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Hibos - Sicard

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Introduction• Le problème– But: Eviter que le réseau n’achemine plus correctement les Le contrôle de congestion paquets à cause d’un embouteillagedans Internet– Dans le cas d’un embouteillage dans Internet, les routeurs et détruisent les paquets qu’ils ne peuvent plus mémoriser la gestion des qualités de – On peut retrouver les problèmes de congestion au niveau liaison de donnée. services– La résolution des collisions d’Ethernet est un contrôle de congestion Contrôle de congestion Contrôle de congestion© P. Sicard- Cours Réseaux 7 © P. Sicard- Cours Réseaux 7 1 2Introduction Un exemple de solution par prévention• Les paquets d’engorgement: une solution pour prévenir la Différentes politiques possibles: • congestion quand elle n’est pas loin1. Se débrouiller pour que ça n’arrive jamais (Autoroute sur-dimensionnée)– Chaque nœud surveille le pourcentage d’utilisation de ses lignes de sorties qui sert 2. Prévenir l’embouteillage par un contrôle des accèsà calculer une valeur à laquelle est associée un seuil3. Attendre l’embouteillage et résoudre le problème une fois qu’il est là– Dès que la valeur calculée est voisine du seuil le nœud envoie pour chaque paquet » Méthode:devant ressortir sur cette ligne un paquet d’engorgement à la source, en indiquant • Surveiller le système la destination du paquet • Envoyer des informations aux endroits où les décisions doivent être prise (péage des autoroutes) – Un bit est positionné dans le paquet de donnée ...

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Le contrôle de congestion dans Internet et la gestion des qualités de services

Contrôle de congestion 1

Introduction • Différentes politiques possibles: 1. Se débrouiller pour que ça n’arrive jamais (Autoroute sur-dimensionnée) 2. Prévenir l’embouteillage par un contrôle des accès 3. Attendre l’embouteillage et résoudre le problème une fois qu’il est là  Méthode: • Surveiller le système • Envoyer des informations aux endroits où les décisions doivent être prise (péage des autoroutes) • Ajuster le comportement du système pour corriger le problème (agents aux carrefours, interdire certains accès) • Le contrôle peut être effectué à différents niveaux

Introduction • Le problème – But: Eviter que le réseau n’achemine plus correctement les paquets à cause d’un embouteillage – Dans le cas d’un embouteillage dans Internet, les routeurs détruisent les paquets qu’ils ne peuvent plus mémoriser – On peut retrouver les problèmes de congestion au niveau liaison de donnée. – La résolution des collisions d’Ethernet est un contrôle de congestion

Contrôle de congestion 2

Un exemple de solution par prévention • Les paquets d’engorgement: une solution pour prévenir la congestion quand elle n’est pas loin – Chaque nœud surveille le pourcentage d’utilisation de ses lignes de sorties qui sert à calculer une valeur à laquelle est associée un seuil – Dès que la valeur calculée est voisine du seuil le nœud envoie pour chaque paquet devant ressortir sur cette ligne un paquet d’engorgement à la source, en indiquant la destination du paquet – Un bit est positionné dans le paquet de donnée avant émission pour que les noeuds suivants ne génèrent plus de paquets d’engorgement – Quand la source reçoit un paquet signalant un engorgement, elle réduit le pourcentage d’émission à destination de cette adresse destination

Contrôle de congestion au niveau liaison de donnée  Pas de noeud intermédiaire  Peut être nécessaire seulement pour les réseaux à diffusion  Algorithme de résolution des collisions d’Ethernet  Contrôle de congestion après coup  Ethernet envoie des que possible et s’arrête d’émettre au moment de la détection de la collision  Peu efﬁcace à forte charge (voir efﬁcacité d’Ethernet)  Dépend de la taille des paquets

