WO2013186502A1 - Procede et dispositif d'estimation rapide et peu intrusive de la bande passante disponible entre deux nœuds ip - Google Patents

Procede et dispositif d'estimation rapide et peu intrusive de la bande passante disponible entre deux nœuds ip Download PDF

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WO2013186502A1
WO2013186502A1 PCT/FR2013/051397 FR2013051397W WO2013186502A1 WO 2013186502 A1 WO2013186502 A1 WO 2013186502A1 FR 2013051397 W FR2013051397 W FR 2013051397W WO 2013186502 A1 WO2013186502 A1 WO 2013186502A1
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WO
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packet
destination node
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network
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PCT/FR2013/051397
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Laurent MUSSOT
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Orange
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Definitions

  • the present invention denominated LIFBE (“Low Intrusive Fast Bandwidth Estimation” according to English terminology) relates to the field of telecommunications. Within this field, the invention relates more particularly to techniques for estimating the bandwidth available from a transmission of several IP packets between a transmitting node and a destination node connected by a telecommunications network.
  • the present invention refers to the family of active methods ("active probing technique" according to English terminology).
  • the transport of IP packets follows a path established between the sending node and the destination node of a network consisting of several links that may be wired or wireless. Some links in this path may have capacity characteristics that change with the environment.
  • the capacity of a wireless link may vary depending on the radio conditions impacting the maximum transmission rate of the air channel, depending on the modulation and coding used.
  • the load of each link representing the existing traffic (“cross traffic" according to English terminology), in particular in the case of the same link shared with other IP flows, may vary over time.
  • the available bandwidth of each link defined as the capacity minus the existing traffic of each link, thus becomes variable.
  • FIG. 1 is a diagram of a conventional configuration according to the OSI protocol layer reference model when the two nodes are fixed terminals.
  • the level 3 IP layer shows a path between the two nodes that is shared in bounded IP jumps when passing through a router, so a hop according to this configuration is a link between a node and a router or between two routers.
  • Figure 2 is a diagram of a typical configuration according to the same model when one of the two nodes is a mobile terminal.
  • FIG. 3 is a diagram of a conventional configuration according to the same model when the two nodes are fixed equipment of the transport network.
  • a network hop (level 3) transmits data in the form of IP packets at a bit rate (typically in kbps or Mbps) that is lower than the bit rate offered by the tier 2 layer due to overhead signaling. according to the English terminology) related to encapsulation and framing associated with the change of layers.
  • a level 3 IP jump can be composed in turn of several level 2 segments specific to each transport technology used such as Ethernet or Wifi for example.
  • the transmission time ⁇ £ 3 of an IP packet of size L L3 is given by the relation:
  • H L2 the signaling (in number of bytes) related to layer switching from level 2 to level 3 corresponding to the encapsulation of IP packets and with C L2 the layer 2 level capability of the segment having the highest transmission capacity weak of the corresponding jump.
  • the capacity of an IP link corresponding to the level 3 layer can be determined from the capacity of the level 2 layer of the weakest segment according to the transmission characteristics specific to the physical medium and the technology used. For example, the 100BASE-TX Fast Ethernet technology of the IEEE 802.3 standard can transmit at layer 2 a maximum bit rate of 100 Mbps.
  • the effective capacitance C e of a network delimiting the path between a transmitting node and a destination node with H hops IP is limited by the capacity of the narrowest jump ("narrow link" according to the English terminology) that is -describe of lower capacity:
  • the available bandwidth Ab (Available Bandwidth") of a multi-link network is defined as the unused capacity of the closest link ("tight" link in English terminology) for a time interval given.
  • the closest link in a network is the IP jump with the lowest available bandwidth.
  • the available bandwidth Ab depends on the traffic load R x ("IP cross-traffic" R x according to English terminology) and can be seen as the maximum rate increase that can be introduced without disturbing the traffic load R x already existing.
  • the available bandwidth Ab of an end-to-end network corresponds to the lowest available bandwidth of the different IP jumps:
  • the total available bandwidth is equal to the unused capacity of the first link since it is the narrowest:
  • the capacity of the closest link is noted C t .
  • the total available bandwidth is not linked to the lower capacity link.
  • the data of an IP flow can correspond to images, it is then video data, they can correspond to sound, it is then audio data, they can correspond to information, it is then acts of data called data, or they can correspond to all other sources of any nature.
  • the bandwidth information available from a network at a given time can be used to achieve several objectives. Examples include improving QoS, improving routing, and detecting network problems. Tools have existed for many years to obtain this type of information but generally they were designed exclusively for the wired domain and are unsuited to a variable environment such as that encountered with wireless or mobile networks given their consumption of time. In addition, the growth of the various telecommunication networks and their increasing use have given rise to the notion of a heterogeneous network based on the complementarity of different radio access technologies (3GPP 2G / 3G / 4G type cellular networks, WiFi network of the same type). IEEE 802.11a / b / g / n / ..., Wimax network IEEE802.16 / ..., etc.).
  • heterogeneous network responds in particular to an objective of extending radio coverage and increasing capacity.
  • User mobility leads to variations in the traffic flowing through an access network. These variations can lead to saturations. To prevent these saturations, it appears interesting to be able to unload at a given moment an access network.
  • switch traffic ("Offload" according to English terminology) from one network to another, for example the switchover of traffic from a user of a cellular network to an available WiFi local network.
  • the 3GPP TS 23.402, TS 24.302 and TS 24.312 standards specify access network selection decision aids for the terminals via the Access Network Discovery Selection Function (ANDSF) by exploiting status and location information of the different non-3GPP access networks available.
  • ANDSF Access Network Discovery Selection Function
  • ETSI ITS Intelligent Transport System
  • L lp said vehicular WiFi; they define an architecture for cars or any other transport vehicle and highlight the complementarity with existing radio access networks (cellular networks, WLAN network, etc.). Again, complementarity associated with mobility highlights the utility of a radio access selection mechanism. The most relevant decision criteria generally used are the quality of the received signal and the available bandwidth.
  • WBest designed mainly for Wi-Fi wireless networks, a description of which is given by [Refl] which is part of a family of active estimation techniques.
  • Direct Active Probing Anglo-Saxon terminology. It makes it possible to estimate the available bandwidth between two nodes of a network from the sending of IP / UDP packets called probes analyzed on reception by the second node.
  • the Wbest tool includes two transmission phases illustrated in FIG. 5: a first phase during which a series of packet pairs is transmitted and a second phase during which a stream of packets at a rate corresponding to the capacity is transmitted. determined during the first phase. The received packet pairs are used to measure the different time offsets separating two packets of a pair.
  • the median value of the time offsets makes it possible to determine an effective capacity C e corresponding to the most restricted link ("narrow" link).
  • the transmitter must wait for the return of the effective capacity determination made by the receiver before to start the second phase.
  • the total estimation period includes the two transmission phases and the two feedbacks.
  • the final result depends strongly on the estimate of the Effective Capacity (Ce) obtained during the first phase, taking into account that this estimate of the Effective Capacity Ce makes it possible to set the transmission rate of the packet train of the second phase and on the other hand that the Effective Capacity (Ce) is directly used in the formula for the final calculation of the available bandwidth.
  • the calculation is given by the following formula with Ab corresponding to the available bandwidth, Ce the effective capacity and R the average reception dispersion rate
  • the use of the Wbest tool on a cellular network does not take into account traffic flow control and traffic smoothing ("traffic shaping” and "traffic policing" in the Anglo-Saxon terminology) carried out within the network. heart of the mobile network that can intervene after the sending of the probes. It also does not take into account the relationship between the measured received bit rate and the number of packets transmitted because the limit is not necessarily reached when transmitting the IP / UDP packet stream of the probes. The formula for calculating the available bandwidth is therefore not suitable for a mobile network.
  • the present invention proposes a method of estimating the band available at the IP layer for a path between two nodes, this path being delimited by a network consisting of one or more wired or wireless physical links, which is faster and less intrusive than known methods.
  • the subject of the invention is a method for estimating the bandwidth available at the IP layer for a flow between a transmitting node and a destination node separated by a path composed of one or more links, starting from a single stream of N frames of IP / UDP packets generated at a certain transmission rate.
  • This stream is transported by a telecommunication network which may include at least one radio segment on a part of the path.
  • the network can transport all or part of the path of other IP streams.
  • the invention furthermore relates to a device intended for a telecommunication network, adapted for implementing a method for estimating the bandwidth available at the IP layer from a single N-train.
  • IP / UDP packet frames generated at a certain transmission sendrate rate, for a stream between a source node and the device separated by a path composed of one or more links.
  • the stream is transported by a telecommunication network which may include at least one radio segment on a part of the path.
  • the network may carry all or part of the path of other IP streams.
  • T (n _i) t ° - t °
  • Jîtt er (n-1) n + 1 ⁇ ⁇ ⁇ n ⁇ )
  • the invention further relates to a telecommunication system for implementing a method for estimating the available bandwidth at the IP layer from a single stream of N IP / UDP packet frames. generated at a certain sendrate transmission rate, for a flow between a source node and a destination node separated by a path composed of one or more links according to the invention.
  • the system includes:
  • a source node and a destination node separated by the path which may comprise at least one radio segment
  • destination node comprises:
  • Jîtt er (n-1) (n + 1 ⁇ t-n + l) ⁇ ⁇ )>
  • the recipient receives a train of data packets each encapsulated in a UDP frame, the packets being also called “probes”, at a certain constant or variable bit rate, previously determined by the transmitter. If the flow rate is constant, it is greater than the effective capacity.
  • the recipient When receiving a packet n incremented by one to each packet, the recipient associates a receipt date t ° n (which may be relative or absolute) and extracts from the packet n its date of issue.
  • the recipient obtains for each received packet from the second, identified by its number n, a cumulative received delay value and a cumulative sending delay value.
  • the curve of the accumulated received delays T (n _i ) is interpolated by piecewise regression ("piecewise regression" according to the English terminology) which are delimited by the atypical values of jitter previously identified.
  • the final value of "a" may be weighted and averaged from the last values of CL j .
  • the sending bit rate varies as a function of time, it increases according to a model chosen by the transmitter (for example linearly), and at a given instant its value becomes equal at the available bandwidth. At this moment, there is a change in the transmission of packets by the network. Indeed, when the sending rate is greater than the available bandwidth, the network must delay the transmission of the packets; the change corresponds to the management of queues with the introduction of delays due to these queues.
  • the cumulative delay curve as a function of the packet number n can be approximated by a first relationship as long as the bit rate is lower than the available bandwidth and then by a second relationship after the introduction of delays due to the queues, the debit becoming higher than the available bandwidth. Switching from one relationship to another determines a breakpoint that corresponds to the moment when the rate becomes equal to the available bandwidth. Finding a breaking point provides an estimate of the available bandwidth.
  • LIFBE uses only a single train of a small number of specific IP / UDP packets called probes ("probes" according to English terminology) sent at a certain predetermined rate before sending the train.
  • probes probes
  • the present invention is non-iterative because it does not require a successive return between receiver and transmitter to converge and find the transmission rate corresponding to the available bandwidth. The estimate of the bandwidth according to the invention is obtained directly following the transmission of a single packet stream.
  • the sending of a single train of a small number of UDP packets, from 20 to 50 packets, allows, according to the invention, an estimate of the available bandwidth between a transmitter and receiver connected by a telecommunication network which may include a radio segment on a part of the path, while minimizing the bandwidth occupation.
  • a telecommunication network which may include a radio segment on a part of the path
  • the estimation of the bandwidth according to the invention is fast and not very intrusive and suitable for any type of wired or wireless network.
  • the method is dynamic and therefore well adapted to a variation of the load of the link between the transmitter and the destination which can intervene more particularly when the transmitter and / or the destination are mobile or because of changing propagation conditions associated with the segment. radio.
  • the available bandwidth estimate may be periodically or periodically based on parameters.
  • a method according to the invention makes it possible to optimize the use of the resource.
  • the method according to the invention makes it possible to avoid packet loss by allocating the bandwidth optimally, as close as possible to the actual capacity of the link.
  • the capacity of the link is sized by the segment of lower capacity which generally corresponds to the radio segment. Even if the capacity of the radio segment decreases, the method according to the invention makes it possible to adjust upstream, before any loss of packets, the allocation of the available bandwidth.
  • the dynamic character makes it possible to combat saturation situations by adapting the bandwidth allocation to the band that is actually available, or even to anticipate blocking situations. This method is therefore particularly suitable for a telecommunication system in which a node is in motion, for example because of its installation in a transport means, this movement resulting in a modification of the capacity of the radio segment and therefore the available bandwidth of the radio. link.
  • the sending rate is constant and the regression model is linear.
  • the method further comprises: a step of determining the effective capacity by means of a scan of the radio segment or by obtaining information related to the Qos.
  • the node linked by the radio segment scans the radio channel that corresponds to the radio segment. During this scan, the node can recover certain parameters including the maximum possible transmission rate for a given Modulation and Coding Scheme (MCS) according to English terminology. This maximum rate corresponds to the capacity of the segment at a given instant.
  • This capacity denoted C L 2 is associated with a level 2 (MAC layer).
  • a corresponding value C L 3 can be determined at a level 3 (IP layer) by weighting the level 2 capacitor C L 2 by the space required for the signaling used at the level of the layer 2 denoted by H L2 relative to the size of the layer 2.
  • a level 3 package rated L L3 The corresponding value can be obtained by the following formula:
  • the destination node transmits to the sending node the level 3 C L3 capacity value during a phase. initialization done in TCP. The transmission of information is therefore typically performed via the TCP protocol before the transmission of the UDP probe packets.
  • the transmitting node can determine a send rate of the packet train greater than this capacity.
  • the sending bit rate is constant and fixed greater than or equal to a parameter that can be obtained by means of a command such as the AT + CGEQNEG command specified in the 3GPP TS 27.007 standard.
  • the response message to this AT command comprises a field which corresponds to the maximum rate (in kbit / s) in the downlink and a field which corresponds to the maximum rate (kbit / s) in the uplink (Maximum bit rate MBR DL / UL). .
  • the determination of the effective capacity is achieved by obtaining information related to the Qos.
  • the actual capacity value This total is the lowest value of both.
  • the sending bit rate is variable
  • the regression model is non-linear and the operating step comprises the search for a breaking point corresponding to a change of regression model, based on the accumulated received cumulative delay values and atypical jitter values.
