Architecture de communication pour les applications multimedia interactives dans les reseaux sans fil”








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date de publication24.10.2016
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PUPN, 060a (2014), E. UMBA MOMBO


ARCHITECTURE DE COMMUNICATION POUR LES APPLICATIONS MULTIMEDIA INTERACTIVES DANS LES RESEAUX SANS FIL”
Edouard UMBA MOMBO*
Résume
La présente étude  s’inscrit  dans  le  contexte  des  réseaux  sans  fil et des réseaux  d'accès  par Satellite  en  particulier.  Ces  derniers  présentent certains inconvénients lorsqu'il  s'agit  de  déployer  des applications  multimédia interactives  qui requièrent  un délai de  bout  en  bout  aussi  faible  que  possible et plus  généralement exigent  une meilleure Qds (Qualité  de  Service) du  système de  communication. Nous proposons l'utilisation des informations de signalisation de session des applications multimédia basées sur le protocole de session SIP afin d'ajuster le paramétrage du système de communication selon une approche « crosslayer » qui permet alors d'améliorer de façon significative la réactivité du système. Afin de faciliter l'intégration et l'implémentation des solutions proposées dans un système de communication réel, un mécanisme de communication intercouches d’optimisation est proposé et développé. Les solutions proposées sont évaluées dans des environnements sans fil émulés et réels.
Abstract
The present survey writes down themselves in particular in the context of the cordless networks and networks of access by Satellite. These last present some inconveniences when it is about opening out the interactive applications multimedia that required a delay of tip in as weak tip that possible and require a better quality of Service QdS of the communication system generally. We propose to use information of signaling of applications multimedia session based on the protocol of SIP session in order to adjust the parametrizing of the communication system according to an approach "cross-layer" that permits to improve of meaningful way the reactivity of the system then. In order to facilitate the integration and the implementation of solutions proposed in a real communication system, a mechanism of optimization communication between levels is proposed and is developed. The proposed solutions are valued in environments cordless emulated and real.
1. INTRODUCTION
Les applications multimédia interactives fournissent des environnements de communication très complets pouvant être utilisés dans le cadre du travail collaboratif synchrone ou encore dans un contexte ludique et familial. Cela va de la communication audio et vidéo jusqu’aux applications partagées, en passant par les tableaux blancs. Ces applications, par leur aspect interactif, requièrent un service de qualité du système de communication sous‐jacent afin de fonctionner correctement. Au niveau réseau, ce service, variable selon les applications, s’exprime par exemple en termes de garanties sur le délai de bout en bout, le débit de transmission ou encore le taux de perte d’information.
Jusque là, les applications multimédia ont été largement déployées et supportées sur les infrastructures filaires telles que la fibre optique comme lien en cœur de réseau, ou encore la technologie xDSL (Digital Subscriber Line) pour la distribution finale.
De nos jours, de nouvelles technologies réseau ont fait leur apparition. Il s’agit en particulier de la technologie « sans fil » qui permet un déploiement facile et rapide d’infrastructures réseau sur des sites géographiques non accessibles à la technologie filaire (xDSL). Ces technologies réseau sans fil d’accès sont complémentaires par leur portée : on retrouve le Wifi à l’échelle LAN (Local Area Network ou réseau local), le Wimax à l’échelle MAN (Metropolitan Area Network ou réseau métropolitain) et les réseaux d’accès Satellite à l’échelle WAN (Wide Area Network ou réseau étendu).
Cependant ces technologies réseau sans fil souffrent de certains points faibles. Par exemple, dans les systèmes satellite, les ressources radio sont à la fois limitées et coûteuses. De plus le délai de transmission est relativement long. Une utilisation optimale et efficace du système de communication est alors nécessaire pour assurer la diffusion des services satellite au grand public.
En déployant les applications multimédia interactives sur de tels réseaux, de nombreux problèmes apparaissent. Dans cette publication, nous adressons plus particulièrement ceux concernant l’interopérabilité des couches de communication. Bien que non exhaustifs, ces problèmes constituent une première barrière au déploiement des applications multimédia interactives sur les réseaux sans fil.
Problématique
L’interconnexion des réseaux à technologie sans fil avec le reste du réseau de communication Internet nécessite l’utilisation des protocoles actuellement déployés sur Internet (pile TCP ou IP). L’ensemble de ces protocoles, tout comme le modèle de référence ISO ou OSI sont basés sur le paradigme de conception en couche : chaque couche est chargée de fournir un ou plusieurs services spécifiques à la couche située au dessus. Les communications s’effectuent uniquement et directement entre couche adjacente.
Il y a plusieurs avantages à cette approche : la modularité, la robustesse et la conception sont facilement réalisées :


  • Sachant qu’une couche doit remplir certaines fonctions, l'effort de conception est uniquement concentré sur ces fonctions sans se préoccuper des couches supérieures ou inférieures. Seules les interfaces nécessitent d’être définies de sorte que les services fournis par cette couche puissent être accessibles par les autres couches.




