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@IRS 1998-2001

Architecture Intégrée de Réseaux et Services

Friday 31 July 1998

Nous avons participé au projet @IRS : Architecture Intégrée de Réseaux et Services soutenu à la fois par le RNRT (Réseau National de Recherches en Télécommunications) et le Programme Télécommunication du CNRS. C’était un projet important d’un coût global d’environ 20MF. Le projet @IRS avait pour objectif de développer et d’expérimenter les protocoles Internet de Nouvelle Génération ainsi que les fonctions associées qui permettront, d’une part, d’offrir aux usagers des services adaptés à leurs besoins quel que soit le point d’accès (fixe ou mobile) et, d’autre part, de tirer partie d’une infrastructure de télécommunication de plus en plus performante et hétérogène (ATM, satellite, réseaux sans fil, réseaux locaux).

Le projet @IRS a ciblé plus particulièrement les mécanismes de gestion de la qualité de service et de la mobilité associés au protocole IPv6, nouvelle génération du protocole IP. La plate-forme mise en place durant le projet a permis d’évaluer les solutions retenues dans le contexte d’emploi d’applications nouvelles temps-réel, multimédia et interactives. Notre contribution a porté sur les problèmes de gestion de ressources dans des réseaux sans fil pour assurer un niveau de qualité de service requis ainsi que sur des mécanismes de mobilité des stations.

Nous avons défini une architecture de QoS couplée avec la gestion de la mobilité à l’échelle d’un ensemble des cellules 802.11. Nous avons conçu un schéma de micro-mobilité au niveau IPv6 avec des handoffs rapides entre cellules adjacentes. La qualité de service est gérée à deux niveaux : la gestion intra-cellule, et la gestion inter-cellules. Le premier niveau est effectué par le routeur d’accès qui gère les changements rapides des conditions locales. Les hôtes mobiles informent le routeur d’accès de la bande passante dont ils ont besoin et le routeur configure leurs paramètres de QoS. Le second niveau concerne un ensemble de cellules connectées à un routeur de bordure. Cette gestion globale est effectuée par le routeur de bordure qui fixe des politiques à long terme pour les routeurs d’accès.

Composition du groupe

Responsable scientifique :
- Andrzej Duda, professeur INPG

Permanents :
- Gilles Berger Sabbatel, Chargé de recherches CNRS
- Franck Rousseau, maître de conférences INPG

Doctorants :
- José Antonio Garcia Macias
- Leyla Toumi

Problématique

La participation du LSR dans le projet AIRS porte principalement sur les problèmes de la Qualité de Service et de la mobilité dans le cadre des réseaux sans-fil sous IPv6. Il s’agit en particulier d’évaluer l’aptitude des réseaux sans-fil à supporter la qualité de service, et de proposer, expérimenter et évaluer les mécanismes permettant de l’améliorer pour des stations nomades reliées au réseau sans-fil.

Les réseaux sans-fil sont basés sur un ensemble de dispositifs, appelés stations de base, assurant le relais des transmissions entre une infrastructure de communication fixe et les mobiles. La zone de couverture d’une station de base constitue une cellule. Les réseaux sans-fil vont donc poser un certain nombre de problèmes spécifiques :
- Il est difficile de garantir la disponibilité des ressources sur un canal hertzien dont la méthode d’accès n’autorise pas forcément un contrôle suffisamment fin des flots de données. En particulier, le contrôle des flots de données émanant des stations mobiles ne peut être effectué que sur celles-ci, de manière répartie. On peut par contre envisager un contrôle plus précis pour les flots de données à destination des mobiles.
- La bande passante effectivement disponible sur les mobiles peut fluctuer en fonction des déplacements de la station, mais aussi en fonction du trafic supporté par la cellule en cours du fait des autres mobiles.
- Les déplacements d’une station mobile peuvent amener celle-ci à sortir du domaine de couverture d’une cellule. La station devra donc s’enregistrer sur une autre cellule, et le routage devra être modifié en conséquence. Ceci se fera éventuellement en cours de communication, en perturbant aussi peu que possible les transmissions en cours et la qualité de service, que ce soit en termes de fiabilité (pas de pertes de données du fait du changement de cellule), en termes de délai (le changement de cellule ne doit pas entraîner de délai dépassant le délai maximum acceptable par l’application), ou en termes de bande passante (la bande passante requise par l’application doit rester disponible sur la nouvelle cellule).