  • the sending bit rate varies as a function of time, it increases according to a model chosen by the transmitter (for example linearly) and at a given instant its value becomes equal to the available bandwidth.
  • the network must delay the transmission of packets; the change corresponds to the management of queues with the introduction of delays due to these queues.
  • the accumulated delay curve according to the packet number can be approximated by a first relationship as long as the bit rate is lower than the available bandwidth and then when delay times due to the queues are introduced, the bit rate becoming greater than the bandwidth. bandwidth available, the curve must be approximated by a second relation. Switching from one relationship to another determines a breakpoint that corresponds to the moment when the rate becomes equal to the available bandwidth. Finding a breaking point provides an estimate of the available bandwidth.
  • This embodiment can be implemented advantageously in the absence of knowledge of the effective capacity. Nevertheless, the parameterization must be such that the sending rate exceeds the available bandwidth during the transmission of N packets.
  • Breakpoint (s) (breakpoint) may be determined using the median function and an iterative regression method.
  • the most well known regression methods of regression are Gauss-Newton or LMA (Levenberg-Marquardt Algorithm).
  • the breaking point mentioned as the first parameter pO to be found by the algorithm is also a function of the available bandwidth Ab.
  • the bit rate Sendrate variable transmission corresponds to the bandwidth Ab:
  • T (ni) tm l edian (.2, n, P o) + ( ⁇ ) * (median (pO, n-1, N) -pO)
  • the number of parameters p0, p1, p2, ... pM to be computed by LMA regression depends on the number of constant changes corresponding to the number of atypical jitter values identified.
  • the invention furthermore relates to a device intended for a telecommunication network, adapted for implementing a method for estimating the bandwidth available at the IP layer from a single N-train.
  • IP / UDP packet frames generated at a variable rate of transmission, for a stream between a source node and the device separated by a path composed of one or more links.
  • the stream is transported by a telecommunication network which may include at least one radio segment on a part of the path.
  • the network can carry over all or part of the path of other IP streams belonging to the same class of service.
  • the device comprises:
  • ⁇ ( ⁇ - ⁇ ) tn ⁇ t °, a means of identifying atypical values of jitter between successive transmission delays of packets:
  • Jîtt er (n-1) (n + 1 ⁇ t-n + l) ⁇ ⁇ )>
  • means for exploiting a nonlinear regression model comprising searching for a break point corresponding to a model change, from the determined accumulated received delay values and atypical jitter values.
  • the invention further relates to a telecommunication system for implementing a method for estimating the available bandwidth at the IP layer from a single stream of N IP / UDP packet frames. generated at a variable transmission rate, for a stream between a source node and a destination node separated by a path composed of one or more links according to the invention.
  • the system includes:
  • a source node and a destination node separated by the path which may comprise at least one radio segment
  • a link for transporting the streams between the source node and the destination node which may comprise at least one radio segment
  • destination node comprises:
  • a means for receiving the single stream of N packet frames a frame comprising: a field with the IP address of the source node, a field with the IP address of the destination node, a field associated with the sending format of the frame, a packet of size L comprising a timestamp field called transmission date t '"and a field with the number n of the packet corresponding to the number n of the frame in the train, the reception of a frame n triggering the association of a timestamp value called reception date t to packet n,
  • means for operating a nonlinear regression model comprising searching for a break point corresponding to a model change, based on the cumulative received delay values determined and atypical jitter values.
  • the steps of a method according to the invention for estimating the bandwidth available at the IP layer for a flow between a sending node and a destination node separated by a path composed of one or more connections are determined by the instructions of a program in the form of one or more modules respectively incorporated in electronic circuits such chips may themselves be arranged in an electronic device such as a node.
  • a method according to the invention for estimating the available band may equally well be implemented when this program (or its modules) is loaded into a computing device such as a processor or equivalent whose operation is then controlled by the program execution.
  • the invention also applies to a computer program (or its various modules), including a computer program on or in an information carrier, adapted to implement the invention.
  • This program can use any programming language, and be in the form of source code, object code, or intermediate code between source code and object code such as in a partially compiled form, or in any other form desirable to implement a method according to the invention.
  • the information carrier may be any entity or device capable of storing the program.
  • the medium may include storage means, such as a ROM, for example a CD ROM or a microelectronic circuit ROM, or a magnetic recording means, for example a USB key or a hard disk.
  • the information carrier may be an integrated circuit in which the program is incorporated, the circuit being adapted to execute or to be used in the execution of the method in question.
  • the program may be translated into a transmissible form such as an electrical or optical signal, which may be routed via an electrical or optical cable, by radio or by other means.
  • a transmissible form such as an electrical or optical signal
  • the program according to the invention can be downloaded in particular on an Internet type network.
  • another object of the invention is a computer program on an information carrier, said program comprising program instructions adapted to the implementation of a method according to an object of the invention, when said program is loaded and executed in a node of a telecommunication system.
  • the invention also relates to an information carrier comprising program instructions adapted to the implementation of a method according to an object of the invention, when said program is loaded and executed in a node of a telecommunication system.
  • FIG. 1 is a diagram of an implementation of the invention in a network with three IP jumps established between two nodes corresponding to a conventional configuration of a wired network according to the OSI protocol layer reference model showing the different layers, when these two nodes are fixed terminals.
  • FIG. 2 is a diagram of an implementation of the invention in an IP two-hop network established between two nodes corresponding to a conventional configuration of a heterogeneous network comprising a UMTS mobile network according to the protocol layer reference model.
  • OSI showing the different layers, when one of the two nodes is a mobile terminal.
  • FIG. 3 is a diagram of an implementation of the invention in a network with three IP jumps established between two nodes corresponding to a conventional configuration of a heterogeneous network comprising Qos domains managed by an IP tunnel mechanism.
  • MPLS according to the OSI protocol layer reference model showing the different layers, when the two nodes are fixed equipment of the transport network.
  • Figure 5 is a diagram illustrating the two transmission phases of the prior art tool WBest.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the OWD metric in the case of a link composed of five jumps whose first three jumps correspond to three segments of a wired network and the two following jumps correspond to a non-wired network.
  • Fig. 7 is a flowchart of the main steps of a method for estimating the available band at the IP layer for a flow between a sending node and a destination node separated by a path composed of one or more links.
  • FIG. 8 is a diagram of an IP / UDP probe frame and of the time stamping carried out on the one hand by the sending node NOE and on the other hand by the destination node NOD.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a first embodiment of a first embodiment of the invention according to which the receiving node is located in the wireless network and according to which a value of the effective capacity is obtained by a radio scan .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a second embodiment of the first embodiment of the invention according to which the receiving node is located in the wireless network and that a value of the effective capacity is obtained by means of an AT command in a QoS management context.
  • Fig. 11 is a diagram of an exemplary implementation of the invention in the context of a mobile router MR installed in a bus for routing communications between a passenger and a remote entity.
  • FIG. 12 is a diagram of an example of a simplified structure of a destination node according to an object of the invention.
  • FIG. 13 represents jitter jitter values obtained during the sending of probes according to the invention.
  • FIG. 14 represents the curve of cumulative reception times following the sending of probes according to the invention.
  • FIGS. 15 to 17 represent the same curve of results of actual measurements of accumulated received delays as a function of the packet number.
  • the method for estimating the available bandwidth according to the invention takes place at the level of the IP layer.
  • the estimation of the available band is performed for a stream between a sending node and a destination node separated by a path composed of one or more links of a telecommunication network.
  • the network may carry over the entire path or part of it other competing IP streams.
  • the method according to the invention takes into account only IP flows belonging to the same class of service or belonging to a higher class.
  • a node of the network transmits (transmission commonly performed by the IP router function) the packets of these different streams considered and delays if necessary the transmission of these packets.
  • the timer is performed using a single FIFO queue (First In First Out) if the network does not handle QoS (Quality of Service) or is performed by class of service if the QoS is managed. In the latter case, different scheduling possibilities exist to prioritize the queues of different classes between them. Generally, after prioritization, the queues of different classes share in all cases a global queue also of type FIFO. Since the streams relate to applications that may require data exchange in both upstream and downstream directions, a node may be simultaneously or alternatively issuer and recipient.
  • the method can be implemented indifferently for the upward direction and / or for the downward direction.
  • These flows are carried by the telecommunication network which may include at least one radio segment on a part of the path. Streams from another sending node or to another destination node may be carried by this radio segment.
  • the sender and recipient nodes initiate a session by each creating a TCP socket and a UDP socket by assigning an input / output port.
  • the sender connects to the recipient by establishing a TCP connection in client / server mode.
  • the TCP server is either the sender or the receiver.
  • the transmitter informs the recipient of the number N of IP / UDP frames also called probes that he will transmit to him in the next phase.
  • the recipient informs the issuer of his ability to obtain information on the effective capacity It is by means of a radio scan, or by means of Qos information related to the maximum of the transmission rate authorized. Depending on its ability, the recipient sends the value of the actual capacitance Ce to the issuer or sends a null or negative value.
  • the sender can transmit to the receiver in TCP its time reference ("NTP Reference time” of the IETF standard RFC 5905 (Network Time Protocol version 4)) so that the receiver synchronizes on this reference the timestamp values that it assigns the received probe packets.
  • NCP Reference time of the IETF standard RFC 5905 (Network Time Protocol version 4)
  • This mode advantageously allows to avoid a drift ("clock skew problem" according to English terminology) between the clocks of the sender and the recipient.
  • the transmitter itself is capable of obtaining information on the effective capacity Ce (by radio scan or by Qos information), it compares this value with the value sent by the recipient during the connection phase in TCP.
  • the value Ce final chosen is the lowest of the different values. If the destination node sends a null or negative value indicating that it does not possess information of Ce, the issuer takes as final value of Ce that which it has obtained beforehand by its own means. In all cases the sender sends by TCP to the recipient the final value of the effective capacity Ce.
  • the transmission time of a packet n transmitted by a wired network comprising H hops IP can be evaluated by means of the OWD (One Way Delay) metric, which is generally expressed in the form: H
  • the time of transmission of a packet between two IP nodes in the direction of transmission, evaluated by means of the OWD metric can be expressed as:
  • the capacitance C and the latency time D of a jump h are generally constant over time. They therefore do not depend on the number of the packet n, whereas for a non-wired network, the capacity C depends on the modulation and coding scheme MCS ("BPSK, QPSK, 16QAM,"). ..., CRC, 7)) which is usually related to radio conditions (signal strength (signal strength according to English terminology), signal-to-noise ratio (SINR)).
  • the latency time D may vary as a function of the variations in the propagation time and the retransmissions of frames intervening at the level of the low layers (PHY / MAC).
  • Equation (2) is illustrated by Figure 6 in the case of a link composed of five jumps whose first three jumps correspond to three segments of a wired network and the two following jumps correspond to two segments of a network. not wired.
  • the capacitance C and the latency D can be considered variable over time only for the wireless part in the equation above.
  • a wired network can also have variations in capacitance C and latency D, for example in the case of retransmission of the lower layers. Therefore, in the remainder of the document, the variable term D n can therefore indifferently denote a wireless portion or a wired portion.
  • the sendrate send rate of the probe train can be expressed as:
  • Sendrate n - ⁇ - ⁇ - - when the packet size of the probes is fixed.
  • Aq ⁇ otal ⁇ is directly proportional to the available bandwidth and the transmission rate generated by an additional stream. It is usually expressed in the following form when the Sendrate transmission rate is greater than the available bandwidth Ab:
  • Figure 7 is a flowchart of the main steps of the method for estimating available bandwidth at the IP layer for a flow between a transmitting node and a destination node.
  • the method 1 comprises a step 2 of reception by the destination node of a single train of N frames of IP / UDP packets or probes, a step 3 of determination by the destination node 0 of accumulated received delay values, a step 4 of identification by the destination node of atypical values of jitter between the successive transmission delays of packets and a step of exploitation by the destination node of a regression model.
  • the destination node receives the unique stream of N frames of IP / UDP packets or probes transmitted at a certain Sendrate rate.
  • a field with the IP address of the source node @ IP Send a field with the IP address of the destination node ⁇ IP Receiv, a field associated with the sending format of the UDP frame, a packet of size L comprising a timestamp field TimSend said sending date t n and a field No. with the number n of the packet corresponding to the number n of the frame in the train (with n varying from 1 to N) and an optional field Opt.DataPayload which contains eg stuffing data to reach the MTU size.
  • the size packet L called probe is therefore encapsulated in a package of typically UDP format and inserted into an IP frame.
  • the TimSend timestamp field is filled with the sending date by the NOE sending node during the transition from the IP frame to the low layer, that is to say typically at the level 2 layer called MAC (Media Access Control).
  • the reception by the destination node NOD of a frame n triggers the association of a timestamp value called the reception date f n to the packet n contained in the frame n.
  • the determination by the destination node of accumulated received delay values is carried out on receipt of the packets.
  • the accumulated received deadlines can be approximated ("curve fitting" in Anglo-Saxon terminology) by a regression model that takes into account a cumulative sending delay.
  • the model used for regression is derived from equations (4) and (5).
  • ⁇ ( ⁇ _ 1) () * (- 1) + * - t [) + D n - D 1
  • the constant changes as soon as a retransmission takes place at the level of the lower layers or following any other significant additional delay, between an IP packet (n) and the following IP packet (n + 1).
  • the step 4 of identification by the destination node of atypical values of jitter between the delays of transmission of successive packets makes it possible to identify points of change of constant.
  • This identification can be carried out by a method of identifying abnormal (atypical) jitter values ("jitter” in the Anglo-Saxon terminology) such as the Box Plot method (Anglo terminology). - Saxon).
  • the method according to the method of the box whiskers is to sort all data first in increasing order and then determine the value of the first quartile (Ql noted) and the 3rd quartile (denoted Q3).
  • the process determines the second quartile that corresponds to the median, then looks for the median of the first half of the data that corresponds to the 1st quartile.
  • the process looks for the median of the second half of the data that corresponds to the third quartile.
  • Abnormal or atypical values are those outside the lower and upper bounds identified by:
  • the destination node exploits a regression model applied to the accumulated received delays according to relation (7).
  • the regression also called curve fitting or Anglo-Saxon terminology
  • the regression used to determine the coefficients of the relation (7) which minimize the least squares error between the points from the calculation of the relationship and the actual values of the cumulative received time T (n. r.
  • Equation (7) is simplified according to whether the Sendrate transmission rate is constant or variable.
  • the Sendrate transmission rate is constant and equation (7) can be expressed in the form:
  • T (ni) a * (n - 1) + D n - D 1 (8)
  • Step 4 makes it possible to determine when the constant D n - changes.
