
DR
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Solution matérielle
© Conduc PHAM
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Solution matérielle
© Conduc PHAM
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Solution matérielleRouteurs hautes performances
2nd génération (capacité < 5 Gbps)
CPUTable
deroutage
Mémoire
Bus DMA
cache deroutage
buffer
MAC
cache deroutage
buffer
MAC
cache deroutage
buffer
MAC
(1)
(2)
(3)
cache buffer
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Solution matérielleRouteurs hautes performances
3ème génération (capacité < 50 Gbps)
cache deroutage
buffer
MAC
cache deroutage
buffer
MAC
CPU
Tablede
routage
(1) (2)
parallélisme
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Solution matérielleRouteurs hautes performances
4ème génération (> 200 Gps)
• Grappe de routeurs de 3ème génération
• Liens optiques
Cis
co G
SR
12
41
6 (
16
0G
b/s
)
Actuellement = 640 Gbps
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DR
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Solution matérielleRouteurs hautes performances
Futur• Commutation optique
– Moindre consommation énergétique– Commutation de circuit
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DR
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Solution matérielleRouteurs hautes performances
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Routeur de frontière
Routeur de cœur
Cœur du réseau
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Solution d’infrastructureCache web et proxy
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x x x
clients
proxy
caches coopérantsICP, HTCP, CRISP, CARP, Digests
serveurs
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Solution d’infrastructureCache web et proxy
Intérêts pour l’utilisateur :• Économie bande passante : plus rapide• Robustesse : tolérance aux pannes• Filtrages
Intérêts pour le serveur :• Réduction congestion• Améliorations performances• Diminution trafic : économies équipement
Inconvénients :• Cohérence (mises à jour)• Problème juridique (confidentialité, copyright)• Mesure d’audience minorée
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Solution protocolaire : HTTP1.1Datation de tout document émis
Date: Fri, 31 Dec 1999 23:59:59 GMTLast-Modified: Fri, 31 Dec 1999 23:59:59 GMT
Méthode HEADHEAD /index.html HTTP/1.1
Méthode GET conditionnelleGET /index.html HTTP/1.1If-Modified-Since: Fri, 31 Dec 1999 23:59:59 GMTHTTP/1.1 304 Not ModifiedDate: Fri, 31 Dec 1999 23:59:59 GMT
Envoi d’une sous-partieGET /index.html HTTP/1.1[If-]Range: bytes=500-600,800-850HTTP/1.1 206 Partial contentContent-Range: bytes 500-600/47022
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Solution protocolaire : HTTP1.1Cachabilité
âge d’une ressource (age),
restrictions (cache-control)
expiration (max-age, max-fresh, max-stale)
transformations (no-transform)
revalidation (no-cache, only-if-cached, must-
revalidate, proxy-revalidate)
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Solution protocolaire : IPv6Sécurité
Confidentialité
Authentification
Intégrité
RoutageDétermination du meilleur chemin
Adressage dynamique pour les mobiles
QoSPrioritésTemps réelDifférentiation des services
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Solution logicielleAlgorithmes d’ordonnancement
FIFO + Drop-tail• Premier arrivé, premier servi
les paquets surnuméraires sont perdus (saturation de la file d’attente)
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file d’attente
routagedélétions
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Solution logicielleAlgorithmes d’ordonnancement
Round Robin (RB)• Une file par classe de trafic = isolation
traitement cyclique de chaque file
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routage
FIFO
FIFO
FIFO
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Solution logicielleAlgorithmes d’ordonnancement
Weighted Round Robin (WRB)• Pondération* des classes de trafic = priorités
plus équitable
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routage
FIFO
FIFO
FIFO
Poids = 3
Poids = 6
Poids = 1
* Nombre de paquets par cycle.
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Solution logicielleAlgorithmes d’ordonnancement
Generalized Processor Sharing (GPS)• Service infinitésimal par classe = fluidité• Non implémentable !!!
– Algorithme complexe– Paquets atomiques
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Solution logicielleAlgorithmes d’ordonnancement
Fair Queuing (FQ)• Équilibre des flows = gigue contrôlée
– calcul du temps d’émission d’un paquet selon le modèle GPS
– envoi du paquet afin qu’il sorte à la date calculée plutôt
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5
8
10+ =
sortieflow 1 flow 2
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Solution logicielleAlgorithmes d’ordonnancement
Weighted Fair Queuing (WFQ)• FQ + WRB• Pondération temporelle des classes de traffic
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Solution logicielleContrôle de congestion
Random Early Detection (RED)• Perte volontaire de paquets !
– Répartition équitable des rejets– Prévient les congestions
– Paramétrage délicat de maxp
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si (t <= mint) alors rien faire
si (t >= maxt) alors supprimer paquet
si (mint < t < maxt) alors supprimer un paquet selon la probabilité : P = maxp * (t - mint) / (maxt - mint)
0
1
mint maxt
Probabilitéde délétion
Taille de la file
maxp
t
P
file
mintmaxt t
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Solution logicielleContrôle de congestion
ARED• Adaptation dynamique de maxp à la charge
moins sensible au paramétrage de maxp
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si (t < mint) alors maxp--
si (t > maxt) alors maxp++
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Solution logicielleContrôle de congestion
Token Bucket• Sys à jetons, modèle de service = délai garanti
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b : capacité
r jetons par seconde
régulateur
R : capacitéligne d‘arrivée
flux de sortie b*R(R-r)
Bits
Secondes
pente r
pente R
Courbe des sorties
Bits
Secondes
Ligne d’arrivée
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Grandes famillesBest Effort
« On part près pour aller loin » !