Le contrôle de congestion au niveau réseau • Une couche réseau orientée connexion ou datagram • Connexion : Avantages: – Ouverture de la connexion:  réservation dans les routeurs de la mémoire nécessaire : • taille de la fenêtre = Nombre de paquet pouvant être émis sans acquittement  On évite la congestion  Possibilités de gestion de QoS  Décision de la route à suivre faite une seule fois Inconvénients (connexion):  Peu dynamique  Problème des reprises de pannes • Paquets déjà partis sur la route sont perdus • réouverture de connexion • reprise des pertes © P. Sicard- Cours Réseaux 7 de conge n 7 Contrôle stio

Contrôle de congestion au niveau liaison de donnée  Commutateurs Ethernet actuels:  Plus de collisions (full-duplex)  Le commutateur ne re-émet que vers la destination après mémorisation du paquet grâce à une table de commutation (obtenue grâce aux premiers paquets)  Possibilités de saturation de la mémoire du commutateur  Trames perdues -> reprise des pertes par la couche transport : l’efﬁcacité s’effondre  Paquets particulier dit de “PAUSE” vers la ou les machines source quand le commutateur arrive à saturation -> la carte arrête d’émettre pendant la durée donnée dans le paquet PAUSE  Fait aujourd’hui partie de la norme Ethernet

Contrôle de congestion 6

• “Datagram”: Avantages: – Chaque paquet indépendant – Routes différentes possibles – Dynamique (exemple RIP), possibilité de métrique dynamique (charge des routeurs) pour le choix des routes Inconvénients: – Déséquencement – Calcul des routes et consultation de la table de routage pour chaque paquet donc charge CPU des routeurs importante – Pas de réservation possible dans les routeurs pour une communication – Contrôle de congestion délicat

Rappels sur le fonctionnement des routeurs d’Internet . Un routeur mémorise chaque paquet reçu, analyse son entête et décide de la route avant de le re-émettre . Besoin de mémoire, le temps de traversée d’un routeur dépend de sa charge (nombre de paquets rentrant, nombre de paquets sortant) . Possibilité de saturation du routeur : ﬁles d’attente pleines . Destruction des paquets si les ﬁles d’attente sont pleines Routeur

Equipement terminal (sur LAN) Routeurs © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 9

La commutation dans un routeur – Un simple ordinateur peut être un routeur – Le processeur prend les paquets dans une ﬁle d’entrée quand la carte “réseau” lui signale une arrivée (par interruption) – Après traitement le processeur écrit dans une ﬁle de sortie d’une autre carte “réseau” – Dans les vrais routeurs (modernes), un processeur est associé à chaque port d’entrée et les traitements sont parallèlisés – Un processeur central assure le maintien de la table de routage et l’administration du routeur – La commutation peut ensuite se faire : – A l’aide d’une mémoire commune – A travers un bus partagé – A travers un réseau d’interconnexion (crossbar) © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 11

Principe de fonctionnement d’un routeur – Un routeur possède plusieurs ports d’entrée et de sorties – Chaque port dispose d’une mémoire (ﬁle d’attente) – Une matrice de commutation permet le passage d’un paquet se trouvant dans une ﬁle d’attente en entrée à une autre en sortie – La table de routage permet de décider de la commutation Mémoires (File d'attente) Port1 Entrée Port1 Sortie Port2 Entrée Matrice de Port2 Sortie commutation Port3 Entrée Port3 Sortie Table de routage © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 10

Traitement dans un routeur – Traitement “basique”: – Chaque ﬁle d’attente est examiné successivement – Si un paquet est présent en entrée, il est placé dans la ﬁle de sortie décidée par le routage – Les paquets sont émis dans leur ordre d’arrivée dans la ﬁle de sortie (FIFO) Mémoires (File d'attente) Po t1 Entrée Port1 Sortie r Port2 Entrée Matrice de Port2 Sortie commutation Port3 Entrée Port3 S tie or Table de routage © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 12

Perte des paquets dans un routeur Gestion FIFO – La plupart du temps: – le routeur arrive à traiter les paquets en entrée à leur rythme d’arrivée – Les ﬁles d’entrée contiennent toujours au maximum un paquet – Supposons 2 ﬂux entrant sur deux ports dirigés vers un seul port de même débit – La ﬁle de sortie peut se remplir très rapidement, les paquets sont supprimés au moment de la commutation quand la ﬁle de sortie est pleine (“drop tail”) Paquet supprimé Port1 Sortie Port1 Entrée Port2 Entrée Matrice de Port2 Sortie commutation rt3 Po Entrée Port3 Sortie Table de routage © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 13

