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Submitted on 11 Dec 2018

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Eacutetude de la connectiviteacute Internet de lrsquoicircle de la ReacuteunionReacutehan Noordally

To cite this versionReacutehan Noordally Eacutetude de la connectiviteacute Internet de lrsquoicircle de la Reacuteunion Informatique Universiteacutede la Reacuteunion 2018 Franccedilais NNT 2018LARE0023 tel-01950686

Thegravesede lrsquoUniversiteacute de la Reacuteunion

Speacutecialiteacute

RESEAUX INFORMATIQUES

preacutesenteacutee par

M Reacutehan NOORDALLY

Eacutetude de la connectiviteacute Internet de lrsquoicircle de la Reacuteunion

Soutenance le 30 Aoucirct 2018 devant le jury composeacute de

Pr Laure PETRUCCI RapporteurPr Emmanuel LOCHIN RapporteurDr HDR Promeacutetheacutee SPATHIS ExaminateurPr Reacutemy COURDIER ExaminateurDr HDR Pascal ANELLI Directeur de ThegraveseDr Richard LORION Encadrant

CETTE THEgraveSE A RECcedilU LE SOUTIEN FINANCIER DE LA REacuteGION REacuteUNION ET DE LrsquoUNION

EUROPEacuteENNE (FONDS EUROPEacuteEN DE DEacuteVELOPPEMENT REacuteGIONAL - FEDER)

Je deacutedie cette thegravese agrave lrsquoensemble des membres de ma famille

I

II

Remerciements

Mes premiers remerciements vont agrave lrsquoendroit de Monsieur Pascal Anelli Maicirctre deconfeacuterences HDR agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion qui a accepteacute drsquoencadrer cette thegravese Jele remercie drsquoavoir mis toute son eacutenergie pour que je puisse mener ces travaux dans lesmeilleures conditions Je le remercie eacutegalement pour la confiance et la patience sans failleqursquoil mrsquoa teacutemoigneacutees durant ces anneacutees

Je remercie Monsieur Richard Lorion Maicirctre de Confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion Malgreacute un emploi du temps surchargeacute il a su me consacrer du temps pouraiguiller mes travaux

Je tiens agrave remercier tout particuliegraverement Madame Laure Petrucci Professeur agrave lrsquoUni-versiteacute Paris 13 et Monsieur Emmanuel Lochin Professeur agrave lrsquoISAE SUPAERO qui mrsquoontfait lrsquohonneur drsquoaccepter de juger ces travaux et drsquoen ecirctre rapporteurs

Je remercie le Professeur Reacutemy Courdier qui a accepteacute de preacutesider mon jury de thegraveseDe par cette acceptation je boucle mon cursus universitaire agrave lrsquoUniversiteacute de La ReacuteunionMes remerciements vont agrave lrsquoattention de Monsieur Promeacutetheacutee Spathis qui consacre deson temps agrave la participation de mon jury de thegravese en tant qursquoexaminateur

Je tiens agrave remercier Messieurs Pierre-Ugo Tournoux et Xavier Nicolay pour les dis-cussions que lrsquoon a eues Cela mrsquoa permis de me remettre dans le droit chemin quand jemrsquoeacutegarais

Je remercie eacutegalement Monsieur Bruno Baynat Maicirctre de confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacutede Paris 6 qui a su donner un nouveau souffle agrave ces travaux agrave travers ses conseils lors deson passage

Je remercie eacutegalement Monsieur Denis Fabregravegue Responsable du pocircle TIC agrave La ReacuteunionMonsieur Thierry Pretet travaillant agrave la cellule Investissements publics de la ReacutegionReacuteunion Monsieur Thomas Silverston Chercheur au NICT drsquoavoir accepteacute de faire par-tie de mon comiteacute de suivi de thegravese

Je remercie eacutegalement le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques dirigeacute parMonsieur Jean Diatta Professeur agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion ainsi que lrsquoensemble desmembres pour lrsquoaccueil et les moyens qui mrsquoont eacuteteacute mis agrave disposition pour le bon deacuterou-lement de cette thegravese

Je remercie eacutegalement la Reacutegion Reacuteunion qui a soutenu financiegraverement ces travaux dethegravese

Je remercie eacutegalement Messieurs Jean-Christophe Lan-Yan-Fock et Arnaud Ravoa-vahy pour les travaux reacutealiseacutes durant leurs stages

Je remercie eacutegalement mes collegravegues mes amis et mes proches pour leurs contribu-tions et leurs encouragements

Je remercie particuliegraverement Aureacutelie Miora Florence et Anne-Claire qui ont eacuteteacute dansla mecircme galegravere que moi

Je tiens agrave remercier du fond du coeur lrsquoensemble des membres de ma famille qui mrsquoonttoujours apporteacute leur soutien et leur encouragement Merci agrave vous

Enfin je tiens agrave remercier toutes les personnes qui ont contribueacute de pregraves ou de loin agravela reacutealisation de ces travaux

III

IV

Reacutesumeacute

Lrsquoaccegraves agrave Internet des icircles de la Zone Oceacutean Indien a la particulariteacute drsquoutiliser deuxlongs cacircbles sous-marins Les routes ont en commun de passer par un de ces liens etdrsquointroduire une composante de deacutelai qui peut ecirctre significative La performance de TCPest lieacutee agrave lrsquoeacutetat des routes et au deacutelai Dans la situation de lrsquoicircle de la Reacuteunion comment secomporte un protocole ayant une deacutependance au deacutelai tel que TCP

Dans cette thegravese nous proposons une eacutetude de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion Les travauxvisent agrave pouvoir dresser un bilan de la connectiviteacute Internet Ils srsquoorientent drsquoune partagrave caracteacuteriser la connectiviteacute au niveau du reacuteseau et drsquoautre part agrave traduire ses caracteacute-ristiques au niveau de la couche de transport Ainsi les travaux preacutesenteacutes reposent surdeux eacutetudes de meacutetrologie sur le reacuteseau reacuteunionnais

Le premier examen a pour objectif la caracteacuterisation des deacutelais et des routes emprun-teacutees depuis et en direction de lrsquoicircle Ces travaux reposent sur une plate-forme de mesuresmise en place agrave cet effet Un outil drsquoidentification des routes a eacuteteacute deacuteveloppeacute afin drsquoana-lyser les chemins depuis et vers la Reacuteunion Cet outil utilise une base de donneacutees degeacuteolocalisation construite agrave partir des adresses IP rencontreacutees des deacutelais associeacutes et drsquoin-formations provenant des Registres Internet Reacutegionaux Lrsquoanalyse des reacutesultats montredes caracteacuteristiques propres agrave la reacutegion Reacuteunion

La seconde eacutetude de meacutetrologie vise lrsquoanalyse des flux TCP Des meacutetriques associeacuteesagrave lrsquoobservation des captures de trafic sont identifieacutees afin drsquoeacutetablir les performances deTCP mais eacutegalement les types de trafic entrant et sortant de lrsquoicircle Le volume des eacutecouteseacutetant important un outil drsquoanalyse pour des traitements efficaces et rapides a eacutegalementeacuteteacute deacuteveloppeacute

Les contributions de cette thegravese sont drsquoabord rattacheacutees au contexte reacuteunionnais etsont extrapoleacutees vers lrsquointernet de la Zone Oceacutean Indien Cette thegravese se veut ecirctre un eacuteleacute-ment pour une reacuteflexion avec lrsquoensemble des acteurs de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion

Mots cleacutes

Meacutetrologie active Deacutelais Routage Meacutetrologie passive Performance TCP Zone OceacuteanIndien Reacuteunion

V

Abstract

The access to the Internet of the Islands of the Indian Ocean Area has the particularityof using two long submarines cables The routes have in common to go through one ofthese links and introduce a delay component that can be significant The performance ofTCP is linked to the state of the route and the delay In the situation of Reunion Islandhow does a protocol having a dependence on delay such as TCP behaves

In this thesis we propose a study of the Internet in Reunion Island The work aimsto be able to take stock of Internet connectivity They are oriented on the one hand tocharacterize the connectivity at the level of the network and on the other hand to translatethese characteristics at the level of the transport layer Thus the works presented arebased on two metrology studies on the Reunion network

The first review aims to characterize the delays and the routes taken from and to theisland This work is based on a platform of measures put in place for this purpose A roadidentification tool has been developed to analyze roads to and from Reunion Island Thistool uses a geolocation database built from IP addresses encountered associated delaysand information from the Regional Internet Registries The analysis of the results showscharacteristics specific to the Reacuteunion region

The second metrology study aims to analyze TCP flows Metrics associated with theobservation of the catches of traffic are identified in order to establish the performancesof TCP but also the types of traffic entering and leaving the island Since the volume ofthe intercepts is important an analysis tool for efficient and rapid treatments has beendeveloped

The contributions of this thesis are first of all related to the Reunionese context andare extrapolated to the Internet of the Indian Ocean Zone This thesis is meant to be anelement for a reflection with all the actors of the Internet in Reunion Island

Keywords

Active Metrology Delay Routage Passive metrology Performance TCP Indian OceanArea Reunion Island

VI

Table des matiegraveres

Remerciements III

Reacutesumeacute V

Abstract VI

Liste des acronymes IX

Introduction 11 Contexte geacuteneacuteral 12 Contexte reacutegional 1

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion 122 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien 5

3 Probleacutematique 84 Organisation de la thegravese 8

1 Eacutetat de lrsquoart 911 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capaciteacute de stockage 10

111 Controcircle de congestion de TCP 10112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de

stockage 14113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN 17114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs 22115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion 23

12 Meacutetrologie du trafic Internet 25121 Deacutefinition 25122 Meacutetrologie active 26123 Meacutetrologie passive 32124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives 35

13 Synthegravese 36

2 Caracteacuterisation de la connectiviteacute de La Reacuteunion 3921 Objectifs 4022 Cahier des charges 40

221 Evolution 40222 Connectiviteacute 40

23 Protocole de mesure 46231 Eacutechantillon de mesure 46232 Eacutevolution 47233 Connectiviteacute 48

24 Reacutesultats 53241 Eacutevolution 53

VII

242 Connectiviteacute de La Reacuteunion 54243 Connectiviteacute des icircles de la Zone Oceacutean Indien 65244 Synthegravese des reacutesultats 71

25 Conclusion 72

3 Meacutetrologie sur le service de transport agrave La Reacuteunion 7531 Objectifs 75

311 Les objectifs de lrsquoeacutetude 76312 Les meacutetriques de lrsquoeacutetude 76

32 Mise en oeuvre drsquoune plate-forme de meacutetrologie 79321 Pour la capture du trafic 79322 Pour analyser les traces 80

33 Protocole de mesure 8234 Reacutesultats 85

341 Supervision du trafic 86342 Performance de TCP 88343 Synthegravese des reacutesultats 91

35 Conclusion 92

Conclusion amp perspectives 951 Synthegravese des travaux 952 Perspectives 96

Table des figures 100

Liste des tableaux 101

Bibliographie 103

VIII

Liste des acronymes

ACK Acknowledgement

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AIMD Additive Increase and Multiplicative Decrease

API Application Programming Interface

ARCEP Autoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques et des Postes

AS Autonomous System

BDP Bandwidth Delay Product

CAIDA Center for Applied Internet Data Analysis

CDCS Comoros Domestic Cable Sytem

CDF Cumulative Density Function

CIL Correspondant Informatique et Liberteacutes

CWND Congestion Window

CWR Congestion Window Reduce

DNS Domain Name System

DSI Direction des Services Informatiques

DupAck Duplicate Acknowledgement

EASSY Eastern Arfrica Submarine SYstem

ECE ECN Echo

ECN Explicit Congestion Notification

FAI Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

FTTH Fiber To The Home

GIX Global Internet eXchange

GNU GNUrsquos Not Unix

GPL General Public Licence

HTTP HyperText Transfer Protocol

HTTPS HyperText Transfer Protocol Secured

IANA Internet Assigned Numbers Authority

ICMP Internet Control Message Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

IX

IGMP Internet Group Management Protocol

IMAP Internet Message Access Protocol

IP Internet Protocol

IPPM IP Performance Metrics

IW Initial Window

IXP Internet eXchange Point

LAN Local Area Network

LER Label Edge Router

LFN Long Fat Network

LIM Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques

LION Lower Indian Ocean Network

LSP Label Switched Path

LSR Label Switch Router

MAN Metropolitan Area Network

MPLS MultiProtocol Label Switch

MSS Maximun Segment Size

NRA Noeud de Raccordement drsquoAbonneacutes

NS Nonce Sum

OS Operating System

PDF Probability Density Function

POP Post Office Protocol

PSAMP Packet Sampling

RENATER REseau NAtional de communication eacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseigne-ment et la Recherche

RIR Regional Internet Registry

RITE Reducing Internet Transport Latency

RSSI Responsable Seacutecuriteacute et Systegravemes drsquoInformation

RTO Retransmission TimeOut

RTT Round-Trip delay Time

SAFE South-Africa Far East

SAT-3 South Africa Transit-3

SCP Ssh CoPy

SEAS Seychelles to East Africa System

SMTP Simple Mail Transfert Protocol

SSH Secure SHell

ssthresh slow-start threshold

TAI Technologies drsquoAccegraves agrave Internet

X

TCP Transmission Control Protocol

TTL Time-To-Live

UDP User Datagram Protocol

VDSL Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line

VLAN Virtual Local Area Network

VOD Video on demand

VPN Virtal Private Network

WAN Wide Area Network

WASC West Africa Submarine Cable

ZOI Zone Oceacutean Indien

XI

XII

Introduction

1 Contexte geacuteneacuteral

Depuis sa premiegravere deacutemonstration publique en 1972 Internet a fortement eacutevolueacute[Leiner1997] Dans une premiegravere phase nous avons les changements de services Les uti-lisateurs ont basculeacute des services historiques que sont lrsquoeacutechange drsquoe-mail et la navigationweb vers une utilisation interactive de lrsquoInternet Ces nouveaux services tels que la Voixsur IP les Jeux en ligne le Streaming etc sont maintenant possibles peu importe lrsquoendroitougrave lrsquoon se situe Cela gracircce agrave la seconde phase des innovations de lrsquoInternet lrsquoeacutevolu-tion des technologies logicielles et mateacuterielles Les technologies sont devenues de plusen plus mobiles et proposent des deacutebits drsquoaccegraves agrave lrsquoInternet de plus en plus importantsAinsi nous sommes passeacutes drsquoun accegraves physique de chez soi connecteacutes agrave un ordinateurfixe et une liaison 56 kbits (kilo-bitsseconde) agrave des smartphones et des connexions mo-biles avec un deacutebit theacuteorique minimal descendant de 20 Gbits (Giga-bitsseconde) dansun futur proche pour la technologie 5G En parallegravele lrsquoaccegraves agrave Internet srsquoest deacutemocra-tiseacute Drsquoapregraves une eacutetude de lrsquoOrganisation des Nations Unies le nombre de teacuteleacutephonesmobiles est devenu supeacuterieur au nombre drsquohabitants sur la planegravete [ONU2013] Ces eacutevo-lutions parallegraveles ont bouleverseacute lrsquousage de lrsquoInternet Est-ce que ces eacutevolutions ont eu unimpact sur lrsquoInternet reacuteunionnais

2 Contexte reacutegional

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion

Pour comprendre la situation de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion il est neacutecessaire de relaterlrsquohistoire de la connectiviteacute Internet et de dresser un bilan de lrsquoeacutetat actuel Cet historiqueest effectueacute agrave partir du document [Pretet2000] qui preacutesente lrsquoavancement du projet deconnexion de lrsquoicircle de La Reacuteunion au cacircble sous-marin South-Africa Far East (SAFE)

La premiegravere connexion de La Reacuteunion agrave lrsquoInternet date de 1992 avec la mise en servicedu projet Telecom-2 Agrave cette eacutepoque la seule liaison connectant La Reacuteunion agrave Interneteacutetait une connexion satellitaire Jusqursquoen 2001 et lrsquoarriveacutee du cacircble SAT-3WASCSAFEles deacutebits drsquoaccegraves reacutesidentiels ne deacutepassaient pas les 56 kbits La bande passante totalede lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle par ce canal satellite eacutetait de 400 Mbits (Meacutega-bitsseconde)tous opeacuterateurs confondus Le coucirct drsquoutilisation de la liaison satellite avoisinait les17 000DMbmois et par opeacuterateur La technologie drsquoaccegraves et le tarif eacuteleveacute limitaient lesusages de lrsquoInternet priveacute agrave des services basiques comme lrsquoeacutechange drsquoe-mail Lrsquoarriveacuteedes cacircbles South Africa Transit-3 (SAT-3)West Africa Submarine Cable (WASC)SAFE en2001 visaient agrave deacutesenclaver numeacuteriquement lrsquoicircle

Ce cacircble drsquoune longueur totale de 28 000 Km (Kilo-megravetres) connecte lrsquoEurope (Es-pagne et Portugal) agrave lrsquoAsie (Inde et Malaisie) en longeant la cocircte Ouest africaine telqursquoillustreacutee par la carte figure 1 Le lien est composeacute de deux paires de fibres optiquesavec une capaciteacute globale de 135 Gbits La reacutepartition des capaciteacutes fut faite en fonction