  • Equation (8) thus characterizes a piecewise linear regression with line segment change points identified in step 4.
  • the Sendrate transmission rate is constant and the information of the effective capacity Ce is known beforehand. Ab can be deduced from the coefficient "a" of the slope of the straight line (possibly weighted and averaged according to the last segments of straight lines):
  • a b C e (l - ⁇ sendrate) + sendrate
  • the transmission rate is variable and exceeds the bandwidth available at a given moment when sending the N packets composing the train.
  • the regression can be solved by an iterative method such as LMA (Levenberg-Marquardt Algorithm) [Ref2].
  • LMA Longberg-Marquardt Algorithm
  • the Levenberg-Marquardt algorithm provides a numerical solution to the problem of minimizing a function that is not necessarily non-linear and depends on several variables.
  • the algorithm interpolates the Gauss-Newton algorithm and the gradient algorithm.
  • the main application of LMA is generally least squares regression: given a number of data pairs (t h yi), the process looks for the parameter a of the function such that the sum of the squares of the deviations is minimal:
  • ⁇ ( ⁇ _ 1) (- t [) + D n - D (9)
  • the method determines the breaking point at which a model change between equation (9) and equation (7) corresponds.
  • the breaking point mentioned as the first parameter pO to be determined by the iterative regression algorithm LMA is also a function of the available bandwidth Ab.
  • the variable transmission rate Sendrate is the available bandwidth Ab:
  • the number of parameters p0, p1, p2, ... pM to be computed by LMA regression depends on the number of constants changes identified in step 4.
  • the method 1 furthermore comprises:
  • This mode is particularly suitable for cases where one of the two sending or receiving nodes is mobile and when the radio link is considered to be the one of lower capacity.
  • This mobile node is thus connected according to a wireless link called radio.
  • This node can find the maximum possible transmission rate at the physical layer by means of a scan of its wireless environment. This rate can be likened to the effective capacity for a given MCS (Modulation Code Scheme) scheme.
  • MCS Modulation Code Scheme
  • This information can be static, it corresponds to a physical maximum.
  • obtaining by a radio scan depends on the authorization of the manufacturer to access this information.
  • a Category 10 HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) terminal may carry a maximum of 10 HS-DSCH codes with 16-QAM modulation, resulting in a theoretical maximum rate of 7 , 2 Mbps at the physical layer.
  • the radio scan information can be dynamic and therefore more rigorous.
  • the obtaining of the flow also depends on the authorization of access to this information and is done according to orders specific to the manufacturer and the wireless technology used.
  • the node can obtain information on the maximum possible throughput on the WiFi connection according to the data rate used: 54Mbits / s, 27Mbits / s ... 6Mbits / s.
  • the sending node transmits the packet stream with a constant rate greater than the previously determined effective capacity.
  • the latter communicates to the sending node the value obtained during the scan.
  • the method 1 furthermore comprises:
  • This mode is more particularly adapted to a heterogeneous network that practices QoS management and for which the closest link is located in the network managing the QoS.
  • the effective capacity can be likened to the maximum bit rate MBR authorized by the network managing the Qos.
  • One of the nodes can obtain the MBR value negotiated and assigned by the network operator. For example, in the case of a GSM or UMTS type cellular network, this MBR bit rate can be obtained by means of an AT command of the 3GPP standard TS 27.007.
  • the AT + CGEQNEG command is used to obtain the MBR (kbits / s) rate allowed and included in the "Activate PDP Context Accept" message.
  • the transmitting node transmits the packet stream with a constant rate greater than the previously determined effective capacity.
  • the destination node communicates to the sending node the value obtained from Qos.
  • the Sendrate transmission rate of the N packet IP / UDP train is variable, for example linearly.
  • the transmission rate of the train of N IP / UDP packets can be constant, considering that the information of this capacity effective is reliable. In the case where more information of effective capacity is available, the lowest value This is chosen by the sending node. In the case where the weakest capacity is determined by the sending node, the information of the capacity Ce is communicated in TCP to the recipient before the transmission of the IP / UDP packets.
  • the recipient can determine the send rate by extracting probes received the date of sending: (é n - t [).
  • the method is dynamic because the determination of the available bandwidth is updated either periodically or in a triggered manner. If the available bandwidth is reduced due to changes in the use of the radio channel, the estimate of the available bandwidth decreases. Each available bandwidth determination requires only a single stream of N probe frames.
  • the detection of a particular event (for example a change of cell of an end node) generates an alert message which will trigger a new estimation of the band. available passerby. After this trigger, the estimates can be repeated with the same periodicity.
  • Fig. 11 schematically illustrates an exemplary implementation of the invention in the context of a mobile router MR installed in a bus for routing communications between a USER passenger and a remote entity VS.
  • the telecommunication system comprises an AP access point and the mobile router MR embedded in the bus, a plurality of access points API, AP2, ... arranged along the bus path, an access router AR, a piece of equipment an EA network connected to the access router AR and a video server VS accessible via the access router AR.
  • the transmitting node corresponds to the mobile router MR.
  • the destination node corresponds to the network equipment EA in which is implemented a home agent HA ("Home Agent" according to English terminology) with reference to a mobility management standard by IP mechanisms, such as MobilelP (MIP). .
  • the home agent HA continuously knows the access network through which it is possible to join the mobile router MR.
  • the sending node and the receiving node are separated by a link that includes a radio segment between the mobile router and an access point along the path. This link allows the transport of the streams between the sending node and the destination node.
  • the traffic to and from the mobile router MR transits entirely by the home agent HA.
  • the mobile router MR is an equipment installed in a means of transport (bus, TGV, etc.) that allows users, travelers on-board and transit-related business applications to access ground-based network services.
  • the method for estimating the available bandwidth according to the invention is implemented during the execution of two software modules B, A respectively implemented in the source node and the destination node, according to the example the mobile router MR and network equipment.
  • each node is simultaneously or alternatively source and destination.
  • the module A implemented with the home agent HA in the destination node estimates the bandwidth available for the outgoing traffic of the sending node, the mobile router, to the network equipment, for the uplink ("up"). ").
  • the module B implemented in the mobile router MR estimates the available bandwidth traffic in the opposite direction, that is to say, for the downward direction.
  • Each of the modules A, B can manage a queue FIFO (abbreviation of the English terms First In First Out) to which are directed traffic flows of the same class of service, this referral relies for example on characteristics defined by a classification architecture model such as Differentiated Services.
  • This "Differentiated Services" network architecture model defines how to classify and control IP traffic to ensure QoS. This architecture is detailed mainly in two RFC (Requests For Comments) RFC 2474 and RFC 2475 issued by the international Internet Engineering Task Force (IETF).
  • the queue receives, for example, VoIP or Video traffic or Best Effort traffic or Background traffic traffic from different passengers.
  • each module A, B includes a queue manager that extracts packets from the queue at a certain rate.
  • the modules A, B dynamically estimate in real time the bandwidth available on the link for the flows to the network equipment EA, respectively to their destination. of the mobile router and transmit the packets at a rate corresponding to the estimated available bandwidth.
  • the available band is estimated end-to-end, it is equivalent to the band of the narrowest segment as illustrated in Figure 4 which corresponds according to the example illustrated by Figure 11 to the WiFi radio segment between the mobile router MR and one of the API access points, AP2, ...
  • Each module A, B estimates the available band between the nodes EA and MR in the rising direction, respectively descending, by means of a method according to the invention.
  • the algorithm for estimating available bandwidth takes place following the opening of a TCP connection between the EA and MR end nodes.
  • the transmitter node EA or MR emits at a certain rate a signal composed of a single train of N probe frames.
  • the destination node receives the unique train of N probe frames.
  • the destination node identifies atypical jitter jitter values defined by:
  • Jitt er (n-1) ( ⁇ n + l - t-n + l) ⁇ (-n ⁇ ) which makes it possible to identify the changes of the values of the constant D n - for a given interval.
  • the destination node exploits a regression model between the accumulated received delays determined in the second step, according to a cumulative sending delay and the relation (7).
  • the queue manager adapts the output rate of the output node.
  • FIG. 12 is a diagram of an example of a simplified structure of a destination node NOD capable of estimating the available band according to the invention, intended for a telecommunication network which comprises at least one transmitting node and one receiving node. These nodes are separated by a link that includes at least one radio segment on a part of the link.
  • the destination node is either the mobile router MR or the network equipment that hosts the home agent HA in their destination node function.
  • the destination node NOD is adapted in that it comprises:
  • IP / UDP called probes sent at a certain rate (sendrate)
  • ⁇ for calculating the available bandwidth Ab for a flow between the source node and the destination node by calculating dynamically accumulated real-time accumulated delays from the packets received from a train of N IP / UDP packet frames issued by the source node,
  • the receiving means (BUF) of a single train of N frames of IP / UDP packets at a certain rate (sendrate) is typically a memory space which can be a buffer, a RAM, etc.
  • the means ⁇ for estimating the available bandwidth is typically a programmable means, for example a microprocessor microphone programmed to timestamp the received probes emitted by the source node, to calculate in real time the accumulated received delays, to identify atypical values of jitter between the delays of transmission of the successive packets and to carry out the regression from the accumulated received delays as a function of a cumulative sending delay knowing the atypical values of jitter.
  • the means ⁇ to go back to the source node the available band value is typically the same programmable means as the previous one, but moreover specifically programmed to go back to the source node the estimated available band value.
  • the destination node NOD is thus adapted to implement a method of estimating the bandwidth available according to the invention.
  • FIG. 13 represents jitter values obtained during the sending of probes according to the invention.
  • two thresholds are determined: LIF (Lower Inner Fence) and UIF (Upper Inner Fence). Three values outside these limits are identified as atypical or abnormal with their corresponding packet number value.
  • FIG. 14 represents the curve of the cumulative reception times following the sending of probes according to the invention according to the same example as that illustrated in FIG. 13.
  • an existing traffic (cross traffic) of UDP type is generated. at a constant rate of 60 Mbit / s, sharing the same 100BASE-TX Fast Ethernet wired link. Measures Actual cumulative time delays are interpolated using non-linear LMA regression. The calculation of the coefficients minimizing the least-squares error directly makes it possible to determine the effective capacity Ce and the breaking point (breakpoint). The latter makes it possible to find the bandwidth Ab according to the foregoing description of the present invention.
  • a change of constant occurs at the same numbers of packets having atypical jitter values, previously identified and illustrated in Figure 13.
  • the curve can be interpolated by a piecewise linear regression with a change to determine the two coefficients of the straight slopes.
  • the calculation of Ab follows from the foregoing description, knowing that the capacitance Ce must be known.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud source et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens, ce flux étant transporté par un réseau de télécommunication hétérogène qui peut comprendre au moins un segment radio sur une partie du chemin. Le procédé comprend : - une étape (2) de réception par le nœud destinataire d'un unique train de N trames de paquets à un certain débit constant ou variable, - une étape (3) de détermination par le nœud destinataire de valeurs de délais reçus cumulés, - une étape (4) d'identification par le nœud destinataire de valeurs atypiques de gigue entre les délais de transmission de paquets successifs, - une étape (5) d'exploitation par le nœud destinataire d'un modèle de régression appliqué aux valeurs des délais reçus cumulés.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ESTIMATION RAPIDE ET PEU INTRUSIVE DE LA BANDE PASSANTE DISPONIBLE ENTRE DEUX NŒUDS IP
Domaine de l'invention
La présente invention dénommée LIFBE (« Low Intrusive Fast Bandwidth Estimation » selon la terminologie anglosaxonne) se rapporte au domaine des télécommunications. Au sein de ce domaine, l'invention se rapporte plus particulièrement aux techniques d'estimation de la bande passante disponible à partir d'une transmission de plusieurs paquets IP entre un nœud émetteur et un nœud destinataire relié par un réseau de télécommunication. La présente invention se réfère à la famille des méthodes actives (« active probing technique » selon la terminologie anglosaxonne). Le transport des paquets IP suit un chemin établi entre le nœud émetteur et le nœud destinataire d'un réseau composé de plusieurs liens qui peuvent être de nature filaire ou sans-fil. Certains liens de ce chemin peuvent présenter des caractéristiques de capacité qui évoluent avec l'environnement. Par exemple, la capacité d'un lien sans-fil peut varier selon les conditions radio impactant le débit maximum de transmission du canal aérien, suivant la modulation et le codage utilisé. Par ailleurs la charge de chaque lien représentant le trafic existant (« cross trafic » selon la terminologie anglosaxonne), en particulier dans le cas d'un même lien partagé avec d'autres flux IP, peut varier dans le temps. La bande passante disponible de chaque lien, définie comme la capacité moins le trafic existant de chaque lien, devient donc variable.
Dans la demande, la capacité et la bande passante disponible d'un réseau comprenant plusieurs liens sont définies au niveau de la couche IP entre un nœud émetteur et un nœud destinataire. Un lien représente une relation entre deux nœuds au niveau protocolaire des couches OSI, typiquement de niveau 3 avec la couche IP, ou de niveau inférieur par exemple avec la couche MAC (Media Access Control) de la technologie de transport utilisée. Lorsque le lien en question se réfère au niveau 3 de la couche IP, le terme de « saut » IP (« hop » selon la terminologie anglosaxonne) peut être employé. Lorsque le lien en question se réfère au niveau inférieur par exemple au niveau 2 de la couche MAC, le terme de « segment » peut être employé. La figure 1 est un schéma d'une configuration classique selon le modèle de référence en couches protocolaires OSI lorsque les deux nœuds sont des terminaux fixes. La couche IP de niveau 3 fait apparaître un chemin entre les deux nœuds qui est partagé en sauts IP délimités lors du passage par un routeur, ainsi un saut selon cette configuration est un lien entre un nœud et un routeur ou entre deux routeurs. La figure 2 est un schéma d'une configuration classique selon le même modèle lorsque l'un des deux nœuds est un terminal mobile. La figure 3 est un schéma d'une configuration classique selon le même modèle lorsque les deux nœuds sont des équipements fixes du réseau de transport.