Amélioration de l’équité dans un routeur – Traitement d’attente équitable : FQ (Fair Queueing) – Une ﬁle d’attente supplémentaire par ﬂux est mise en sortie – Un ordonnanceur prend de façon cyclique un paquet dans chacune de ces ﬁles – Le routeur partage de façon équitable les ﬂux entrants (équité en nombre de paquet) – En cas de saturation les ﬂux à gros débits auront plus de pertes Port1 Entrée Port Sorti Matrice de e commutati Port2 Entrée on

Ordonnanceur © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 15

Perte des paquets dans un routeur Gestion FIFO – On peut arriver à des situations où plusieurs paquets d’une ﬁle d’entrée seront supprimés pendant que les paquets de l’autre trouveront une place libre (émission de paquet non synchronisé) – Non équité entre différents ﬂux, surtout dans le cas de ﬂux de débits très différents – Les ﬂux à gros débits auront un pourcentage de perte beaucoup plus petit Paquet supprimé Port1 Entrée Port1 Sortie Port2 Entrée Matrice de Port2 Sortie commutation Po rt3 Entrée Port3 Sortie Table de routage © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 14

Amélioration de l’équité dans un routeur – Un ﬂux à gros paquet est privilégié en terme de débit – Il existe aussi des ordonnanceurs pour partager la ligne de sortie en terme de nombre d’octets (plus équitable en terme de débit)

Port1 Entrée Matrice de Port Sortie commutati Port2 Entrée on

Ordonnanceur

Traitement de la QoS dans un routeur – On peut décider d’autres critères pour la création des ﬁles d’attente sur un port de sortie: – Adresse IP source ou destination (Machine) – Port destination (Application) – Protocole de niveau supérieur – Marquage des paquets dans l’entête IP (voir plus loin “Diffserv”) – On peut donner des critères différents que “chacun son tour” (équité) à l’ordonnanceur pour privilégier certains ﬂux: – Déﬁnition de ﬂux pondérés: WFQ (Weighted Fair Queueing) – Intéressant pour privilégier par exemple une application “Temps réel”

Le WFQ (Weighted Fair Queueing) – Exemple: – Trois ﬂux: – F1:W1= 10, F2: W2= 20 et F3: W3= 60 – Les trois ﬂux sont présents, le débit de sortie est partagé ainsi: – 10% pour le ﬂux 1 – 30% pour le ﬂux 2 – 60% pour le ﬂux 3 – Le ﬂux 3 disparaît (plus de paquet en attente), le débit de sortie est partagé ainsi: – 10/40=25% pour le ﬂux 1 – 30/40=75% pour le ﬂux 2 © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 19

Le WFQ (Weighted Fair Queueing) – Chaque ﬁle d’attente Fi se voit attribuer un poids Wi – On veut partager entre plusieurs ﬂux d’entrée la bande passante de sortie (suivant les poids affectés aux ﬂux) – L’ordonnanceur “donne” une partie de la bande passante de sortie à chaque ﬁle égale à Wi sur la somme des poids des ﬁles ayant des paquets en attente – Pour chaque ﬁle à traiter le nombre d’octet à émettre (avant de passer à la ﬁle suivante) est calculé en fonction de ces poids – Ainsi si à un moment donné un ﬂux est seul à transiter, il peut utiliser 100 % de la bande passante

Solutions du contrôle de congestion dans Internet – Contrôle de congestion peu résolu dans les protocoles initiaux car non prévu au départ – Niveau Réseau: protocole IP: Mode Datagram – Techniques mise en place après coup et utilisé dans des Intranets car difﬁcile à mettre en oeuvre à grande échelle dans Internet • Groupes de travail de l ’IETF (Internet Engineering Task Force) • IntServ: intégration de service • DiffServ: différentiation de service