1

du montant investi par les opeacuterateurs France Teacuteleacutecom fut seacutelectionneacutee pour la Franceavec un deacutebit total de 13 6 Gbits dont 155 Mbits furent alloueacutes agrave la connexion de LaReacuteunion Ce deacutebit eacutetait eacutequivalent agrave la capaciteacute maximale theacuteorique du lien satellite deFrance Teacuteleacutecom Outre la seacutecuriteacute apporteacutee par la fibre optique crsquoest la qualiteacute de la trans-mission qui a eacuteteacute ameacutelioreacutee avec ce support Ce cacircble a eacuteteacute une premiegravere eacutetape dans lamise en place drsquoune autoroute de lrsquoinformation entre lrsquoEurope lrsquoAsie et lrsquoAfrique PourLa Reacuteunion cette autoroute a eacuteteacute un facteur pour la baisse des coucircts de communication eten parallegravele le deacuteploiement de la technologie Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)Les tarifs de consommation de la bande passante du lien ont connu une baisse impor-tante suite agrave une deacutecision de lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques etdes Postes (ARCEP) en 2004 [ARCEP2004] Les tarifs sont passeacutes de 17 000 DMbmois agrave1 550 DMbmois

FIGURE 1 ndash Carte des points drsquoatterrissement du cacircble SAT-3WASCSAFE (Source [Pretet2000])

Malgreacute la baisse des tarifs lrsquoADSL nrsquoeacutetait preacutesent que dans 6 villes agrave forte densiteacutede population Afin drsquoaugmenter la couverture de lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle une dorsalefaisant le tour de lrsquoicircle est installeacutee Crsquoest le reacuteseau nommeacute Gazelle dont le deacutebut du deacute-ploiement fut effectueacute dans le courant de lrsquoanneacutee 2003 [SDTAN2013] Cette fibre est ins-talleacutee en hauteur en suivant le reacuteseau Haute Tension drsquoEDF selon le plan de la figure 2(en trait bleu ou fonceacute) Le but de ce reacuteseau est de raccorder lrsquoensemble des Noeud de Rac-cordement drsquoAbonneacutes (NRA) Un NRA est un local heacutebergeant un central teacuteleacutephonique delrsquoopeacuterateur historique France Teacuteleacutecom dans lequel aboutissent les lignes teacuteleacutephoniquesdes abonneacutes communeacutement appeleacutees boucles locales Au delagrave de ces locaux les boucleslocales forment le reacuteseau capillaire Lrsquointerconnexion entre le reacuteseau Gazelle et les NRAest repreacutesenteacutee en vert sur la figure 2

En 2004 La Reacuteunion srsquoest doteacutee drsquoun point drsquoeacutechange (Global Internet eXchange (GIX)ou Internet eXchange Point (IXP)) nommeacute Reunix Il fut pendant pregraves de 10 ans le seul IXPpreacutesent dans la Zone Oceacutean Indien (ZOI) Geacutereacute par le REseau NAtional de communicationeacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseignement et la Recherche (RENATER) il vise agrave inter-connecter les fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion afin drsquoeacuteviter que le trafic localne sorte de lrsquoicircle et consomme des capaciteacutes sur le cacircble sous-marin En plus de cet eacutequi-pement des technologies de cache ont eacuteteacute deacuteployeacutees sur le territoire LrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion a eacuteteacute un des acteurs de ce deacuteploiement

2

FIGURE 2 ndash Plan de cacircblage du reacuteseau Gazelle en 2006 (Source [Pretet2000])

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 chaque anneacutee une baisse de 20 agrave 40 duprix du Meacutegabit sur le cacircble sous-marin est enregistreacutee En 2006 pour 50D un abonneacutenrsquoavait droit qursquoagrave la connexion ADSL de 1 Mbits sans aucun service additionnel Lrsquoan-neacutee suivante pour le mecircme tarif la teacuteleacutephonie illimiteacutee vers certains pays a eacuteteacute ajouteacuteeau forfait Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le forfait est resteacute le mecircme mais le deacutebit alloueacuteest augmenteacute pour atteindre 8 Mbits La Reacuteunion nrsquoa vu lrsquoarriveacutee du triple play (Teacuteleacutevi-sion Teacuteleacutephone Internet) qursquoagrave partir des anneacutees 20112012 avec lrsquoarriveacutee drsquoun nouveaucacircble Lower Indian Ocean Network (LION) Le LION est un cacircble sous-marin reliant LaReacuteunion Maurice et Madagascar depuis 2009 En 2012 une extension est rajouteacutee sousle nom de LION-2 connectant le LION agrave Mayotte et au Kenya Ce nouveau cacircble proposedegraves sa mise en service une capaciteacute deacutepassant le 1 Tbs (Teacuterabitseconde)

Lrsquoaugmentation continue des deacutebits et de la capaciteacute disponible sur le cacircble SAT-3WASCSAFE actuellement agrave 900 Gbits a acceacuteleacutereacute le deacuteploiement de nouveaux ser-vices et de nouvelles technologies drsquoaccegraves agrave Internet pour les abonneacutes Lrsquoicircle de La Reacuteuniondispose actuellement en dehors des connexions mobiles de trois Technologies drsquoAccegraves agrave In-ternet (TAI) La premiegravere est la technologie ADSL preacutesente depuis 2001 Elle propose desdeacutebits asymeacutetriques allant jusqursquoagrave 20 Mbitss en descente Crsquoest le deacutebit qursquoaura lrsquoutilisa-teur en teacuteleacutechargement Depuis 2014 lrsquoopeacuterateur historique Orange (ex-France Teacuteleacutecom)propose la technologie Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line (VDSL) 2 avec des deacutebitsallant jusqursquoagrave 100 Mbits descendant La limite physique de cette TAI impose une dis-tance entre lrsquoabonneacute et le distributeur infeacuterieure agrave 1 Km La derniegravere technologie preacutesentesur lrsquoicircle est la fibre optique Deacuteployeacutee depuis 2007 par lrsquoopeacuterateur priveacute ZEOP elle eacutetaitjusqursquoagrave peu principalement deacuteployeacutee dans les villes du Port Sainte Marie et Saint Pierre

Chaque opeacuterateur dispose drsquoune ou plusieurs technologies drsquoaccegraves Chaque technolo-

3

gie est associeacutee agrave un deacutebit maximal theacuteorique La carte 3 1 preacutesente les deacutebits theacuteoriquesqui sont preacutesents sur lrsquoicircle [France2017]

Cette carte montre une dispariteacute des deacutebits selon les zones geacuteographiques de lrsquoicircleLe Plan France Tregraves Haut Deacutebit a pour objectif drsquouniformiser sur lrsquoensemble du territoirefranccedilais les deacutebits avec le deacuteploiement de la technologie drsquoaccegraves fibre optique

FIGURE 3 ndash Carte des deacutebits agrave La Reacuteunion

Reacutecapitulatif

La connexion agrave Internet donne agrave La Reacuteunion des capaciteacutes importantes La preacutesencedrsquoun GIX sur le territoire a limiteacute le trafic reacuteunionnais sur les cacircbles sous-marins La figure4 montre lrsquoensemble des eacuteveacutenements qui ont marqueacute le deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave LaReacuteunion jusqursquoagrave nos jours

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 [ARCEP2004] et lrsquoarriveacutee du cacircble LION lesopeacuterateurs ont fait le choix drsquoaugmenter les services proposeacutes avec un prix reacutesidentielstable Les derniers services ajouteacutes sont ceux de la Video on demand (VOD) et de la rediffu-sion (Replay) En 2014 le prix moyen du MeacutegabitMois sur le cacircble SAT-3WASCSAFEavoisinait les 25 D En pregraves de 15 ans on note la baisse du coucirct moyen du Meacutegabitmoisde 17 000 D agrave 25 D

Lrsquoeacutevolution de la connectiviteacute Internet agrave La Reacuteunion est lieacutee au deacuteveloppement de laconnectiviteacute des diffeacuterents pays preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien

1 Source Observatoire France Tregraves Haut Deacutebit

4

FIGURE 4 ndash Frise chronologique du deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion

22 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien

Les acteurs du deacuteveloppement du numeacuterique dans la Zone Oceacutean Indien

Dans le cadre de nos eacutetudes nous restreignons la ZOI agrave 6 icircles ou archipels suivants(rangeacutes par ordre alphabeacutetique) les Comores Madagascar Maurice Mayotte La Reacuteunionet les Seychelles Agrave lrsquoexception de Mayotte et de La Reacuteunion qui sont des reacutegions fran-ccedilaises les autres icircles et archipels citeacutes sont des pays indeacutependants Nous allons dansun premier temps faire une preacutesentation des principaux acteurs du deacuteveloppement nu-meacuterique dans chaque territoire Le deacuteveloppement de lrsquoInternet dans la ZOI se fait encollaboration avec lrsquoensemble des pays Nous poursuivrons avec les futures installationsdes cacircbles sous-marins dans la ZOI

LrsquoUnion des Comores est une reacutepublique feacutedeacuterale drsquoAfrique Lrsquoarchipel est connecteacuteagrave Internet depuis le 19 Janvier 1998 via une connexion satellite En 2010 le gouverne-ment deacuteploie le Comoros Domestic Cable Sytem (CDCS) qui relie lrsquoensemble des icircles delrsquoarchipel entre elles avec en parallegravele le raccordement au cacircble Eastern Arfrica SubmarineSYstem (EASSY) [Comores2002] Ce cacircble relie lrsquoAfrique du Sud au Soudan en longeantla cocircte Est du continent En 2009 lrsquoAutoriteacute Nationale de Reacutegulation des TIC (ANRTIC) voitle jour De nombreuses missions sont donneacutees agrave cette autoriteacute comme appliquer et fairerespecter la loi des Technologies de lrsquoInformation et de la Communication (TIC) reacuteguler lesecteur des TIC favoriser la coopeacuteration entre les acteurs et geacuterer les diffeacuterends garan-tir une concurrence saine et loyale entre les opeacuterateurs et de deacutevelopper la recherche laformation et les innovations technologiques [ANRTIC2016] En deacutecembre 2016 un troi-siegraveme cacircble connecte lrsquoarchipel agrave Mayotte Actuellement un Vice-Preacutesident chargeacute desTIC travaille en collaboration avec un Conseiller du preacutesident en matiegravere de transports etteacuteleacutecommunications

La Reacutepublique de Madagascar est relieacutee agrave Internet par deux cacircbles sous-marins Lepremier est lrsquoEASSY Le second cacircble est le LION Au niveau des prises de deacutecisions 3 or-ganismes principaux existent Le plus important est le ministegravere des Teacuteleacutecommunicationset des Nouvelles Technologies Il a mis en place le Projet drsquoInfrastructure de Communicationpour Madagascar (PICOM) Lrsquoobjectif est la reacuteduction des coucircts drsquoaccegraves aux services deteacuteleacutecommunications Le second est lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des TEchnologies de Communica-tion (ARTEC) Cet administration octroie les licences aux proprieacutetaires des reacuteseaux arbitreles diffeacuterends entre opeacuterateurs et assure la gestion des spectres [ARTEC2016] Le dernierorganisme est le Groupement des Opeacuterateurs en Technologies de lrsquoInformation et de la Commu-nication (GOTICOM) Il a pour objectif drsquoaccompagner et drsquoameacuteliorer les infrastructuresde teacuteleacutecommunication et de favoriser lrsquointeacutegration des TIC [GOTICOM2011] Depuis2016 un GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Africaine [MGIX2017]

5

La Reacutepublique de Maurice regroupe les icircles Rodrigues et Maurice Sous lrsquoimpulsiondu gouvernement anglais la premiegravere ligne teacuteleacutephonique fut installeacutee en 1883 Actuel-lement en plus drsquoune connexion satellitaire reliant les deux icircles le SAFE et le LIONconnectent Maurice agrave Internet Un ministegravere des Technologies de lrsquoInnovation et desCommunications existe au sein du gouvernement Crsquoest ce mecircme gouvernement quinomme le directeur de lrsquoInformation and Communication Technologies Authority (ICTA) Crsquoestlrsquoautoriteacute de reacutegulation des Teacuteleacutecoms et des Postes Il existe 2 principaux opeacuterateurs quesont Mauritius Telecom et Emtel Une dizaine drsquoopeacuterateurs cohabitent sur lrsquoicircle [ICTA2017]Depuis 2016 un nouveau GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Afri-caine [MIXP2017]

Mayotte est un deacutepartement franccedilais depuis Mars 2011 Le raccordement au cacircbleLION-2 extension du cacircble LION en avril 2012 rend possible lrsquoarriveacutee du haut deacutebit surce territoire En 2013 un GIX geacutereacute par RENATER est installeacute au sein du Rectorat Il senomme Mayotix

Les Seychelles ont vu leur premiegravere connexion Internet introduite dans lrsquoarchipel parAtlas Seychelles Ltd en septembre 1996 En 2012 les Seychelles sont connecteacutes agrave une fibreen provenance de Tanzanie Crsquoest le cacircble Seychelles to East Africa System (SEAS) Crsquoestlrsquounique cacircble sous-marin connectant lrsquoarchipel Le Ministegravere des Technologie de lrsquoInforma-tion et des Communications (MITC) fait office drsquoautoriteacute de Reacutegulation des Teacuteleacutecommuni-cations dans le pays [DICT2017]

Chaque autoriteacute de reacutegulation agrave un impact sur le deacuteveloppement de lrsquoInternet dansson pays Ce deacuteveloppement se reacutepercute sur lrsquoameacutelioration de lrsquoaccegraves Internet dans laZOI

Deacuteveloppement de lrsquointerconnexion de la Zone Oceacutean Indien

Cette reacutegion a connu un premier bouleversement de sa connectiviteacute agrave Internet avecle deacuteploiement du cacircble sous-marin SAT-3WASCSAFE en 2001 pour La Reacuteunion etMaurice Lrsquoarriveacutee du LION en 2009 a connecteacute Madagascar aux deux icircles En 2010 lesComores et Madagascar se sont ouverts une voie vers lrsquoAfrique avec le cacircble EASSY Lrsquoin-terconnexion du LION 2 a deacuteveloppeacute lrsquoInternet agrave Mayotte tandis que le deacuteploiement ducacircble SEAS a ouvert les Seychelles agrave lrsquoInternet haut deacutebit La carte 5 indique les diffeacuterentscacircbles sous-marins preacutesents dans la ZOI

La ZOI srsquoengage dans le deacuteploiement de nouveaux liensLe cacircble MElting poT Indianoceanic Submarine System (METISS) drsquoune longueur de

3 500 kilomegravetres reliera Madagascar Maurice et La Reacuteunion agrave lrsquoAfrique du Sud La bandepassante du cacircble sera de 24 Tbs Sa mise en service est preacutevue pour le courant de lrsquoan-neacutee 2019 [Lemauricien]

Africa-1 est un cacircble reliant lrsquoAfrique du Sud le Moyen Orient et lrsquoAsie centrale Cecacircble de plus de 12 0000 kilomegravetres passera le long de la cocircte Est africaine avant de relierlrsquoArabie Saoudite lrsquoEacutegypte et le Pakistan La mise en service du cacircble est preacutevue pour lecourant de lrsquoanneacutee 2020 [Africa1]

En 2019 sera mis en service le cacircble IOX IOX est un cacircble sous-marin deacutedieacute agrave lrsquoicircleMaurice Il a pour but drsquooffrir une nouvelle liaison agrave Maurice en reliant lrsquoicircle agrave lrsquoAfrique etau reste du monde Il sera doteacute drsquoune capaciteacute de 54 Tbs [IOX]

La carte 6 repreacutesente lrsquoensemble des IXP preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien En vertce sont les points drsquoeacutechanges deacutejagrave en service La France a degraves lrsquoanneacutee 2004 mis en placele point drsquoeacutechange agrave La Reacuteunion et en 2012 celui de Mayotte Ceux de Maurice et de

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FIGURE 5 ndash Cartes des cacircbles sous-marins dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien (Source [Cablesmap])

Madagascar ont eacuteteacute mis en service en 2016 avec lrsquoaide de lrsquoUnion Africaine de lrsquoInter-net Society et du projet AXIS [AXIS] Les points bleus repreacutesentent les points drsquoeacutechangequi sont preacutevus drsquoecirctre deacuteployeacutes dans la zone oceacutean indien par le projet AXIS dans le fu-tur Drsquoici quelques anneacutees lrsquoensemble des territoires de la zone sera eacutequipeacute drsquoun pointdrsquoeacutechange Cet eacutequipement vise a maintenir le trafic de type Metropolitan Area Network(MAN) du pays ougrave il est installeacute Il facilite les eacutechanges entre les opeacuterateurs locaux enreacuteduisant la latence et en augmentant la qualiteacute de service

FIGURE 6 ndash Carte des points drsquoeacutechange preacutesents actuellement et dans un futur prochedans la ZOI

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3 Probleacutematique

LrsquoInternet et ses applications ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes dans des territoires ougrave les routes sontnombreuses Lrsquoicircle de La Reacuteunion comme beaucoup de territoires insulaires ne beacuteneacuteficiepas drsquoun nombre de liaisons physiques directes important Lrsquoeacutevolution de lrsquoInternet al-lant des applications toleacuterantes aux deacutelais vers des applications temps-reacuteel neacutecessite unerobustesse et une qualiteacute de service deacutependantes drsquoun maillage fort et de deacutelais courts

Lrsquoeacutetude drsquo[Anelli2012] a deacutemontreacute que les deacutelais agrave destination drsquoadresses aleacuteatoiressont sensiblement plus longs depuis La Reacuteunion que depuis Paris avec un eacutecart drsquoenvi-ron 180 ms Suite agrave ce constat lrsquoauteur a reacutealiseacute des simulations estimant les deacutebits asso-cieacutes avec un taux de pertes de 10 Ces simulations ont mis en avant des deacutebits eacutecouleacutesplus faibles pour un usager situeacute agrave La Reacuteunion qursquoun usager baseacute agrave Paris Une augmen-tation de la bande passante nrsquoentraicircnerait pas une diminution des deacutelais Le groupe detravail europeacuteen Reducing Internet Transport Latency (RITE) a reacutealiseacute une videacuteo explicativede ce pheacutenomegravene [RITE2014-2]