  • La modularité fournie par les couches permet une combinaison arbitraire des protocoles. D'un point de vue architectural, cette modularité améliore également la maintenance lorsqu'une nouvelle version d'un protocole est à insérer sans avoir à changer le reste de la pile réseau.


Cependant, dans les environnements à technologie sans fil, mobiles et satellite, les propriétés des différentes couches ont des interdépendances substantielles. Une conception modularisée peut donc être sous‐optimale quant à l'exécution et à la disponibilité dans les réseaux sans fil. En effet, les modes de transmission et les modèles de trafic pour ces technologies sans fil sont très différents de ceux des réseaux filaires.
Ainsi, afin de répondre aux exigences strictes de Qualité de Service des utilisateurs et des applications multimédia interactives, le système de communication doit pouvoir s'adapter dynamiquement aux situations du trafic et aux conditions réseau. Ce besoin ne peut être adressé par l'architecture réseau protocolaire traditionnelle.
Comment satisfaire les besoins des applications multimédia du point de vue utilisateur sur des réseaux à technologie « sans fil » tel que le satellite, et ceci, sans gaspiller les ressources disponibles du point de vue opérateur réseau ? Telle est la problématique de cette publication. Elle peut être présentée sous forme de deux objectifs à atteindre:


  • Fournir un service de qualité aux utilisateurs d'applications multimédia interactives (VoIP, visio‐conférence) : ces utilisateurs ne se soucient guère de la gestion des ressources du réseau, mais attendent plutôt un service correct;




  • Optimiser l'utilisation des ressources radio du système de communication, en particulier dans un environnement réseau satellite: ces ressources étant à la fois limitées et onéreuses.


2. MATERIELS ET METHODES


  1. Garantie de Qualité de Service dans les systèmes de communication


Dans les environnements sans fil mobiles et satellite, les propriétés des différentes couches ont des interdépendances substantielles. Les canaux de transmission et les modèles de trafic sont bien plus imprévisibles que dans des réseaux filaires. Afin de répondre aux exigences strictes de Qualité de Service des utilisateurs et des applications multimédia dans un système satellite DVB‐S2/RCS, le système de communication ainsi que les mécanismes QdS, doivent pouvoir s'adapter dynamiquement et globalement aux situations de changement de profil de trafic et de conditions réseaux.


  • Les systèmes stricts de protocoles en couches permettent aux concepteurs de pouvoir facilement optimiser une couche sans avoir à faire face à la complexité et à l’expertise associée en considérant les autres couches.

  • Les solutions par adaptation et coopération cross‐layer cherchent à augmenter les performances globales des communications de bout en bout du système pour répondre aux besoins QdS des utilisateurs.


L’approche  de  conception  a  donc  évolué  du  point  de  vue  du  concepteur, vers  le  point de  vue de  l’utilisateur.


  1. Concept Cross-Laye

Le  concept  cross‐layer  se  réfère  à  la  conception  des  protocoles  en  exploitant activement les  dépendances  entre  les  couches  afin  d’obtenir  des  gains de performance  : une  couche se  base  sur  certains  détails  de  conception  d’une autre  couche.  Ces  couches peuvent  être adjacentes,  ou  même  non  adjacentes dans  la  pile. Le  concept  cross‐layer peut  être  vu  comme  une  approche coopérative  où  l'adaptation  est  coordonnée entre les couches  multiples  du système  de  communication.   En  adoptant ce concept,  on  perd  le luxe  d’une conception  simple  et indépendante  des  protocoles. La  flexibilité  résultant  de l’approche  Cross‐Layer  aide  à  améliorer  les performances  de communication de  bout  en bout.  Cependant,  cette approche peut  augmenter  de manière significative  la  complexité de  conception.  En  effet,  le système  de  protocoles en couches  permet  aux  concepteurs de pouvoir  facilement optimiser  une couche  sans  avoir à faire  face   la  complexité  et l’expertise  associées  des autres  couches. De  plus,  il  faut  noter  que  la  plupart  des architectures existantes  déploient  une  entité intermédiaire,  ce  qui  est  un  bon  compromis entre  la  volonté  de  garder  les  atouts  du modèle  en  couche  et  le  besoin d’améliorer  la qualité  de  service  des  réseaux.  