Réservation de ressources – IntServ (intégration de services) – Protocole RSVP ( Resource ReSerVation Protocol ) : – permet d’éviter la congestion et de garantir des QoS – Réservations de ressources (Mémoire) dans les routeurs par des messages particuliers de signalisation depuis la source – Modiﬁcation de QoS à la demande du (ou des) récepteur; c’est lui qui connaît la QoS dont il a besoin – QoS possible: garantie de débit minimal, latence – Complexe et coûteux; Ne tient pas à grande échelle

Différentiation de services – Fonctionnement – A la périphérie du réseau, les routeurs sont conﬁgurés pour classiﬁer (et marquer) les paquets entrants suivant différentes informations – L’adresse IP source ou destination – Le port destination – ... – Les routeurs à l’intérieur du réseau sont conﬁgurés pour traiter les paquets différemment suivant leur marquage (par exemple par WFQ) ﬂux 1 Paquets marqués ﬂux 1 Paquets marqués ﬂux 3 ﬂux 2 ﬂux 2 Routeur d'entrée: Routeur Interne: Marque et traite les Traite les paquets suivant paquets suivant leur marque critères © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 23

Différentiation de services – Ne permet pas le contrôle de congestion mais permet de garantir des QoS à certains ﬂux – Diffserv (différenciation de services): – Marquage dans l’entête IP – Au début – Champs Type de service (ToS): – Priorité sur 3 bits – 4 bits (délai, débit, ﬁabilité, coût) – AUJOURD’HUI: – Champs ToS remplacé par le champ DSCP (Differentiated Service Code Point) – 6 bits permettent de différentier les classes de service

Optimisation du travail des routeurs: Association connexion transport et route – Implémenté la plupart du temps aujourd’hui dans les routeurs et les machines hôtes:  Association de la route à l ’identiﬁcation de la connexion de niveau transport (UDP ou TCP) : @internet et Numéro port source , @internet et Numéro port destination.  Fait pour le premier paquet, pour les suivants économie de la consultation de la table de routage(sauf modiﬁcation dynamique de la table)  Arrêt de l’association par timer d’inactivité

Pour alléger le travail des routeurs: Fragmentation à la source • Possibilité de fragmentation dans les routeurs • Augmente beaucoup leur charge de calcul • Re-assemblage de toute façon seulement à l’arrivée (les fragments peuvent suivre des routes différentes) • Si un fragment se perd il faut tout re-émettre • Estimation du MTU(Maximum Transmission Unit) par la source: – grâce à l’émission d ’un paquet ICMP (comportant la taille max) par un routeur vers la source lorsque le paquet ne peut être fragmenté (ﬂag Don ’t fragment) – A la réception du paquet ICMP la source (TCP) change la valeur du MTU – Fonctionne bien si les routes sont stables © P. Sicard- Cours Réseaux Contrôle de congestion 25

La fenêtre de congestion • Contrôle de congestion ressemble à un contrôle de ﬂux dont l’entité réceptrice à ne pas saturer serait alors « le réseau  • Idée : rajouter au contrôle de ﬂux de TCP, une deuxième fenêtre dite fenêtre de congestion (appelé cwnd ) • Le nombre d’octets pouvant être émis sans attendre d’acquittement est le minimum entre la fenêtre de congestion et la fenêtre du contrôle de ﬂux ( win ) • Dans TCP il y a retransmission si • Un timer de retransmission sonne • Trois Acquittements identiques sont reçus (optimisation) © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 27

Contrôle de congestion au niveau transport • Parce que peu de chose sont faites au niveau IP , on limite « la casse  dans TCP • La couche transport ne voit que l’entité destinatrice, elle n’a pas de connaissance du chemin et des routeurs intermédiaires – On peut limiter les congestions en contrôlant le ﬂux de sortie sur le réseau chez l’émetteur – Dans Internet beaucoup du contrôle de congestion est fait dans TCP • Mauvaise solution car TCP n ’a pas connaissance du Réseau (routeurs sur le chemin) • Détection de congestion ? – La plupart du temps la ﬁabilité des lignes (niveau physique) est très grande et donc très peu de pertes de ce côté là – Perte: destruction par un des routeurs qui arrive à saturation – Donc une perte est signe de congestion © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 26

