EPSILON

Action de Recherche Coopérative
Evaluation des Performances des réSeaux
une approche associant expérIences, mesures et modéLisatiON

Projets FRACTALES et MISTRAL de l'INRIA
en collaboration avec le groupe Réseaux Haut Débit de l'ENST



  1. Objectifs
  2. L'objectif général de cette recherche est de proposer et de montrer la faisabilité d'une nouvelle approche pour l'évaluation des performances des réseaux (trafics, architectures, protocoles).

    Ce projet de recherche coopérative s'articule autour des 4 axes complémentaires suivants :
    1. l'acquisition et la mise en place d'un réseau expérimental d'une douzaine de PC;
    2. la simulation/émulation d'architectures et de protocoles (du Web, notamment) sur ce réseau;
    3. l'analyse statistique des mesures prélevées lors des expériences réalisées dans l'étape 2;
    4. la validation de divers modèles mathématiques développés par les partenaires du projet à partir des informations rassemblées et analysées dans l'étape 3.
    Nous allons maintenant détailler chacune de ces étapes.
    Etape 1. Un réseau expérimental pour l'analyse des performances

    Le réseau consistera en une douzaine de PC sous Unix connectés par un switch. Chaque PC sera muni d'une carte réseau à 100Mb. Ce réseau sera localisé à l'INRIA Sophia Antipolis.

    Pourquoi un tel réseau? Pourquoi ne pas utiliser un simulateur? (par exemple ns [9])?

    Un réseau est une entité complexe qui met en oeuvre des composants et des protocoles très hétérogènes. La reproduction de ces mécanismes par simulation (par exemple, une connexion TCP) est nécessairement sommaire sous peine d'être réduit à simuler de petits réseaux (quelques noeuds, quelques connexions TCP). Or, on sait bien que c'est l'interaction de ces différents éléments qui grêvent les performances des réseaux (Internet). Il est donc particulièrement important de les reproduire le plus fidèlement possible (en particulier les connexions TCP qui constituent l'ingrédient de base de l'Internet) pour ne pas courir le risque d'arriver à des conclusions erronées. Quoi de plus fidèle que la réalité? C'est ce principe qui a guidé notre choix vers ce réseau expérimental.

    Concernant les applications Web, voici maintenant quelques détails sur la façon dont les requêtes seront générées. Les utilisateurs seront virtuels mais le trafic qu'ils généreront (des requêtes) sera réel. Plus précisément, les requêtes de chaque utilisateur seront générées (émulées) par un logiciel (WAGON) basé sur des modèles mathématiques de comportements typiques d'utilisateurs Web. Ces modèles, paramétrables, ont été obtenus à partir de l'analyse de nombreuses traces collectées sur différents types de serveurs Web. Chaque PC pourra simuler le comportement de plusieurs utilisateurs. En revanche, les bits généres par chaque requête seront transmis physiquement sur le réseau selon les protocoles en vigueur dans le réseau (contrôle de flux, routage, ordonnancement, etc.).

    Ce réseau pilote pourra, dans le cas de certaines expériences, être interconnecté (via RENATER) à la plateforme expérimentale existant à l'ENST. On aura ainsi créé un réseau hétérogène qui nous permettra de tester grandeur nature divers algorithmes (notamment) multipoint (cf. Etape 2).

    Si le besoin s'en fait sentir, ce réseau pourra toutefois être autonome. Ainsi, une expérience pourra-t-elle être reconduite plusieurs fois sous les mêmes conditions (de congestion, notamment) et les résultats obtenus ne seront donc pas bruités par des trafics exogènes comme c'est le cas dans l'Internet.

    Etape 2. Evaluation de performance d'architectures et de protocoles

    Nous allons passer en revue quelques applications visées.

    1. Evaluation du nouveau protocole http-ng

      http-ng est actuellement en cours de développement par le W3C. Le projet MISTRAL est impliqué dans cette réalisation en ce qui concerne les aspects d'évaluation des performances (en particulier la comparaison avec les versions précédentes de http, c'est-à-dire http/1.0 et http/1.1).