Un saut du réseau (niveau 3) transmet des données sous forme de paquets IP à un débit (exprimé généralement en kbits/s ou Mbits/s) inférieur au débit offert par la couche de niveau 2 compte tenu de la signalisation (« overhead » selon la terminologie anglosaxonne) liée à l'encapsulation et à la mise en trame associées au changement de couches. Un saut IP de niveau 3 peut être composé à son tour de plusieurs segments de niveau 2 propres à chaque technologie de transport utilisée telle que Ethernet ou Wifi par exemple. Le temps de transmission Δ£3 d'un paquet IP de taille LL3 est donné par la relation :
AL3 = ^^ (1)
*-"£2
avec HL2 la signalisation (en nombre d'octets) liée aux changement de couches du niveau 2 au niveau 3 correspondant à l'encapsulation des paquets IP et avec CL2 la capacité au niveau couche 2 du segment ayant la capacité de transmission la plus faible du saut correspondant.
La capacité au niveau couche 3 est alors donnée par la relation :
Figure imgf000004_0001
Ainsi, la capacité d'un lien IP correspondant à la couche de niveau 3 peut être déterminée à partir de la capacité de la couche de niveau 2 du segment le plus faible suivant les caractéristiques de transmission propres au support physique et à la technologie utilisée. Ainsi la technologie Fast Ethernet 100BASE-TX du standard IEEE 802.3 par exemple peut transmettre au niveau couche 2 un débit maximum de 100 Mbits/s. La Capacité d'un lien IP est considérée dans la demande comme la capacité maximale, c'est-à-dire celle qui correspond à la taille LL3 maximale soit LL3 = MTU , avec MTU (« Maximum Transmission Unit » selon la terminologie anglosaxonne) égale à 1500 octets.
La capacité effective Ce d'un réseau délimitant le chemin entre un nœud émetteur et un nœud destinataire avec H sauts IP, est limitée par la capacité du saut le plus restreint (« narrow link » selon la terminologie anglosaxonne) c'est-à-dire de plus faible capacité :
Ce=minh=1>...>H{Ch} La bande passante disponible Ab (« Available Bandwidth » selon la terminologie anglosaxonne) d'un réseau comprenant plusieurs liens est définie comme correspondant à la capacité inutilisée du lien le plus étroit (« tight » link selon la terminologie anglosaxonne) pour un intervalle de temps donné. Le lien le plus étroit d'un réseau correspond au saut IP ayant la plus faible bande passante disponible. La bande passante disponible Ab dépend de la charge de trafic Rx (« IP cross-traffic » Rx selon la terminologie anglosaxonne) et peut être vu comme l'augmentation maximum de débit qui peut être introduite sans perturber la charge de trafic Rx déjà existante. Ainsi la bande passante disponible Ab d'un réseau de bout en bout correspond à la bande passante disponible la plus faible des différents sauts IP :
Figure imgf000005_0001
Selon l'exemple d'un réseau composé de trois sauts IP illustré par la figure 4, la bande passante totale disponible est égale à la capacité inutilisée du premier lien puisqu'il est le plus étroit :
Figure imgf000005_0002
La capacité du lien le plus étroit est noté Ct. Le saut le plus restreint est le troisième lien puisqu'il a la plus petite capacité : Ce=C3. La bande passante disponible totale n'est pas dans ce cas liée au lien de plus faible capacité.
Quand Ce=Ct alors le lien le plus restreint est aussi le lien le plus étroit, il est communément appelé goulot d'étranglement (« bottleneck link » selon la terminologie anglosaxonne).
Les données d'un flux IP peuvent correspondre à des images, il s'agit alors de données vidéo, elles peuvent correspondre à du son, il s'agit alors de données audio, elles peuvent correspondre à de l'information, il s'agit alors de données dites data, ou elles peuvent correspondre à toutes autres sources de toute nature.
L'information de bande passante disponible d'un réseau à un instant donné peut être utilisée pour atteindre plusieurs objectifs. Citons pour exemples l'amélioration de la Qos, l'amélioration du routage et la détection de problèmes réseau. Des outils existent depuis de nombreuses années pour obtenir ce type d'information mais généralement ils ont été conçus exclusivement pour le domaine filaire et sont inadaptés à un environnement variable tel que celui rencontré avec des réseaux sans-fil ou mobiles compte tenu de leur consommation de temps. En outre, l'accroissement des différents réseaux de télécommunication et leur utilisation croissante ont fait naître la notion de réseau hétérogène basée sur une complémentarité des différentes technologies d'accès radio (réseaux cellulaires de type 3GPP 2G/3G/4G, réseau WiFi de type IEEE 802.11a/b/g/n/..., réseau Wimax IEEE802.16/..., etc). La notion de réseau hétérogène répond en particulier à un objectif d'extension de la couverture radio et d'augmentation des capacités. La mobilité des utilisateurs entraîne des variations du trafic écoulé par un réseau d'accès. Ces variations peuvent conduire à des saturations. Pour prévenir ces saturations, il apparaît intéressant de pouvoir décharger à un instant donné un réseau d'accès. A cette fin, il est envisagé de basculer du trafic (« Offload » selon la terminologie anglosaxonne) d'un réseau à un autre, par exemple le basculement du trafic d'un utilisateur d'un réseau cellulaire vers un réseau local WiFi disponible. En particulier, les standards TS 23.402, TS 24.302 et TS 24.312 du 3GPP spécifient des aides à la décision de sélection de réseau d'accès pour les terminaux via la fonction ANDSF (« Access Network Discovery Sélection Function » selon la terminologie anglosaxonne) en exploitant des informations d'état et de localisations des différents réseaux d'accès non-3GPP disponibles. Dans un autre cadre, Européen en l'espèce et en accord avec le mandat M/453 sous la supervision de l'ISO, du CEN et de l'ETSI, de nouveaux standards ITS (« Intelligent Transport System » selon la terminologie anglosaxonne) ont été développés principalement pour améliorer la sécurité routière et la gestion du trafic routier et pour permettre l'accès à Internet. Ces standards ETSI ITS comprennent le standard IEEE 802. l lp dit WiFi véhiculaire ; ils définissent une architecture destinée aux voitures ou à tout autre véhicule de transport et mettent en avant la complémentarité avec les réseaux d'accès radio déjà existants (réseaux cellulaires, réseau WLAN, etc). De nouveau, la complémentarité associée à la mobilité met en valeur l'utilité d'un mécanisme de sélection d'accès radio. Les critères de décision les plus pertinents généralement retenus sont la qualité du signal reçu et la bande passante disponible.
Art antérieur
Pour obtenir une estimation de la bande passante disponible, il existe un outil appelé WBest conçu principalement pour les réseaux sans-fil de type Wifi, dont une description est donnée par [Refl] qui fait partie d'une famille de techniques actives d'estimation directe (« direct active probing » selon la terminologie anglosaxonne). Il permet d'estimer la bande passante disponible entre deux nœuds d'un réseau à partir de l'envoi de paquets IP/UDP appelés sondes analysés à la réception par le deuxième nœud. L'outil Wbest inclut deux phases de transmission illustrées par la figure 5 : une première phase au cours de laquelle est transmise une série de paires de paquets et une seconde phase au cours de laquelle est transmis un train de paquets au débit correspondant à la capacité déterminée lors de la première phase. Les paires de paquets reçues permettent de mesurer les différents décalages temporels séparant deux paquets d'une paire. La valeur médiane des décalages temporels permet de déterminer une capacité effective Ce correspondant au lien le plus restreint (« narrow » link). L'émetteur doit attendre le retour de la détermination de capacité effective effectuée par le récepteur avant de débuter la seconde phase. Par suite le délai total d'estimation comprend les deux phases de transmission et les deux retours d'information.
Le résultat final dépend fortement de l'estimation de la Capacité effective (Ce) obtenue lors de la première phase compte tenu d'une part que cette estimation de la Capacité effective Ce permet de fixer le débit de transmission du train de paquets de la deuxième phase et d'autre part que la Capacité effective (Ce) est directement utilisée dans la formule pour le calcul final de la bande passante disponible. Le calcul est donné par la formule suivante avec Ab correspondant à la bande passante disponible, Ce la capacité effective et R le débit moyen de dispersion de réception
Figure imgf000007_0001
Le manque de précision de Ce, qui est obtenue par calcul de la médiane des différents débits instantanés reçus lors de la première phase, peut entraîner une sous estimation de la bande passante disponible Ab si la capacité estimée est plus petite que la capacité réelle, car le débit de transmission du train de paquets lors de la deuxième phase est alors trop faible. En outre, une erreur sur l'estimation de la capacité Ce impacte fortement le résultat final compte tenu que Ce apparaît au carré dans la formule donnant la bande disponible. Cet impact se produit plus particulièrement si par exemple le trafic existant (« cross trafic » selon la terminolgie anglosaxonne) est trop important ou si la capacité maximum varie rapidement suite par exemple à un changement de modulation. En outre, le calcul de la bande passante disponible Ab pour un réseau hétérogène n'est valable que si la capacité effective correspond au lien radio ce qui n'est pas toujours le cas.
En outre, l'utilisation de l'outil Wbest sur un réseau cellulaire ne prend pas en compte la régulation de débit et le lissage du trafic (« traffic shaping » et « traffic policing » selon la terminologie Anglo-Saxonne) effectués au sein du cœur du réseau mobile qui peuvent intervenir après l'envoi des sondes. Il ne prend pas en compte non plus la relation entre le débit reçu mesuré et le nombre de paquets transmis car la limite n'est pas forcément atteinte lors de la transmission du train de paquets IP/UDP des sondes. La formule du calcul de la bande passante disponible n'est donc pas adaptée pour un réseau mobile.
Exposé de l'invention
La présente invention propose un procédé d'estimation de la bande disponible au niveau de la couche IP pour un chemin entre deux nœuds, ce chemin étant délimité par un réseau composé d'un ou plusieurs liens physiques filaires ou sans-fils, qui soit plus rapide et moins intrusif que les méthodes connues.
Ainsi, l'invention a pour objet un procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens, à partir d'un seul train de N trames de paquets IP/UDP généré à un certain débit de transmission. Ce flux est transporté par un réseau de télécommunication qui peut comprendre au moins un segment radio sur une partie du chemin. Le réseau peut transporter sur la totalité ou sur une partie du chemin d'autres flux IP. Le procédé comprend :
- une étape de réception par le nœud destinataire de l'unique train de N trames de paquets, une trame comprenant : un champ avec l'adresse IP du nœud émetteur, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire, un champ associé au format d'envoi de la trame, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage dit date d'émission
Figure imgf000008_0001
et un champ avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train, n=l à N, la réception d'une trame n déclenchant l'association d'une valeur d'horodatage dite date de réception t au paquet n,
- à partir du deuxième paquet reçu, une étape de détermination par le nœud destinataire de valeurs de délais reçus cumulés à réception du paquet n, avec n=2 à N : T{n-i = fn — fÎ >
- une étape d'identification par le nœud destinataire de valeurs atypiques de gigue Jittern —
Figure imgf000008_0002
- une étape d'exploitation par le nœud destinataire d'un modèle de régression appliqué aux délais reçus cumulés en fonction d'un délai d'envoi cumulé connaissant les valeurs atypiques de gigue.
L'invention a en outre pour objet un dispositif destiné à un réseau de télécommunication, adapté pour la mise en œuvre d'un procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP à partir d'un seul train de N trames de paquets IP/UDP généré à un certain débit sendrate de transmission, pour un flux entre un nœud source et le dispositif séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens. Le flux est transporté par un réseau de télécommunication qui peut comprendre au moins un segment radio sur une partie du chemin. Le réseau peut transporter sur la totalité ou sur une partie du chemin d' autres flux IP. Le dispositif comprend : - un moyen de réception de l'unique train de N trames de paquets, une trame comprenant : un champ avec l'adresse IP du nœud source, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire, un champ associé au format d'envoi de la trame, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage dit date d'émission t^ et un champ avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train, n=l à N, la réception d'une trame n déclenchant l'association d'une valeur d'horodatage dite date de réception t au paquet n,
- un moyen de détermination de valeurs de délais reçus cumulés T(n_i) à réception respectivement des paquets n et à partir du deuxième paquet reçu, avec n=2 à N : T(n-i) = t°— t°
- un moyen d'identification de valeurs atypiques de gigue jittern_i entre les délais de transmission de paquets successifs :
Jîtter(n-1) = n+1 ~ ~ { n ~ )
- un moyen d'exploitation d'un modèle de régression linéaire appliqué aux délais reçus cumulés approximés par la relation Tx = CL X + correspondant à un segment i identifié par deux valeurs successives de valeurs atypiques de gigue de délais de transmission avec Ab = Ce(l — ^ sendrate) + sendrate.
L'invention a en outre pour objet un système de télécommunication pour la mise en œuvre d'un procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP à partir d'un seul train de N trames de paquets IP/UDP généré à un certain débit sendrate de transmission, pour un flux entre un nœud source et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens selon l'invention. Le système comprend :
- un nœud source et un nœud destinataire séparés par le chemin qui peut comprendre au moins un segment radio,
dans lequel le nœud destinataire comprend :
- un moyen de réception de l'unique train de N trames de paquets, une trame comprenant : un champ avec l'adresse IP du nœud source, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire, un champ associé au format d'envoi de la trame, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage dit date d'émission t'n et un champ avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train, n=l à N, la réception d'une trame n déclenchant l'association d'une valeur d'horodatage dite date de réception t au paquet n, - un moyen de détermination de valeurs de délais reçus cumulés à réception respectivement des paquets n et à partir du deuxième paquet reçu, avec n=2 à N-l :T(n-i) = t°— t°
- un moyen d'identification de valeurs atypiques de gigue entre les délais de transmission de paquets successifs :
Jîtter(n-1) = ( n+ 1 ~ t-n+l) ~
Figure imgf000010_0001
~ )>
- un moyen d'exploitation d'un modèle de régression linéaire appliqué aux délais reçus cumulés approximés par la relation Tx = CL X + b^ correspondant à un segment de droite i identifié par deux valeurs successives de valeurs atypiques de gigue avec = Ce (1— ^ sendrate)+ sendrate.
Selon l'invention, le destinataire reçoit un train de paquets de données encapsulés chacun dans une trame UDP, les paquets étant appelés aussi « sondes », à un certain débit constant ou variable, préalablement déterminé par l'émetteur. Si le débit est constant, il est supérieur à la capacité effective.
Lors de la réception d'un paquet n incrémenté de un à chaque paquet, le destinataire associe une date de réception t°n (qui peut être relative ou absolue) et extrait du paquet n sa date d'émission. Le débit de transmission sendrate peut être déterminé par le destinataire par observation des dates d'émission contenues dans les paquets IP/UDP : Sendrate = -j— ^— -.