Nous avons choisi de restreindre notre étude aux réseaux locaux sans-fil : les seuls réseaux à plus grande distance utilisables actuellement sont les réseaux de téléphonie sans-fil, dont le faible débit (9,6 Kbit/s) limite sérieusement les possibilités d’utilisation pour la transmission de données, et sur lesquels le réseau sans-fil se présente comme une boîte noire à l’intérieur de laquelle aucun contrôle n’est possible.

Technologie de transmission

Les technologies disponibles pour les réseaux locaux sans-fil sont essentiellement IEEE 802.11 et Wireless ATM. IEEE 802.11 est à l’heure actuelle la technologie la plus mûre et la plus répandue, et parmis ses implémentations, nous avons retenu WaveLan de Lucent.

Wavelan transmet dans la bande des 2.4 GHz, avec la technique DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Le partage du canal utilise la technique CSMA/CA ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Wavelan permet un débit de 2 Mbit/s pouvant être ramené à 1 Mbit/s si la qualité de transmission se dégrade (diminution du rapport signal/bruit). Les cartes WaveLan Turbo permettent en fait d’atteindre un débit de 6 Mbit/s - mais ceci ne rentre actuellement pas dans le standard IEEE 802.11. La portée de WaveLan peut atteindre 300m en espace extérieur, mais elle est limitée à moins d’une vingtaine de mettres en espace intérieur cloisonné.

WaveLan permet deux type d’utilisation : des réseaux ad’hoc, où les mobiles communiquent directement entre eux, et ne sont pas nécessairement reliés à une infrastructure de communication fixe, et les réseaux d’infrastructure. Dans ce dernier cas, les mobiles communiquent entre eux par le biais de stations de base appelées WavePoint, reliées par ailleurs à un réseau Ethernet traditionnel avce lequel elles font office de pont. Les cellules reliées à un même réseau Ethernet sont en fait vues comme appartenant au même réseau au niveau IP.

Les interfaces des stations mobiles évaluent en permanence le rapport signal-bruit de la transmission reçue de la station de base à laquelle ils sont connectés. Lorsque ce rapport descend en dessous d’un certain seuil, l’interface passe dans un mode de fonctionnement dans lequel il va rechercher d’autres stations de base offrant une meilleure qualité de transmission. Lorsque un nouveau seuil est atteint, le changement de cellule est déclenché : le mobile est enregistré sur une nouvelle station de base, et les transmissions sont effectuées par l’intermédiaire de celle-ci. On appelle handoff ce mécanisme. Dans le cas général, les mobiles restent dans le même réseau IP, et donc il n’y a pas de mobilité au niveau IP.

Qualité de service

Deux approches sont proposées par l’IETF pour la qualité de service : les services intégrés (Intserv) et les services différenciés (Diffserv). Les deux approches ont leurs limites : les services intégrés sont basés sur un protocole de signalisation, RSVP, qui est considéré comme non scalable, et donc peu adapté aux réseaux à grande échelle. Les services différentiés cherchent à contourner la difficulté en ramenant le problème à une gestion de classes de trafic avec des priorités différentes, associée à un polissage des sources, permettant d’améliorer la qualité de service. Cependant, il semle difficile de caractériser la qualité de service obtenue et de garantir que, pour une configuration du réseau donnée, elle corresponde bien à ce que les applications demandent. Ces difficultés font donc que le domaine de recherche est toujours ouvert, que les travaux sur les services intégrés et les services différentiés se poursuivent, et que de nouvelles approches continuent d’être proposées. Nous nous proposons donc d’évaluer quelques unes des approches proposées.

Dans le cas des réseaux locaux sans-fil, on se trouve face à plusieurs difficultés : un niveau Mac n’offrant pas de notion de priorité dans sont état actuel, des hôtes pouvant se déplacer, et même une bande passante disponible sur le canal pouvant fluctuer en fonction du niveau de bruit électromagnétique ambiant. En pratique toutefois, avec un réseau convenablement dimentionné, il est possible de s’assurer de la disponibilité d’une bande passante minimale.