Cette thegravese vise agrave mettre en lumiegravere les principaux freins des deacutebits eacutecouleacutes

Dans une premiegravere eacutetape nous eacutetudierons lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis La Reacuteunionen prenant comme base lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par [Anelli2012]

Dans un second temps nous eacutetudierons les routes logiques de lrsquoInternet reacuteunionnais

Dans un dernier temps nous reacutealiserons une proposition drsquoeacutetude de meacutetrologie Cetteeacutetude vise agrave identifier la correacutelation des eacuteveacutenements de congestion entre les flots lrsquoimpor-tance des anomalies affectant Transmission Control Protocol (TCP) (pertes initiales fauxeacuteveacutenements de congestion) la reacutepartition des flots (en taille en protocole en application)et les paramegravetres de performances (taux de pertesRTT deacutebit eacutecouleacute)

4 Organisation de la thegravese

Suite agrave lrsquoexposition de notre probleacutematique le chapitre 1 preacutesente le contexte scienti-fique de nos travaux Dans un premier temps nous allons preacutesenter les caracteacuteristiquesde TCP et sa probleacutematique lieacutee aux reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage Nous continue-rons avec une preacutesentation de quelques solutions Nous deacuteterminerons si lrsquoaccegraves Internetde La Reacuteunion doit ecirctre consideacutereacute comme un reacuteseau agrave forte capaciteacute de meacutemorisation Lasuite du chapitre inclura la deacutefinition de la meacutetrologie dans les reacuteseaux et une preacutesenta-tion des techniques de mesures active et passive

La premiegravere eacutetude est deacutecrite dans le chapitre 2 et deacutebute par la preacutesentation des ob-jectifs Un cahier des charges permettant de reacutepondre aux objectifs a eacuteteacute reacutedigeacute Ce cahierdes charges a deacuteboucheacute sur le deacuteploiement de la plate-forme de meacutetrologie active RunPLet du deacuteveloppement de deux outils drsquoaide agrave lrsquoanalyse rgeoloc et rtraceroute La preacutesen-tation du protocole de mesure a eacuteteacute reacutealiseacutee dans la partie preacuteceacutedant celle des reacutesultatsLe chapitre se conclut par une synthegravese des reacutesultats qui ont servi agrave nos contributions

La seconde eacutetude est preacutesenteacutee dans le chapitre 3 Les objectifs du chapitre sont preacute-senteacutes dans un premier temps et diviseacutes en deux Ce chapitre preacutesente la mise en oeuvredrsquoune plate-forme de meacutetrologie et du protocole de mesure associeacute Une section reacutesultatassocieacutee agrave une conclusion termine le chapitre Ce chapitre a fait lrsquoobjet drsquoune contributionscientifique

Nous concluons notre thegravese par un reacutesumeacute des diffeacuterentes contributions Un apportsur les perspectives qursquoautorisent nos travaux est proposeacute dans le chapitre 35

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Chapitre 1

Eacutetat de lrsquoart

Transmission Control Protocol (TCP) est le protocole de transport le plus utiliseacute sur lrsquoIn-ternet Lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par Center for Applied Internet Data Analysis (CAIDA) sur une du-reacutee de 2 ans du trafic passant par le point drsquoeacutechange (IXP) EQUNIX de Chicago a montreacuteque 90 97 des paquets Internet Protocol (IP) acheminent des segments TCP [EQUINIX]TCP est un protocole de transport qui rend un service de transfert fiable de donneacuteesLorsque la somme du deacutebit des eacutemetteurs TCP partageant une mecircme ressource du reacute-seau excegravede la capaciteacute de cette ressource il se produit de la congestion La congestionest un pheacutenomegravene indeacutesirable qui met le reacuteseau dans un eacutetat ougrave le service rendu est deacute-gradeacute Cette deacutegradation peut ecirctre seacutevegravere en fonction de lrsquointensiteacute du pheacutenomegravene Poureacuteviter que lrsquoeffet de la congestion empire quand elle apparaicirct TCP integravegre une fonctionde reacutesolution connue sous le nom de controcircle de congestion Le principe est que chaqueeacutemetteur deacutetecte la congestion et diminue son deacutebit drsquoeacutemission Pour se faire le controcirclede congestion srsquoappuie sur la boucle de controcircle constitueacutee entre lrsquoeacutemission drsquoun segmentde donneacutees et la reacuteception de lrsquoacquittement correspondant Le controcircle de congestionagit sur le deacutebit drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur avec une latence lieacutee au Round-Trip delay Time(RTT) Lorsque le produit du RTT avec la capaciteacute drsquoeacutecoulement offerte par le reacuteseau estrelativement important le controcircle de congestion de TCP peine agrave utiliser les ressourcesdu reacuteseau efficacement Ce produit du deacutelai et du deacutebit repreacutesente la quantiteacute de donneacuteesnon acquitteacutees qui peut circuler On peut assimiler ce produit agrave la capaciteacute de stockage dedonneacutees dans le reacuteseau

Ces derniegraveres anneacutees lrsquoaugmentation de la bande passante a fait croicirctre significative-ment cette capaciteacute de stockage En effet comme les deacutelais nrsquoont pas diminueacute dans lesmecircmes proportions la capaciteacute de stockage nrsquoa fait que croicirctre Cette eacutevolution pose undeacutefi au controcircle de congestion de TCP pour maintenir ses performances Cette eacutevolutiona entraicircneacute une activiteacute intense de recherche pour traiter ce problegraveme de produit deacutelai-bande passante pour TCP Ainsi de nouvelles versions du controcircle de congestion de TCPont eacuteteacute eacutetudieacutees pour lrsquoadapter aux speacutecificiteacutes des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockageLong Fat Network (LFN)

Si le stockage important de donneacutees dans le reacuteseau pose un problegraveme pour le controcirclede congestion de TCP qursquoen est-il en pratique dans le cas de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion Pourreacutepondre agrave cette question il faut pouvoir mesurer lrsquoexistant Depuis quelques anneacutees ily a un inteacuterecirct croissant pour la mesure Une science de la mesure sur lrsquoInternet se deacute-veloppe Il faut chercher dans la croissance continue et soutenue de lrsquoInternet ainsi quedans lrsquoabsence drsquoune exploitation coordonneacutee les motivations agrave deacutevelopper la meacutetrologiesur Internet Cette meacutetrologie vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet

Ce chapitre se compose de deux sections theacutematiques La premiegravere section 11 traitede la probleacutematique du controcircle de congestion de TCP utiliseacute sur les reacuteseaux agrave grande

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capaciteacute de stockage La sous-section 111 rappelle le principe du controcircle de conges-tion et sa mise en œuvre dans TCP Dans la partie 112 les problegravemes speacutecifiques ducontrocircle de congestion de TCP appliqueacute dans le contexte des reacuteseaux agrave forte capaciteacute demeacutemorisation sont indiqueacutes Face agrave ces problegravemes des propositions ont eacuteteacute eacutetudieacutees quenous preacutesenterons dans les parties 113 et 114 Pour conclure cette section nous pose-rons dans la sous-section 115 les arguments qui permettent drsquoavancer que lrsquoicircle de LaReacuteunion a une connectiviteacute qui srsquoapparente agrave celle des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de sto-ckageLa seconde section 12 est consacreacutee agrave la meacutetrologie du trafic Internet La deacutefinition et lesmeacutethodologies de la meacutetrologie sont indiqueacutees dans la partie 121 La preacutesentation de lameacutetrologie active sera reacutealiseacutee dans la section 122 suivie par celle de la meacutetrologie pas-sive dans la section 123 La comparaison entre la meacutetrologie active et passive termineracette preacutesentation et sera faite dans la partie 124 Pour conclure ce chapitre une synthegraveseest reacutealiseacutee par la section 13 dans laquelle nous tirons les enseignements pour mener deseacutetudes depuis et vers La Reacuteunion

11 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capa-citeacute de stockage

TCP est un protocole de transport creacuteeacute en 1980 et deacutecrit pour la premiegravere fois dans le[RFC793] il a subi depuis de nombreuses eacutevolutions comme lrsquoindique le [RFC7414] Lesuccegraves de TCP repose sur son service de transmission fiable et ordonneacutee drsquoun flux de don-neacutees asynchrones Crsquoest un protocole fonctionnant de point agrave point et de bout en bout au-trement dit entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur des donneacutees sans concerner les eacutequipementsintermeacutediaires TCP offre un service de communication eacutequivalent agrave un canal virtuel bi-directionnel entre 2 entiteacutes applicatives Le canal de communication se caracteacuterise par satransparence seacutemantique crsquoest-agrave-dire par lrsquoabsence drsquoalteacuteration des donneacutees transfeacutereacuteesPour reacutealiser cette fiabiliteacute de lrsquoeacutechange TCP supervise les eacutechanges de donneacutees par desacquittements (Acknowledgement (ACK)) Cette supervision forme une boucle de controcirclecorrespondant agrave lrsquoeacutemission de donneacutees et agrave la reacuteception de lrsquoacquittement correspondantElle se caracteacuterise par le deacutelai pris nommeacute RTT La correction des donneacutees perdues oualteacutereacutees en cours de transit srsquoeffectue par retransmission de ces donneacutees Si le principe defonctionnement de TCP srsquoeacutenonce facilement sa mise en œuvre est complexe du fait de lanon fiabiliteacute du protocole IP sous-jacent et de la diversiteacute des contextes drsquoutilisation deTCP Lrsquoarticle [Ros2005] deacutetaille les diffeacuterentes caracteacuteristiques du protocole lieacutees agrave lrsquoeacuteta-blissement de connexion la numeacuterotation des donneacutees et agrave la fiabilisation des eacutechanges

Outre lrsquoobjectif de fiabiliteacute TCP a aussi un objectif de performance pour le servicerendu en termes de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capaciteacutes de transmission du reacuteseauPour atteindre cet objectif pour le service TCP integravegre une fonction de controcircle de flux quirepose sur une fenecirctre glissante geacutereacutee par le reacutecepteur Ainsi le deacutebit drsquoeacutemission peut srsquoali-gner sur le deacutebit de reacuteception de sorte qursquoun reacutecepteur lent ne puisse ecirctre satureacute par unexpeacutediteur rapide La speacutecification initiale de TCP a eacuteteacute conccedilue sans prendre en compteles ressources du reacuteseau Cet oubli a eacuteteacute agrave la source de dysfonctionnements seacutevegraveres du reacute-seau comme lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse) [Afanasyev2010] Lafonction de controcircle de congestion vise agrave une prise en compte des ressources disponiblesdu reacuteseau et agrave leurs utilisations efficaces Le controcircle de congestion a susciteacute un travail derecherche intensif et ce sujet reste encore drsquoactualiteacute comme lrsquoindique le [RFC6077]

111 Controcircle de congestion de TCP

Drsquoapregraves [Jain1990] la congestion srsquoexprime par lrsquoeacutequation matheacutematique 11

10

sumDemande gt Ressources (11)

Du point de vue drsquoun reacuteseau par commutation de paquets les ressources sont princi-palement les meacutemoires tampon des nœuds de commutation et la capaciteacute de transmissiondes artegraveres de communication La congestion apparaicirct au niveau des nœuds de commu-tation et plus particuliegraverement sur leurs interfaces de sortie La condition pour voir ap-paraicirctre une congestion est laquo si la somme des deacutebits des flux arrivant sur lrsquointerface desortie est supeacuterieure agrave la capaciteacute de transmission du lien en sortie raquo Dans cette situationune file drsquoattente se constitue et quand elle deacuteborde les effets neacutefastes de la congestionse concreacutetisent A savoir que le taux de pertes des paquets augmente dans le reacuteseau cequi se traduit au niveau du service par un deacutebit eacutecouleacute qui chute et un deacutelai de trans-fert qui augmente Dans [Chiu1989] les auteurs montrent que la performance du reacuteseauest lieacutee agrave la charge appliqueacutee au reacuteseau Formellement la charge srsquoexprime comme tauxdrsquoarriveacutee sur le taux de service Informellement la charge repreacutesente la proportion de lademande autrement dit du trafic eacutemis par rapport agrave la capaciteacute de transfert La figure11 illustre lrsquoeacutevolution du deacutebit eacutecouleacute (throughput) et du RTT en fonction de la chargeappliqueacutee au reacuteseau (load) Au deacutebut le deacutebit eacutecouleacute srsquoaccroicirct avec la charge alors queles deacutelais nrsquoaugmentent presque pas On est dans une phase de remplissage des liensLorsque la charge srsquoapproche du taux de remplissage maximum des liens du reacuteseau Ledeacutebit eacutecouleacute nrsquoaugmente presque plus alors que les deacutelais augmentent fortement Crsquoestla phase de remplissage des files drsquoattente Ces deux phases sont seacutepareacutees par un pointcaracteacuteristique qui srsquoappelle le point drsquoinflexion (knee) Lorsque les files drsquoattente sontpleines et que la charge du reacuteseau continue de srsquoaccroicirctre les files drsquoattente vont deacutebor-der Agrave partir de ce point appeleacute le point de retournement (cliff ) le reacuteseau rentre dans lrsquoeacutetatdit drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse)

FIGURE 11 ndash Performance du reacuteseau en fonction de la charge appliqueacutee (Source [Chiu1989])

Lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion est rapporteacute par [Nagle1984] Dans cet eacutetat le reacute-seau enregistre des retransmissions abusives effectue des transferts avec des deacutelais ten-dant vers lrsquoinfini et rend un service avec un deacutebit eacutecouleacute proche de zeacutero Lrsquoeffondrementducirc agrave la congestion srsquoexplique par le gaspillage des ressources utiliseacutees en amont du point

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de perte du paquet La solution agrave lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion reacuteside en lrsquoalignementdu deacutebit de lrsquoeacutemetteur agrave la capaciteacute drsquoeacutecoulement du canal de communication offert parle reacuteseau afin de ne produire aucune perte Ainsi les objectifs assigneacutes au controcircle decongestion de TCP sont drsquoeacuteviter lrsquoeacutetat drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion drsquoallouer eacutequi-tablement les ressources du reacuteseau entres les flux concurrents et drsquooptimiser les perfor-mances obtenues par chaque flux [RFC2914]

Le controcircle de congestion de TCP fonctionne sur le principe de la boucle fermeacutee avecle reacuteseau vu comme une boicircte noire ainsi preacutesenteacute par la figure 12 Apregraves une stimu-lation sous la forme de lrsquoenvoi de paquets lrsquoobservation du comportement de la boicirctenoire agrave ce stimulus sera analyseacute par le controcircleur situeacute dans lrsquoeacutemetteur Le controcircleur rap-proche lrsquoobservation faite en retour du stimulus (feedback) par rapport agrave lrsquoobjectif affecteacuteau controcircleur Celui-ci par reacutetro-action ajustera le nombre des paquets suivants envoyeacutesCet ajustement est le reacutesultat drsquoune fonction de controcircle qui se base sur une perceptionbinaire des retours agrave savoir absence ou preacutesence de congestion

FIGURE 12 ndash Boucle fermeacutee du CC de TCP

Dans [Gevros2001] lrsquoauteur liste les moyens pour effectuer les observations que lrsquoonnomme en fait des notifications dans le contexte des reacuteseaux Les notifications de lacongestion dans le reacuteseau peuvent ecirctre implicites ou explicites Dans le premier caselles sont deacuteduites par lrsquoabsence drsquoACK Lrsquoaugmentation des deacutelais et les pertes des don-neacutees sont des causes possibles pour la non-reacuteception de lrsquoACK A lrsquoinverse lrsquoabsence decongestion est deacuteduite par la reacuteception drsquoun ACK Cette reacuteception autorise lrsquoenvoi drsquounnouveau paquet comme le montre [Jacobson1988-1] Les notifications peuvent ecirctre ex-plicites si les paquets veacutehiculent une marque mise par lrsquoeacuteleacutement congestionneacute commecrsquoest le cas avec la proposition Explicit Congestion Notification (ECN) [RFC3168] Nous re-viendrons sur cette proposition dans la sous-section 113 Lorsque le controcircleur deacuteduitla preacutesence de congestion il reacuteduit le deacutebit drsquoeacutemission de la source Le deacutebit est controcircleacuteagrave lrsquoaide drsquoune fenecirctre appeleacutee la fenecirctre de congestion (Congestion Window (CWND) ω)Elle indique la quantiteacute de donneacutees qui peut ecirctre eacutemise sur un RTT Autrement dit elleindique combien de donneacutees non acquitteacutees peut recevoir le canal de communicationSa taille eacutevolue dans le temps en fonction de lrsquoeacutetat du reacuteseau et selon une fonction decontrocircle Additive Increase and Multiplicative Decrease (AIMD) La fenecirctre drsquoeacutemission uti-liseacutee par un eacutemetteur TCP est le minimum entre la fenecirctre de congestion et la fenecirctreglissante du controcircle de flux Le controcircle de congestion comporte deux phases distinctes[Gevros2001]

mdash La premiegravere phase se nomme eacutevitement de la congestion (congestion avoidance) et sesitue autour du point drsquoinflexion de la figure 11

mdash La seconde phase se nomme reacutesolution de la congestion (congestion recovery) Ellese deacuteclenche quand lrsquoeacutetat du reacuteseau se situe au delagrave du point drsquoinflexion

