Transport de Flux Temps Réels dans un Réseau IPMobile

La convergence des réseaux en un seul et unique réseau qui puisse servir tous types d’applications favorise l’émergence du protocole IP (Internet Protocol). Elle lui permet aussi de devenir de plus en plus l’élément fédérateur des réseaux de transport des données. En effet, la simplicité de sa gestion, de son déploiement et son caractère d’adaptabilité ainsi que le coût réduit de son infrastructure le rendent très facile à généraliser. De ce fait, les applications de la voix sur IP (VoIP Voice over IP), de la diffusion de télévision ou de la vidéo sur les réseaux en générale et sur Internet en particulier, ne cessent de croître. Par ailleurs, les nouvelles spécifications ETSI du réseau UMTS (Universal Mobile Telecommunication Service), qui devront être basées sur le protocole IP, ne vont qu’accentuer cette tendance.

Bien qu’initialement prévu pour un service sans aucune garantie, l’Internet actuel achemine des paquets de toutes sortes d’applications: des applications d’accès à un serveur (FTP, Mail, P2P, …), des applications interactives entre deux utilisateurs ou plus (Téléphonie, visiophonie, …) ou entre un utilisateur et un serveur (Web, télévision à la demande, accès à une base de donnée centralisée distante, …) … Cependant les marges des valeurs tolérées des délais entre l’émission et la réception des informations échangées, des variations de ce délai, noté gigue, et les taux de pertes des paquets reçus, sont très variables en fonction de l’application. Tout au long de cette thèse, nous engloberons ces différents aspects par l’acronyme QoS (Quality of Service). Les applications que nous désignerons par temps réel stricte (Téléphonie, visiophonie, …) nécessitent des délais réduits, de l’ordre des centaines de millisecondes, ainsi que des gigues faibles de l’ordre des dizaines de millisecondes. Par contre, grâce à la capacité de compréhension et d’interpolation des sens humains, ces applications peuvent tolérer des pertes d’informations allant jusqu’à quelques pourcents. Contrairement aux applications temps réels, les applications interactives (Consultation de pages Web, écoute de la musique en ligne, visualisation de télévision en ligne …) réclament des temps de réponses bornés mais pas réduits. Ils se chiffrent à quelques secondes. De plus, les buffers dans les terminaux d’extrémités permettent de combler aux variations des délais. Cependant, le taux d’erreur n’est pas apprécié: chaque paquet perdu engendrera des mécanismes de signalement d’erreur et de retransmission qui produiront des retards élevés voire même un arrêt de la transmission jusqu’à la réception de l’information manquante. Quant aux applications d’échange de fichiers ou de courriers électroniques, tous les administrateurs de réseau sont d’accord pour leur donner le reste des ressources disponibles et ainsi de ne leur garantir aucune QoS.

Poussée par plusieurs facteurs économiques, sociales, géographiques et politiques, la mobilité s’associe avec la disponibilité des personnes pour créer le nouveau profil de clients. C’est un des principaux éléments qui ont permis la croissance des réseaux mobiles de première et deuxième génération (GSM, DCS, …) à travers le monde. En associant d’autres services que la téléphonie aux terminaux mobiles, nous nous trouvons dans un réseau de donnée mobile. Nous pouvons citer par exemple les réseaux en cours de normalisation et de déploiement l’UMTS ou le cdma2000 qui répondent à ces critères. Par la composition en cellules, ces réseaux offrent de larges couvertures: à partir de petits villages isolés jusqu’aux grandes agglomérations métropolitaines. Avec la possibilité de handover, qui permet à un utilisateur de changer de cellule tout en restant connecté, ces réseaux offrent un service aux usagers comme s’ils étaient fixes. Par ailleurs, la limitation du débit maximal qui peut atteindre jusqu’à 6Mb/sec, ainsi que le coût de l’infrastructure pénalisent ces réseaux. Néanmoins, pour les points d’accès très fréquentés –hot spots, comme les aéroports, les gares, les centres de congrès, etc. … d’autres possibilités de connexions peuvent exister. Ce sont les réseaux WiFi (Wireless Fidelity) basés sur le protocole 802.11 de l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) qui peuvent jouer le rôle de réseaux haut débit sans fil. Bien qu’actuellement ce réseau ne puisse pas supporter ni le handover ni de garantir la QoS, les travaux des groupes de recherches de l’IEEE étudient les modifications à apporter pour combler ce manque. Les normes en cours d’élaboration 802.11f et 802.11e répondent respectivement à ces questions.

Comme nous venons de le présenter, dans le réseau Internet du futur transitera toute sorte d’informations voix, vidéo, Web, mail, FTP… provenant de plusieurs réseaux d’accès UMTS, GPRS, 802.11x, ISP, ADSL, satellite, LAN… Toutefois, les réseaux d’accès hétérogènes ont une influence primordiale sur les propriétés statistiques des paquets: les distributions du temps inter arrivée, de la taille des paquets… Or comme la QoS sera un composant important à garantir, il faudra assurer des performances strictes et mettre en place une gestion de bout en bout des flux. Dans le cadre des réseaux mobiles (GPRS, UMTS, IEEE 802.11x…), c’est l’accès radio sans fil qui présente le plus de contraintes vu l’aspect partagé et rare des ressources.

Le premier réseau paquet large bande à offrir une QoS à ces utilisateurs et à proposer plusieurs classes de services afin de traiter différemment les flux est l’ATM (Asynchronous Transfer Mode). Ce réseau à cellule commuté permet de créer des chemins –path, de bout en bout et ainsi servir les paquets de chaque flux en fonction de sa classe de service d’appartenance. Toutefois ce réseau présente quelques inconvénients dont, les plus fréquemment cités sont d’une part l’introduction d’un surplus d’entête de 5 octets toutes les 48 octets utiles formant la cellule ATM, et d’autre part, l’ajout d’un nouveau plan de contrôle et de gestion dans le réseau.

Une autre technique de gestion de la QoS qui sera introduite plus tard par l’IETF est IntServ (Integrated Services). Cette technique permet effectivement de traiter les flux des paquets en fonction de la demande de la source juste avant de démarrer l’envoi des paquets utiles. IntServ ne nécessite pas d’un nouveau plan de contrôle mais uniquement le développement d’une signalisation adéquate RSVP (Resource ReserVation Protocol). Cependant, ce schéma se heurte à un autre problème, celui du facteur d’échelle. Avec IntServ, chaque routeur dans le réseau doit garder l’état de chaque flux qui y transite jusqu’au moment où la liaison s’achève. En remarquant que plusieurs milliers de flux peuvent passer sur un routeur d’un cœur de réseau, nous réalisons immédiatement pourquoi une telle technique ne peut être utilisée dans le cœur des réseaux haut débit. A partir de ces différentes constatations, et en accord avec les différents partenaires du projet RNRT (Réseau National de Recherche en Télécommunications) Esquimaux (Estimation de la qualité de service d’une architecture Internet audio-visuel sur modélisation des flux) nous avons adopté le protocole MPLS (Multi Protocol Label Switching) et le mécanisme DiffServ (Differentiated Services) dans notre architecture de réseau étudié. MPLS a été conçu pour d’une part créer des chemins commutés dans le réseau IP et d’autre part pour pouvoir implémenter les avantages de ATM liés à l’ingénierie de trafic. DiffServ est un mécanisme de différentiation de classes au niveau de chaque routeur. Il résout le problème du facteur d’échelle de IntServ en définissant un nombre limité de comportement PHB (Per Hop Behaviour) au niveau de chaque nœud.