      Pour ce faire nous allons utiliser le réseau expérimental. Les 3 versions de http seront installés sur différents PC de façon à comparer les différences de performance. On testera aussi l'évolution des performances en fonction des différentes versions de tcp utilisé (Reno, Vegas, etc.).

      Ceci est un cas typique où un simulateur comme ns ne peut pas être d'un grand secours à moins de coder en ns toutes ces versions de http et de tcp, tâche assez irréaliste.

    2. Evaluation d'architectures de mémoire cache

      Nous implémenterons sur le réseau différentes architectures de mémoire cache (architectures hiérarchiques typiquement) et analyserons leurs performances en présence de différentes stratégies (caches coopératifs, politiques push, etc.). Ici encore, on s'attachera à observer la variation des performances en fonction des protocoles utilisés (http, tcp).

    3. Evaluation de protocoles de transport multipoint fiables

      La capacité d'offrir des services multipoint fiables devient un élément clé de l'architecture des réseaux IP [2, 3, 12]. En l'absence d'un standard (comme TCP pour le point à point), les applications se chargent elles-mêmes d'assurer les fonctions requises. Profitant de l'expertise acquise dans ce domaine par le groupe Réseaux Haut Débit nous implémenterons et évaluerons grandeur nature divers mécanismes de fiabilité (notamment à base de codes correcteur d'erreurs de type FEC -- forward error congestion), de gestion des acquittements dans le but d'éviter la prolifération des messages d'acquittement, et de contrôle de flux (adaptation de la source aux conditions de trafic).

      L'évaluation des performances dans ce contexte doit impérativement prendre en compte l'hétérogénéité qui peut exister entre les différents récepteurs à un instant donné (distance, délai de bout en bout, capacité de transmission). Ceci sera réalisé en interconnectant ce réseau pilote avec la plateforme de l'ENST, comme indiqué précédemment.
    Etape 3. Collecte et analyse statistique des données

    Des campagnes de mesures (mesure du trafic, délais, etc.) intensives seront réalisées lors des expériences indiquées dans l'étape 2. Profitant de la maîtrise d'oeuvre total du réseau en configuration ``autonome'', les fichiers log auront une résolution inférieure à celle que l'on trouve en général (de l'ordre de la seconde) ce qui nous permettra d'affiner les statistiques. Cette amélioration de la résolution sera obtenue en modifiant le noyau Unix sur chacune des machines du réseau. La qualité des mesures effectuées sera cruciale pour le bon déroulement de l'étape 4, notamment lorsqu'il s'agira de mettre en évidence d'éventuelles corrélations sur le long terme.

    Etape 4. Validation et mise en oeuvre de modèles mathématiques de trafic

    Après la révélation en 1991 de l'existence de propriétés de corrélations sur le long terme [13] des trafics dans les réseaux modernes, une forte mobilisation de la communauté en évaluation des performances a eu lieu dans le but à la fois de comprendre ces phénomènes non-standards et de les modéliser.

    La cause profonde de ces phénomènes et leur impact réel sur les performances des réseaux sont encore mal connus. Cependant, plusieurs modèles de trafic capables de reproduire, au moins partiellement, certains de ces phnomènes ont vu le jour (on trouvera leurs références dans [1, 8, 7, 11]). L'analyse et la validité de ces modèles restent néanmoins des problèmes largement ouverts que nous adresserons dans cette action.

    Dans le cadre de ce projet les recherches porteront aussi sur l'analyse multifractale du trafic. Des études menées dans le projet FRACTALES [7, 11] ont montré qu'une description plus fine du trafic Internet peut etre obtenue via une analyse multifractale, qui ne se restreint pas à une étude de la dépendance longue, mais considère aussi la partie haute fréquence du signal. Ce type de caractérisation est utile si l'on veut étudier des variations à des échelles de temps courtes, et son application au trafic Web pourrait permettre une gestion fine des paramètres du cache. Ceci nécessite en particulier de trouver de nouveaux modèles de trafic à base de cascades. Ce type de modèle a été étudié dans le projet FRACTALES et récemment par d'autres auteurs à AT&T. Nous prévoyons en particulier dans cette partie d'obtenir les spectres multifractals de cascades aléatoires plus générales que celles étudiées jusqu'ici, et de développer de nouvelles méthodes statistiques d'estimation de ces spectres.