Dans la phase de congestion avoidance le controcircle de congestion de TCP utilise deux al-gorithmes le deacutemarrage en douceur (slow-start (SS)) et lrsquoeacutevitement de congestion (conges-tion avoidance (CA)) Au deacutebut de la connexion TCP nrsquoa aucune connaissance de lrsquoeacutetat dureacuteseau autrement dit de lrsquoeacutetat du canal de communication entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecep-teur TCP utilise lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur pour sonder le canal Lrsquoobjectif

12

est drsquoatteindre le point drsquoinflexion rapidement et sans risquer de congestionner le canalpar des rafales Pour cela lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur va eacutetaler sur plusieursRTT la croissance de la taille fenecirctre de congestion jusqursquoagrave atteindre une estimation dupoint drsquoinflexion Ainsi lrsquoeacutemetteur commence avec une fenecirctre de congestion assez pe-tite et lrsquoouvre au fur et agrave mesure et de plus en plus vite avec lrsquoarriveacutee des acquittementsPlus preacuteciseacutement le rythme de croissance de la taille de la fenecirctre de congestion est surle doublement tous les RTT Quant la fenecirctre de congestion atteint un certain seuil noteacuteslow-start threshold (ssthresh) le deacutemarrage en douceur srsquoarrecircte et lrsquoalgorithme drsquoeacutevite-ment de congestion est maintenant utiliseacute Cet algorithme augmente lineacuteairement et pluslentement que le deacutemarrage en douceur la taille de la fenecirctre de congestion En lrsquoabsencedrsquoindication explicite par le reacuteseau du deacutebit disponible sur le canal de communicationlrsquoeacutemetteur TCP continue de faire le sondage du canal et veacuterifie si le deacutebit eacutecouleacute peut ecirctreencore augmenteacute Pour lrsquoauteur de [Sallantin2014] lorsque la connexion TCP utilise lrsquoal-gorithme drsquoeacutevitement de congestion elle entre alors dans un eacutetat stable Dans cet eacutetat laconnexion doit se deacuterouler avec un deacutebit eacutecouleacute eacuteleveacute Crsquoest une indication que le pointdrsquoinflexion est atteint

La figure 13 donne une repreacutesentation simplifieacutee des eacutetats du controcircle de congestionde TCP Elle indique que lrsquoeacutetat stable peut ecirctre quitteacute si la connexion est libeacutereacutee ou si ily a un eacuteveacutenement de congestion TCP assimile les pertes implicitement agrave un eacuteveacutenementde congestion Lrsquoeacuteveacutenement de congestion fait basculer le controcircle de congestion de TCPdans la phase de reacutesolution de la congestion Dans cette phase la reprise de la perte oudes pertes est effectueacutee et la taille de la fenecirctre de congestion est diminueacutee et ceci afin dediminuer le deacutebit drsquoeacutemission

On distingue deux faccedilons de deacutetecter un eacuteveacutenement de congestion Une meacutethodesrsquoappuie sur la reprise de perte de TCP par retransmission des donneacutees perdues sur ex-piration drsquoun temporisateur (Retransmission TimeOut (RTO)) Une autre meacutethode utilisela caracteacuteristique de TCP qui consiste agrave ce que le reacutecepteur envoie un acquittement agravechaque segment de donneacutees reccedilu en seacutequence Ce segment porte le numeacutero des derniegraveresdonneacutees reccedilues seacutequentiellement Ainsi la reacuteception de donneacutees entraicircnant une rupturede la numeacuterotation en seacutequence geacutenegravere lrsquoeacutemission drsquoun acquittement dupliqueacute (Dupli-cate Acknowledgement (DupAck)) par le reacutecepteur Agrave la reacuteception de trois DupAck parlrsquoeacutemetteur les donneacutees indiqueacutees par la rupture de seacutequencement sont consideacutereacutees per-dues et retransmises sans attendre lrsquoexpiration du RTO Ce principe de retransmissionrapide porte le nom de fast retransmit (FR) Lrsquoalgorithme de reacutecupeacuteration rapide (fast reco-very (FR)) va maintenir la quantiteacute de donneacutees en transit dans le canal de communicationpour eacuteviter lrsquoeacutemission drsquoune rafale lorsqursquoun nouvel acquittement sera reccedilu En lrsquoabsencedu fast recovery agrave la reacuteception drsquoun nouvel acquittement la fenecirctre pourrait se vider parune rafale correspondant agrave des eacutemissions de paquets de donneacutees dos agrave dos sur un deacute-bit supeacuterieur agrave celui du deacutebit drsquoeacutecoulement du canal Ceci aurait pour effet de saturer lecanal et de renvoyer la connexion TCP dans une phase de reacutesolution de la congestion

Lorsque les eacutemissions de lrsquoeacutemetteur sont bloqueacutees par des donneacutees eacutemises et jamaisacquitteacutees le blocage est rompu par le RTO et ceci quel que soit lrsquoeacutetat Les deacutetails dela mise en œuvre des algorithmes du controcircle de congestion TCP sont deacutecrits par le[RFC5681]

Historiquement la version deacutenommeacutee TCP Tahoe incorporait la fonction de controcirclede congestion deacuteveloppeacutee en 1888 Elle comportait les algorithmes de slow-start conges-tion avoidance et de fast retransmit [Jacobson1988-1] La reprise de perte par fast retransmitsouffrait drsquoinefficaciteacute elle a eacuteteacute corrigeacutee avec lrsquoalgorithme du fast recovery Cette versionagrave quatre algorithmes est la version connue sous le nom de Reno et publieacutee la premiegraverefois en 1997 par le [RFC2001] Le couplage fast retransmit - fast recovery souffrait de deacutefauts

13

Deacutebut13

de13

connexion

Deacutemarrage13

en13

douceur

Etat13

stable

FRFR

Fin13

de13

connexion

3 Dupack

nouvel 13

ack

RTO

RTO

cwnd gt ss

tresh

SYN13

SYNACK

FIN-FINACK

FIGURE 13 ndash Etats du controcircle de congestion de TCP

lorsqursquoun eacuteveacutenement de congestion comportait plusieurs pertes Le [RFC2582] apportaitun correctif en 1999 On parla alors de version NewReno du controcircle de congestion En2005 une eacutetude montra que crsquoeacutetait la version du controcircle de congestion de TCP la plusutiliseacutee sur lrsquoInternet [Medina2005] Depuis de nouvelles versions ont eacuteteacute deacuteployeacutees dansles systegravemes drsquoexploitation tels que Windows et Linux appeleacutes respectivement C-TCP[Tan2006] et CUBIC [Ha2008] Dans la section 112 ces versions seront deacutetailleacutees

Le fonctionnement caracteacuteristique du controcircle de congestion de TCP est illustreacute parla figure 14 extraite de [Huston2000] Elle montre lrsquoeacutevolution de la fenecirctre de conges-tion dans le temps (exprimeacutee en terme de RTT) sur un canal de communication virtuelentre 2 stations Il srsquoagit ici drsquoun sceacutenario ideacutealiseacute dans lequel la connexion TCP nrsquoest pasen concurrence avec drsquoautres connexions La congestion se produit toujours agrave la mecircmevaleur de fenecirctre et pour laquelle la file drsquoattente deacuteborde Cette figure montre les deuxcaracteacuteristiques du controcircle de congestion de TCP qui deacutecoulent de la phase drsquoeacutevitementde congestion et de reacutesolution de la congestion et qui sont

mdash Lrsquoagressiviteacute elle provient du sondage du canal de communication LrsquoeacutemetteurTCP va chercher agrave accroicirctre le deacutebit eacutecouleacute en augmentant graduellement son deacutebitdrsquoeacutemission par lrsquoagrandissement de la taille de la fenecirctre de congestion

mdash La reacuteactiviteacute lorsque le canal de communication est plein et qursquoil deacuteborde quandcette perte est deacutetecteacutee lrsquoeacutemetteur TCP reacuteagit et diminue la taille de sa fenecirctre afinde diminuer son deacutebit drsquoeacutemission

Ces deux caracteacuteristiques donnent cette figure en dents de scie de la fenecirctre de conges-tion

112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de sto-ckage

Un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage est un reacuteseau avec un produit deacutelai-bandepassante (Bandwidth Delay Product (BDP)) eacuteleveacute Dans lrsquoouvrage [Peterson2007] lrsquoauteureffectue une analogie du produit deacutelai-bande passante avec un tuyau Le deacutelai corres-pond agrave la longueur du tuyau et la bande passante au diamegravetre du tube Ainsi le BDPest le volume du tube Dans le cas drsquoun reacuteseau informatique le volume du tuyau srsquoex-prime en bits Ainsi lorsqursquoun canal de communication entre un eacutemetteur et un reacutecepteurpreacutesente un produit deacutelai-bande passante important un volume important de bits (autre-ment dit de donneacutees) peut ecirctre eacutemis avant de recevoir une notification Du point de vue

14

FIGURE 14 ndash Eacutevolution caracteacuteristique de la fenecirctre de congestion de TCP

de lrsquoeacutemetteur TCP ce volume de donneacutees injecteacute dans le reacuteseau sont des donneacutees nonencore acquitteacutees Les reacuteseaux qui offrent des canaux de communication avec un pro-duit deacutelai-bande passante important sont nommeacutes en anglais Long Fat Network (LFN) Le[RFC1072] preacutecise qursquoun LFN agrave un produit deacutelai-bande passante supeacuterieur agrave 12 5 Ko

Sachant que le controcircle de congestion de TCP srsquoappuie sur une reacutetro-action selon unepeacuteriode de RTT et que le deacutebit eacutecouleacute maximal est atteint lorsque la fenecirctre drsquoeacutemissionest au moins supeacuterieure au produit deacutelai(RTT)-bande passante du canal de communica-tion lrsquoutilisation de TCP sur un reacuteseau LFN a des conseacutequences neacutegatives sur la perfor-mance Les causes sont agrave chercher du cocircteacute du RTT et du produit deacutelai-bande passante quiprennent tous les deux des valeurs importantesDans le cas du RTT crsquoest le deacutelai de reacuteactiviteacute de TCP qui est impacteacute En effet quandle RTT est eacuteleveacute la dynamique de TCP est ralentie car lrsquoeacutemetteur TCP doit attendre pluslongtemps pour recevoir un ACK et savoir quoi faire par la suite

Pour ce qui concerne le produit deacutelai-bande passante crsquoest le deacutebit eacutecouleacute qui peutecirctre faible par rapport au deacutebit du canal de communication (sa bande passante) La fe-necirctre drsquoeacutemission de TCP nrsquoatteint pas la valeur du produit deacutelai-bande passante lrsquoeacutemet-teur se trouve alors bloqueacute en attente de lrsquoACK pour eacutemettre de nouvelles donneacutees Cespeacuteriodes de blocage concourent agrave faire chuter le taux drsquoutilisation du canal de communi-cation

Par la suite nous allons deacutetailler les conseacutequences de la faible reacuteactiviteacute et drsquoune fe-necirctre drsquoeacutemission importante agrave atteindre sur lrsquoefficaciteacute de TCP La probleacutematique se poseen terme de deacutemarrage de connexion et son implication pour le transfert des flots courtsde taille maximale possible de la fenecirctre de congestion et de reacutesolution de la congestion

Le deacutemarrage de connexion

Le deacutebut des connexions de TCP se fait agrave lrsquoaide de lrsquoalgorithme du deacutemarrage en dou-ceur Nous avons vu preacuteceacutedemment que ce meacutecanisme double la fenecirctre de congestionen un RTT Lorsque la fenecirctre de congestion atteint la valeur seuil ssthresh lrsquoalgorithmedrsquoeacutevitement de congestion est utiliseacute La valeur initiale du seuil est fixeacutee arbitrairementce qui soumet TCP agrave deux problegravemes Le doublement de la fenecirctre de congestion quandelle atteint des valeurs importantes constitue des increacutements avec une granulariteacute de plusen plus grosse Si la valeur de ssthresh est trop grande par rapport au BDP avec un grosincreacutement le deacutepassement du BDP peut conduire agrave eacutemettre trop de paquets causantdes pertes multiples induisant une augmentation de la latence et une reacuteduction du deacute-bit eacutecouleacute Dans le cas ougrave la valeur du ssthresh est trop basse par rapport au BDP la

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connexion TCP va utiliser preacutematureacutement lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion avecune increacutementation lineacuteaire Ce changement preacutematureacute aura pour conseacutequence une sous-utilisation de lrsquoalgorithme de deacutemarrage en douceur speacutecialement dans le cas ougrave le BDPest tregraves eacuteleveacute [Wang2004]

Le deacutemarrage de connexion est particuliegraverement important pour les flots courts TCP(short lived TCP flow) Un flot court TCP se deacutefinit comme un flot dont la taille est in-feacuterieure ou eacutegale agrave 10 segments TCP [Sallantin2014] La probleacutematique des flots courtsprovient du fait qursquoils nrsquoont pas assez de donneacutees pour quitter lrsquoeacutetape du deacutemarrage endouceur En effet la taille de la fenecirctre de congestion nrsquoa pas le temps drsquoatteindre la va-leur du produit deacutelai-bande passante que la totaliteacute des donneacutees ont eacuteteacute transmises Laconseacutequence est qursquoils ont fonctionneacute avec une fenecirctre de congestion qui est resteacutee rela-tivement petite Dans le cas drsquoun LFN le rapport de la taille de la fenecirctre de congestionsur le produit deacutelai-bande passante tend vers zeacutero et neacutecessite plusieurs RTT Il srsquoensuitque le deacutebit eacutecouleacute est extrecircmement faible De plus si le flot court souffre drsquoun eacuteveacutene-ment de congestion il sera particuliegraverement peacutenaliseacute Il a de fortes chances que la reprisesrsquoeffectue avec un RTO avec un deacutelai maximum de 1 agrave 3 secondes [RFC6298] Ce genrede flots nrsquoa pas toujours assez de donneacutees eacutemises apregraves la perte pour geacuteneacuterer trois Du-pAck et proceacuteder agrave une reprise par fast retransnmit Comme ces flots repreacutesentent drsquoapregraves[Ciullo2009] 90 des flux preacutesents dans lrsquoInternet leur sous-performance sur les LFN estprobleacutematique

La reacutesolution de la congestion

TCP deacutetecte une perte par lrsquoexpiration du RTO ou par la reacuteception de trois DupAckTCP va reacuteagir en deux temps en renvoyant le paquet perdu et en divisant par deux lafenecirctre de congestion Si la taille de la fenecirctre est importante la division par deux vaentraicircner une chute significative de la capaciteacute drsquoenvoi Par rapport au produit deacutelai-bande passante cette division par deux peut entraicircner une sur-reacuteaction de lrsquoeacutemetteur Ledeacutebit eacutecouleacute apregraves un eacuteveacutenement de congestion peut devenir faible et se pose le problegravemede la dynamique de sondage

Dynamique du sondage

TCP a un objectif de performance en terme de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capa-citeacutes de transmission du reacuteseau TCP possegravede un comportement conservateur Avec lafonction de controcircle AIMD TCP aura besoin drsquoun cycle eacutegal agrave ω2 RTT pour reacutecupeacutererune taille de fenecirctre eacutegale agrave celle avant reacuteduction Dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage TCP tend agrave ecirctre trop prudent agrave ouvrir sa fenecirctre de congestion trop lentementLa capaciteacute de stockage importante demande un nombre de cycles important pour quela fenecirctre de congestion puisse couvrir le BDP Durant ce temps il est important de nepas avoir de pertes Lrsquoexemple donneacute par le [RFC3649] preacutesente un reacuteseau agrave une capa-citeacute de 10 Gbits un deacutelai de 100 ms et une taille de paquets drsquoun maximum de 1500octets Cela demanderait un eacutechange drsquoune dureacutee de deux heures environ De plus la to-taliteacute des paquets devront ecirctre transmis dans la dureacutee indiqueacutee preacuteceacutedemment Le tauxde perte maximal permettant lrsquousage de la totaliteacute de la bande passante est de lrsquoordrede 10minus10 Crsquoest un taux de perte irreacutealiste Il faut donc appliquer une autre fonction decontrocircle pour utiliser efficacement la capaciteacute des liens et pour reacutepondre rapidement auxchangements drsquoeacutetats du reacuteseau

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113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN

Pour rappel dans la partie 111 nous avons vu que le controcircle de congestion de TCPse deacutecoupait en deux phases La premiegravere phase de congestion avoidance comporte les al-gorithmes de sondage alors que la seconde phase dite de congestion recovery comporte lesalgorithmes de reacutesolution de la congestion Nous preacutesentons les propositions qui visentagrave changer le controcircle de congestion de TCP sur ces deux phases pour les adapter auxcontraintes des LFN et donc traiter les problegravemes que nous avons mis en eacutevidence dansla sous-section 112 Lrsquoutilisation de TCP sur des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage asusciteacute des propositions qui sont classeacutees dans le tableau 11 Ces propositions vont ecirctredeacutetailleacutees dans la suite de ce manuscrit