Le destinataire détermine un délai reçu cumulé T(n-i) = fn — t° ainsi qu'un délai d'envoi cumulé (tn l— ί^) à partir du paquet n=2 et jusqu'au paquet n=N reçu.
Ainsi, le destinataire obtient pour chaque paquet reçu à partir du deuxième, identifié par son numéro n, une valeur de délai reçu cumulé et une valeur de délai d'envoi cumulé.
Selon l'invention, la courbe des délais reçus cumulés T(n_i) est interpolée par une régression par morceaux (« piecewise régression » selon la terminologie anglosaxonne) qui sont délimités par les valeurs atypiques de gigue identifiées préalablement.
Dans le cas d'un débit d'envoi constant la régression est de type linéaire. Les délais reçus cumulés sont approchés par la relation : Tx = CL X + pour chaque segment de droite i délimités par des valeurs atypiques de gigue. Les coefficients déterminés par régression linéaire des différents segments de droite, i.e. les pentes a^ et les constantes bj des expressions Tx — CL X + permettent de déterminer la bande passante disponible Ab connaissant la capacité effective Ce et connaissant la taille L fixe d'un paquet :
A-b — Ce (l — ^ sendrate)+ sendrate.
Selon le mode de réalisation, la valeur finale de « a » peut être pondérée et moyennée à partir des dernières valeurs de CL j .
Dans le cas d'un débit d'envoi variable, le débit d'envoi varie en fonction du temps, il augmente selon un modèle choisi par l'émetteur (par exemple de façon linéaire), et à un instant donné sa valeur devient égale à la bande passante disponible. A cet instant, il y a un changement dans la transmission des paquets par le réseau. En effet, quand le débit d'envoi est supérieur à la bande passante disponible, le réseau doit temporiser la transmission des paquets ; le changement correspond à la gestion de files d'attente avec l'introduction de délais dus à ces files d'attente.
La courbe des délais cumulés en fonction du numéro n de paquet peut être approchée par une première relation tant que le débit est inférieur à la bande passante disponible puis par une seconde relation après l'introduction de délais dus aux files d'attente, le débit devenant supérieur à la bande passante disponible. Le basculement d'une relation à l'autre détermine un point de rupture qui correspond donc au moment où le débit devient égal à la bande passante disponible. La recherche d'un point de rupture permet d'obtenir une estimation de la bande passante disponible.
Contrairement aux méthodes actives classiques d'estimation itérative, (appelée
« itérative active probing » selon la terminologie anglosaxonne) dont les plus connues sont TOPP (Train Of Packet Pairs), SLoPS (Self-Loading Periodic Streams appelé aussi Pathload) et enfin PathChirp qui attendent un retour d'information du récepteur pour adapter le débit de transmission des paquets des sondes, la présente invention dénommée LIFBE n'utilise qu'un seul train d'un faible nombre de paquets IP/UDP spécifiques appelés sondes (« probes » selon la terminologie anglosaxonne) envoyés à un certain débit déterminé avant l'envoi du train. La présente invention est non itérative car elle ne nécessite pas d'aller retour successif entre récepteur et émetteur pour converger et trouver le débit de transmission correspondant à la bande passante disponible. L'estimation de la bande passante selon l'invention est obtenue directement suite à l'émission d'un seul train de paquets.
L'envoi d'un seul train d'un faible nombre de paquets UDP, de 20 à 50 paquets environ, permet selon l'invention une estimation de la bande passante disponible entre un émetteur et un destinataire reliés par un réseau de télécommunication qui peut comprendre un segment radio sur une partie du chemin, tout en minimisant l'occupation de la bande passante. Compte tenu de la petite taille du train de paquet et de l'envoi d'un unique train, l'estimation de la bande passante selon l'invention est rapide et peu intrusive et adaptée à tout type de réseau filaire ou sans-fil.
La justesse de l'estimation obtenue permet une gestion de la QoS ce qui n'est pas possible lorsque la valeur estimée est erronée. En effet, une sous-estimation conduit à une perte d'efficacité et de débit maximum offerte à un utilisateur et une sur-estimation augmente le risque de congestion. En outre, une valeur estimée erronée peut conduire à une décision mauvaise concernant la sélection d'un réseau d'accès et concernant un basculement de charge (offload selon la terminologie anglosaxonne).
Le procédé est dynamique et donc bien adapté à une variation de la charge du lien entre l'émetteur et la destination qui peut intervenir plus particulièrement quand l'émetteur et/ou la destination sont mobiles ou du fait de conditions de propagation changeantes associées au segment radio.
L'estimation de bande passante disponible peut être effectuée périodiquement ou régulièrement en fonction de paramètres.
En mesurant régulièrement et en temps réel la bande passante disponible, un procédé selon l'invention permet d'optimiser l'utilisation de la ressource. Ainsi, le procédé selon l'invention permet d'éviter une perte de paquets en allouant la bande passante de façon optimale, au plus près de la capacité réelle du lien. La capacité du lien est dimensionnée par le segment de plus faible capacité qui correspond généralement au segment radio. Même si la capacité du segment radio diminue, le procédé selon l'invention permet d'ajuster en amont, avant toute perte de paquets, l'allocation de la bande passante disponible. Le caractère dynamique permet de lutter contre les situations de saturation en adaptant l'allocation de bande passante à la bande réellement disponible, voire d'anticiper les situations de blocage. Ce procédé est donc particulièrement adapté pour un système de télécommunication dans lequel un nœud est en mouvement du fait par exemple de son installation dans un moyen de transport, ce mouvement engendrant une modification de la capacité du segment radio et donc de la bande passante disponible du lien.
Selon un mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, le débit d'envoi est constant et le modèle de régression est linéaire.
Selon un mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, le procédé comprend en outre : - une étape de détermination de la capacité effective au moyen d'un scan du segment radio ou au moyen de l'obtention d'information liée à la Qos.
Selon un mode de mise en œuvre, le nœud lié par le segment radio (destinataire ou émetteur) scanne le canal radio qui correspond au segment radio. Lors de ce scan, le nœud peut récupérer certains paramètres dont le débit maximum de transmission possible pour un schéma de modulation et de codage donné (Modulation and Coding Scheme (MCS) selon la terminologie anglosaxonne). Ce débit maximum correspond à la capacité du segment à un instant donné. Cette capacité notée CL2 est associée à un niveau 2 (couche MAC). Une valeur correspondante CL3 peut être déterminée à un niveau 3 (couche IP) en pondérant la capacité de niveau 2 CL2 par la place nécessaire à la signalisation utilisée au niveau de la couche 2 notée HL2 relativement à la taille d'un paquet au niveau 3 notée LL3. La valeur correspondante peut être obtenue par la formule suivante :
Figure imgf000013_0001
Selon un mode de mise en œuvre qui correspond au cas où c'est le nœud destinataire qui est lié par le segment radio au réseau hétérogène, le nœud destinataire transmet au nœud émetteur la valeur de capacité de niveau 3 CL3 lors d'une phase d'initialisation effectuée en TCP. La transmission de l'information est donc typiquement effectuée via le protocole TCP avant la transmission des paquets sondes en UDP.
Connaissant la capacité de niveau 3 CL3, le nœud émetteur peut déterminer un débit d'envoi du train de paquet supérieur à cette capacité.
Selon un mode de mise en œuvre qui correspond au cas ou l'émetteur ou le récepteur est un terminal mobile, le débit d'envoi est constant et fixé supérieur ou égal à un paramètre qui peut être obtenu au moyen d'une commande telle que la commande AT+CGEQNEG spécifiée dans le cadre du standard 3GPP TS 27.007. Le message de réponse à cette commande AT comprend un champ qui correspond au débit (en kbit/s) maximum en voie descendante et un champ qui correspond au débit (kbit/s) maximum en voie montante (Maximum bit rate MBR DL/UL).
De manière alternative ou complémentaire, la détermination de la capacité effective est réalisée au moyen de l'obtention d'information liée à la Qos. Lorsque les deux informations sont présentes (radio et Qos), la valeur de capacité effective Ce totale est la valeur la plus faible des deux. Selon un mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, le débit d'envoi est variable, le modèle de régression est non linéaire et l'étape d'exploitation comprend la recherche d'un point de rupture correspondant à un changement de modèle de régression, à partir des valeurs de délais reçus cumulés déterminés et des valeurs atypiques de gigue.
Selon ce mode de réalisation, le débit d'envoi varie en fonction du temps, il augmente selon un modèle choisi par l'émetteur (par exemple de façon linéaire) et à un instant donné sa valeur devient égale à la bande passante disponible. A cet instant, il y a un changement dans la transmission des paquets par le réseau puisque tant que le débit d'envoi est supérieur à la bande passante disponible, le réseau doit temporiser la transmission des paquets ; le changement correspond à la gestion de files d'attente avec l'introduction de délais dus à ces files d'attente. La courbe des délais cumulés en fonction du numéro de paquet peut être approchée par une première relation tant que le débit est inférieur à la bande passante disponible puis lors de l'introduction de délais dus aux files d'attente, le débit devenant supérieur à la bande passante disponible, la courbe doit être approchée par une seconde relation. Le basculement d'une relation à l'autre détermine un point de rupture qui correspond donc au moment où le débit devient égal à la bande passante disponible. La recherche d'un point de rupture permet d'obtenir une estimation de la bande passante disponible.
Ce mode de réalisation peut être mis en œuvre avantageusement en l'absence de connaissance de la capacité effective. Néanmoins, le paramétrage doit être tel que le débit d'envoi dépasse la bande passante disponible au cours de la transmission des N paquets. Cette condition peut être garantie par une configuration adéquate du modèle de transmission (par exemple linéaire), du pas de variation (dans le cas d'une transmission linéaire le pas est tel que sendraten=n*pas) et du nombre de paquets N transmis (dans le cas d'une transmission linéaire le débit sendrateN=N*pas doit être forcément supérieur à la bande passante disponible).
Le(s) point(s) de rupture (« breakpoint » selon la terminologie anglosaxonne) peu(ven)t être déterminé(s) au moyen de la fonction médiane et d'une méthode itérative de régression. Les méthodes itératives de régression les plus connues sont Gauss-Newton ou LMA (Levenberg-Marquardt Algorithm).
Par exemple avec l'algorithme de régression itératif LMA, le point de rupture mentionné comme premier paramètre pO à trouver par l'algorithme est également fonction de la bande passante disponible Ab. Ainsi lorsque le paquet n atteint le point de rupture pO, le débit de transmission variable Sendrate correspond à la bande passante Ab :
Sendraten=p0 = -— -—— = Ab.
tp0+l ~tp0 Le modèle de régression complet à exploiter par un algorithme de régression itératif tel que LMA, devient alors :
T(n-i) = tml edian(.2,n,Po) + (^) * (median(pO, n - 1, N) - pO)
+ "*" _ pl * (t£ 0+1 - ί' 0) * tml edian<3>0>n>N~) _ ^o) + c avec la fonction median(Xl ,x,X2) = x si x est compris dans l'intervalle [X1 ,X2] , median(Xl ,x,X2) = XI si x <X1 et median(Xl ,x,X2) = X2 si x >X2, avec le paramètre pO correspondant au point de rupture, avec le paramètre pl correspondant à Ce, avec L correspondant à la taille fixe du paquet et avec le paramètre c correspondant à une constante qui change suivant la variation des délais de latence entre les paquets n et 1 : Dn— D^. Le nombre de paramètres pO,pl ,p2,.. .pM à calculer par régression LMA dépend du nombre de changements de constantes correspondant au nombre de valeurs atypiques de gigue identifiées. Ainsi, la constante c correspond à un paramètre p(j+2) à partir de j=0, avec p(j+2) correspondant à la constante Dn— pour un segment [nl ,n2] entre deux valeurs atypiques de variation de délais de latence identifiées préalablement.
L'invention a en outre pour objet un dispositif destiné à un réseau de télécommunication, adapté pour la mise en œuvre d'un procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP à partir d'un seul train de N trames de paquets IP/UDP généré à un débit variable de transmission, pour un flux entre un nœud source et le dispositif séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens. Le flux est transporté par un réseau de télécommunication qui peut comprendre au moins un segment radio sur une partie du chemin. Le réseau peut transporter sur la totalité ou sur une partie du chemin d'autres flux IP appartenant à une même classe de service. Le dispositif comprend :
- un moyen de réception de l'unique train de N trames de paquets, une trame comprenant : un champ avec l'adresse IP du nœud source, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire, un champ associé au format d'envoi de la trame, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage dit date d'émission t'n et un champ avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train, n=l à N, la réception d'une trame n déclenchant l' association d'une valeur d'horodatage dite date de réception t au paquet n,
- un moyen de détermination de valeurs de délais reçus cumulés, à partir du deuxième paquet reçu, à réception du paquet n, avec n=2 à N : Τ(η-ι) = tn ~ t° , - un moyen d'identification de valeurs atypiques de gigue entre les délais de transmission de paquets successifs :
Jîtter(n-1) = ( n+1 ~ t-n+l) ~
Figure imgf000016_0001
~ )>
un moyen d'exploitation d'un modèle de régression non linéaire comprenant la recherche d'un point de rupture correspondant à un changement de modèle, à partir des valeurs de délais reçus cumulés déterminés et des valeurs atypiques de gigue.
L'invention a en outre pour objet un système de télécommunication pour la mise en œuvre d'un procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP à partir d'un seul train de N trames de paquets IP/UDP généré à un débit variable de transmission, pour un flux entre un nœud source et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens selon l'invention. Le système comprend :
- un nœud source et un nœud destinataire séparés par le chemin qui peut comprendre au moins un segment radio,
- un lien de transport des flux entre le nœud source et le nœud destinataire qui peut comprendre au moins un segment radio,
dans lequel le nœud destinataire comprend :
- un moyen de réception de l'unique train de N trames de paquets, une trame comprenant : un champ avec l'adresse IP du nœud source, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire, un champ associé au format d'envoi de la trame, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage dit date d'émission t'„ et un champ avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train, la réception d'une trame n déclenchant l'association d'une valeur d'horodatage dite date de réception t au paquet n,
- un moyen de détermination de valeurs de délais reçus cumulés à réception respectivement des paquets n et à partir du deuxième paquet reçu, avec n=2 à N: T{n-i = t — t°,
- un moyen d'identification de valeurs atypiques de gigue entre les délais de
Figure imgf000016_0002
transmission de paquets successifs : = — ^n+l) — (^n — )>
- un moyen d'exploitation d'un modèle de régression non linéaire comprenant la recherche d'un point de rupture correspondant à un changement de modèle, à partir des valeurs de délais reçus cumulés déterminés et des valeurs atypiques de gigue.