  1. Interactions Cross-Layer pour l’optimisation de protocoles


Plusieurs  problèmes  subsistent  lorsqu’il  s’agit  de  déployer  des applications multimédia  interactives.  En  effet,  un  délai  de  bout  en  bout maximum  de  400ms  est recommandé  pour  assurer  un  fonctionnement satisfaisant  des  applications  multimédia interactives  et  le  délai  AIR  via satellite  est  de  250ms.  Deux  solutions  alternatives s’offrent  à  ces applications. La  première  solution  consiste  à  utiliser  un signal  statique pour  la  transmission des flux multimédia.  Avec  une  quantité  de  ressources  allouées suffisamment grande,  ce  type de signal garantit  un  délai  de  traversée  du  réseau  satellite de 270ms,  ce  qui correspond  sensiblement  au délai  de  propagation  du  lien satellite. .La seconde  solution  est  l’accès  aux  services  utilisant  le signal dynamique.  Avec 3 types  de requêtes  dynamiques  de  ressources,  ce  type  de signal  permet  d’optimiser l’utilisation des ressources  du  réseau.  Cependant, face  aux  besoins  en  QdS  des applications  multimédia interactives,  ce signal, sans  mécanismes  adaptés,  se  révèle souvent  inefficace,  mal adapté aux contraintes  des  applications  multimédia. Dans  cette interaction ,  nous  avons proposé plusieurs  solutions  basées  sur  l’approche cross‐layer  dans  un environnement  réseau satellite  DVB‐S2/RCS.  Elles  permettent  le déploiement des  applications  multimédia interactives  en  utilisant  le signal  dynamique de ressources  du  réseau  satellite.  La première  contribution  réduit  le  délai d’attente  des premières  données  arrivant  dans  les tampons  d’émission  des ST(satellite terrestre)  au démarrage   du flux multimédia.  Cette réduction  du délai  est  obtenue  par  une  anticipation des besoins  en bande passante  de l’application.  Une  communication  cross‐layer  permet  de synchroniser l’obtention  effective des  ressources  réseau  par  le  ST (satellite terrestre) et  l’arrivée  des données multimédia dans  le  ST(satellite terrestre)  pour leur  transmission. Enfin  pour  optimiser  les ressources  réseau  satellite,  un  contrôle  d’admission  et  un contrôle  de  débit permettent  une  adaptation  du  trafic  multimédia  en  fonction  de  l’état du réseau qui  est  fourni  par  la  couche  MAC (Medium access Control)  du  NCC (Netwerk Control Centre)  à  travers  une  interaction  cross‐layer.   


  1. Architecture à Communication Cross-Layer

Elle  utilise  une  entité  intermédiaire  CL_entity (Cross-Layer Enitite)  qui  établit et  gère des communications cross‐layer  de  données  locales  entre  les applications  et  les  couches basses  des  systèmes. Ceci  permet  de  conserver une  compatibilité  avec  l’architecture classique  en  couche.  Une base  de données  locale  permet  de  stocker  les  données  à partager,  ainsi   les différentes couches  sont  de moins  souvent  sollicitées. L’architecture et le déploiement  proposés  répondent  non  seulement  aux  problématiques étudiées,  mais pourront  aussi  être  réutilisés  par  la  suite  pour  tout  nouveau besoin d’interaction cross‐layer.  Nous  projetons  de  faire  évoluer  cette architecture.  L’objectif serait  de pouvoir  traiter  les  informations  obtenues, c'est‐à‐dire  les  utiliser  afin  de  créer de nouvelles  valeurs  plus  élaborées  (ex  : SSR  :  (Self‐Selective  Routing).  Les  paramètres élaborés  sont,  par  exemple,  des statistiques  calculées  pouvant  être  requises  par  la couche physique  afin d’ajuster  la  puissance  de  transmission  radio,  ou  par  la  couche  réseau,  afin de  trouver  des    routes  sans  congestion  ni  collision.

STR=

STR  (Successful.  Transmission  Rate)  :  indique  la  qualité  des  transmissions  en donnant le rapport  des  transmissions  réussies  sur  celles  demandées.

CCR=

CCR  (clear  channel  rate)  :  indique  les  possibilités  de  trouver  le  canal  libre en  donnant le  rapport  des  tests  réussis  sur  le  nombre  de  tests.  

De  plus,  nous  souhaitons  mettre  en  place  une  communication  «  cross‐layer » horizontale :  le  système  pourrait  avoir  une  option  de  vue  globale. C'est‐à‐dire qu’à chaque  fois  qu’un  paquet  est  envoyé  par  un  nœud,  il  lui  ajoute  une  information locale, le  nœud  la  recevra , la  récupèrera  et  la  mettra  dans  une  liste  d’information  globale  du CL_entity.  