TABLE 11 ndash Tableau de synthegravese des propositions

Phase Problegraveme SolutionsCongestion avoidance Deacutemarrage de

connexionInitial Spreading Reacuteduc-tion du RTO Quick-startJump Start

Congestion recoveryReacutesolution decongestion

MulTCP

Dynamique dusondage

HighSpeed TCP C-TCPBIC CUBIC

Le deacutemarrage de connexion

Lrsquoideacutee de la premiegravere solution est de reacuteduire le nombre de cycles au deacutemarrage drsquounflot Le doublement de la taille lorsque la fenecirctre de congestion vaut 2 segments parexemple conduit agrave un increacutement qui reste faible sur un RTT Le principe de la premiegraveresolution est drsquoaugmenter la taille initiale de la fenecirctre de congestion (Initial Window (IW))[RFC6928] Avec une taille initiale de fenecirctre de congestion eacutequivalent agrave 10 Maximun Seg-ment Size (MSS) lrsquoeacutemetteur peut transmettre degraves le deacutebut de connexion une rafale de 10segments Parmi les avantages de cette solution on peut citer la reacuteduction de la latencedu transfert de donneacutees en consideacuterant que le canal ne sera pas congestionneacute Un des in-conveacutenients de cette solution est la possibiliteacute de congestionner la file drsquoattente du goulotdrsquoeacutetranglement Afin de reacutesoudre ce problegraveme [Sallantin2014] propose lrsquoInitial SpreadingCette proposition combine lrsquoaugmentation de la fenecirctre drsquoeacutemission et le meacutecanisme drsquoes-pacement meacutecanisme limitant la preacutesence de rafales Ces travaux ont fait lrsquoobjet drsquouneproposition aupregraves de lrsquoInternet Engineering Task Force (IETF) [Arnal2014]

La deacutetection drsquoune perte au deacutepart du deacutemarrage en douceur se fait agrave travers lrsquoex-piration du RTO soit trois secondes Pour ameacuteliorer la reprise sur erreur le [RFC6298]propose de reacuteduire la dureacutee du RTO agrave une seconde Cette reacuteduction du RTO autorise uneretransmission plus rapide des paquets perdus et apporte un gain relativement importantpour des flots qui ont une latence tregraves faible comme celle des flots courts

Une autre solution eacutevalueacutee par [Scharf2008-1] et deacutecrite par le [RFC4782] se nommeQuick-start Lrsquoeacutemetteur eacutemet une requecircte contenant le deacutebit drsquoeacutemission qursquoil souhaite uti-liser Chaque nœud traverseacute peut alors accepter rejeter ignorer ou modifier la requecircteen fonction de son deacutebit disponible Pour bien fonctionner ce meacutecanisme de neacutegociationneacutecessite que lrsquoensemble des routeurs traverseacutes aient reacutepondu agrave la requecircte La figure 15compare les performances du deacutemarrage en douceur (en rouge) et de Quick-start sur unteacuteleacutechargement vu depuis le serveur Le serveur a eacutemis deux requecirctes la premiegravere agrave undeacutebit de 8192 Mbits (en vert) et lrsquoautre pour un deacutebit drsquoune valeur de 512 Mbits (en

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bleu) Lrsquoaxe des abscisses repreacutesente la latence (dureacutee de la connexion) depuis lrsquoeacutemissionde la demande drsquoeacutetablissement de connexion et en ordonneacutee le deacutebit drsquoeacutemission Les deacute-bits ont eacuteteacute calculeacutes agrave partir de la quantiteacute de donneacutees moyenne eacutemises en un RTT Les reacute-sultats montrent des performances supeacuterieures de Quick-start par rapport au deacutemarrageen douceur En effet une requecircte de Quick-start avec un deacutebit suffisamment eacuteleveacute per-met drsquoatteindre rapidement lrsquoutilisation maximale de la bande passante disponible Ledeacutemarrage en douceur limite la croissance du deacutebit drsquoeacutemission On remarque eacutegalementque si la valeur seuil du deacutemarrage est trop basse le deacutebit drsquoeacutemission croicirct beaucoupmoins rapidement (lien en pointilleacute sur la figure 15) Quick-start reste performant sur lesflots courts en appliquant un deacutebit drsquoeacutemission qui sera eacutequivalent agrave un flot long

FIGURE 15 ndash Principe de Quick-Start (Source [Scharf2008-1])

Dans lrsquoarticle [Liu2007] lrsquoauteur preacutesente Jump Start Cette proposition reacutealise uneestimation des donneacutees precirctes agrave ecirctre envoyeacutees ainsi que du RTT Lrsquoobjectif est drsquoeacutemettreles segments de faccedilon reacuteguliegravere en un RTT Ce meacutecanisme srsquoavegravere trop agressif dans lesenvironnements congestionneacutes Le nombre de segments envoyeacutes en un RTT peut ecirctreimportant et ainsi causer de seacutevegraveres deacutegradations de performance

La reacutesolution de la congestion

Quand TCP a atteint lrsquoeacutetat stable et qursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de conges-tion va ecirctre diviseacutee par deux Cette reacuteduction diminuera le deacutebit eacutecouleacute Il est importantpour TCP drsquoecirctre reacuteactif vis agrave vis des pertes Pour cela de nouveaux algorithmes doiventecirctre mis en place dans la phase drsquoeacutevitement de congestion Ces algorithmes devront ecirctrereacuteactifs aux pertes mais sans sur-reacuteagir Ces nouveauteacutes doivent permettre de retrouverrapidement un deacutebit eacutecouleacute important

Lorsque plusieurs flux TCP empruntent une route congestionneacutee ils sont soumis aumecircme taux de pertes Le but eacutetant de reacutepartir eacutequitablement la bande passante dispo-nible Une approche de diminution moins agressive de la fenecirctre de congestion consistea reacutealiser des connexions TCP parallegraveles Lrsquoobjectif est drsquoavoir un flux TCP se comportantcomme lrsquoagreacutegation de plusieurs flux

Dans lrsquoarticle [Crowcroft1998] les auteurs proposent une version du controcircle de conges-tion de TCP qui se comporte drsquoune maniegravere eacutequivalente agrave N sessions TCP parallegraveles Ilsrsquoagit de MulTCP MulTCP geacutenegravere un flux TCP unique ougrave les sessions virtuelles sont reacute-parties uniformeacutement afin drsquoobtenir le reacutesultat maximal en terme de deacutebit Le controcircle decongestion de TCP change lorsqursquoil utilise lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion et qursquoil

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deacutetecte un eacuteveacutenement de congestion (par deacutetection drsquoau moins une perte drsquoun segmentdans une fenecirctre de congestion) Les eacutequations suivantes sont utiliseacutees dans chacun descas MulTCP

ACK ω larr ω +N

ω

DROP ω larr ω times (1minus 1

2N)

(12)

En eacutevitement de congestion lorsqursquoun ACK est reccedilu MulTCP augmente sa fenecirctre decongestion (ω) de N segments par RTT Lors de la perte de segments (DROP) MulTCPreacuteduit sa fenecirctre de ω(2N) plutocirct que la valeur par deacutefaut de ω2 La figure 16 montrelrsquoeacutevolution de la fenecirctre de congestion de MulTCP par rapport agrave TCP On voit sur la fi-gure 16 que MulTCP a de meilleures performances qursquoun flux TCP normal Lorsque lesperformances sont combineacutees le reacutesultat est supeacuterieur agrave un flux unique

FIGURE 16 ndash Simulation de MulTCP avec N=5 (Source [Huston2006])

Dynamique du sondage

Lrsquoobjectif de lrsquoeacutemetteur de TCP est drsquoenvoyer le plus de donneacutees le plus vite possibleMais agrave condition qursquoelles arrivent sans produire de la congestion sinon les donneacutees se-ront perdues et il faudra les reacute-eacutemettre Il faut eacutegalement tenir compte des autres flotsen partageant eacutequitablement les ressources du reacuteseau Une approche pour traiter le pro-blegraveme de la dynamique du sondage consiste agrave changer la fonction de controcircle de TCP

Lrsquoobjectif de HighSpeed-TCP (HS-TCP) est drsquoatteindre les hauts deacutebits en ayant desperformances comparables agrave TCP classique dans les environnements agrave faible BDP [RFC3649]La version du controcircle de congestion HighSpeed-TCP utilise le meacutecanisme drsquoAdditive In-crease and Multiplicative Decrease combineacute agrave un facteur calculeacute en fonction de la taille dela fenecirctre de congestion tel qursquoindiqueacute par les eacutequations 13 En deccedila drsquoun certain seuilde ω la reacuteponse de HighSpeed-TCP est eacutequivalente agrave TCP Reno HS-TCP est limiteacute durantla phase de deacutemarrage en douceur Durant cette phase HS-TCP peut normalement en-voyer un grand nombre de paquets Lrsquoenvoi drsquoun trop grand nombre de donneacutees risquedrsquooccasionner de la congestion Le [RFC3742] propose de limiter agrave 100 paquets la capaciteacutedrsquoenvoi drsquoHS-TCP durant la phase de deacutemarrage en douceur

ACK ω larr ω +α(ω)

ωDROP ω larr (1minus β(ω))times ω

(13)

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La figure 17 illustre le comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCPLorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre est moins importante gracircceau facteur β Le retour a la valeur preacuteceacutedente se fait beaucoup plus rapidement qursquoavecReno ou NewReno (en gris clair sur la figure) gracircce au facteur α Ainsi HS-TCP offre unemeilleure utilisation de la capaciteacute disponible sur le lien

FIGURE 17 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCP (Source [Afanasyev2010])

Dans [Tan2006] lrsquoauteur propose une version de TCP alliant lrsquoapproche pro-activeet reacuteactive Une approche pro-active utilise les variations du RTT pour estimer lrsquoeacutetat dureacuteseau Alors qursquoune approche reacuteactive agit quand lrsquoeacuteveacutenement de congestion srsquoest pro-duit Lrsquoobjectif est de maintenir de bonnes performances sur reacuteseaux avec un haut deacutebitet un grand RTT Compound-TCP (C-TCP) maintient deux fenecirctres de congestion Lrsquounecroicirct de faccedilon lineacuteaire mais deacutecroicirct via un certain coefficient en cas de perte La secondefenecirctre est lieacutee agrave lrsquoapproche pro-active de TCP-Vegas [Brakmo1994] La taille de la fenecirctrede congestion reacuteellement utiliseacutee est la somme des deux fenecirctres Lrsquoeacutequation 14 illustrecette addition

ACK ω larr ωreno + ωfast (14)

Si le RTT est bas alors la fenecirctre ωfast va croicirctre rapidement Si C-TCP rencontre uneperte alors ωreno diminuera rapidement pour compenser lrsquoaugmentation preacuteceacutedente deωfast Ce systegraveme cherche agrave garder une valeur constante de la fenecirctre drsquoeacutemission C-TCPutilise efficacement des liens sur les reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage C-TCP est sujetau mecircme deacutefaut que TCP-Vegas sur lrsquoexactitude des mesures RTT Si les flux en concur-rence les uns avec les autres dans le reacuteseau observent des valeurs RTT minimales diffeacute-rentes le flux se voyant un RTT plus eacuteleveacute sera beaucoup plus agressif et injuste pourlrsquoautre flux La figure 18 illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion de C-TCPLa partie convexe de la courbe repreacutesente un fonctionnement plus proche de TCP RenoCela indique donc une valeur de ωfast faible Nous remarquons qursquoapregraves une perte TCPessaye de reacutecupeacuterer rapidement la valeur preacuteceacutedente Lors de pertes multiples la fenecirctrede congestion suit une forme proche agrave ce moment de la courbe de HighSpeed-TCP (voirfigure 17) Ce comportement est la conseacutequence drsquoune valeur eacuteleveacutee de ωfast C-TCP per-met ainsi drsquoatteindre le deacutebit maximum disponible sur le lien tout en lissant sa capaciteacutedrsquoenvoi en se basant sur le RTT C-TCP est la version de TCP installeacutee nativement sur lesystegraveme drsquoexploitation Windows de Microsoft

Lrsquoalgorithme de controcircle de congestion de TCP connu sous le nom Binary IncreaseCongestion control (BIC) vise agrave une convergence rapide [Xu2004] La fenecirctre doit atteindrela taille maximale possible sans qursquoil y ait de pertes Pour cela il met en œuvre une nou-velle fonction du controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion La fonction de controcircle

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FIGURE 18 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de Compound-TCP (Source [Afanasyev2010])

de BIC est structureacutee en trois phases (Additive Increase Binary Search Max Probing) tellesqursquoillustreacutees par la figure 19a Au deacutemarrage de la connexion BIC va increacutementer lineacuteai-rement la fenecirctre de congestion Crsquoest la phase drsquoAdditive Increase

Durant la phase Binary Search BIC va essayer de deacutecouvrir la taille optimale de lafenecirctre de congestion La taille optimale est la taille permettant drsquoeacutemettre le maximum dedonneacutees sans essuyer de pertes Elle se base sur lrsquoeacutetude entre la valeur minimale (ωmin)et la valeur maximale (ωmax) de la fenecirctre de congestion Ces variables vont permettredrsquoaffiner la valeur de la fenecirctre de congestion Au deacutebut de la connexion ωmin est mise agrave1 et ωmax est mis arbitrairement agrave une valeur eacuteleveacutee

Lorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de congestion va ecirctre reacuteduite et prendre pourvaleur la moyenne entre ωmin et ωmax ωmin prend alors pour valeur la taille de la fenecirctrede congestion apregraves reacuteduction et ωmax la valeur de la fenecirctre de congestion avant la perteSi lrsquoeacutecart entre la valeur de la fenecirctre de congestion avant et apregraves la perte est supeacuterieuragrave une constante Smax alors la fonction de controcircle de BIC entre en phase dite AdditiveIncrease Durant cette phase Smax va servir de valeur drsquoincreacutementation pour la fenecirctrede congestion agrave chaque RTT Par la suite et si aucune perte nrsquoest de nouveau deacutetecteacuteela fonction de controcircle de BIC retourne en phase de Binary Search Lrsquoobjectif est de stabi-liser la taille de la fenecirctre aux alentours de la valeur de ωmax rencontreacutee avant la pertepreacuteceacutedente

Lorsque cette valeur est deacutepasseacutee BIC entre dans la phase dite Max Probing Lrsquoaug-mentation de la fenecirctre de congestion est alors lineacuteaire Lrsquoobjectif eacutetant la recherche drsquounnouvel ωmax La figure 19b illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion dansle temps Lors du deacutebut de connexion BIC se comporte comme Reno avec le meacutecanismedu deacutemarrage en douceur Degraves qursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre estalors moins agressive qursquoavec Reno Au centre de la courbe nous remarquons la fonctiondrsquoaccroissement avec les trois phases

BIC est un controcircle de congestion performant dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage Neacuteanmoins BIC peut ecirctre trop agressif pour les flux qui ont des courts deacutelaisCela a pour conseacutequence un partage ineacutequitable de la bande passante disponible avec lesflux qui ont des longs deacutelais

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquoiniquiteacute lieacute au RTT lrsquoalgorithme CUBIC propose dechanger la fonction de controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion pour la rendreplus agressive La fonction retenue est cubique et son eacutevolution est repreacutesenteacutee par la fi-gure 110a Contrairement agrave la figure drsquoaccroissement de BIC (fig 19a) qui comporte troisphases la fonction drsquoaccroissement de CUBIC nrsquoen compte que deux (fig 110a) Sur lafigure 110b on constate que ces deux phases sont preacutesentes tout au long de lrsquoeacutevolutionde la fenecirctre de congestion de CUBIC Ces deux phases ne sont pas forceacutement conseacute-cutives lrsquoune de lrsquoautre Apregraves la deacutetection drsquoune perte CUBIC va essayer de croicirctre le

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(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez BIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 19 ndash Fonctionnement de BIC TCP

plus rapidement possible jusqursquoagrave ωMax Lorsque ωMax est atteint la taille de la fenecirctre vasrsquoincreacutementer lentement Mais plus la valeur drsquoω est eacuteloigneacutee en taille de ωMax plus lacroissance va srsquoacceacuteleacuterer Lrsquoavantage de CUBIC sur BIC est le remplacement la fonction decontrocircle lineacuteaire par une fonction cubique pour plus drsquoagressiviteacute Lrsquoalgorithme CUBICest deacutecrit par le [RFC8312]

(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez CUBIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deCUBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 110 ndash Fonctionnement de CUBIC

114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs

Drsquoautres approches ont eacuteteacute eacutetudieacutees pour aider le controcircle de congestion de TCP Cesapproches impliquent les routeurs et ne reposent plus que sur le principe de bout-en-boutpropre agrave TCP

Explicit Congestion Notification (ECN) vise agrave renforcer lrsquoindication drsquoun eacuteveacutenement decongestion [RFC3168] Avec ECN la congestion est signaleacutee avant que la perte drsquoun pa-quet ne se produise Lors de la reacuteception drsquoun paquet indiquant une congestion lrsquoeacutemet-teur va alors reacuteduire sa fenecirctre de congestion et sa fenecirctre drsquoeacutemission La reacuteduction dela capaciteacute drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur eacutevitera pertes et retransmissions et une reacuteductiondes deacutelais de reprise Lrsquousage de cette option neacutecessite que lrsquoeacutemetteur le reacutecepteur et lesrouteurs du chemin soient capables de geacuterer les notifications explicites Avec ECN lrsquoin-formation de congestion est transmise agrave lrsquoeacutemetteur Aucune indication sur le lieu preacutecisde la congestion est indiqueacutee

eXplicit Control Protocol (XCP) est un protocole de controcircle de congestion utilisantles notifications explicites de deacutebit [Katabi2002] En cela il reprend lrsquoideacutee de Quick-startCependant il se diffeacuterencie par le deacutecouplage opeacutereacute entre la probleacutematique du partageeacutequitable entre les flots et celle de lrsquoefficaciteacute du transfert Dans lrsquoarchitecture de proto-coles XCP se situe entre TCP et IP XCP repose sur un en-tecircte qui va servir aux routeurs

