Problématique de la QoS dans les réseaux IEEE 802.11, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

Généralité sur la qualité de service

Définition de la QoS

Plusieurs définitions ont été proposées pour le terme de la qualité de service dont les plus importantes sont :
 La Qualité de Service (QoS) est la capacité à véhiculer dans de bonnes conditions un type de trafic donné, en termes de disponibilité, débit, délais de transmission, taux de perte de paquets…
 La Qualité de Service est une notion subjective. Selon le type d’un service envisagé, elle pourra résider dans le débit (Un débit permet de mesurer le flux d’une quantité relative à une unité de temps au travers d’une surface quelconque.), le délai (pour les applications interactives ou la téléphonie), la disponibilité (accès à un service partagé) ou encore le taux de pertes de paquets (pertes sans influence de la voix ou de la vidéo (La vidéo regroupe l’ensemble des techniques, technologie, permettant l’enregistrement ainsi que la restitution d’images animées…).
 La Qualité de Service regroupe un ensemble de technologies mises en œuvre pour assurer des débits suffisants et constants sur les réseaux, y compris Internet.

But de la QoS 

Le but de la QoS est donc d’optimiser les ressources du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d’équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c’est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l’extrémité d’une connexion, qui peut être une intersection de plusieurs connexions (un ordinateur, un routeur, un concentrateur, un commutateur) et de garantir de bonnes performances aux applications critiques. La Qualité de Service sur les réseaux permet d’offrir aux utilisateurs des débits et des temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l’Univers n’est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent pour l’observateur qu’est l’homme. Si on considère l’Univers…) de réponse différenciés par application suivant les protocoles mis en œuvre au niveau de la couche réseau.
Elle permet ainsi aux fournisseurs de services (départements réseaux des entreprises, opérateurs…) de s’engager formellement auprès de leurs clients sur les caractéristiques de transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu’un, d’un lieu à un autre.) des données (Dans les technologies de l’information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d’une chose, d’une transaction d’affaire, d’un événement, etc.) applicatives sur leurs infrastructures IP.
Selon le type d’un service envisagé, la qualité pourra résider :
 Le débit (téléchargement ou diffusion vidéo).
 Le délai (pour les applications ou la téléphonie).
 La disponibilité (accès à un service partagé).
 Le taux de pertes de paquets.

Services de la QoS

La mise en place de la qualité de service nécessite en premier lieu la reconnaissance des différents services:
 La source et la destination du paquet.
 Le protocole utilisé (UDP/TCP/etc.).
 Les ports de source et de destination dans le cas TCP et UDP.
 La congestion des réseaux.
 La validité du routage (gestion des pannes dans un routage en cas de routes multiples par ex.)
 La bande passante consommée.
 Les temps de latence.

Critères de la QoS

Les principaux critères permettant d’apprécier la qualité de service sont les suivants :
 Débit (en anglais bandwidth): parfois appelé bande passante, il définit le volume maximal d’information (bits) par unité de temps (b/s).
 Perte de paquet (en anglais packet loss): elle correspond à la non-délivrance d’un paquet de données, la plupart du temps due à un encombrement du réseau.
 Gigue (en anglais jitter) : C’est un paramètre important pour les applications communicantes de type voix ou vidéo où la gigue doit être la plus faible possible. La gigue est due principalement aux délais de transferts variables dans les nœuds du réseau (swicthes et routeurs).
 Latence (en anglais delay) : elle caractérise le retard entre l’émission et la réception d’un paquet.

Degrés de la QoS 

Les trois principaux degrés de Qualité de Service (trois niveaux de services), du plus fiable au plus lâche, sont les suivants :

Le service garanti ou premium 

Il vise à émuler une liaison spécialisée : malgré un multiplexage des paquets sur le médium, le lien propose les mêmes garanties que s’il était basé sur une ligne indépendante. Des pertes de paquets ou une certaine gigue peuvent néanmoins être acceptées en fonction du contrat négocié. Au niveau technologies, le service garanti se retrouve avec le GS d’IntServ, l’EF de DiffServ et le CBR de l’ATM que nous détaillerons plus loin.