Rappel : les fenêtres à anticipation Fenêtre émetteur Dernier Octet Acq Dernier Octet Emis Octets acquittés Octets émis Octets pouvant être émis win cwnd Fenêtre récepteur Dernier Octet Acquitté Dernier Octet reçu (prochain attendu) Octets lus Octets reçus Octets Octets reçus Octets pouvant par l'appli acquittés non reçu non acquittés être reçus Dernier Octet lu Buffer réception win par l'appli © P. Sicard- Cours Réseaux 7 ion 28 Contrôle de congest

La fenêtre de congestion – Comment ﬁxer la taille de la fenêtre de congestion ? – Découvrir la bande passante disponible le plus rapidement possible – L’idée est de l’augmenter jusqu’à que l’on arrive à une perte qui signiﬁe la congestion – L’émetteur va alors diminuer la taille de la fenêtre pour diminuer son ﬂux d’émission – Comme on n’a aucune connaissance du réseau, l’idée est de démarrer d’une valeur très basse mais d’augmenter rapidement pour que l’efﬁcacité reste bonne si le réseau est performant

Exem le Slow start Emetteur 2 3 1 Ack 1 Récepteur RTT • Augmentation de la charge du réseau jusqu’à la congestion • En cas de perte, on repart avec une fenêtre à 1 MSS (Certaines versions récentes de TCP démarrent à 3 MSS) • Pour ne pas recommencer à arriver à une congestion, on déﬁnit un seuil appelé twnd au delà duquel la fenêtre est augmentée linéairement (phase d’évitement de collision): – cwnd= cwnd+1 tous les RTT © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 31

La fenêtre de congestion • Soit MSS la taille maximum des segments envoyés sur le réseau • Algorithme dit du démarrage lent ( slow start ) • cwnd= MSS, • A la réception d’un acquittement faire – cwnd= cwnd + MSS • Si un temporisateur de re-émission expire (perte donc congestion) – cwnd= MSS – Le fait d’augmenter d’un MSS à chaque acquittement revient à doubler la taille de la fenêtre tous les RTT (Temps aller-retour) – Le slow start commence très bas mais augmente exponentiellement

Algorithme Tahoe (1988) • cwnd= MSS, twnd= 64 Kbytes • A la réception d’un acquittement faire ! si cwnd < twnd (“slow start”) alors cwnd=cwnd + MSS ! sinon (“évitement de congestion”) cwnd= cwnd + MSS*MSS/cwnd • Si un temporisateur de re-émission expire (perte donc congestion) ! twnd = cwnd/2 ! cwnd= MSS – Le seuil est divisé par 2 en cas de congestion pour ne retourner en cas de congestion – Il y a cwnd/MSS ACK qui reviennent tous les RTT, donc au bout d’un RTT: – cwnd = cwnd + (MSS*MSS/cwnd)*cwnd/MSS = cwnd + MSS © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 32

Exemple Tahoe Taille cwnd en koctets Perte (timer) 30 20 Perte Perte Seuil atteint Slow start 10 Seuil atteint Seuil atteint Slow start Slow start Slow start Temps © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 33

Amélioration- TCP RENO (1990) • Idée: Différentier les pertes reconnues par timer et par acquittements dupliqués • En effet si des ACK dupliqués arrivent c’est que d’autres segments sont arrivés, la congestion n’est pas si dramatique • Dans TCP RENO, en cas de trois Acks identiques: • twnd=cwnd, cwnd= twnd/2 • On appelle cette phase : la récupération rapide (fast recovery) • Pendant cette phase à la réception d’un Ack dupliqué, on continue d’augmenter la fenêtre de 1, des paquets pourront donc continuer à être envoyés • A la réception d’un ack non dupliqué il faut remettre la taille de la fenêtre à la valeur du seuil (“évitement de congestion”) © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 35