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traverseacutes pour indiquer le deacutebit drsquoeacutemission pour le flot La valeur drsquoadaptation de la fe-necirctre de congestion est calculeacutee agrave partir des informations contenues dans lrsquoen-tecircte XCPXCP propose un controcircle de congestion qui fonctionne sur un reacuteseau 100 XCP Uneseconde limite est lrsquoiniquiteacute avec les autres protocoles de transport Les performancessont fortement deacutegradeacutees si diffeacuterents protocoles de bout en bout sont exeacutecuteacutes dans lemecircme reacuteseau tels que TCP XCP possegravede de mauvaises performances si des routeurs IPclassiques (non-XCP) se trouvent au niveau du goulot drsquoeacutetranglement

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquointeropeacuterabiliteacute Dans [Lopez2006] lrsquoauteur proposeXCP-interoperable (XCP-i) une version XCP qui garde les meacutecanismes de controcircle XCPsans ajouter drsquoeacutetat de flux Lrsquoobjectif drsquoXCP-i est de deacuteployer XCP sur un reacuteseau com-prenant des routeurs XCP et non-XCP Pour cela XCP-i va fonctionner en deux phasesDans une premiegravere phase il va deacutecouvrir les nuages non-XCP Un nuage non-XCP est unensemble de routeurs non capables de traiter XCP En comparant les champs Time-To-Live(TTL) drsquoIP et drsquoXCP le nombre de routeurs non-XCP preacutesents dans le reacuteseau peut ecirctredeacuteduit La seconde phase consiste agrave deacuteterminer les ressources du nuage non-XCP En ra-joutant un champ last_xcp_routeur XCP-i garde en meacutemoire lrsquoadresse du dernier routeurXCP traverseacute Agrave partir drsquoalgorithmes drsquoestimation de bande passante la bande passantedu nuage non-XCP sera estimeacutee entre les deux nœuds XCP La derniegravere phase pour reacutea-liser une inter-opeacuterabiliteacute complegravete entre routeurs classiques et routeurs XCP consiste agraveprendre en consideacuteration la bande passante estimeacutee dans les calculs du feedback de XCPLe protocole XCP-i va creacuteer un routeur XCP virtuel agrave la place du nuage non-XCP Gracirccea ces meacutecanismes un reacuteseau heacuteteacuterogegravene devient virtuellement homogegravene pour XCP Lesperformances de XCP-i sont comparables agrave celle de XCP [Lopez2006] XCP-i reacutesout leproblegraveme drsquointer-opeacuterabiliteacute de XCP sur des reacuteseaux non 100 XCP

Ces solutions preacutesentent le deacutesavantage de devoir ecirctre deacuteployeacutees eacutegalement au seindes routeurs Le principal avantage de ces solutions est une indeacutependance au deacutelai Lesprobleacutematiques lieacutees au deacutelai que lrsquoon a preacutesenteacutees preacuteceacutedemment sont alors inopeacute-rantes Dans le cadre de La Reacuteunion les deacutelais peuvent ecirctre importants

115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion

Lrsquoaugmentation des deacutebits drsquoaccegraves srsquoaccompagne de lrsquoaugmentation de la capaciteacute desliens drsquointerconnexion comme celles des cacircbles sous-marins Malgreacute cette augmentationdes deacutebits le temps de propagation reste inchangeacute Dans cette partie nous deacuteterminonsagrave partir de quel deacutebit un accegraves Internet agrave La Reacuteunion peut ecirctre sujet aux problegravemes ren-contreacutes sur les LFN

Dans la section 21 nous avons vu que La Reacuteunion est raccordeacutee agrave Internet par deuxaccegraves reposant sur des cacircbles sous-marins le SAFE et le LION Le cacircble SAFE est prolongeacutepar le cacircble SAT-3WASC Le temps de propagation (tp) sur un cacircble peut ecirctre estimeacutepar la formule matheacutematique 15 dans laquelle d repreacutesente la distance et c la vitesse depropagation du signal sur le support

tp =d

c(15)

Si nous retenons la route directe entre La Reacuteunion et la France hexagonale qui passepar le plus long des accegraves constitueacute par les cacircbles SAFE et SAT-3WASC Sachant que lecacircble SAFE a une longueur totale de 13 500 km pour aller de lrsquoAfrique du Sud agrave lrsquoAsie Sion fait lrsquohypothegravese que lrsquoicircle de La Reacuteunion se situe agrave une distance eacutequivalente agrave la moitieacutedu cacircble SAFE La longueur du cacircble pour La Reacuteunion est de 6 750 Km La vitesse de

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propagation du signal pour une fibre optique est eacutegale agrave la vitesse de la lumiegravere (299 792Kms) Lrsquoapplication de la formule 15 donne tp1 avec

tp1 = 12times dSAFEc = 22 52ms (16)

tp1 approxime le temps de propagation entre La Reacuteunion et le point de sortie du cacircbleSAFE en Afrique du Sud ou en Asie Pour obtenir le RTT ce temps est agrave doubler Onobtient alors la valeur RTT1 = 45 04 ms

La seconde partie du trajet de lrsquoAfrique du Sud jusqursquoen Europe emprunte le cacircbleSAT-3WASC Drsquoapregraves [Cablesmap] la longueur du cacircble est de 14 350 Km Le temps depropagation entre lrsquoAfrique du Sud et lrsquoEurope noteacute tp2 srsquoexprime comme

tp2 = (dSATminus3WASC)c = 47 87ms (17)

Le RTT sur ce cacircble est de RTT2 = 95 74 msAu total le RTT incompressible pour joindre lrsquoEurope en passant par les cacircbles SAFESAT-3WASC consiste agrave additionner le RTT de chaque cacircble agrave savoir RTT1 et RTT2 Le RTTincompressible est donc minimal de 140 78ms Ce deacutelai comme nous venons de le calcu-ler ne prend en compte que la propagation Il neacuteglige le temps de transmission du paquetainsi que les temps drsquoattente avant la transmission

Lrsquoeacutetude preacutesenteacutee dans[Anelli2012] a mesureacute un RTT minimal pour les paquets quit-tant lrsquoicircle de La Reacuteunion de 185 ms Ce reacutesultat a eacuteteacute obtenu par une eacutetude de mesuresdepuis les locaux de lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion La figure 111 repreacutesente la Probabi-lity Density Function (PDF) des RTT mesureacutes Cette fonction est compareacutee agrave celle qui estobtenue depuis la France hexagonale et de Paris en particulier On constate une forte si-militude sur la forme des courbes La courbe de La Reacuteunion enregistre un deacutecalage dansle temps de 185 ms par rapport agrave celle de Paris Ce deacutecalage repreacutesente le RTT minimummesureacute pour rejoindre la meacutetropole et acceacuteder agrave lrsquoInternet

0

0001

0002

0003

0004

0005

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0007

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0009

001

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1

Pro

b

RTT (in sec)

From Paris

From Reunion

FIGURE 111 ndash Reacutepartition des deacutelais depuis Paris et lrsquoicircle de La Reacuteunion (Source [Anelli2012])

Si lrsquoon considegravere la valeur de BDP de 12 5 Ko indiqueacutee par le [RFC1072] comme lalimite basse drsquoun LFN et si nous reprenons les diffeacuterentes TAI preacutesenteacutees dans la section21 nous pouvons calculer le produit deacutelai-bande passante drsquoun canal de communica-tion entre La Reacuteunion et la meacutetropole Il est fait lrsquohypothegravese pour ce calcul que le goulotdrsquoeacutetranglement est donneacute par lrsquoaccegraves agrave Internet Le tableau 12 preacutesente les reacutesultats ob-tenus

24

TABLE 12 ndash Approximation du produit deacutelai bande passante de la connectiviteacute de LaReacuteunion agrave lrsquoInternet

NomhhhhhhhhhhhhhhhhhhhBande passante

RTT (en secondes)Estimeacute 0141

Mesureacute 0185

Modem56 Kbits 987 o 130 Ko128 Kbits 226 Ko 296 Ko512 Kbits 902 Ko 118 Ko

ADSL1 Mbits 176 Ko 231 Ko8 Mbits 141 Ko 185 Ko20 Mbits 353 Ko 463 Ko

VDSL 50 Mbits 881 Ko 116 Mo

Fibre

35 Mbits 617 Ko 809 Ko100 Mbits 176 Mo 231 Mo200 Mbits 353 Mo 463 Mo

1 Gbits 176 Mo 231 Mo

Le tableau preacutesente en gras les produits deacutelai-bande passante deacutepassant la limite des12 5 Ko Ainsi les reacutesultats sont assez eacuteloquents Degraves que lrsquoon arrive sur un accegraves ADSLavec un deacutebit minimal drsquo1 Mbits nous avons un BDP supeacuterieur agrave la limite fixeacutee par le[RFC1072] Ainsi rapidement lrsquoeacutevolution des deacutebits proposeacutes sur lrsquoicircle et les capaciteacutes descacircbles sous-marins associeacutes agrave un deacutelai eacuteleveacute ont fait de lrsquoInternet reacuteunionnais un reacuteseauqui a les caracteacuteristiques drsquoun LFN

Nous avons vu que TCP est un protocole de transport dont la performance est deacutepen-dante du RTT et du BDP Les deacutelais sont une des caracteacuteristiques des LFN La Reacuteunionest un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage due agrave des deacutelais importants Il est important demesurer pour comprendre lrsquoimpact de cette caracteacuterisation sur les performances de TCP

12 Meacutetrologie du trafic Internet

Avec lrsquoInternet qui devient de plus en plus gros et de plus en plus complexe la meacutetro-logie est une activiteacute qui vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet Nousallons dans cette partie du manuscrit preacutesenter les techniques de meacutetrologie appliqueacuteesagrave lrsquoInternet

121 Deacutefinition

Meacutetrologie est un mot composeacute de deux termes grecs Le premier metron signifie lamesure tandis que logos fait reacutefeacuterence agrave la science Par deacutefinition la meacutetrologie deacutesignela science de la mesure Par la suite le terme meacutetrologie fera uniquement reacutefeacuterence agrave la meacute-trologie appliqueacutee aux reacuteseaux informatiquesLa meacutetrologie signifie donc la mesure des caracteacuteristiques drsquoun reacuteseau sous de nombreuxaspects Cette science est devenue un outil indispensable pour avoir une compreacutehensionde divers aspects de lrsquoInternet On peut citer la complexiteacute la qualiteacute de service et laqualiteacute utilisateur la performance du reacuteseau la performance des protocoles le fonction-nement ou encore la validation des modegravelesLa meacutetrologie Internet englobe deux types drsquoactiviteacutes La premiegravere est lrsquoeacutetude des para-megravetres physiques de la qualiteacute de service La seconde consiste a mettre en eacutevidence lesproblegravemes lieacutes agrave lrsquoInternet [Larrieu2010]

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Dans [Paxson2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoapproche research driven et lrsquoapproche measure-ment driven pour deacutefinir les objectifs drsquoune eacutetude de meacutetrologie Le choix drsquoune approcheva aider une personne souhaitant faire de la meacutetrologie sur la bonne faccedilon drsquoaborderlrsquoeacutetude qursquoelle veut mettre en place

Lrsquoexpression research driven peut ecirctre traduite par axeacutee sur la recherche Elle consisteagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires de lancer les campagnes de mesures et drsquointerpreacuteter les reacute-sultats Une meacutetrique se deacutefinit comme une grandeur mesurable et speacutecifieacutee de maniegravererigoureuse Une bonne meacutetrique doit pouvoir se mesurer de faccedilon reproductible ecirctreutile en pratique pour les utilisateurs et les administrateurs du reacuteseau [RFC2330] Cetteapproche est celle geacuteneacuteralement utiliseacutee par les opeacuterateurs et les groupes de recherchesElle est deacuteveloppeacutee par le groupe de travail IP Performance Metrics (IPPM) de lrsquoIETF Cegroupe de travail a produit de nombreux documents pour deacutefinir les mesures de per-formances Lrsquoapproche research driven comporte un deacutefaut principal En laissant de cocircteacutecertaines meacutetriques des aspects du comportement du reacuteseau ne sont pas eacutetudieacutes Parexemple une eacutetude restreinte aux deacutelais ne peut indiquer les raisons de la variation desdeacutelais dans le temps

Lrsquoapproche measurement driven peut se traduire en la mesure pour la mesure Cettemeacutethode consiste agrave mettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer lemaximum drsquoinformations puis effectuer toutes les analyses possibles sur les traces col-lecteacutees et interpreacuteter les reacutesultats obtenus Une telle meacutethode peut srsquoutiliser lorsque lrsquoonsouhaite mettre en avant le comportement geacuteneacuteral drsquoun lien Cette approche permet agrave ladiffeacuterence de la preacuteceacutedente drsquoanalyser agrave plusieurs reprises une mecircme source de donneacuteesen fonction des reacutesultats obtenus

Le tableau 13 reacutesume les deux approches de conduite de projet en meacutetrologie

TABLE 13 ndash Comparatif entre les approches de meacutetrologie

Research Driven Measurement Driven1 - Meacutetriques deacutefinies preacutealablement2 - Utilisation drsquoun outil adapteacute

1 - Collecte des donneacutees2 - Analyse exhaustive

Ces deux approches sont compleacutementaires lrsquoune de lrsquoautre et srsquoappliquent dans lesdeux classes de techniques de mesures les techniques de mesures actives et les tech-niques de mesures passives

122 Meacutetrologie active

La meacutetrologie active consiste agrave injecter un trafic speacutecifique et agrave mesurer en reacuteceptionlrsquoeffet sur le reacuteseau agrave eacutetudier Lrsquohypothegravese faite par la meacutetrologie active est que la mesurefaite de bout en bout est reacuteveacutelatrice de la performance du service du reacuteseau telle qursquoellepeut ecirctre perccedilue par une application Les paquets eacutemis sont des sondes qui en emprun-tant la route entre la source et la destination expeacuterimentent la performance du canal decommunication Il convient de limiter le trafic des sondes afin qursquoil ne vienne pas pertur-ber le trafic et donc fausser la mesure Les meacutetriques mesureacutees par les mesures activessont geacuteneacuteralement des meacutetriques associeacutees agrave la topologie du reacuteseau ou au trafic commeles routes ou les deacutelais Dans le cas de la meacutetrologie active il se peut que lrsquoeacutemetteur soiteacutegalement le collecteur La figure 112 illustre ce principe

La meacutetrologie active est opeacutereacutee agrave lrsquoaide drsquooutils speacutecifiques de geacuteneacuteration et de collectede sondes Le tableau 14 indique les meacutetriques obtenues avec les outils de meacutetrologiepreacutesenteacutes par la suite

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FIGURE 112 ndash Principe de la meacutetrologie active

TABLE 14 ndash Classement des outils

XXXXXXXXXXXOutilMeacutetriques

RTT Routes Deacutebits

Ping XTraceroute X XParis Traceroute X XReverse-traceroute X XTraceIXroute X XPathchar XClink XIperf X

La mesure du RTT est geacuteneacuteralement obtenue par lrsquooutil ping (Packet Internet Groper)Cet outil se preacutesente sous la forme drsquoune commande dans un systegraveme de type Unix Ellesert en premier lieu agrave veacuterifier la connectiviteacute agrave Internet et lrsquoaccessibiliteacute drsquoun nœud Ensecond lieu avec cette veacuterification le RTT et la longueur de la route exprimeacutee en nombrede sauts sont deacutetermineacutes Elle utilise le protocole Internet Control Message Protocol (ICMP)pour effectuer la mesure Un message ICMP Echo request est eacutemis Le destinataire renvoieagrave lrsquoeacutemetteur un message ICMP Echo reply La peacuteriode qui seacutepare lrsquoeacutemission de la reacuteceptiondu coteacute eacutemetteur est mesureacutee

Pour en savoir plus sur la connectiviteacute drsquoun nœud et notamment sur la route emprun-teacutee pour atteindre une destination donneacutee lrsquooutil traceroute offre le moyen de cette deacute-couverte [Jacobson1989-1] Cet outil se preacutesente comme pour ping sous la forme drsquounecommande de type Unix Son principe de fonctionnement est baseacute sur un envoi successifde messages avec un champ TTL du paquet IP qui va croissant Le routeur qui reccediloit unmessage dont le TTL du paquet a atteint la valeur zeacutero envoie un message ICMP TimeExceeded pour reporter lrsquoerreur agrave lrsquoeacutemetteur Par ce message il indique en adresse sourcelrsquoadresse IP de son interface qui a rejeteacute le paquet Ainsi si un paquet ayant un TTL posi-tionneacute agrave n est envoyeacute vers une destination donneacutee le routeur situeacute agrave n sauts de la sourceva faire connaicirctre son adresse IP et ceci tant que le chemin vers la destination est supeacute-rieur agrave n sauts [Crovella2006] Le reacutesultat est lrsquoensemble des nœuds traverseacutes reacutepondantau protocole ICMP De nouveaux outils utilisant le principe de traceroute furent deacutevelop-peacutes pour reacutepondre agrave drsquoautres probleacutematiques comme la preacutesence des points drsquoeacutechangeou encore lrsquoasymeacutetrie des liens

La reacuteponse afficheacutee par la commande traceroute nrsquoest pas la seule route existanteEn exeacutecutant agrave plusieurs reprises la mecircme commande traceroute les reacuteponses obtenuespeuvent ecirctre diffeacuterentes A cause de lrsquoeacutequilibrage de charge (load-balancing) la sortie drsquounrouteur ne sera pas toujours la mecircme Lrsquoeacutequilibrage des charges sert agrave reacutepartir le traficsur diffeacuterents liens Ainsi il est possible que deux paquets provenant de la mecircme sourcevers la mecircme destination nrsquoempruntent pas la mecircme route Sur la figure 113 les liensphysiques entre les diffeacuterents nœuds sont indiqueacutes en rouge Les traits en pointilleacute repreacute-sentent le chemin emprunteacute par les messages ICMP envoyeacutes par la source La figure 113amontre le reacutesultat trouveacute par traceroute La route emprunteacutee est SRC A D DST