Le service Best-Effort 

Le protocole IP de base en est un exemple, ou encore UBR de l’ATM.

Qualité de service suivant le standard IEEE 802.11 

Pour assurer une qualité de service adéquate dans les réseaux sans fil le standards IEEE 802.11 à définit deux méthodes d’accès au canal:
• Distributed Coordination Function (DCF)
• Point Coordination Function (PCF)
Les deux méthodes sont bien illustrer dans le chapitre précédant.

Problématique de la QoS dans les réseaux IEEE 802.11

Le développement du réseau Internet et le grand nombre d’utilisateurs connectes a ce réseau imposent le recours a des supports de qualité de service. Dans cette perspective, plusieurs groupes de travail ont vu le jour pour les réseaux filaires. Les nouveaux besoins en termes de mobilité des utilisateurs et la croissance des réseaux permettant le nomadisme des utilisateurs ont fait migrer le problème vers la boucle locale sans fils, entre autres les réseaux IEEE 802.11. Actuellement, le marché des télécommunications des réseaux Hots-pot est relativement faible mais on s’attend à ce qu’il subisse une croissance accrue les prochaines années. Les fournisseurs d’accès a Internet commencent à mettre en place un large nombre de hots-pots 802.11 ou Wifi dans les divers lieux publics. Des applications multimédia telles que la voix sur IP ou la vidéo sur demande en plus des applications classiques seront de plus en plus utilisées dans ce type de réseaux. Ces applications multimédia nécessitent un niveau minimal de qualité de service en termes de bande passante, de délai, de gigue ou de taux de perte. D’autres types d’applications avec des contraintes plus aigues en termes de QoS commencent à émerger. Des applications du standard 802.11 en milieu industriel pour la commande et la supervision des systèmes ou en milieu médical pour la télémédecine imposent des exigences strictes en termes de QoS (délais + taux d’erreurs). La réponse à ces besoins accrus en QoS dans les hots-pots 802.11 est d’autant plus difficile a cause des caractéristiques spécifiques du medium sans fils. En effet, pour la couche physique DSSS permettant un débit au-delà de 11 Mbps, parmi 11 canaux possibles, seulement 3 ne se chevauchent pas. Ce medium présente alors un taux de perte assez élève à cause des interférences. En plus, les caractéristiques du support physique ne sont pas constantes et varient dans le temps et dans l’espace. Quand les utilisateurs bougent, les chemins de bout en bout changent et les utilisateurs se réassocient chaque fois a des nouveaux APs.
Ces utilisateurs doivent avoir la même QoS indépendamment de leurs associations et du chemin de bout en bout du trafic. Plusieurs travaux de recherche ont essaye d’évaluer les performances du standard IEEE802.11 quant a sa capacité de répondre aux besoins en termes de QoS des utilisateurs. Ces travaux ont investigue essentiellement les possibilités offertes par la sous couche MAC du standard pour garantir un niveau minimal de QoS pour les utilisateurs. Dans le même objectif, d’autres travaux ont adopte des modèles analytiques ou des approches par simulation. Plusieurs solutions ou approches pour l’amélioration du support de QoS par la couche MAC 802.11 ont été proposées.
Toutes ces insuffisances dans les modes de fonctionnement DCF et PCF du standard ont conduit à plusieurs activités de recherche pour améliorer les performances de la sous couche MAC 802.11.

Limites en termes de QoS du standard IEEE 802.11

Le contrôle d’accès au medium, le maintien de la QoS et la sécurité sont les fonctions les plus importantes de la sous couche MAC 802.11. Cependant plusieurs limitations se présentent quant au support de la qualité de service.

Limitations de la méthode d’accès de base DCF

Le protocole CSMA/CA utilisé avec cette méthode permet un accès Best Effort au canal. Les utilisateurs ne peuvent avoir aucune garantie de qualité de service minimale. Toutes les stations d’un même BSS concourent pour l’accès au canal et aux ressources du réseau avec les mêmes priorités. Aucun mécanisme de différenciation entre plusieurs types de flux n’est mis en place pour garantir la bande passante, le délai de bout en bout ou la gigue pour des trafics a hautes priorités tels que la voix sur IP ou la vidéo/visioconférence. Le taux des erreurs dues a la couche physique 802.11 est a peu prés trois fois plus grand que celui observe dans les réseaux locaux filaires. Le nombre important de collisions et de retransmissions implique des délais de transmission imprévisibles et une dégradation de la qualité de transmission des flux temps réel tels que pour la voix ou la vidéo.