• Phase d’évitement de congestion seuil atteint CWND/MSS acquittements Emetteur .... .... Récepteur cwnd=4+1 • Cas de perte (expiration de timer) perte de X Timer cwnd=MSS Emetteur YX .... X Ack X-1 Ack Y Récepteur © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 34

Exemple TCP RENO Taille fenêtre en koctets Perte (expiration de timer) Perte 30 (3 ACK identiques) Perte (3 ACK identiques) 20 Seuil atteint fast overy Slow start fast recovery rec 10 Slow start Temps © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 36

Exemp le de cap ture TCP RENO

Perte Evitement de congestion Seuil Slow start 0 50 100 150 200 Tem © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 37

Autres améliorations • D’autres versions du contrôle de congestion dans TCP existent – Vegas (1994) – New Reno 1999 (amélioration de Reno en cas de plusieurs pertes consécutives) • Une des plus novatrice, appelée Vegas consiste à ne plus attendre de perte pour ralentir son rythme d’émission – Pour cela elle se base sur l’évolution du RTT – Si le RTT augmente c’est que les ﬁles d’attentes dans les routeurs augmentent et que l’on s’approche de la congestion – On diminue alors la fenêtre jusqu’à que le RTT diminue • Acquittement sélectif (option TCP 1996) – TCP spéciﬁe les plages de numéro de séquence reçus

Ack non dupliqué win Fast recovery Evitement de Congestion

seuil RTT 3 Ack dupliqués: Réemission

Observation de ﬂux TCP • Le contrôle de congestion de TCP Reno et Tahoe aboutissent à des phénomènes d’oscillation (augmentations fortes puis diminutions fortes des ﬂux) • Dans le cas de plusieurs ﬂux TCP, on observe des débits très variables suivant les ﬂux • En effet en cas de saturation d’un routeur – De nombreux paquets peuvent être supprimés (congestion forte) – Une ﬂux peut être pénalisé plus qu’un autre Flux 1 "prend le dessus" cwnd

Le mécanisme RED (Random Early Detection) – L’idée est d’avertir les émetteurs que l’on approche d’une congestion avant qu’elle n’arrive – Une façon de ralentir le rythme des émetteurs est de supprimer de façon aléatoire des paquets arrivant si le taux de remplissage a atteint un seuil donné (les ﬂots à débits plus important ont plus de chance de perdre un paquet) – La probabilité de suppression dépend du remplissage du tampon – Deux seuils, tmin et tmax , soit taille le remplissage du buffer  si 0 " taille < tmin, le paquet passe  si tmin " taille < tmax, le paquet est rejeté avec une probabilité dépendante de taille de la ﬁle  si tmax " taille, le paquet est rejeté – Le mécanisme RED est implémenté aujourd’hui dans la plupart des routeurs © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 41

Evolution de cwnd • Sans RED (2 ﬂux TCP en concurrence) cwnd

• Avec RED

temps

temps Contrôle de congestion 43

Le RED et TCP • Grâce au RED on aboutit à – Un lissage des ﬂux, on évite vraiment les congestions – Une équité entre les ﬂux TCP, la suppression étant aléatoire, les paquets des ﬂux les plus importants ont plus de chance d’être détruits • Pour faire encore mieux, il faudrait mieux plutôt que de détruire des paquets, prévenir (sans détruire) les émetteurs des risques de congestion • Amélioration (1994, utilisé depuis 2001): mécanisme de notiﬁcation de congestion explicite : ECN (Explicit Congestion Notiﬁcation) © P. Sicard- Cours Réseaux 7 Contrôle de congestion 42

ECN : Explicit Congestion Notiﬁcation

• Au départ TCP spéciﬁe si il gère ECN (bit avant le drapeau Urgent (ECE : ECN Echo) • Les routeurs peuvent marquer dans l’entête IP les deux bits inutilisés du champ Diffserv d’IP – 00: non ECN – 01 ou 10 : ECN possible, paquet non marqué – 11: ECN possible , CE (Congestion Experienced), paquet marqué