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Traceroute va envoyer 3 paquets avec un champ TTL eacutegal agrave 2 Dans le cas de cet exemplelrsquoensemble des paquets est dirigeacute vers B Ainsi malgreacute lrsquoabsence de liaison physique di-recte entre les nœuds A et D traceroute nous indique la preacutesence drsquoune route entre ceuxdeux eacutequipements Lrsquooutil Paris-traceroute vise agrave traiter ce problegraveme [Augustin2006]La figure 113b montre la route deacutecouverte par Paris-traceroute La route afficheacutee estSRC A C DST On remarque que la route obtenue existe physiquement Pour obte-nir ce reacutesultat Paris-traceroute change le numeacutero drsquoidentification du flux agrave lrsquoeacutemission despaquets ICMP Cette modification oblige les routeurs agrave suivre une seule et unique routeParis-traceroute autorise eacutegalement lrsquoaffichage des numeacuteros de voies logiques MPLS

(a) Traceroute

(b) Paris-traceroute

FIGURE 113 ndash Illustration du pheacutenomegravene drsquoeacutequilibrage des charges

MultiProtocol Label Switch (MPLS) est un meacutecanisme de commutation rapide de pa-quets fondeacute sur des adresses de format fixe et sans structure hieacuterarchique [RFC3031]Ces adresses sont des numeacuteros de voies logiques appeleacutees des eacutetiquettes ou labels (paranglicisme) Dans le cas de lrsquoutilisation de traceroute avec MPLS il faut que le routeurMPLS puisse envoyer un message ICMP Le [RFC4950] documente une simple extensionagrave ICMP pour retourner de lrsquoinformation speacutecifique agrave MPLS autrement dit pour qursquounrouteur MPLS puisse indiquer des informations speacutecifiques agrave MPLS dans le paquet ICMPeacutemis en cas de problegraveme [Donnet2012] a eacutetudieacute les possibiliteacutes offertes par des routeursMPLS

Dans les explicit tunnels la structure interne du tunnel est entiegraverement visible et chaquenœud dans le Label Switched Path (LSP) est marqueacute comme nœud MPLS Dans ce type detunnel le champ ttl-propagate qui est dans lrsquoen-tecircte MPLS des paquets et le [RFC4950] sontappliqueacutes Cela signifie que le champ TTL du datagramme IP est deacutecreacutementeacute agrave chaquerouteur rencontreacuteDans les implicit tunnels le LER drsquoentreacutee active lrsquooption ttl-propagate mais les LSR nrsquoim-pleacutementent pas le [RFC4950] La deacutecreacutementation du TTL est effective mais aucune infor-mation de routeur MPLS nrsquoest visibleDans les opaque tunnels crsquoest lrsquoinverse de lrsquoimplicit tunnels Les routeurs impleacutementent le[RFC4950] Le nœud drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Le TTL est alors deacutecreacute-menteacute agrave la sortie du tunnel MPLS Le paquet ICMP-reply indique quand mecircme lrsquoexistencedrsquoun tunnel MPLSPour les invisible tunnels le LER drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Dans ce casle TTL est deacutecreacutementeacute uniquement lors du dernier routeur du tunnel Le [RFC4950] nrsquoestpas impleacutementeacute par le dernier routeur du LSP Cela implique lrsquoabsence drsquoinformation

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sur le meacutecanisme MPLS au sein des paquets ICMP On nrsquoa alors pas drsquoinformations surlrsquoexistence drsquoun tunnel ICMP sur la route emprunteacutee

Avec lrsquoacheminement avec MPLS des mauvaises valeurs de TTL peuvent ecirctre obte-nues agrave cause du type de tunnel mis en œuvre Il est donc important que le [RFC4950] soitimpleacutementeacute dans les routeurs

FIGURE 114 ndash Taxonomie des configurations de tunnels MPLS et des comportements detraceroute correspondants (Source [Donnet2012] )

Paris-traceroute propose lrsquoaffichage des informations MPLS lorsque celles-ci sont dis-ponibles [Augustin2007] La texte ci-dessous illustre les reacutesultats obtenus par Paris-traceroutesur un Explicit tunnel On y voit lrsquoaffichage des marques MPLS avec le TTL associeacute agravechaque nœud

traceroute [(412131413533456) -gt (818216615733457)]protocol icmp algo hopbyhop duration 3 s1 4121314133 23266 ms 2542 ms 3696 ms2 4121313397 6811 ms 5613 ms 4635 ms3 10322161 5779 ms 6841 ms 4073 msMPLS Label 16445 TTL=1 | 2129964 1032237 2223 ms 2249 ms 2264 msMPLS Label 16386 TTL=2 | 2129965 4121312850 2185 ms 2245 ms 2097 msMPLS Label 16442 TTL=3 | 2129966 10322193 3551 ms 9330 ms 7775 ms7 41213133158 2337 ms 3088 ms 2250 ms8 4121312854 195439 ms 195555 ms 195512 ms9 213242121233 211737 ms 211724 ms 212013 ms10 469148181 234190 ms 234271 ms 234323 ms11 4687222 236854 ms 236798 ms 237063 ms12 213224250110 237108 ms T0 236580 ms T0 236570 msT013 2132242502 237213 ms 236631 ms 236694 ms14 213224201252 239100 ms 239461 ms 238680 ms15 8182166157 250874 ms 249608 ms 248057 ms

Avec traIXroute lrsquoobjectif est de deacutecouvrir les diffeacuterents points de peering (IXP) sur unchemin vers une destination [Nomikos2016] Pour lrsquoidentification des nœuds drsquoeacutechangecette version de traceroute combine deux bases de donneacutees compleacutementaires qui sontPeeringDB [PeeringDB] et Packet Clearing House [PCH] Avec une geacuteolocalisation desadresses retourneacutees la liste des pays traverseacutes peut ecirctre eacutetablie

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Drsquoapregraves [Steenbergen2009] laquo lrsquooutil de deacutepannage numeacutero 1 pour veacuterifier la connec-tiviteacute drsquoun nœud reste traceroute raquo pour les administrateurs reacuteseaux mais laquo les liens asy-meacutetriques sont les fleacuteaux numeacutero un de lrsquooutil raquo car laquo le chemin de retour est entiegraverementmasqueacute raquo Afin de corriger cela lrsquooutil reverse-traceroute propose drsquoobtenir une routenon pas entre la source et la destination mais entre la destination et la source [Katz2010]pour cela lrsquooutil va utiliser lrsquoenregistrement des adresses IP des routeurs sur le chemindu retour agrave lrsquoaide des options drsquoen-tecircte Record-Route et Timestamp drsquoIP

Pour deacuteterminer le deacutebit pathchar [Jacobson1997] vise agrave donner le deacutebit saut par sautvers une destination Aussi il reprend le principe de traceroute en eacutemettant des sondesavec le champ TTL avec une valeur croissante Lorsqursquoil injecte le trafic de sondes vers unnœud du chemin il le fait avec des paquets de taille variable Ainsi pathchar deacuteterminela bande passante disponible entre chaque nœud rencontreacute

Lrsquooutil Clink [Downey1999] est similaire agrave pathchar La diffeacuterence se fait au niveausur le nombre de paquets envoyeacutes Clink envoie un nombre de paquets plus importantque Pathchar Ainsi les mesures reacutealiseacutees par Clink auront une meilleure preacutecision

Iperf [Tirumala2005] est un outil pour mesurer la bande passante et la qualiteacute drsquounlien reacuteseau Ce dernier est deacutelimiteacute par deux machines sur lesquelles est installeacute IperfUne machine tient le rocircle de serveur tandis que la seconde machine sera parameacutetreacuteecomme client

Pour des mesures plus repreacutesentatives il est neacutecessaire drsquoaugmenter les points decollectes Des outils de meacutetrologie active ont eacuteteacute conccedilus pour ecirctre reacutepartis sur plusieursnœuds Ces outils se preacutesentent sous la forme de plates-formes de meacutetrologie active deacute-ployeacutees agrave travers le monde De nos jours on compte de nombreuses plates-formes demeacutetrologie active Comme chaque plate-forme a un objectif preacutecis et pour identifier laplate-forme approprieacutee pour reacutealiser une eacutetude preacutecise lrsquoauteur de [Bajpai2015-1] effec-tue une comparaison des diffeacuterentes plates-formes selon 5 critegraveres qui sont

1 lrsquoeacutechelle la couverture et la dureacutee de vie de la plate-forme

2 le mateacuteriel physique utiliseacute pour la sonde

3 les meacutetriques disponibles

4 lrsquoarchitecture de mesure de la plate-forme

5 lrsquoimpact de son utilisation pour la recherche

De cette comparaison nous avons gardeacute 4 plates-formes que sont Atlas RIPE NCC BIS-Mark DASU SamKnows Ces plates-formes ont eacuteteacute gardeacutees car elles autorisent lrsquoeacutetudedes performances des reacuteseaux drsquoaccegraves Nous y avons ajouteacute les plates-formes Archipe-lago et Planet-Lab Ces deux plates-formes ne font pas partie du document drsquoorigine maisfont lrsquoobjet drsquoune utilisation par de nombreux participants tel que lrsquoindique le nombrede sondes actives de ces deux plates-formes

En 2007 le CAIDA a deacuteployeacute sa propre plate-forme de mesures [Archipelago] Atravers le deployement de nœuds (des sondes dans le vocabulaire de Archipelago) surlrsquoensemble de la planegravete lrsquoobjectif est drsquooffrir des accegraves pour effectuer des mesures avecdes outils tels que ping et traceroute Archipelago est composeacutee agrave la date du 1er Mars2017 de 170 sondes reacuteparties dans 59 pays et sur tous les continents

Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le Regional Internet Registry (RIR) europeacuteen RIPENCC a deacutemarreacute la distribution de sondes pour la creacuteation de la plate-forme Atlas [Ripe2010]Cette plate-forme vise agrave creacuteer un reacuteseau de sondes pour lrsquoeacutetude de la connectiviteacute de lrsquoIn-ternet Composeacutee actuellement de pregraves de 10 000 sondes reacuteparties agrave travers le monde elleest capable drsquoeffectuer des tests de meacutetrologie active autour des commandes ping DNSHTTP NTP traceroute et Paris-traceroute

30

Agrave lrsquoinitiative de Georgia Tech la plate-forme Broadband Internet Service Benchmark (BIS-Mark) a vu le jour en 2010 Lrsquoobjectif est la reacutealisation drsquoun eacutetat des lieux des performancesdes accegraves Internet [Sundaresan2011] La plate-forme est composeacutee de 405 routeurs instru-menteacutes avec OpenWrt laquo Le projet OpenWrt est un systegraveme drsquoexploitation Linux ciblantles appareils embarqueacutes OpenWrt fournit un systegraveme de fichiers entiegraverement inscriptibleavec gestion des modules drsquoinstallation de logiciels Cela libegravere la seacutelection et la configu-ration des applications fournies par le fournisseur et permet de personnaliser lrsquoappareilgracircce agrave lrsquoutilisation de progiciels adapteacutes agrave nrsquoimporte quelle application raquo [OpenWrt] Lessondes sont distribueacutees dans 34 pays agrave travers le monde

DASU est un utilitaire deacuteveloppeacute en 2010 agrave lrsquoUniversiteacute de Northwestern Le logicielcouple meacutetrologie active et passive avec pour objectif de caracteacuteriser les performancesdes utilisateurs Lrsquooutil fut deacuteveloppeacute comme une extension drsquoun logiciel peer-to-peer Bit-Torrent [Sanchez2013] Depuis Juillet 2010 plus de 90 000 personnes reacuteparties agrave travers147 pays utilisent DASU

En 2003 des chercheurs ameacutericains ont deacuteployeacute une plate-forme de test Planet-Lab[Chun2003] En 2008 une extension europeacuteenne [PlanetLabEurope] a vu le jour Planet-Lab deacutepasse le seul objectif de meacutetrologie elle vise aussi de tester des nouveaux servicesde communication en situation reacuteelle Les nœuds Planet-Lab ont pour Operating System(OS) Fedora Il est possible drsquoinstaller nrsquoimporte quel logiciel du moment qursquoil est com-patible avec cet OS Avec une certaine liberteacute il est possible drsquoeffectuer des tests et desmesures depuis 425 sites reacutepartis sur tous les continents

La plate-forme SamKnows a vu le jour en 2008 [SamKnows] SamKnows sert agrave lrsquoeacutetudedes performances des connexions des particuliers et des entreprises Elle est composeacuteede pregraves de 440 000 sondes Cette infrastructure est partenaire de 36 Fournisseurs drsquoAccegravesInternet (FAI) de tous les continents

Le tableau 15 reacutesume les possibiliteacutes offertes par les plates-formes La colonne Impactsur la recherche est deacutetermineacutee agrave partir du nombre de citations par des articles scientifiquessuivis par le site Google Scholar

La plate-forme de mesures Atlas RIPE NCC [Ripe2010] a eacuteteacute utiliseacutee dans le contexteinsulaire de Cuba Dans lrsquoarticle [Bischof2015] lrsquoauteur cherche agrave caracteacuteriser lrsquoaccegraves In-ternet cubain Dans ses reacutesultats lrsquoauteur a montreacute une forte asymeacutetrie des routes in-ternationales pour le trafic cubain Drsquoun point de vue de la topologie physique cette icirclepossegravede une connectiviteacute qui peut par certains aspects ressembler agrave de celle de lrsquoicircle de LaReacuteunion

Lrsquoicircle de La Reacuteunion bien que Franccedilaise est rattacheacutee administrativement au RIR dela zone Afrique (AfriNIC) LrsquoAfriNIC est le dernier RIR creacuteeacute et les eacutetudes de meacutetrolo-gie concernant cette zone sont peu nombreuses Nous pouvons citer [Gupta2014] qui sepenche sur lrsquointerconnexion des FAI sur le continent africain Cette eacutetude montre que leseacutechanges de paquets ne se font pas au sein du continent africain mais en Europe La rai-son avanceacutee par lrsquoauteur est un coucirct drsquointer-connexion infeacuterieur en Europe Ces regravegles deroutage on des conseacutequences sur les deacutelais et donc sur les performances sur le servicede transport rendu par TCP Ces reacutesultats ont eacuteteacute confirmeacutes par [Fanou2015] Cette eacutetudesrsquointeacuteresse en plus agrave la stabiliteacute des routes Les reacutesultats ont montreacute que les chemins afri-cains restent stables sur une longue dureacutee Pour les auteurs lrsquoeacutemergence de nouveauxpoints drsquoeacutechanges sur le continent doit aider agrave la reacuteduction des deacutelais agrave conditions queles coucircts drsquointerconnexion soient proches de ceux pratiqueacutes en Europe

Enfin lrsquoarticle [Chavula2017] publieacute en 2017 preacutesente la latence pour les transferts defichiers agrave partir de 53 pays africains diffeacuterents Ces mesures srsquoappuient sur la plate-formeRIPE Atlas [Ripe2010] et Speedchecker [Speechecker] Agrave partir des mesures reacutealiseacutees les

31

TABLE 15 ndash Tableau des plates-formes de mesures de meacutetrologie active

Nom Nombre desondes deacuteployeacutees

Meacutetriques dispo-nibles

Impact sur la re-cherche

Archipelago ~200 Longueur duchemin RTTDNS Autono-mous System(AS)

109

Atlas RIPE NCC ~12 000 RTT RouteHTTP GET etrequecirctes SSL

38

BISMark ~420 RTT taux depertes deacutebiteacutecouleacute tempsde chargementdrsquoune page web

304

DASU ~100 000 Informations surles flux TCP RTTroutes emprun-teacutees reacutesolutionDNS HTTP GETdeacutebit eacutecouleacute

84

PlanetLab ~400 1218SamKnows ~70 000 RTT deacutebit

eacutecouleacute deacutebitutile giguetaux de perteperformance decertains services

154

auteurs avancent que lrsquoAfrique est un continent ineacutegalitaire en terme de latence intra etinter pays Ils ont conclu que lrsquoexistence drsquoune faible latence entre deux FAI drsquoun mecircmepays provient drsquoaccord de peering au sein drsquoun IXP heacutebergeacute soit par le pays concerneacutesoit par un pays voisin

123 Meacutetrologie passive

La meacutetrologie passive a pour objectif la mesure des flots de paquets agrave partir drsquounpoint particulier du reacuteseau appeleacute le point de collecte Elle consiste agrave eacutecouter captureret analyser les paquets IP La figure 115 illustre le principe de la meacutetrologie passiveElle montre que le point de collecte nrsquoest pas forceacutement localiseacute du coteacute eacutemetteur oureacutecepteur Les paquets IP transitant par le point de collecte sont captureacutes et sauvegardeacutesOn appelle alors les fichiers contenant les paquets IP collecteacutes des traces Les mesurespassives peuvent ecirctre effectueacutees agrave diffeacuterents niveaux de granulariteacute

Au niveau microscopique les mesures passives tendent agrave eacutetudier les flots au niveaude la connexion de transport On peut par exemple eacutetudier le nombre de paquets per-dus durant une connexion TCP Au niveau macroscopique les mesures passives sonteffectueacutees sur des meacutetriques agreacutegeacutees comme le deacutebit eacutecouleacute total ou le nombre total deconnexions

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FIGURE 115 ndash Principe de la meacutetrologie passive