Limitations de la méthode d’accès PCF

Spécialement conçue pour apporter un support de qualité de service en priorisant les applications temps réel par rapport aux autres, cette procédure d’accès avec scrutation souffre de plusieurs défaillances. Tout d’abord ce mode ne peut être utilisé qu’en alternance avec le mode d’accès DCF et ne peut jamais fonctionner a part entière. PCF présente tous les inconvénients d’une approche centralisée tel que l’effet d’une défaillance du point central. En plus, à faible charge, les stations voulant émettre en mode PCF subiront des délais très élevés.
Elles seront obligées d’attendre d’être scrutées avant d’émettre. De plus, le coordinateur (généralement confondu avec le point d’accès) doit systématiquement accéder au canal sans fil lors de la période DCF afin de débuter la période PCF suivante. Dans le mode PCF, il sera très difficile de répondre aux besoins d’un nombre important de trafics temps réel sans pénaliser les applications qui se dérouleront par la suite dans la période avec contention. Un autre problème de ce mode est l’impossibilité de prévoir la durée de transmission des stations sollicitées. Une station sollicitée par le point coordinateur peut transmettre un MSDU de taille maximale 2304 octets. Cependant, le standard n’empêche pas sa fragmentation en plusieurs MPDU. Ceci, en plus des débits de transmission dépendant de l’état du canal physique, conduit a une durée de transmission d’un MSDU non contrôlée par le point coordinateur ce qui induira des délais supplémentaires pour le reste des stations en mode PCF. Enfin le mode PCF est géré par un algorithme de scrutation Round-Robin à une seule classe. Il ne lui est donc pas possible de répondre aux besoins de QoS de plusieurs types de flux (voix, vidéo,…).

Les différentes solutions de QoS dans les réseaux IEEE 802.11

Depuis l’écriture du standard IEEE 802.11 a la fin des années 90, plusieurs propositions, issues de travaux de recherches et/ou d’initiatives de la part de constructeurs, ont vu le jour pour l’amélioration du support de qualité de service dans ces réseaux. Un groupe de travail spécifique à été forme au sein de l’IEEE dans l’objectif de normaliser des amendements de la qualité de service pour le protocole 802.11. La norme 802.11e a ainsi été élaborée. Elle reprend entre autres des techniques introduites dans divers travaux de recherche. Dans la suite de ce chapitre nous présentons tout d’abord la norme IEEE 802.11e puis nous présenterons plusieurs approches visant à améliorer la QoS dans les réseaux 802.11.