Selon une implémentation préférée, les étapes d'un procédé selon l'invention d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens sont déterminées par les instructions d'un programme sous forme d'un ou plusieurs modules incorporés respectivement dans des circuits électroniques telles des puces elles-mêmes pouvant être disposées dans un dispositif électronique tel un nœud. Un procédé selon l'invention d'estimation de la bande disponible peut tout aussi bien être mis en œuvre lorsque ce programme (ou ses modules) est chargé dans un organe de calcul tel un processeur ou équivalent dont le fonctionnement est alors commandé par l'exécution du programme.
En conséquence, l'invention s'applique également à un programme d'ordinateur (ou ses différents modules), notamment un programme d'ordinateur sur ou dans un support d'informations, adapté à mettre en œuvre l'invention. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable pour implémenter un procédé selon l'invention.
Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une clé USB ou un disque dur.
Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
D'autre part, le programme peut être traduit en une forme transmissible telle qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet.
Donc, l'invention a en outre pour objet un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ledit programme comportant des instructions de programme adaptées à la mise en œuvre d'un procédé selon un objet de l'invention, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans un nœud d'un système de télécommunication.
Et l'invention a en outre pour objet un support d'informations comportant des instructions de programme adaptées à la mise en œuvre d'un procédé selon un objet de l'invention, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans un nœud d'un système de télécommunication.
Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard de figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs.
La figure 1 est un schéma d'une mise en œuvre de l'invention dans un réseau à trois sauts IP établis entre deux nœuds correspondant à une configuration classique d'un réseau filaire selon le modèle de référence en couches protocolaires OSI faisant apparaître les différentes couches, lorsque ces deux nœuds sont des terminaux fixes.
La figure 2 est un schéma d'une mise en œuvre de l'invention dans un réseau à deux sauts IP établis entre deux nœuds correspondant à une configuration classique d'un réseau hétérogène comprenant un réseau mobile UMTS selon le modèle de référence en couches protocolaires OSI faisant apparaître les différentes couches, lorsque l'un des deux nœuds est un terminal mobile.
La figure 3 est un schéma d'une mise en œuvre de l'invention dans un réseau à trois sauts IP établis entre deux nœuds correspondant à une configuration classique d'un réseau hétérogène comprenant des domaines de Qos gérés par un mécanisme de tunnel IP/MPLS selon le modèle de référence en couches protocolaires OSI faisant apparaître les différentes couches, lorsque les deux nœuds sont des équipements fixes du réseau de transport.
La figure 4 est un schéma d'un exemple de réseau à trois sauts IP de capacités respectives Ci, C2, C3 et de bandes passantes disponibles respectives Ai, A2, A3, le 1er lien étant le plus étroit Ct=Ci, le 3e lien étant le plus restreint Ce=C3.
La figure 5 est un schéma illustrant les deux phases de transmission de l'outil WBest de art antérieur.
La figure 6 est un schéma illustrant la métrique OWD dans le cas d'un lien composé de cinq sauts dont les trois premiers sauts correspondent à trois segments d'un réseau filaire et les deux sauts suivants correspondent à un réseau non filaire.
La figure 7 est un organigramme des principales étapes d'un procédé d'estimation de la bande disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens.
La figure 8 est un schéma d'une trame de sonde IP/UDP et de l'horodatage effectué d'une part par le nœud émetteur NOE et d'autre part par le nœud destinataire NOD.
La figure 9 est un schéma illustrant une première réalisation d'un premier mode de mise en œuvre de l'invention selon laquelle le nœud récepteur est situé dans le réseau sans fil et selon laquelle une valeur de la capacité effective est obtenue par un scan radio.
La figure 10 est un schéma illustrant une deuxième réalisation du premier mode de mise en œuvre de l'invention selon laquelle le nœud récepteur est situé dans le réseau sans fil et selon laquelle une valeur de la capacité effective est obtenue au moyen d'une commande AT dans un contexte de gestion de QoS.
La figure 11 est un schéma d'un exemple de mise en œuvre de l'invention dans le contexte d'un routeur mobile MR installé dans un bus pour router des communications entre un passager et une entité distante.
La figure 12 est un schéma d'un exemple de structure simplifiée d'un nœud destinataire selon un objet de l'invention.
La figure 13 représente des valeurs de gigue jitter obtenues lors de l'envoi de sondes selon l'invention.
La figure 14 représente la courbe des temps cumulés de réception suite à l'envoi de sondes selon l'invention.
Les figures 15 à 17 représentent une même courbe de résultats de mesures réelles de délais reçus cumulés en fonction du numéro de paquet.
Description de modes de réalisation de l'invention
Le procédé d'estimation de la bande passante disponible selon l'invention se déroule au niveau de la couche IP. L'estimation de la bande disponible est effectuée pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens d'un réseau de télécommunication. Le réseau peut transporter sur la totalité du chemin ou sur une partie de celui-ci d'autres flux IP en concurrence. Dans les différents calculs, le procédé selon l'invention prend en compte uniquement les flux IP appartenant à une même classe de service ou appartenant à une classe supérieure. En particulier, un nœud du réseau transmet (transmission communément réalisé par la fonction de routeur IP) les paquets de ces différents flux considérés et temporise si nécessaire la transmission de ces paquets. La temporisation est effectuée au moyen d'une file d'attente unique de type FIFO (First In First Out) si le réseau ne gère pas de Qos (Quality Of Service) ou est effectuée par classe de service si la Qos est gérée. Dans ce dernier cas, différentes possibilités d'ordonnancement existent pour prioriser les files d'attente de différentes classes entre elles. Généralement, après priorisation, les files d'attente de différentes classes partagent dans tous les cas une file d'attente globale également de type FIFO. Compte tenu que les flux se rapportent à des applications qui peuvent nécessiter l'échange de données aussi bien dans un sens montant que dans un sens descendant, un nœud peut être simultanément ou alternativement émetteur et destinataire.
Par conséquent, le procédé peut être mis en œuvre indifféremment pour le sens montant et/ou pour le sens descendant. Ces flux sont transportés par le réseau de télécommunication qui peut comprendre au moins un segment radio sur une partie du chemin. Des flux provenant d'un autre nœud émetteur ou à destination d'un autre nœud destinataire peuvent être transportés par ce segment radio.
Lors d'une phase d'initialisation, les nœuds émetteur et destinataire initient une session en créant chacun une socket TCP et une socket UDP par l'attribution d'un port d'entrée/sortie. L'émetteur se connecte au destinataire en instaurant une connexion TCP en mode client/serveur. Le serveur TCP est soit l'émetteur, soit le destinataire. L'émetteur informe le destinataire du nombre N de trames IP/UDP appelées aussi sondes qu'il va lui transmettre dans la phase suivante.
Pendant cette phase de connexion en TCP, le destinataire informe l'émetteur de son aptitude à obtenir une information sur la capacité effective Ce soit au moyen d'un scan radio, soit au moyen d'information de Qos liée au maximum du débit de transmission autorisé. En fonction de son aptitude, le destinataire envoie la valeur de la capacité effective Ce à l'émetteur ou envoie une valeur nulle ou négative.
De manière optionnelle, l'émetteur peut transmettre au destinataire en TCP sa référence horaire (« NTP Référence time » du standard IETF RFC 5905 (Network Time Protocol version 4)) pour que le destinataire synchronise sur cette référence les valeurs d'horodatage qu'il attribue aux paquets de sondes reçues. Ce mode permet avantageusement d'éviter une dérive (« clock skew problem » selon la terminologie anglosaxonne) entre les horloges de l'émetteur et du destinataire.
Si l'émetteur est lui-même apte à obtenir une information sur la capacité effective Ce (par scan radio ou par information de Qos ), il compare cette valeur avec la valeur envoyée par le destinataire lors de la phase de connexion en TCP. La valeur Ce finale choisie est la plus faible des différentes valeurs. Si le nœud destinataire envoie une valeur nulle ou négative indiquant qu'il ne possède pas d'information de Ce, l'émetteur prend comme valeur finale de Ce celle qu'il a obtenu au préalable par son moyen propre. Dans tous les cas l'émetteur envoie par TCP au destinataire la valeur finale de la capacité effective Ce.
A l'issue de cette initialisation en TCP, le destinataire est prêt à recevoir des sondes. Le temps de transmission d'un paquet n transmis par un réseau filaire comportant H sauts IP peut être évalué au moyen de la métrique OWD (One Way Delay » selon la terminologie anglosaxonne) qui s'exprime généralement sous la forme : H
OWD„ = t° - t< = (Dh + qh + ^) (1)
h=l
Dans un réseau hétérogène comprenant une partie filaire (dite « wired ») et une partie non filaire (dite « wireless ») qui peut correspondre par exemple à un seul segment radio ou à un réseau maillé (dit « mesh »), le temps de transmission d'un paquet entre deux nœuds IP dans le sens de transmission, évalué au moyen de la métrique OWD peut s'exprimer sous la forme :
= OWDn(wired) + OWDn(wireless)
Figure imgf000021_0001
avec :
t° la date de réception (« output receiving time » selon la terminologie anglosaxonne), t1 la date de transmission (« input transmitting time» selon la terminologie anglosaxonne), n le numéro du paquet (« packet number» selon la terminologie anglosaxonne),
h le numéro de saut (« hop number» selon la terminologie anglosaxonne),
Hw le nombre de sauts sur la partie filaire,
H-Hw le nombre de sauts sur la partie non filaire,
D le temps de latence dépendant de la propagation du signal par le saut h (« Latency delay depending on hop h signal propagation » selon la terminologie anglosaxonne),
q le délai introduit par les files d'attente et dépendant du reste du trafic dit "cross trafic" sur le saut h en question (« Queuing delay depending on IP cross traffic of hop h» selon la terminologie anglosaxonne),
L/C le délai de transmission (« Transmission delay» selon la terminologie anglosaxonne),
L la taille du paquet (« packet size» selon la terminologie anglosaxonne),
C la capacité du saut h (« Capacity of hop h» selon la terminologie anglosaxonne).
En effet, dans un réseau filaire, la capacité C et le temps de latence D d'un saut h sont généralement constants au cours du temps. Ils ne dépendent donc pas du numéro du paquet n alors que pour un réseau non filaire, la capacité C dépend du schéma de modulation et de codage MCS (« Modulation and coding scheme » selon la terminologie anglosaxonne, (BPSK, QPSK, 16QAM,....,CRC,...)) qui est habituellement lié aux conditions radio (force du signal (« signal strength» selon la terminologie anglosaxonne), rapport signal à bruit (SINR)). En outre, le temps de latence D peut varier en fonction des variations du temps de propagation et des retransmissions de trames intervenant au niveau des couches basses (PHY/MAC). L'équation (2) est illustrée par la figure 6 dans le cas d'un lien composé de cinq sauts dont les trois premiers sauts correspondent à trois segments d'un réseau filaire et les deux sauts suivants correspondent à deux segments d'un réseau non filaire. En exploitant l'équation (2) pour les paquets n et n+l, il vient :
c to _ to _ †i _ †i , A n(fotaï) .-. (wireless) _ .-. (wireless) L L
J Ln+1 Ln — Ln+1 Ln > Lin ' un+l Un ' (wireless) {wireless)
Ln+1 Ln
(4)
Pour simplifier, la capacité C et la latence D peuvent être considérées variables dans le temps seulement pour la partie sans-fil (« wireless ») dans l'équation ci-dessus. Toutefois, un réseau uniquement filaire peut également présenter des variations de capacité C et de latence0 D, par exemple dans le cas de retransmission des couches inférieures. Par conséquent, dans la suite du document, le terme variable Dn peut donc indifféremment désigner une partie sans-fil ou une partie filaire.
Le débit d'envoi Sendrate du train de sondes peut s'exprimer sous la forme :
Sendraten = -·— ^— - lorsque la taille des paquets des sondes est fixe.
tn+l ~ tn
5 En considérant un trafic parallèle (« cross traffic ») constant de flux de même classe ou de classe supérieure partageant une même file d'attente de type FIFO, le délai d'attente total
Aq^otal^ est directement proportionnel à la bande passante disponible et au débit de transmission généré par un flux supplémentaire. Il est habituellement exprimé sous la forme suivante lorsque le débit de transmission Sendrate est supérieur à la bande passante disponible0 Ab :
Aq^tal = - (l ≥ = L f - ùl ^i +1 - tiS) (5) w Ce V Sendrate Ce V L 71+ 1 nJ J '
Le délai d'attente étant toujours positif, si le débit de transmission Sendrate est inférieur ou égal à Ab, alors Aq^tal = 0 . En effet, si la bande passante est suffisante, il n'y a pas de délai engendré par une file d'attente entre le paquet n et le paquet n+l.
5 La figure 7 est un organigramme des principales étapes du procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire.
Le procédé 1 comprend une étape 2 de réception par le nœud destinataire d'un unique train de N trames de paquets IP/UDP ou sondes, une étape 3 de détermination par le nœud0 destinataire de valeurs de délais reçus cumulés, une étape 4 d'identification par le nœud destinataire de valeurs atypiques de gigue entre les délais de transmission de paquets successifs et une étape 5 d'exploitation par le nœud destinataire d'un modèle de régression. Le nœud destinataire reçoit 2 l'unique train de N trames de paquets IP/UDP ou sondes émis à un certain débit Sendrate. Une trame illustrée par la figure 8 comprend : un champ avec l'adresse IP du nœud source @ IP Send, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire© IP Receiv, un champ associé au format d'envoi de la trame UDP, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage TimSend dit date d'envoi tn et un champ N° avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train (avec n variant de 1 à N) ainsi qu'un champ optionnel Opt.DataPayload qui contient par exemple des données de bourrage pour atteindre la taille MTU. Le paquet de taille L appelé sonde est donc encapsulé dans un paquet de format typiquement UDP et inséré dans une trame IP. Le champ d'horodatage TimSend est renseigné de la date d'envoi par le nœud émetteur NOE lors du passage de la trame IP à la couche basse, c'est-à-dire typiquement à la couche de niveau 2 dite MAC (Media Access Control). La réception par le nœud destinataire NOD d'une trame n déclenche l'association d'une valeur d'horodatage dite date de réception fn au paquet n contenu dans la trame n.