Dans le cadre de @IRS, on se propose d’utiliser les mécanismes proposés au niveau IP pour l’implémentation de la qualité de service. Ceci implique de pouvoir contrôler l’admission des mobiles dans les différentes cellules. Les cellules seront donc gérées par l’intermédiaire d’un routeur en contrôlant l’accès et permettant l’implémentation de priorités dans l’acheminement du trafic. Par ailleurs, les piles IP des hôtes mobiles devront intégrer des dispositifs de polissage des sources (token-bucket). Ceci introduit une difficulté supplémentaire dans l’implémentation du handoff, puisque celui-ci peut alors entraîner un changement de réseau, et donc nécessiter des interventions au niveau du routage. Nous nous proposons de rechercher des mécanismes adaptés au cas d’une mobilité locale à une même entité administrative (sous-réseaux au sein d’un même réseau local), permettant une implémentation du handoff plus efficace que les mécanismes proposés par mobile-IP. En particulier, on cherchera à limiter le délai induit par le handoff et le risque de pertes de données.

Choix de l’architecture

Dans l’architecture que nous avons retenue, le réseau sans-fil est relié au reste du réseau expérimental par un routeur de bordure. Celui-ci remplit les fonctions suivantes :
- Fonctions de base : classification/marquage, polissage, contrôle d’admission,
- Fonctions spécifiques : gestion des ressources, hand-over.

Trois approches sont possibles pour l’ajout des fonctions de qualité de service :
- Ajout au niveau MAC par modification du point d’accès : il s’agirait de modifier l’implémentation du hand-over en recourant à une fonction de gestion de ressources fournie par le routeur de bordure. La possibilité d’une telle modification semble assez réduite, en dehors d’une collaboration étroite avec le fournisseur du matériel. La norme IEE 802.11 n’apporte aucun support de la qualité de service. Cependant, des propositions dans ce sens ont été faites par Lucent.
- Ajout au niveau MAC par conception d’un point d’accès Ad-Hoc. Il s’agit ici d’exploiter les possibilités de communication directe de station à station offertes par le réseau (réseaux ad hoc). Il faut alors réécrire les fonctionalités du pont (Ethernet - WaveLan) et de gestion des cellules, en y incorporant les fonctions de qualité de service.
- Ajout au niveau IP : dans cette approche, le point d’accès Wavelan est relié à un PC routeur par le biais d’un segment Ethernet dédié. Cette solution présente l’inconvénient d’une plus grande complexité matérielle et de devoir gérer un sous réseau IP pour chaque cellule Wavelan, et de traiter le hand-over au niveau IP. Mais elle permet aussi de faire remonter le traitement de la qualité de service au niveau IP, en profitant des mécanismes disponibles à ce niveau, et de manière indépendante de la couche MAC. Enfin, elle évite de dépendre trop étroitement des fonctionalités offertes par le matériel et des informations disponibles sur celles-ci.

La gestion des ressources peut être assurées de la manière suivante :
- utilisation de fonctions de Bandwidth-Broker assurées par le routeur de bordure : réservation d’une partie des ressources (débit) pour une classe de service.
- le gestionnaire de cellule (routeur-point d’accès) assure la limitation du nombre de mobiles d’une classe par cellule, et permet de réserver des cellules (recouvrantes) à certaines classes de service. Il assure une fonction de token-bucket, sous le contrôle du routeur de bordure.

Plate-forme expérimentale

La plate-forme expérimentale prévue se compose des éléments suivants :
- Un PC routeur assurant l’interconnexion avec Renater-2 en ATM et les fonctions du routeur de bordure. Le routeur disposera d’un VP avec le routeur de coeur situé à INRIA Sophia Antipolis.
- Deux stations de base WaveLan assurant la communication avec les mobiles, reliées au PC routeur par un réseau Ethernet.
- Plusieurs postes mobiles (au moins deux PC portables).

Plusieurs options sont envisageables en ce qui concerne les stations de base :
- Utilisation de stations de base fournies par le constructeur (Wavepoint), directement connectées au réseau Ethernet : cette solution ne permet aucun contrôle sur l’utilisation des ressources, et le hand-over est traité au niveau MAC.
- Utilisation de PC fixes munis de cartes WaveLan : cette solution nécessite de reprogrammer l’ensemble des fonctions des Wavepoint. C’est la solution qui offre le plus large éventail de possibilités, au prix d’un travail d’implémentation conséquent, sans que l’on puisse être assuré à priori de disposer de toutes les informations nécessaires de la part du fournisseur des cartes.
- Utilisation de Wavepoint connectés à un PC routeur par un segment Ethernet dédié. Cette solution présente un coût matériel supérieur, mais elle permet de disposer d’un meilleur contrôle sur les flux de données, en particulier au niveau IP, sans avoir à intervenir sur les couches basses de la communication.


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