Integrated Services (IntServ)Réservation de ressource (RSVP)Ordonnancement (WFQ)Contrôle de congestion (RED)
Differentiated Services (DiffServ)Priorités payantesIsolationSuppression de paquets
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QoS
ComplexitéBest Effort
DiffServ
IntServ
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Le langage SMIL
Validé par le W3CGrammaire XMLDédié multimédia (texte, image, vidéo, son, animation, flot…)
Synchronisation forteQualité de serviceAdaptatif (langue, bande passante, non voyants)
InteractifIntégration aux pages web (nécessite une visionneuse : RealOne, IE5.5, QuickTime…)
Synchronized Multimedia Integration Language
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HistoriqueDates importantes
1996 : W3C Workshop1998 : SMIL 1.0 Recommendation2001 : SMIL 2.0 Recommendation
Groupe de travailÉditeurs de logiciels
• Macromedia, Microsoft, Oratrix, RealNetworks
Constructeurs• IBM, Intel, Nokia, Philips, Panasonic
Laboratoires de recherche• CWI, NIST
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SpécificationsTypes de ressources multimédia
Texte (<text>)Flux de texte (<texstream>)Image (<img>)Audio (<audio>)
<ref src="anything.???" /><text src="data/desc/051.html" /><textstream src="sous-titres.rt" /><img src="dessin.gif" /><audio src="sonnerie.wav" /><video src="rtsp://www.cwi.nl/SMIL/video.rm" /><animation src="cute.anim" />
Vidéo (<video>)Animation (<anim>)Autre (<ref>)
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SpécificationsDisposition spatiale (<layout>)
régions (<region>)
marges (top, bottom, left, right)
dimensions (width, height)
profondeur (z-index)
alignement (topleft, …)
Remplissage de l’espace (fit)
feuille de style (CSS)
<layout> <root-layout id="SMIL" width="250" height="200" /> <region id="r1" z-index="2" width="25%" height="18%" left="12%" top="10%" /> <region id="r2" z-index="1" top="30" width="80%" height="60%" /></layout>
root-layout
region
right
bottom
width
height
lefttop
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SpécificationsContenu alternatif
utilisateur
matériel
réseau
logiciel
<switch><video system-bitrate="44000" src="interview.mpeg" /><img system-bitrate="16000" src="bill-gates.png" />
</switch>
systemLanguagesystemCaptionssystemAudioDescsystemOverdubOrSubtitlesystemBitratesystemCPUsystemScreenSizesystemScreenDepthsystemOperatingSystemsystemComponentsystemRequired
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SpécificationsAttributs de temps
début (begin)
fin (end)
durée (dur)
répétition (repeatdur, repeatcount)
parallèle/séquence (<par>, <seq>)
<par endsync="first"> <text src="leader_title.html" region="title" dur="5s" /> <video id="v1" src="cnn.mpg" region="main" begin="1.4s" /> <audio src="cnn.aiff" region="music" begin="id(v1)(0.5s)" /></par>
text
video
audio
0 1 2 3 4 5 Temps (s)
1.4s
0.5s
5s
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SpécificationsAccessibilité
description (title, alt, longdesc, abstract)
méta informations (<meta>, RDF)
Interactivitéévènements
liens, ancres
zones
Transitions, hiérarchies…
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Exemple<smil> <head> <meta name="title" content="Exemple de fichier SMIL" /> <layout> <rout-layout background-color="#FF0000" height="200" width="300" /> <region id="video" top="5" left="5" height="170" width="290" /> <region id="text" top="180" left="5" height="20" width="290" /> </layout> </head> <body> <par> <video src="video.rm" region="video" title="Ma vidéo" /> <switch> <text stream src="text-fr.rt" region="text" system-language="fr" /> <text stream src="text-en.rt" region="text" system-language="en" /> </switch> <seq> <animation src="flash.swf" begin="2.5s"> <anchor href="home.smi" coords="40%,70%,55%,100%" begin="4.3s" end="6.8s" /> </animation> <audio src="audio.mp3" clip-begin="5.6s" alt="…" longdesc ="…" /> </seq> </par> </body></smil>
entê
teco
rpsfic
hier
SM
IL
définition des zones multimédias
zone de basezones
insertion d’une vidéo dans une zoneinsertion d’un flot de texte
zone
s
alternativeattribut test
grou
pem
ent e
n pa
rallè
le
séqu
ence
hyperlien temporel
méta balise
insertion d’une animation
insertion d’un son accessibilité
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Exemple
Labo numérique
animation
blah blah blaaaah…
texte
graphique
flux vidéo
flux texte
image fixe
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DR
DR
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Adaptations envisagéesTéléphonie mobile
Le client mobile change les ‘layout’ de disposition pour s’adapter à son petit écran.
Formulaires XformsFormulaires évolués et interactifs.
SMIL & MPEG-7Description des vidéos
&
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PerspectivesVidéo et musique à la demandee-TV interactive, e-learning (SMILthèques)…Logiciels collaboratifsUltra adaptabilité (PDA, mobile, réfrigérateur, cartable, tableau d’école…)
Cartable électronique
PDA
TV interactive Tableau blanc électronique
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DR
DR
DR
DR
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ConclusionEngouement pour Internet
Moteur pour la technologie• Innovations • Business• Enseignement
QoSRévolution
• Nouveaux services– Qualité contrôlée
– Internet payant
Espace de liberté réduit ?
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DR
DR
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e-BiblioSMIL
RENATER 3 (renater.fr)
W3C SYMM working group – CWI (cwi.nl)
C-SMIL (Club des utilisateurs de SMIL)
Multimedia Web Forms (x-smiles.org)
RéseauxConduc PHAM (ens-lyon.fr)
Olivier AUBERT (bat710.univ-lyon1.fr)
GraphiquesTelegeography.com
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Merci de votre attention.
Cette présentation est disponible en ligne :http://cyberzoide.developpez.com/Master/QoS.pdf