La détermination 3 par le nœud destinataire des valeurs de délais reçus cumulés s'effectue à réception des paquets. Les valeurs de délais reçus cumulés sont calculées et enregistrées à partir du paquet reçu n=2 et jusqu' au paquet reçu n=N.
Le délai reçu cumulé s'exprime par la relation :
k=n-l
7(n-l) = ^ (ffe+l— tfe) = * i — ^1
fc=l
Les délais reçus cumulés peuvent être approchés (« curve fitting » selon la terminologie Anglo-Saxonne) par un modèle de régression qui tient compte d'un délai d'envoi cumulé. Le modèle utilisé pour la régression découle des équations (4) et (5). La courbe des délais reçus cumulés est ainsi approchée à partir du deuxième paquet n=2, par la relation suivante :
Γ(η_1} = ( ) * ( - 1) + * - t[) + Dn - D1
(7)
avec Ab la bande passante disponible, Ce la capacité effective et Dn et les temps de propagation variables respectivement des paquets n et n=l. L'expression (7) est obtenue à partir des équations (4) et (5) en considérant que la capacité variable Cn des segments est constante sur la fenêtre temporelle considérée correspondant à la transmission du train de paquets IP/UDP. Sur cette fenêtre, le schéma de modulation et de codage MCS est considéré donc comme inchangé. Ceci est vérifié pour un train avec un faible nombre N de paquets IP.
Le terme Dn— peut être approché par une constante lorsque les temps de latence Dn sont proches sur un intervalle considéré. Par exemple entre le paquet n=2 et le paquet n=8 les différences Dn— peuvent être sensiblement égales. Par contre, la constante change dès qu'une retransmission a lieu au niveau des couches basses ou suite à tout autre délais supplémentaire significatif, entre un paquet IP (n) et le paquet IP suivant (n+1).
L'étape 4 d'identification par le nœud destinataire de valeurs atypiques de gigue entre les délais de transmission de paquets successifs permet d'identifier des points de changement de constante. Cette identification peut être réalisée par une méthode d'identification des points anormaux (atypiques) des valeurs de gigue (« jitter » selon la terminologie Anglo-Saxonne) telle que la méthode de la boîte à moustaches («Box plot » selon la terminologie Anglo- Saxonne).
Le procédé selon la méthode de la boite à moustaches consiste à trier tout d'abord les données par ordre croissant pour ensuite déterminer la valeur du premier quartile (noté Ql) et du 3e quartile (noté Q3). Le procédé détermine le second quartile qui correspond à la médiane, puis cherche la médiane de la première moitié des données qui correspond au 1er quartile. Le procédé cherche ensuite la médiane de la seconde moitié des données qui correspond au troisième quartile. Le procédé détermine ensuite l'écart inter-quartile : E=Q3-Q1. Les valeurs anormales ou atypiques sont celles qui sont en dehors des bornes inférieures et supérieures identifiées par :
- LIF=Q1-1.5*E
- UIF=Q3+1.5*E
- (LIF pour "lower inner fence" et UIF pour "Upper inner fence"). - Les valeurs de gigue Jittern sont définies pour un paquet n variant de n=2 à N par la relation suivante :
Jitter^ = 0WDn+1 - 0WDn = (t°+1 - tn l +1) - (t° )
= àq al + Dn+1 - Dn
Les délais d'attente
Figure imgf000024_0001
génèrent pas de variation forte contrairement aux délais de latence D qui peuvent varier subitement suite à une retransmission. Ainsi dès qu'une valeur de gigue devient « anormale » suivant la méthode de la boite à moustaches, la constante égale au terme Dn— change. Cette constante est alors utilisée pour la régression selon l'équation (7).
Ainsi lors de l'étape 4, l'observation des valeurs de gigue par la méthode de la boite à moustache permet de connaître le nombre de changement de constantes et d'identifier le moment où la constante change. Par exemple si la valeur de gigue pour n=6 est anormale suivant la méthode de la boite à moustaches, alors la constante utilisée pour la régression avec l'expression (7) change à partir de n=6.
Le nœud destinataire exploite 5 un modèle de régression appliqué aux délais reçus cumulés selon la relation (7). La régression (appelée aussi ajustement de courbe ou « curve fitting » selon la terminolgie Anglo-Saxonne) utilisée permet de déterminer les coefficients de la relation (7) qui minimisent l'erreur au sens des moindres carrés entre les points issus du calcul de la relation et les valeurs réelles des délais reçus cumulés T(n.rj .
L'équation (7) se simplifie selon que le débit de transmission Sendrate est constant ou variable.
Selon un premier mode de mise en œuvre, le débit de transmission Sendrate est constant et l'équation (7) peut s'exprimer sous la forme :
T(n-i) = a * (n - l) + Dn - D1 (8)
L (C + sendrate— Ai,)
avec a = — ;
Ce sendrate
L'étape 4 permet de déterminer à quel moment la constante Dn— change.
L'équation (8) caractérise donc une régression linéaire par morceaux avec des points de changement de segments de droite identifiés lors de l'étape 4.
Ainsi les différentes valeurs de la pente « a » et de la constante peuvent être déterminées par régression linéaire réalisée par la méthode des moindres carrés sur les segments de droite délimités par deux points de rupture (i.e. lors d'un changement de constante). Par exemple, si des valeurs atypiques de gigue sont identifiées à n=9 et n=19, alors une régression linéaire est réalisée sur l'intervalle de n=2 à n=8, sur l'intervalle de n=9 à n=18 et enfin sur l'intervalle de n=19 à N. A chaque segment de droite correspond une valeur de pente « a » et une constante obtenues par régression linéaire. La valeur « a » à considérer dans le calcul final peut être pondérée et moyennée entre les différentes valeurs de « a » correspondant aux différents segments de droite. Selon ce mode de réalisation, le débit de transmission Sendrate est constant et l'information de la capacité effective Ce est connue au préalable. Ab peut être déduit à partir du coefficient « a » de la pente de la droite (éventuellement pondéré et moyenné suivant les derniers segments de droites) :
Ab = Ce(l — ^ sendrate) + sendrate
Selon un deuxième mode, le débit de transmission est variable et dépasse la bande passante disponible à un moment donné lors de l'envoi des N paquets composant le train. La régression peut être résolue par une méthode itérative telle que LMA (Levenberg-Marquardt Algorithm) [Ref2]. L'algorithme de Levenberg-Marquardt permet d'obtenir une solution numérique au problème de minimisation d'une fonction qui n'est pas obligatoirement non linéaire et qui dépend de plusieurs variables. L'algorithme interpole l'algorithme de Gauss- Newton et l'algorithme du gradient. L'application principale de LMA est généralement la régression via la méthode des moindres carrés : étant donné un certain nombre de paires de données (th yi), le procédé cherche le paramètre a de la fonction
Figure imgf000026_0001
tel que la somme des carrés des déviations soit minimale :
ni
Figure imgf000026_0002
Si le débit de transmission est trop faible et ne dépasse pas Ab alors le délai d' attente
Aq^°taV> exprimé selon l'équation (5) est nul et l'expression du délai cumulé de réception T(n. i) devient :
Γ(η_1} = ( - t[) + Dn - D (9)
Lorsque le débit de transmission est variable, le procédé détermine le point de rupture auquel correspond un changement de modèle entre l'équation (9) et l'équation (7). En effet, le point de rupture mentionné comme premier paramètre pO à déterminer par l'algorithme de régression itératif LMA, est également fonction de la bande passante disponible Ab. Ainsi lorsque le paquet n atteint le point de rupture pO, le débit de transmission variable Sendrate correspond à la bande passante disponible Ab :
Sendraten=p0 = -— -—— = Ab
Le modèle de régression complet à exploiter par un algorithme de régression itératif tel que LMA, devient alors : T(n-1) — ^ medi
Figure imgf000027_0001
avec la fonction median(Xl,x,X2) = x si x est compris dans l'intervalle [X1,X2], median(Xl,x,X2) = XI si x <X1 et median(Xl,x,X2) = X2 si x >X2, avec pO le paramètre correspondant au point de rupture, avec pl le paramètre correspondant à Ce, avec L la taille fixe du paquet et avec c la constante qui change suivant la différence Dn— .
Le nombre de paramètres pO,pl,p2,...pM à calculer par régression LMA dépend du nombre de changements de constantes identifiés lors de l'étape 4. Ainsi, la constante c correspond à un paramètre p(j+2) à partir de j=0, avec p(j+2) correspondant à la constante
Dn— pour l'intervalle [nl,n2] entre deux valeurs atypiques de gigue pour le paquet ni et le paquet n2 identifiées lors de l'étape 4.
Ainsi, la détermination des paramètres optimaux par régression LMA permet de déterminer la capacité effective Ce=pl et la bande passante disponible Ab :
Figure imgf000027_0002
Selon un mode de réalisation particulier du premier mode illustré par la figure 9, le procédé 1 comprend en outre :
- une étape de détermination de la capacité effective au moyen d'un scan du segment radio.
Ce mode est plus particulièrement adapté aux cas où un des deux nœuds émetteur ou destinataire est mobile et lorsque le lien radio est considéré comme étant celui de plus faible capacité. Ce nœud mobile est donc connecté selon une liaison sans fil dite radio. Ce nœud peut trouver le débit maximum de transmission possible au niveau de la couche physique au moyen d'un scan de son environnement sans fil. Ce débit peut être assimilé à la capacité effective pour un schéma MCS (Modulation Code Scheme) donné.
Cette information peut être statique, elle correspond à un maximum physique. Toutefois, l'obtention par un scan radio dépend de l'autorisation du constructeur à accéder à cette information. Par exemple, un terminal de type HSDPA (« High-Speed Downlink Packet Access» selon la terminologie anglosaxonne) de catégorie 10 peut transporter au maximum 10 codes HS-DSCH avec une modulation 16-QAM, donnant lieu à un débit maximum théorique de 7,2 Mbits/s au niveau de la couche physique. L'information de scan radio peut être dynamique et donc plus rigoureuse. L'obtention du débit dépend également de l'autorisation d'accès à cette information et se fait selon des commandes propres au constructeur et à la technologie sans-fil utilisée. Par exemple, dans un environnement avec une transmission non filaire de type WiFi, relatif à un des standards de la famille IEEE802.i l (802.11a/b/g...), le nœud peut obtenir une information du maximum de débit possible sur la liaison WiFi suivant le « data rate » utilisé: 54Mbits/s, 27Mbits/s...6Mbits/s.
Donc selon ce mode, le nœud émetteur émet le train de paquets avec un débit constant supérieur à la capacité effective préalablement déterminée. Lorsque le scan n'est pas effectué par le nœud émetteur mais par le nœud destinataire, ce dernier communique au nœud émetteur la valeur obtenue lors du scan.
Selon un autre mode de réalisation particulier du premier mode illustré par la figure 10, le procédé 1 comprend en outre :
- une étape de détermination de la capacité effective au moyen d'une information de Qos.
Ce mode est plus particulièrement adapté à un réseau hétérogène qui pratique une gestion de la QoS et pour lequel le lien le plus étroit est situé dans le réseau gérant la Qos. La capacité effective peut être assimilée au débit maximum MBR (« Maximum bit rate ») autorisé par le réseau gérant la Qos. Un des nœuds peut obtenir la valeur MBR négociée et attribuée par l'opérateur du réseau. Par exemple, dans le cas d'un réseau cellulaire de type GSM ou UMTS, ce débit MBR peut être obtenu au moyen d'une commande AT du standard 3GPP TS 27.007. La commande AT+CGEQNEG permet d'obtenir le débit MBR (kbits/s) autorisé et inclus dans le message « Activate PDP Context Accept ».
Selon ce mode, le nœud émetteur émet le train de paquets avec un débit constant supérieur à la capacité effective préalablement déterminée. Lorsque l'information de Qos n'est pas accessible directement par le nœud émetteur, le nœud destinataire communique au nœud émetteur la valeur obtenue de Qos.
Si la capacité effective ne peut être obtenue ni par scan radio, ni par information Qos alors le débit de transmission Sendrate du train de N paquets IP/UDP est variable, par exemple de façon linéaire.
Par contre, si l'information de capacité effective est accessible par au moins l'un des deux nœuds émetteur et destinataire, le débit de transmission du train de N paquets IP/UDP peut être constant, en considérant que l'information de cette capacité effective est fiable. Dans le cas où plusieurs informations de capacité effective Ce sont disponibles, la plus faible valeur de Ce est choisie par le nœud émetteur. Dans le cas où la capacité la plus faible est déterminée par le nœud émetteur, l'information de la capacité Ce est communiquée en TCP au destinataire avant la transmission des paquets IP/UDP.
Le destinataire peut déterminer le débit d'envoi en extrayant des sondes reçues la date d'envoi : (én - t[).
Le procédé est dynamique car la détermination de la bande passante disponible est réactualisée soit périodiquement, soit de manière déclenchée. Si la bande passante disponible se réduit du fait de modifications d'utilisation du canal radio, l'estimation de la bande passante disponible diminue. Chaque détermination de bande passante disponible ne nécessite qu'un unique train de N trames de sondes.
Selon un mode de réalisation, entre deux déroulements successifs du procédé, la détection d'un événement particulier (par exemple un changement de cellule d'un nœud d'extrémité) génère un message d'alerte qui va déclencher une nouvelle estimation de la bande passante disponible. Après ce déclenchement, les estimations peuvent reprendre avec une même périodicité.
La figure 11 représente schématiquement un exemple de mise en œuvre de l'invention dans le contexte d'un routeur mobile MR installé dans un bus pour router des communications entre un passager USER et une entité distante VS.
Le système de télécommunication comprend un point d'accès AP et le routeur mobile MR embarqués dans le bus, plusieurs points d'accès API, AP2,... disposés le long du trajet du bus, un routeur d'accès AR, un équipement de réseau EA connecté au routeur d'accès AR et un serveur vidéo VS accessible via le routeur d'accès AR.
Le nœud émetteur correspond au routeur mobile MR. Le nœud destinataire correspond à l'équipement de réseau EA dans lequel est implémenté un agent mère HA (« Home Agent » selon la terminologie anglosaxonne) en référence à un standard de gestion de la mobilité par des mécanismes IP, tels que MobilelP(MIP). L'agent mère HA connaît en permanence le réseau d'accès à travers lequel il est possible de joindre le routeur mobile MR. Le nœud émetteur et le nœud destinataire sont séparés par un lien qui comprend un segment radio entre le routeur mobile et un point d'accès disposé le long du trajet. Ce lien permet le transport des flux entre le nœud émetteur et le nœud destinataire. Le trafic issu et à destination du routeur mobile MR transite en totalité par l'agent mère HA. Le routeur mobile MR est un équipement installé dans un moyen de transport (bus, TGV, etc) qui permet aux utilisateurs, les voyageurs à bord et les applications métiers liées au transport en commun, d'accéder aux services du réseau au sol.