 Le nouveau standard IEEE 802.11 e

Pour supporter la qualité de service, le groupe de travail « e » du standard 802.11 définit des améliorations de la couche MAC de 802.11 en introduisant une fonction de coordination hybride HCF. Ce dernier définit deux mécanismes d’accès au canal (synonyme d’accès au medium dans 802.11e) : accès avec contention et accès contrôlé. La méthode d’accès avec contention est nommée EDCA. La deuxième méthode, offrant un accès contrôlé, est nommée HCCA. Les stations sans fils opérant sous 802.11e sont appelées stations améliorées. La station améliorée qui joue le rôle de contrôleur central au sein de la même cellule QBSS est appelée le point de coordination hybride (HC). Le point de coordination hybride est typiquement combine au point d’accès. Un QBSS est un BSS qui inclut un HC et des stations améliorées. Les paramètres QoS sont ajustes au cours du temps par le coordinateur hybride et sont annonces périodiquement a travers les trames balises. Plusieurs entités de Backoff (Backoff Entity) fonctionnent en parallèle dans une station améliorée. Une entité de Backoff est une file de transmission pour une classe de trafic bien déterminée avec des paramètres d’accès au canal spécifiques. Une station 802.11e ou plus précisément une entité de Backoff ne peut utiliser le canal que pour une durée limitée. L’intervalle de temps durant lequel la station a le droit d’émettre est appelé l’opportunité de transmission TXOP. TXOP est défini par un instant de début et une durée. Un intervalle TXOP obtenu suite à une contention au canal est appelé EDCA-TXOP. Quand cet intervalle est obtenu dans la période contrôlée par le HC, il est appelé HCCA-TXOP. La durée d’une EDCA-TXOP est limitée par la valeur du paramètre QBSS-limit-TXOP régulièrement distribuée par le point d’accès à travers les trames balises (beacon). Ce paramètre permet donc de contrôler la durée maximale d’une transmission en cours ce qui est important pour les délais d’accès et de transmission de l’ensemble des stations. L’utilisation de ce paramètre permet aussi d’assurer a un instant précis et sans retard, le démarrage de chaque période d’accès contrôlée par le HC.
Une autre amélioration est apportée par le nouveau standard : les stations améliorées sont maintenant autorisées à transmettre directement des trames a une autre entité du QBSS sans être obligées de passer par le point d’accès. Ce fait permet d’optimiser l’utilisation de la bande passante partagée entre les utilisateurs. Dans le standard 802.11, toutes les communications passaient obligatoirement par le point d’accès.
Figure 3.1 : Architecture de la norme 802.11e

HCF : une fonction d’accès au médium avec QoS

HCF est utilisée uniquement dans ce que le standard appelle un réseau QoS (c’est le réseau où le point d’accès met en place un HC). La modification IEEE 802.11e a introduit cette nouvelle méthode ainsi que d’autres mécanismes afin d’apporter certaines propriétés QoS au niveau de l’accès. HCF introduit des modifications à DCF et PCF ainsi qu’un certain nombre de mécanismes et de types de trames permettant la mise en place de transferts avec qualité de service pendant la CP et la CFP. HCF introduit la notion d’opportunité de transmission (TXOP) qu’une QoS-STA peut obtenir en utilisant l’une des méthodes d’accès d’HCF : la méthode d’accès avec contention EDCA ou la méthode d’accès par scrutation (HCF). L’obtention d’un TXOP peut permettre l’envoi d’une ou plusieurs trames. Si TXOP vaut 0, une seule trame donnée peut être envoyée par opportunité de transmission.
• La méthode d’accès EDCA
Il s’agit d’une amélioration du DCF qui ajoute un système de priorité pour la gestion de l’accès au support. Ce dernier se fait alors selon le niveau de priorité de la trame. Selon la définition du dernier draft de la norme 802.11e, la couche MAC au niveau d’une station est formée de quatre files de transmission dont chacune fonctionne comme une entité de Backoff en mode DCF. La structure de cette couche est illustrée par la figure 3.1.
La norme IEEE 802.11e a donc défini, au niveau MAC, quatre catégories d’accès : AC relatives aux applications traitées dans les couches supérieurs. Chaque catégorie de trafic constitue une file d’attente FIFO. Elles sont notées respectivement :
•AC_VO : pour les applications temps réels tel que la voix
•AC_VI : pour les applications vidéo
•AC_BE : pour le trafic « Best Effort »
•AC_BK : pour le trafic Background
Pour introduire la notion de différentiation entre les différentes AC, Chaque catégorie de trafic possède son propre DIFS, on parle donc de AIFS. Ces catégories de trafic, gèrent huit niveaux de priorités allant de 0 à 7 relatives à la norme 802.1D. Les correspondances entre ces priorités et les catégories d’accès sont récapitulées aussi au niveau de la figure 3.1. En outre, il est important de signaler que les tailles limites de la fenêtre de contention diffèrent selon la classe de trafic. On parle alors de CWMin [AC] et CWMax [AC].
Chaque AC détient son propre compteur de Backoff qui est désormais compris entre 1 et 1 + CW [AC].
Quand deux ACs finissent en même temps leur durée de Backoff, alors c’est le paquet de plus haute priorité qui sera transmis, les autres entités doivent augmenter leurs fenêtres de Backoff.