Amélioration de la mesure de la bande passante dans un réseau basé sur IP, Improvement of end-to-end bandwidth measurement in IP network paths

De
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Sous la direction de Francis Lepage
Thèse soutenue le 27 novembre 2007: Nancy 1
Les travaux menés dans cette thèse s’intéressent particulièrement à la mesure de la bande passante disponible qui est un paramètre très important pour le bon fonctionnement de plusieurs applications réseaux et dont la détermination avec précision reste jusqu’à aujourd’hui un défi à relever. Ces travaux visent donc à améliorer les techniques de mesure de ce paramètre en proposant un nouveau modèle déterministe basé sur la technique de la paire de paquets. Ce dernier est implémenté dans un nouvel outil de mesure appelé IGMPS. Les test expérimentaux visant à évaluer les performances de cette outil ont montré que ce dernier permet de mesurer la bande passante disponible avec une très grande précision qui dépasse largement celle offerte par les autres outils existants. Par ailleurs, une analyse de sensibilité et un calcul d’incertitudes sur les modèles étudiés ont montré que les erreurs dues à l’estampillage des paquets sondes au niveau de l’émetteur et du récepteur sont principalement à l’origine de l’imprécision des mesures fournies par les différents outils de mesure de la bande passante disponible.
-Bande passante disponible
This thesis work is focused on the end-to-end available bandwidth measurement that has attracted extensive attentions this last decade. This parameter is useful for several network applications, however, its measurement with good accuracy still stays a challenge to take up. To improve the performance of the available bandwidth measurement techniques, we developed a new deterministic model of packet pair delays that takes into account the probing packet size parameter; and implemented it in a new measurement tool called IGMPS. Through measurements on several network testbed configurations, we evaluated IGMPS and found that it provides available bandwidth measurements with high accuracy. Using sensitivity and uncertainty analysis to study the proposed model, we investigated the sources of observed errors on the measurement tools. We found that these errors are likely to be inherent in delay measurement. Indeed, the timestamping operations at the sender end the receiver are mainly at the origin of the inaccuracy of the estimates provided by the available bandwidth measurement tools.
Source: http://www.theses.fr/2007NAN10088/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm ´Ecole doctorale IAEM Lorraine Centre de Recherche en
D´epartement de formation doctorale en Automatique Automatique de Nancy
UFR STMIA
Am´elioration de la Mesure de la Bande
Passante dans un R´eseau Bas´e sur IP
`THESE
Soutenance publique : le 27 Novembre 2007
pour l’obtention du
Doctorat de l’universit´e Henri Poincar´e – Nancy 1
(sp´ecialit´e Automatique, Traitement du signal et G´enie informatique)
par
Ahmed AIT ALI
Composition du jury
Rapporteurs : M. Philippe Owezarski Charg´e de recherche (HDR) CNRS au LAAS, Toulouse
Mme V´eronique V`eque Professeur a` l’Universit´e Paris-Sud, Orsay
Examinateurs : M. Olivier Festor Directeur de recherche INRIA au LORIA, Nancy
M. Bernard Thirion Professeur `a l’Universit´e de Haute Alsace, Mulhouse
M. Francis Lepage Professeur a` l’Universit´e Henri Poincar´e, Nancy 1
M. Thierry Divoux Professeur a` l’Universit´e Poincar´e, Nancy 1
Nancy Universit´e, Centre de Recherche en Automatique de Nancy — CNRS — UMR 7039
Facult´e des Sciences et Techniques, B.P 239 Vandoeuvre L`es NancyMis en page avec la classe thloria.`A ma grand-m`ere.