Le procédé d'estimation de la bande passante disponible selon l'invention est mis en œuvre lors de l'exécution de deux modules B, A logiciels respectivement implémentés dans le nœud source et le nœud destinataire, selon l'exemple le routeur mobile MR et l'équipement de réseau. S 'agissant d'estimation de la bande passante disponible pour des flux associés à des communications généralement bidirectionnelles, chaque nœud est simultanément ou alternativement source et destinataire. Le module A implémenté avec l'agent mère HA dans le nœud destinataire assure l'estimation de la bande passante disponible pour le trafic en sortie du nœud émetteur, le routeur mobile, vers l'équipement de réseau, pour le sens montant (« up »). Symétriquement, le module B implémenté dans le routeur mobile MR assure l'estimation de la bande passante disponible du trafic en sens inverse, c'est-à-dire pour le sens descendant (« down »).
Chacun des modules A, B peut gérer une file d'attente FIFO (abréviation des termes anglo saxons First In First Out) vers laquelle sont aiguillés les flux de trafic d'une même classe de service, cet aiguillage s'appuie par exemple sur des caractéristiques définies par un modèle d'architecture de classification tel que « Differentiated Services ». Ce modèle d'architecture réseau « Differentiated Services » définit comment classer et contrôler le trafic IP pour assurer la QoS. Cette architecture est détaillée principalement dans deux Appel à Commentaires RFC (« Requests For Comments ») le RFC 2474 et le RFC 2475 émis par la communauté internationale IETF (The Internet Engineering Task Force).
La file reçoit par exemple les trafics VoIP ou Vidéo ou Best Effort (trafic au mieux) ou Background (trafic de fond) provenant des différents passagers.
En cas de gestion d'une file d'attente, chaque module A, B comprend un gestionnaire de la file d'attente qui extrait les paquets de la file d'attente à un certain débit.
Pour utiliser de manière efficace le lien compte tenu de sa capacité qui peut être fluctuante, les modules A, B estiment dynamiquement en temps réel la bande passante disponible sur le lien pour les flux à destination de l'équipement de réseau EA, respectivement à destination du routeur mobile et transmettent les paquets à un débit correspondant à la bande passante disponible estimée.
La bande disponible est estimée de bout en bout, elle est équivalente à la bande du segment le plus étroit comme illustré par la figure 4 qui correspond selon l'exemple illustré par la figure 11 au segment radio WiFi entre le routeur mobile MR et un des points d'accès API, AP2,... Chaque module A, B estime la bande disponible entre les nœuds EA et MR dans le sens montant, respectivement descendant, au moyen d'un procédé selon l'invention.
L'algorithme d'estimation de bande passante disponible se déroule suite à l'ouverture d'une connexion TCP entre les nœuds d'extrémité EA et MR.
En fonction du sens, descendant ou montant, le nœud émetteur EA ou MR émet à un certain débit un signal composé d'un unique train de N trames de sondes.
Dans une première étape, le nœud destinataire réceptionne l'unique train de N trames de sondes. Le nœud destinataire associe à chaque trame n reçue une valeur d'horodatage dite date de réception t du paquet n de la trame n, n=l à N.
Dans une deuxième étape, le nœud destinataire détermine pour chaque paquet n reçu à partir du deuxième paquet n=2, une valeur d'un délai reçu cumulé en calculant l'expression :
Dans une troisième étape, grâce à la méthode de la boite à moustache, le nœud destinataire identifie les valeurs atypiques de gigue Jitter définies par :
Jitter(n-1) = (^n+l— t-n+l) ~ ( -n ~ ) ce qui permet d'identifier les changements des valeurs de la constante Dn— pour un intervalle donné.
Dans une quatrième étape, le nœud destinataire exploite un modèle de régression entre les délais reçus cumulés déterminés lors de la deuxième étape, en fonction d'un délai d'envoi cumulé et la relation (7).
L'exploitation d'un modèle de régression permet de déterminer les coefficients de la relation (7) qui minimisent l'erreur au sens des moindres carrés entre les points déterminés au moyen de la relation (7) et les valeurs des délais reçus cumulés pour le même délai d'envoi cumulé.
Connaissant la bande passante disponible en sens descendant, respectivement en sens montant, le gestionnaire de la file d'attente adapte le débit d'envoi en sortie du nœud.
La figure 12 est un schéma d'un exemple de structure simplifiée d'un nœud destinataire NOD apte à estimer la bande disponible selon l'invention, destiné à un réseau de télécommunication qui comprend au moins un nœud émetteur et un nœud destinataire. Ces nœuds sont séparés par un lien qui comprend au moins un segment radio sur une partie du lien. Dans l'exemple de mise en œuvre illustré par la figure 11, le nœud destinataire est soit le routeur mobile MR, soit l'équipement de réseau qui héberge l'agent mère HA dans leur fonction de nœud destinataire.
Le nœud destinataire NOD est adapté en ce qu'il comprend :
- un moyen de réception (BUF) d'un unique train de N trames de paquets
IP/UDP appelés sondes émises à un certain débit (sendrate),
- un moyen μΡ de calcul de la bande passante disponible Ab pour un flux entre le nœud source et le nœud destinataire en calculant des délais reçus cumulés dynamiquement en temps réel à partir des paquets reçus d'un train de N trames de paquets IP/UDP émis par le nœud source,
- un moyen μΡ pour remonter au nœud source, la valeur de bande estimée Ab. Le moyen de réception (BUF) d'un unique train de N trames de paquets IP/UDP à un certain débit (sendrate) est typiquement un espace mémoire qui peut être un buffer, une RAM, etc.
Le moyen μΡ pour estimer la bande passante disponible est typiquement un moyen programmable, par exemple un microprocesseur micro programmé pour horodater les sondes reçues émises par le nœud source, pour calculer en temps réel les délais reçus cumulés, pour identifier des valeurs atypiques de gigue entre les délais de transmission des paquets successifs et pour effectuer la régression à partir des délais reçus cumulés en fonction d'un délai d'envoi cumulé connaissant les valeurs atypiques de gigue. Le moyen μΡ pour remonter au nœud source la valeur de bande disponible est typiquement le même moyen programmable que le précédent mais en outre micro programmé spécifiquement pour remonter au nœud source la valeur de bande disponible estimée.
Le nœud destinataire NOD est ainsi adapté pour mettre en œuvre un procédé d'estimation de la bande passante disponible selon l'invention.
La figure 13 représente des valeurs de gigue (jitter) obtenues lors de l'envoi de sondes selon l'invention. Selon la méthode de la boite à moustache (Box plot), deux seuils sont déterminés : LIF (Lower Inner Fence) et UIF (Upper Inner Fence). Trois valeurs en dehors de ces limites sont identifiés comme atypiques ou anormales avec leur valeur de numéro de paquet correspondant.
La figure 14 représente la courbe des temps cumulés de réception suite à l'envoi de sondes selon l'invention suivant le même exemple que celui illustré par la figure 13. Dans cet exemple, un trafic existant (cross trafic) de type UDP est généré à un débit constant de 60 Mbits/s, partageant un même lien filaire de type Fast Ethernet 100BASE-TX. Les mesures réelles de délais reçus cumulés sont interpolées au moyen de la régression non linéaire LMA. Le calcul des coefficients minimisant l'erreur des moindres carrés permet directement de déterminer la capacité effective Ce et le point de rupture (breakpoint). Ce dernier permet de trouver la bande passante Ab selon la description qui précède de la présente invention. Un changement de constante intervient aux mêmes numéros de paquets ayant des valeurs de gigue atypiques, préalablement identifiées et illustrées à la figure 13.
Les figures 15 à 17 représentent une même courbe de résultats de mesures réelles de délais reçus cumulés en fonction du numéro n de paquet (x=n-l). La courbe peut être interpolée par une régression linéaire par morceaux avec un changement permettant de déterminer les deux coefficients des pentes de droites. Le calcul de Ab en découle suivant la description qui précède, sachant que la capacité Ce doit être connue.
[Ref 1] : M. Li, M. Claypool, and R. Kinicki. WBest: a bandwidth estimation tool for IEEE 802.11 wireless networks. In Proc. of IEEE LCN, 2008.
[Ref2] : K Madsen, H B Nielsen, O Tingleff: Methods for non-linear least squares problems. (2004).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (1) d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens, ce flux étant transporté par un réseau de télécommunication qui peut comprendre au moins un segment radio sur une partie du chemin, le réseau pouvant transporter sur la totalité ou sur une partie du chemin d'autres flux IP, à partir d'un seul train de N trames de paquets IP/UDP généré à un certain débit de transmission, le procédé comprend :
- une étape (2) de réception par le nœud destinataire de l'unique train de N trames de paquets, une trame comprenant : un champ avec l'adresse IP du nœud émetteur, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire, un champ associé au format d'envoi de la trame, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage dit date d'émission tn l et un champ avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train, n=l à N, la réception d'une trame n déclenchant l'association d'une valeur d'horodatage dite date de réception t au paquet n,
- à partir du deuxième paquet reçu, une étape (3) de détermination par le nœud destinataire de valeurs de délais reçus cumulés à réception du paquet n, avec n=2 à N : 7, („_1-) = t°— t° ,
- une étape (4) d'identification par le nœud destinataire de valeurs atypiques de gigue Jittern entre les délais de transmission de paquets successifs, Jitter^n_^ = (t^+i — tn+l) —
(t° - t1 λ
- une étape (5) d'exploitation par le nœud destinataire d'un modèle de régression appliqué aux délais reçus cumulés en fonction d'un délai d'envoi cumulé prenant en compte les valeurs atypiques de gigue.
2. Procédé (1) d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire selon la revendication 1, dans lequel le débit d'envoi est constant et le modèle de régression est linéaire.
3. Procédé (1) d'estimation de la bande passante disponible selon la revendication 2 comprenant en outre :
une étape de détermination de la capacité effective au moyen d'un scan du segment radio ou au moyen de l'obtention d'information liée à la Qos.
4. Procédé (1) d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud émetteur et un nœud destinataire selon la revendication 1, dans lequel le débit d'envoi est variable et le modèle de régression est non linéaire et dans lequel l'étape (5) d'exploitation comprend la recherche d'un point de rupture correspondant à un changement de modèle de régression, à partir des valeurs de délais reçus cumulés déterminés et des valeurs atypiques de gigue.
Dispositif (NOD) destiné à un réseau de télécommunication, adapté pour la mise en œuvre d'un procédé d'estimation de la bande passante disponible Ajj au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud source et le dispositif séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens, ce flux étant transporté par un réseau de télécommunication qui peut comprendre au moins un segment radio sur une partie du chemin, le réseau pouvant transporter sur la totalité ou sur une partie du chemin d'autres flux IP, à partir d'un seul train de N trames de paquets IP/UDP généré à un certain débit sendrate de transmission, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend :
- un moyen de réception (BUF) de l'unique train de N trames de paquets, une trame comprenant : un champ avec l'adresse IP du nœud source, un champ avec l'adresse IP du nœud destinataire, un champ associé au format d'envoi de la trame, un paquet de taille L comprenant un champ d'horodatage dit date d'émission tn l et un champ avec le numéro n du paquet correspondant au numéro n de la trame dans le train, n=l à N, la réception d'une trame n déclenchant l'association d'une valeur d'horodatage dite date de réception t au paquet n,
- un moyen de détermination (μΡ) de valeurs de délais reçus cumulés à réception respectivement des paquets n et à partir du deuxième paquet reçu, avec n=2 à N : 7(n-i) = t — t°
- un moyen d'identification (μΡ) de valeurs atypiques de gigue Jittern entre les délais de transmission de paquets
Figure imgf000035_0001
— )»
- un moyen d'exploitation (μΡ) d'un modèle de régression appliqué aux délais reçus cumulés en fonction d'un délai d'envoi cumulé prenant en compte les valeurs atypiques de gigue, pour obtenir une estimation de la bande passante.
Dispositif (NOD) selon la revendication 5 dans lequel le débit sendrate est constant et dans lequel le moyen d'exploitation (μΡ) applique un modèle de régression linéaire aux délais reçus cumulés approximés par la relation Tx = (Zj + b par segment i identifié par deux valeurs successives de valeurs atypiques de gigue avec ; la pente et bi la valeur à l'origine du segment i pour obtenir une estimation de la bande passante à partir de l'expression : Ab = Ce (l— +
Figure imgf000035_0002
sendrate avec Ce la capacité effective, a étant déterminée à partir des valeurs a^ .
Dispositif (NOD) selon la revendication 5, dans lequel le débit (sendrate) est variable et dans lequel le moyen d'exploitation (μΡ) applique un modèle de régression non linéaire et comprend la recherche d'un point de rupture correspondant à un changement de modèle, à partir des valeurs de délais reçus cumulés déterminés et des valeurs atypiques de gigue, pour obtenir une estimation de la bande passante.
8. Système de télécommunication (SYS) pour la mise en œuvre d'un procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud source et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend :
un nœud source (NOS) et un nœud destinataire (NOD) séparés par le chemin qui peut comprendre au moins un segment radio,
dans lequel le nœud destinataire (NOD) est selon la revendication 6.
9. Système de télécommunication (SYS) pour la mise en œuvre d'un procédé d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud source et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend :
un nœud source (NOS) et un nœud destinataire (NOD) séparés par le chemin qui peut comprendre au moins un segment radio ,
un lien de transport des flux entre le nœud source et le nœud destinataire qui peut comprendre au moins un segment radio,
dans lequel le nœud destinataire (NOD) est selon la revendication 7.
10. Programme d'ordinateur sur un support d'informations, ledit programme comportant des instructions de programme adaptées à la mise en œuvre d'un procédé (1) d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud source et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans le nœud destinataire d'un système de télécommunication.
11. Support d'informations comportant des instructions de programme adaptées à la mise en œuvre d'un procédé (1) d'estimation de la bande passante disponible au niveau de la couche IP pour un flux entre un nœud source et un nœud destinataire séparés par un chemin composé d'un ou plusieurs liens selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans le nœud destinataire d'un système de télécommunication.
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