  1. Architecture Orientée Web Services


L'architecture Orientée Service AOS proposée ici est un modèle d'architecture pour l'exécution d'applications logicielles réparties. Basée sur un modèle d'interaction applicative, cette architecture permet de mettre en œuvre des services avec une forte cohérence interne par l'utilisation de :


  • un format d'échange universel (le plus souvent XML) ;

  • un faible couplage par l'utilisation d'une couche d'interface interopérable.


Elle permet de décomposer une fonctionnalité en un ensemble de services fournis par des composants et de décrire finement le schéma d'interaction entre ces services. Cette approche offre différents avantages tels que l’indépendance par rapport aux différentes plates formes de communication utilisées (logicielles et matérielles), la réutilisabilité, la robustesse, etc. La notion de Web service correspond à une application connectée à un réseau, capable d’interagir avec d’autres applications en utilisant des protocoles d’échange standardisés du WWWC (World Wide Web Consurtium). Les architectures orientées web services opèrent dans un environnement d’applications réparties. En dehors de l’architecture web services principale, une infrastructure permet d’assurer la sécurité, l’authentification, la confidentialité, l’intégrité des messages, la fiabilité des échanges, la cohérence, la durabilité et la qualité de services garantie. Ces architectures orientées web services offrent un certain nombre d’avantages tels que :


  • Les composants existants de l’architecture sont facilement réutilisables ;

  • il est possible de partager des applications entre des plates formés et des environnements variés ;

  • Le caractère évolutif permet l’ajout et la suppression de services afin de répondre aux nouveaux besoins fonctionnels d’applications ;

  • Le mode stateless améliore la tolérance aux fautes : une défaillance (logicielle ou matérielle) n’entraine pas de perte d’information.




  1. Applications

Nous  avons  présenté  ici  l’évaluation  de  performances  de  l’architecture orientée  web services,  en  termes  de  temps  d’accès  au  serveur  MTR (temps de réponse).  Selon  la topologie  utilisée (centralisée  ou  distribuée),  l’accès  au serveur  varie  entre  une  dizaine de millisecondes  et 1 seconde.  Cette  latence élevée  est  essentiellement  due  à  l’utilisation du protocole  de transport TCP (Transmission Control Protocol)  pour  fiabiliser  les échanges entre  client et serveur  MTR.  En  cas  de  besoin  de  réactivité  du  système,  une topologie distribuée  sera adaptée.  Alors  qu’en  cas  de  besoin  de  maintenance  et de mise à jour  de  la base  de donnée du  serveur  MTR,  une  topologie  centralisée sera  plus appropriée. Le  problème  de  la  latence  d’accès  due  à  l’utilisation  du protocole TCP pour  l’échange d’informations  pourrait  être  résolu  par l’utilisation  du  protocole  de  transport  UDP (Lite Lighweight User datagram Protocol). Il  propose  l’utilisation  des  TCP  et  UDP  comme  protocoles de transport  du  protocole  http (Hyper Text Transfer protocol).  La  spécification préconise l’utilisation   d’UDP pour transporter les données SOAP.

CONCLUSION

Afin  d’intégrer  toutes  ces  communications  cross‐layer  proposées,  nous  avons conçu  et développé  une  architecture  à  communication  cross‐layer.  Cette architecture  dédiée permet de  conserver  le  fonctionnement  normal  de  la  pile protocolaire  Internet,  car  les communications  cross‐layer  sont  gérées  par une  entité  intermédiaire.  Cette  dernière permet  de  garder  une  compatibilité avec  l’architecture  classique  en  couches.  Cela  nous permet  donc  de  maintenir tous  les  avantages  inhérents  à  une  architecture  modulaire  en couches isolées, tels  que  la  robustesse  ou  la  facilité  d’évolutivité.  De  plus,  en centralisant  les informations  cross‐layer  à  partager,  les  différentes  couches  sont  bien moins sollicitées. Le fonctionnement de l’architecture orientée web services est composé de plusieurs phases : la définition du service par le fournisseur, la publication du service par le fournisseur, la découverte du service par le client et l’invocation du service par le client auprès du fournisseur est montre a la figure 1 ci-dessous
Figure 1 : Schéma d’interaction entre application cliente, serveur, et annuaire

Dans  le  cas  des  communications  cross‐layer  précédemment présentées, l’architecture orientée web services  permet  de répondre  aux  requêtes  de besoin  en  QdS  des  applications multimédia.  Elle met  ainsi  à  disposition l’ensemble  des  services  disponibles dans  le réseau  satellite.
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** Assistant à l’ISTA /Gombe Matadi


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