iiiTable des mati`eres
Introduction g´en´erale
Introduction
´Partie I Etat de l’art
Chapitre 1
M´etrologie R´eseaux : Outils et Techniques
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 La qualit´e de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Les m´etriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Les m´etriques IETF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 La mesure des m´etriques de la QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Les mesures passives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Les mesures actives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Les projets et plates-formes de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1 Le projet NIMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
iiiTable des mati`eres
1.5.2 Le projet RIPE Test Traffic Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.3 Le projet MINC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.4 Le projet Netsizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Les projets de m´etrologie en France . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.1 Le projet SATURNE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.2 Le projet METROPOLIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7 Techniques et outils de mesure des param`etres QoS . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.1 D´elai unidirectionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.2 D´elai aller-retour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.7.3 Variation du d´elai (gigue) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.7.4 Pertes de paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.8 OWAMP (One-Way Active Measurement Protocol) . . . . . . . . . . . . . . 33
1.9 La bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.9.1 La capacit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.9.2 La bande passante disponible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Partie II Contributions
Chapitre 2
Analyseet´etudecomparativedestechniquesetoutilsdemesuredelabande
passante disponible
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Outils de mesure de la bande passante disponible. . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.1 L’outil Spruce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.2 L’outil Pathload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.3 L’outil Pathchirp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.4 L’outil IGI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
´2.3 Evaluation de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.1 M´ethodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.2 Les r´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
iv2.3.3 La pr´ecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.4 L’intrusivit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.5 Le temps de r´eponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.6 Compatibilit´e des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3.7 R´ep´etabilit´e des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Chapitre 3
Un nouveau mod`ele d´eterministe pour la mesure de la bande passante dis-
ponible
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2 Mod´elisation de la bande passante disponible . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 IGMPS un nouvel outil de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 Architecture d’un outil de mesure de la bande passante disponible . . 81
3.3.2 Impl´ementation de l’outil IGMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4 Validation et ´evaluation de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.1 M´ethodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.2 Les r´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.3 Am´elioration de la pr´ecision d’IGMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.4 Intrusivit´e et temps de r´eponse d’IGMPS . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.5 Les param`etres de performance d’IGMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.1 La taille des paquets sondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.5.2 Nombre de paires d’une s´equence de mesure . . . . . . . . . . . . . . 101
3.6 Comparaison entre IGMPS et Spruce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7 Les limites de l’outil IGMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Chapitre 4
Mod´elisation stochastique de la technique de la paire de paquets
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 La file M/D/1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3 Concepts th´eoriques de la file M/D/1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.1 Nombre moyen de paquets dans la file M/D/1 . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.2 Temps d’attente moyen virtuel dans la file M/D/1 . . . . . . . . . . . 114
4.4 Le mod`ele M/D/1 des dispersions finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
´4.5 Evaluation du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.5.1 M´ethodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
vTable des mati`eres
4.5.2 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.6 Effet de la taille des paquets du trafic concurrent . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Chapitre 5
Analysedesensibilit´eappliqu´ee`alamesuredelabandepassantedisponible
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Analyse de sensibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3 Objectifs de l’analyse de sensibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4 Les m´ethodes de l’analyse de sensibilit´e globale . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.1 La m´ethode de Sobol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4.2 La m´ethode FAST (Fourier Amplitude Sensitivity Test) . . . . . . . . 137
5.5 L’analyse de sensibilit´e appliqu´ee a` la mesure de la bande passante disponible 139
5.5.1 Le mod`ele de mesure de la bande passante disponible . . . . . . . . . 139
5.5.2 L’outil Simlab pour l’analyse de sensibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.3 Choix de la m´ethode de l’analyse de sensibilit´e . . . . . . . . . . . . . 143
5.5.4 M´ethodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.5.5 Les distributions des param`etres d’entr´ee du mod`ele . . . . . . . . . . 145
5.5.6 Les r´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.6 Analyse des erreurs et des incertitudes de mesures . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.6.1 Incertitudes `a l’envoi des paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.6.2 Incertitudes `a la r´eception des paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.6.3 Incertitude r´esultant de l’estimation de la capacit´e du lien bottleneck 156
5.6.4 Incertitudes dues a` la corr´elation des paquets . . . . . . . . . . . . . . 157
5.7 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Conclusion et perspectives
Conclusion
Perspectives
viAnnexe
Annexe A
La m´etrologie et notions associ´ees
A.1 D´efinition de la m´etrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
A.2 Quelques d´efinitions associ´ees a` la m´etrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
A.2.1 La justesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
A.2.2 La fid´elit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
A.2.3 La pr´ecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.3 Quelques outils de mesure et leurs caract´eristiques . . . . . . . . . . . . . . . 174
Bibliographie 177
vii

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