Projet : ReMaP

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Sous-sections


   
Réseaux haut débit et calcul coopératif



Participants : Alice Bonhomme, Laurent Lefèvre, Congduc Pham, Loïc Prylli, Nicolas Schabanel, Bernard Tourancheau, Stéphane Ubéda.

Mots clés : réseaux à haut débit, applications coopératives multimédia, protocoles SAN, protocoles LAN, simulation de réseaux, téléphonie mobile .

Résumé :

Cette partie résume nos travaux récents concernant les protocoles pour les réseaux à haut-débit (notamment autour du logiciel BIP). Nous décrivons également nos résultats en algorithmique pour la téléphonie mobile.

Contexte scientifique

La convergence du transport de l'information vers le tout numérique met en exergue les limitations actuelles des réseaux. Un même support doit maintenant être capable de fournir un fort débit et un temps de réponse très court pour des applications coopératives ou de transfert très diverses et nécessitant donc des services réseaux très différents. Les flux de ces informations numériques structurées peuvent ainsi contenir et mélanger des informations d'image, d'image animée, de vidéo, de son, de contrôle/commande temps-réel, de gestion, de calcul parallèle, de simulation, de méta-computing, de base de données, etc. L'explosion de l'utilisation de l'Internet grâce à la technologie du Web a exacerbé les limitations des infrastructures existantes en longue distance (RNIS, X25, Frame Relay) comme en local (Ethernet).

Très liée à la technologie des matériels du support et poussée par cette demande croissante de performance, l'informatique des réseaux locaux (LAN) s'est développée très récemment. Elle est maintenant fertilisée par les apports de l'informatique du parallélisme et dynamisée par la demande des utilisateurs finaux (Internet, Intranet, applications coopératives de méta-computing ou de visioconférence par exemple). Cette évolution de la demande en performance lors du transfert de données se conjugue avec une évolution de la demande en services spécifiques liés aux caractéristiques des flux (gigue, temps réel, synchronisation, etc.). Le transport de données structurées, complexes et de grande taille (images, vidéo, appareillage de mesure, simulation, etc.) préfigure le futur proche avec l'avènement de la réalité virtuelle, du 3D et de la très haute définition. Bien heureusement, l'avancée des recherches en optique et électronique permet de suivre cette évolution. Mais qu'en est-il des logiciels d'interface et de contrôle des réseaux?

Notre recherche trouve actuellement son cadre dans les logiciels de support, d'interface et de protocole des réseaux locaux, où l'émergence des réseaux très haut débit est un phénomène nouveau. Si la recherche concernant les protocoles pour les réseaux longue distance est assez importante, les réseaux système et locaux que nous étudions n'ont pas fait l'objet des mêmes investigations. La recherche actuelle au niveau logiciel, qui est notre point fort, en est à ses balbutiements. Depuis la mise en place des LAN Ethernet, la technologie des matériels réseaux a franchi deux ordres de grandeur en peu de temps et beaucoup d'espaces de recherche se sont créés car les véritables goulots d'étranglement des transferts sont, côté logiciel, les protocoles actuels et, côté matériel, les bus périphériques des machines.

Les limites physiques de la performance en débit des réseaux optiques (100 Tbit/s) sont encore très éloignées de la technologie actuelle (Gbit/s), même si des prototypes sont déjà prometteurs (Tbit/s). Une simple projection à court terme montre que la fréquence des réseaux sera plus élevée que celle des processeurs. D'ailleurs, le croisement des courbes de performance en terme de débit pour les réseaux et d'opérations par seconde pour les processeurs est en cours aujourd'hui. On peut donc imaginer le développement de nos thèmes de recherches à l'avenir car la communauté aura besoin d'analyser et de comprendre l'interaction entre fonctionnement des réseaux et les applications utilisatrices, d'optimiser les protocoles et leurs interfaces avec les systèmes d'exploitation, de créer de nouvelles fonctionnalités délocalisées pour utiliser au mieux nos systèmes fortement interconnectés.

Objectifs

Notre point de vue de recherche est avant tout celui de l'amélioration des performances globales des réseaux, c'est-à-dire du point de vue de l'utilisateur, par une meilleure compréhension des architectures et des services nécessaires (modélisation, simulation), des implantations efficaces et une bonne connaissances des applications utilisatrices de ces services pour déterminer au mieux leurs besoins critiques. Notre credo est donc le suivant.

Étudier le chemin critique des données et les goulots d'étranglement qui limitent la performance. Il faut donc une vision orthogonale de la conception de protocoles centrée sur la non recopie des données et la diminution des délais logiciels.
Pour la performance, il est difficile d'être généraliste. Il faut donc tenir compte des catégories de flux transportés et du type d'application.
Nous développons nos recherches sur les deux axes correspondants : En quelque sorte, nous souhaitons donner à l'utilisateur l'accès à la vraie performance des réseaux.

Protocoles LAN haut débit

La technologie des réseaux informatiques haut débit en LAN synthétise beaucoup des caractéristiques du parallélisme et certains matériels en sont directement issus : haut débit, commutation de paquets, processeur de communication intelligent placé sur la carte interface et disposant de fonctionnalités DMA. Notre but a donc été d'intégrer nos compétences issues du parallélisme (redistribution de données, simulation distribuée de réseaux, monitoring d'exécution et de communications, algorithmique des communications, techniques pipeline, pour obtenir les meilleurs résultats possibles au niveau du transfert de données dans les couches basses des protocoles.