    L'adéquation de ces modèles aux mesures prélevées dans l'étape 3 sera étudiée ce qui nécessitera le développement de procédures d'identification des paramètres.

    En parallèle, nous étudierons la validité de modèles de prévision de la congestion basés sur des techniques d'inférences statistiques. Cette approche pour évaluer en temps réel la congestion d'une connexion (bande passante disponible, trafic transverse, etc.) est différente de celles utilisées jusqu'à maintenant et essentiellement basées sur l'utilisation de la procédure ping de Unix [4, 10]. L'idée (comme dans [4, 10]) est de supposer l'existence d'un goulôt d'étranglement le long de la connexion et de modéliser ce routeur par une file d'attente simple composée de quelques paramètres; les quantités cherchées (taux du trafic transverse, capacité mémoire du routeur, débit) sont alors obtenues sous forme close après estimation de ces paramètres. Cette dernière procédure peut-être réalisée à partir des observations récoltées à la source et/ou au destinataire. Rappelons que la connaissance à chaque instant de la congestion du réseau permettra l'adaptation des procédures de contrôle aux conditions de trafic (FEC par exemple dans le cas d'application temps-réel), d'où une meilleure qualité de service.



  3. Budget
  4. 575KF sur 2 ans qui se décomposent comme suit:

  5. Présentation des partenaires
  6. Projet FRACTALES (INRIA, UR de Rocquencourt)

    Approche fractale pour l'analyse et la modélisation de signaux complexes
    L'approche fractale pour l'étude des systèmes complexes a fait ses preuves en mathématiques (analyse d'ensembles irréguliers ou de mesures singulières), et en physique (description de phénomènes fortement non linéaires). Mais c'est dans le domaine du traitement du signal que les progrès récents ont été les plus nets. En particulier, grâce à l'analyse multifractale et à la théorie des systèmes de fonctions itérées (IFS), on a pu appliquer les outils fractals à des signaux a priori non fractals, comme les images. L'objectif de l'équipe est de développer des outils théoriques nouveaux pour analyser finement des signaux complexes dans des buts de modélisation, de prédiction et de synthèse.



    Axes de recherche

    Analyse multifractale. Théorie des systèmes de fonctions itérées. Processus stables fractionnaires.



    Relations industrielles connexes

    Personnel

    J. LÉVY VÉHEL (Jacques.Levy_Vehel@inria.fr).

    Projet MISTRAL (INRIA, UR de Sophia Antipolis)

    Modélisation des systèmes informatiques et de télécommunications
    L'activité du projet MISTRAL porte sur la modélisation et le contrôle de systèmes informatiques et télématiques. Les travaux du projet se concentrent sur deux formalismes de modélisation, les réseaux de files d'attente et les réseaux de Petri.



    Axes de recherche

    Analyse de réseaux de communication. Modélisation et ordonnancement d'applications parallèles. Analyse et contrôle de systèmes à événements discrets. Outils logiciels pour la simulation et l'évaluation de performances.

    Relations industrielles connexes

    Personnel

    Z. LIU (liu@sophia.inria.fr) et P. NAIN (nain@sophia.inria.fr). P. NAIN sera le responsable de cette action.



    Groupe Réseaux Haut Débit de l'ENST

    L'activité du groupe Réseaux Haut Débit porte sur la conception, l'évaluation de performances et l'optimisation de réseaux haut débit. Des travaux sur diverses nouvelles technologies de transport et de commutation, ainsi que sur de nouveaux services (ATM, IP commuté, Gigabit Ethernet, ADSL, liaisons satellites, routage, voix sur IP/ATM, etc.) sont en cours.



    Axes de recherche

    Dans le cadre de deux projets de recherche (EFRA et MIREHD) le groupe a déployé une plateforme ATM interconnectée (ATM de bout en bout) avec divers laboratoires de recherche de la région parisienne.

    Relations industrielles connexes

    Personnel

    D. Kofman (kofman@res.enst.fr)