Notre recherche a donné ses premiers résultats avec des travaux sur l'AAL5 d'ATM qui ont permis de fournir une interface pour le parallélisme et une évaluation assez critique de cette technologie pour les LAN. Notre intérêt s'est ensuite tourné vers des matériels plus performants, moins chers et beaucoup plus ouverts. Nos premiers résultats dans le domaine des réseaux à haut débit de type Myrinet ont été obtenus avec un ensemble de logiciels ultra-performants pour le firmware des cartes réseaux et le pilotage de celles-ci au niveau système. Ces logiciels BIP, Basic Interface for Parallelism, ont eu un franc succès en donnant aux utilisateurs l'accès aux performances remarquables des réseaux de type Myrinet aussi bien en latence ( < 5 $ \mbox{$\mu$s}$) qu'en débit réel ( > 1Gb/s). La base des travaux est constituée par une modélisation de la plate-forme cible et des pipelines logiciels de l'architecture réseaux. Cela permet permet d'envisager l'extension des recherches avec l'évolution des logiciels et des supports.

A partir de l'interface BIP, de type envoi/réception, nous avons maintenant construit une interface pour le standard MPI, implanté dans MPICH, que nous appelons MPI-BIP. Cette interface propose l'accès a un très grand nombre de fonctions de communication et implante la segmentation et le contrôle de flux tout en restant très performante avec une latence ( < 10 $ \mbox{$\mu$s}$) et un débit réel ( > 1 Gb/s).

De la même manière, nos premiers travaux sur le protocole généraliste IP ont donné le pilote IP-BIP pour le support IP sous Linux. L'implantation s'est montrée très fiable tout en amenant les paramètres de performances dans le très haut débit : latence (< 70$ \mu$s) et débit réel ( < 400Gb/s).

Ces travaux nous ont amenés à des collaborations universitaires très nombreuses et fructueuses (ORNL-UTK, Berkeley, Gênes), à supporter un grand nombre d'utilisateurs (plus de 150 sites installés), ainsi qu'à deux collaborations industrielles, avec MS&I pour la suite BIP et les flux multimédia et avec Myricom pour l'ensemble des travaux BIP.

Support d'applications coopératives

Nous débutons nos travaux sur le support d'applications coopératives et nous souhaitons faire interagir la conception du support des applications coopératives et les protocoles réseaux. Notre premier résultat concerne le maintien de la cohérence de données au travers d'un LAN Myrinet avec le protocole BIP et le système DOSMOS. Nous étudions maintenant le maintien de la QoS obtenue sur les LAN au travers de réseaux grande distance ou de l'Internet et souhaitons pour cela mettre en place des techniques de simulation parallèle de réseaux à grande échelle.

Téléphonie mobile

Nous poursuivons une action dans le domaine de la planification de réseaux de télécommunication cellulaire et sur le databroadcast. Les réseaux sans fils sont un domaine d'application qui est en croissance exponnentielle et qui génère de nombreux problèmes, en modélisation, optimisation et en développement d'outils logiciels. Dans le cadre d'un contrat avec Télédiffusion de France (TdF), filiale de France Télécom, nous avons participé à la réalisation d'un logiciel de planification de réseaux GSM (Global System for Mobile telecommunication, projet européen ACTS STROM). Deux aspects ont été abordés : le positionnement des émetteurs et la planification des fréquences.

Le positionnement a été abordé par des méthodes dites de sur-dimensionnement. Elles consistent à placer un nombre de stations très supérieur au nombre de stations escompté par des techniques simplistes et à optimiser le choix d'un sous-ensemble. Un travail original a également été réalisé sur un processus d'optimisation couplant le placement d'émetteurs et l'allocation de fréquences.

Le multicoloriage est une variante du problème du coloriage de graphe issu des problèmes d'allocation de fréquences. Nous avons abordé le problème d'un point de vue à la fois théorique et pratique. Théorique, avec l'étude du cas NP-complet de la grille hexagonale, pour laquelle nous avons obtenu un algorithme d'approximation avec la collaboration de Janez Zerovnik (Slovénie); avec Lata Narayanan (Canada), nous avons amélioré les performances de l'algorithme. Pratique, avec la mise au point et l'implémentation en cours d'un algorithme randomisé pour le multicoloriage de graphes arbitraires dans un cadre plus général en vue d'une collaboration avec Swisscom.

Le Databroadcast est une réponse aux problèmes rencontrés dans les réseaux assymétriques (tels serveur/consoles, WWW, base/téléphones mobiles) où les communications sont plus lentes dans un sens que dans l'autre. Nous avons étudié principalement le problème des messages avec un temps de transmission non-uniforme, que nous avons prouvé NP-dur et pour lequel nous avons proposé une heuristique à facteur constant de l'optimal. Nous avons aussi étudié la généralisation au cas de plusieurs canaux d'émission pour lequel nous avons une heuristique dont il faudra étudier les performances. Nous avons aussi commencé l'étude d'$ \epsilon$-approximation avec Neal Young (USA) cet été, lors d'une visite de 7 semaines à Dartmouth College.

Perspectives

Nous développons des recherches autour de l'extension des capacités de la suite BIP. Dans ce cadre, nous travaillons, d'une part, sur le transport d'écran ou de fenêtres en temps réel. Un premier prototype, BIP-framebuffer, a été réalisé qui effectue le transfert sans pénaliser les autres unités fonctionnelles d'un micro-ordinateur. Ces recherches devraient mener à l'optimisation de protocoles existants et à la création de nouveaux protocoles adaptés aux applications multimédia sur réseaux à haut débit. Les développements des technologies SMP pour les PC nous ont amenés d'autre part à l'étude du prolongement de BIP sur de telles architectures. Un premier prototype semble prometteur. Nos autres intérêts sont les évolutions de BIP pour le contexte multi-utilisateurs et les fonctionnalités systèmes délocalisées (lectures/écritures à distance, cache délocalisé, etc.).



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