La meilleure faccedilon de reacutealiser des mesures passives au niveau microscopique est decapturer tous les paquets traversant le point de collecte Mais comme il est difficile decapturer tous les paquets lorsque le deacutebit du lien est eacuteleveacute il faut avoir recours agrave lrsquoeacutechan-tillonnage du trafic Dans ce cas les mesures ne sont pas faites sur la totaliteacute des pa-quets traversant le point de collecte mais sur un sous-ensemble bien speacutecifique de cespaquets Le groupe de travail Packet Sampling (PSAMP) de lrsquoIETF travaille sur un algo-rithme drsquoeacutechantillonnage adapteacute au trafic Internet [PSAMP]

Une combinaison entre lrsquoanalyse des deux granulariteacutes est capable de donner uneeacutevaluation reacuteelle du trafic Les informations que lrsquoon peut obtenir par la meacutetrologie pas-sive sont nombreuses Elles reposent sur lrsquoeacutetude des informations contenues dans le da-tagramme IP que ccedila soit dans lrsquoen-tecircte du datagramme IP ou dans celle du message duprotocole de transport Les meacutetriques sont eacutegalement deacutependantes des outils utiliseacutes Onpeut classer les meacutetriques en deux cateacutegories que sont la supervision et la performance

La supervision donne des informations sur le fonctionnement du reacuteseau et la carac-teacuterisation du trafic On peut ainsi eacutetudier les diffeacuterents services et protocole de transportutiliseacutesLa performance se rapporte agrave celle du protocole de transport crsquoest-agrave-dire son fonction-nement ou sur lrsquoanalyse des flots par rapport soit agrave la composante temporelle ou soit agravela composante seacutemantique On peut alors comparer le deacutebit drsquoaccegraves theacuteorique et le deacutebitmesureacute Pour cela on va eacutetudier le taux de perte le RTT et la MSS

La meacutethode de capture peut reposer sur des eacutequipements mateacuteriels deacutedieacutes ou par unsystegraveme logiciel fonctionnant sur un eacutequipement standard Le logiciel srsquoappuie majori-tairement sur la bibliothegraveque Libpcap [Jacobson1989-2] Cette bibliothegraveque capture lespaquets reccedilus mais elle srsquoutilise eacutegalement en lisant des traces de paquets preacutealablementcaptureacutes Le problegraveme principal des solutions logicielles viennent de la vitesse des liensPlus le lien a un deacutebit eacuteleveacute plus la capture au niveau logiciel devient difficile Il fautalors se tourner vers des solutions de mateacuteriels deacutedieacutes La carte DAG [Graham1997] deacute-veloppeacutee par lrsquoeacutequipe [WAND] de lrsquoUniversiteacute de Waikato en Nouvelle Zeacutelande en est unparfait exemple Cette carte de capture est capable de capter les paquets sur des liens detregraves haut deacutebit Ce mateacuteriel se charge drsquoextraire les entecirctes des paquets de les estampillersuivant une horloge synchroniseacutee et de les stocker sur un disque dur

Lrsquoanalyse des donneacutees est reacutealiseacutee selon deux techniques temps reacuteels ou Batch Leprincipe du temps reacuteel est de pouvoir reacutecupeacuterer extraire et restituer de lrsquoinformation entemps reacuteel sur des flux continus de donneacutees Le mode Batch va englober tous les traite-ments de donneacutees neacutecessitant un temps de calcul plus conseacutequent Le premier proceacutedeacutese propose drsquoanalyser agrave la voleacutee ce qui se passe dans le reacuteseau par le branchement drsquouneacutequipement drsquoeacutecoute sur le reacuteseau On se concentre alors sur la performance du lien Desoutils comme Tstat [Mellia2005] ou Netflow [Claise2004] reacutealisent ce genre drsquoanalyse La

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seconde technique se deacutecompose en deux phases distinctes que sont la capture et lrsquoana-lyse La premiegravere eacutetape est de reacutealiser la capture du trafic appeleacutee des traces Des outilscomme TCPDump [Jacobson1989-1] ou Wireshark [Chappell2010] peuvent enregistrerdes traces sous format DUMP ou PCAP La seconde phase consiste agrave analyser les tracescollecteacutees Les formats de sortie des donneacutees analyseacutees sont deacutependants des outils Lesinformations peuvent ecirctre retranscrites au format texte ou graphique Des outils commeTCPTrace [Ostermann2000] ou TCPStat [Herman2001] peuvent effectuer ce genre drsquoana-lyse de donneacutees Crsquoest avec cette technique qursquoil est possible drsquoeacutetudier les performancesdrsquoun protocole

Il nrsquoexiste pas de plate-forme drsquoaccegraves publique reacutealisant des captures de trafic au ni-veau international Malgreacute cela des traces collecteacutees sont disponibles sur Internet agrave desfins de recherche Dans [Allman2007] les auteurs preacutesentent les regravegles agrave respecter avantde publier des traces Un point est agrave souligner et concerne les adresses IP des paquets Lanon-anonymisation des adresses IP constitue une violation de la vie priveacutee de plus ellepreacutesente un risque drsquoinseacutecuriteacute pour les machines impliqueacutees par les paquets captureacutesCAIDA gegravere un deacutepocirct de partage et propose drsquoacceacuteder agrave des traces collecteacutees agrave traversplusieurs points drsquoeacutechange ameacutericains Pour y acceacuteder il faut indiquer la finaliteacute de lrsquouti-lisation des traces demandeacutees Drsquoautres plates-formes deacutedieacutees agrave des projets ont eacuteteacute misesen place agrave travers le monde

Le projet IPMon de lrsquoopeacuterateur ameacutericain SPRINT consiste agrave identifier les problegravemesdrsquoun reacuteseau deacutejagrave deacuteployeacute afin de pouvoir anticiper son eacutevolution future[IPMon] Danslrsquoarticle [Fraleigh2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoinfrastructure de mesure qui est deacuteployeacutee endivers points du reacuteseau de lrsquoopeacuterateur Les premiers reacutesultats publieacutes dans [Fraleigh2003]ont montreacute une utilisation de plus en plus importante par du trafic multimeacutedia sur le pro-tocole TCP De plus les flots TCP preacutesentent des performances eacuteleveacutees avec des taux dedeacute-seacutequencement faibles et un deacutelai minimal proche du temps de propagation

Le projet METROPOLIS srsquoest inspireacute du projet IPMon Il srsquoagit drsquoun projet franccedilaisavec des points de mesures sur deux types de reacuteseaux Internet diffeacuterents RENATER etle reacuteseau ADSL de France Teacuteleacutecom laquo Lrsquoobjectif de METROPOLIS eacutetait de concevoir denouvelles meacutethodologies pour la meacutetrologie des reacuteseaux IP raquo [METROPOLIS] Dans lecadre de ce projet un outil de caracteacuterisation et drsquoanalyse des traces fut deacuteveloppeacute Cenouvel outil srsquointitule ZOO Une preacutesentation de lrsquooutil sera reacutealiseacutee dans la sous-section322 Les reacutesultats ont mis une eacutevidence lrsquousage preacutedominant du protocole de transportTCP Les applications de type peer-to-peer repreacutesentaient plus de 80 du trafic eacutetudieacute

La position geacuteographique de La Reacuteunion et son rattachement au RIR AfriNIC attirentnotre attention sur les travaux de meacutetrologie passive africains La carte [AfterFibre] preacute-sente les reacuteseaux fibres terrestres et maritimes lieacutes au continent africain On voit ainsi queles reacuteseaux sont ineacutegalement reacutepartis sur le territoire La grandeur du continent et les in-terconnections preacutesentes font du territoire un espace drsquoeacutetude inteacuteressant Crsquoest pourquoide nombreux chercheurs privileacutegient lrsquoeacutetude de la connectiviteacute et des performances delrsquoInternet africain

Dans lrsquoarticle [Johnson2011] une eacutetude sur une zone rurale connecteacutee par satelliteest reacutealiseacutee Les reacutesultats ont montreacute que le trafic est principalement composeacute de fluxweb dont une forte proportion pourrait ecirctre mise en cache Au niveau des deacutelais le RTTmoyen sur la peacuteriode de mesure varie entre 3 et 10 secondes Ce deacutelai rend lrsquoutilisationdes applications temps-reacuteel difficile Le dernier reacutesultat notable de cette analyse est lapreacutesence de trafic geacuteneacutereacute par des logiciels malveillants (malware) Des attaques pour listerles ports UDP et TCP ouverts ont eacuteteacute remarqueacutees

En 2015 les auteurs de [Zheleva2015] ont eacutetudieacute les performances du reacuteseau et le com-portement des usagers apregraves une augmentation de la bande passante en Zambie Lrsquoun des

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premiers reacutesultats indique une augmentation de plus de 58 de la quantiteacute des donneacuteeseacutechangeacutees Au niveau des performances ils ont pu eacutegalement remarquer une tregraves leacutegegraveredeacutegradation du canal de communication avec un taux de retransmission en hausse Cepourcentage est passeacute de 1 12 agrave 1 16 Le dernier reacutesultat noteacute porte sur lrsquoaugmenta-tion du RTT moyen de plus de 100 passant de 0 1436 s agrave 0 3190 s Lrsquoaugmentation dela bande passante a permis lrsquoaccegraves agrave de nouveaux services entraicircnant des changementspour les usagers

Dans [Fanou2016] lrsquoauteur srsquointeacuteresse aux services proposeacutes et compare la localisa-tion des serveurs Le premier reacutesultat montre lrsquoexternalisation continentale de nombreuxserveurs Ceci a pour conseacutequence drsquoaugmenter les deacutelais et de deacutegrader la performancedu service de communication Il faut pour lrsquoauteur arrecircter de raisonner en terme drsquoin-frastructure mais plus en terme de service et mettre lrsquoutilisateur au centre du systegravemePour cela il propose de rapatrier les services sur le territoire et drsquoaugmenter les accordsdrsquoeacutechanges entre les opeacuterateurs continentaux

Enfin dans [Johnson2016] les auteurs srsquointerrogent sur les faibles performances deTCP en Afrique La preacutesence de zone reculeacutees avec des accegraves satellitaires poussent lesdeacutelais vers des valeurs allant au delagrave des 400 ms Ces longs deacutelais sont agrave rapprocher desdeacutebits faibles De plus une expeacuterimentation sur les performances de TCP en fonction dusystegraveme drsquoexploitation a eacuteteacute meneacutee Les reacutesultats ont mis en eacutevidence que le systegraveme Li-nux avec la version TCP CUBIC est moins sensible au long deacutelais La solution proposeacutee auproblegraveme de la diffeacuterence de connectiviteacute agrave travers le continent est la creacuteation drsquoune ingeacute-nierie reacuteseau (liaison physique protocole de transport nouveau service) tenant comptedu contexte Africain

124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives

La meacutetrologie active et la meacutetrologie passive preacutesentent des points communs et despoints de divergences Une fois des objectifs fixeacutes et au moment du choix de la meacutethodeil est important de connaicirctre les avantages et les inconveacutenients lieacutes agrave chaque type demesure Le tableau 16 reacutecapitule syntheacutetiquement ce qui vient drsquoecirctre preacutesenteacute

TABLE 16 ndash Comparatif entre mesures actives et mesures passives

Meacutetrologie Active Meacutetrologie Passive

Avantages

1 - Pour la mesure directe des pa-ramegravetres de QoS principalementle deacutelai le taux de pertes et lagigue

1 - Non intrusives2 - Permettent une mesure directedes paramegravetres utiliseacutes dans lrsquoin-geacutenierie des reacuteseaux

Inconveacutenients

1 - Intrusives le trafic de mesurepeut dans certains cas fausser lesmesures elles-mecircmes2 - Le fait que certains adminis-trateurs et entreprises bloquentou limitent le trafic ICMP peutfausser les reacutesultats obtenus parles techniques actives car ces der-niegraveres font souvent usage de ceprotocole

1 - Elles sont locales (relatives agraveun lien) et il est difficile de leseacutetendre agrave la globaliteacute du reacuteseau2 - Elles ne permettent pas la me-sure directe des paramegravetres deQoS3 - Elles neacutecessitent des ressourcesdisque et meacutemoire vive impor-tantes

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13 Synthegravese

Ce chapitre a rappeleacute le fonctionnement du controcircle de congestion de TCP Le controcirclede congestion de TCP vise agrave maximiser lrsquoutilisation des ressources et agrave maximiser le deacute-bit utile eacutecouleacute de la connexion Ce controcircle est reacutegi par une boucle fermeacutee caracteacuteriseacuteepar un RTT Plus le deacutelai est eacuteleveacute moins TCP est susceptible de reacuteagir dynamiquementaux eacuteveacutenements de congestion Lorsque le produit du RTT et de la capaciteacute du canalde communication est trop important TCP peine agrave atteindre les objectifs preacuteceacutedemmentpreacutesenteacutes Lrsquoaugmentation progressive de la bande passante sans diminution des deacutelais apour effet lrsquoaugmentation de la capaciteacute de stockage des liens Cet accroissement a uneffet neacutegatif sur les performances de TCP Cet effet neacutegatif impacte le deacutemarrage deconnexion les flots courts la reacutesolution de la congestion et la dynamique du sondagePour diminuer lrsquoeffet de la capaciteacute de stockage des liens sur les performances de TCPde nouveaux controcircles de congestion furent deacuteveloppeacutes Chaque nouvelle version ducontrocircle de congestion ambitionne de reacutesoudre une agrave plusieurs probleacutematiques des reacute-seaux agrave forte capaciteacute de stockage Le deacutemarrage de connexion et les flots courts ont dessolutions communes comme une augmentation de la capaciteacute drsquoeacutemission de TCP agrave lrsquoini-tialisation de la connexion ou la reacuteduction du RTO Les probleacutematiques de reacutesolution decongestion et de dynamique de sondage ont permis la creacuteation de nouvelles versions ducontrocircle de congestion de TCP Ces versions de TCP sont des solutions de bout-en-boutDrsquoautres solutions neacutecessitent un changement de paradigme et lrsquointeraction avec les rou-teurs Ces solutions ont lrsquoavantage drsquoecirctre reacuteactives mais neacutecessitent la mise agrave jour deseacutequipements intermeacutediaires du reacuteseau

Le localisation geacuteographique de La Reacuteunion au milieu de lrsquooceacutean indien place lrsquoicircledans une situation ougrave la capaciteacute de stockage du reacuteseau peut ecirctre importante Nous avonsainsi estimeacute cette capaciteacute agrave lrsquoaide des deacutebits theacuteoriques des accegraves et les deacutelais de propa-gation estimeacutes et mesureacutes Les reacutesultats obtenus ont mis en eacutevidence une capaciteacute destockage autorisant la caracteacuterisation de lrsquoInternet reacuteunionnais comme un reacuteseau agrave fortecapaciteacute de stockage Lrsquoimpact de cette capaciteacute de meacutemorisation nrsquoa pas encore eacuteteacute me-sureacute Crsquoest pourquoi nous nous sommes concentreacutes sur la meacutetrologie Internet

La meacutetrologie active est une science invasive en injectant des paquets dans le reacuteseauLa meacutetrologie active mesure directement des paramegravetres de qualiteacute de service comme lesdeacutelais les routes le taux perte et la gigue Nous avons vu que des outils sont en capa-citeacute de mesurer deux meacutetriques simultaneacutement Certains outils peuvent ecirctre distribueacuteset ainsi former des plates-formes de mesure Ces plates-formes offrent la possibiliteacute auxpersonnes inteacuteresseacutees du monde entier de geacuteneacuterer des donneacutees de mesure agrave travers lemonde Les performances de TCP sont deacutependantes du deacutelai Les deacutelais sont eux-mecircmedeacutependants des routes physiques et logiques emprunteacutees Il est donc important drsquoeacutetudierces deux paramegravetres Connaissant nos besoins nous utiliserons lrsquoapproche research drivenpour lrsquoeacutetude de meacutetrologie active Lrsquoapproche research driven est une approche consistantagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires agrave lrsquoeacutetude Notre eacutetude de meacutetrologie active est preacutesenteacutee dansle chapitre 2

La meacutetrologie passive permet une mesure directe des paramegravetres utiliseacutes Cette classede meacutetrologie est centreacutee sur un lien de mesure Elle utilise lrsquoeacutecoute et la capture desdatagrammes IP La meacutetrologie passive eacutetudie la caracteacuterisation du trafic et la perfor-mance des protocoles Nous avons vu que des outils sont en capaciteacute de reacutealiser les deuxeacutetudes en parallegravele Ne pouvant reacutealiser des eacutetudes de meacutetrologie passive agrave distance denombreux chercheurs ont mis agrave disposition de la communauteacute scientifique des donneacuteespubliques La litteacuterature scientifique propose un grand nombre de meacutetriques pour lrsquoeacutetudedes performances du protocole de transport TCP et de la supervision du trafic Afin de

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ne pas nous concentrer sur une meacutetrique en particulier nous faisons le choix de ne pasdresser une liste de meacutetriques Notre eacutetude de meacutetrologie passive que nous preacutesente-rons dans le chapitre 3 utilisera lrsquoapproche measurement driven Cette approche consiste agravemettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer le maximum drsquoinforma-tions puis drsquoeffectuer toutes les analyses possibles sur les donneacutees collecteacutees Neacuteanmoinsla meacutetrologie passive souffre de deux faiblesses essentielles (1) elle reste locale et il estdifficile drsquoeacutetendre les reacutesultats agrave la globaliteacute du reacuteseau (2) au niveau microscopique lescaptures aboutissent tregraves rapidement agrave des volumes de traces colossaux

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Chapitre 2

Caracteacuterisation de la connectiviteacute deLa Reacuteunion

Le rapport [Mediametrie2018-2] sur lrsquoaccegraves Internet agrave La Reacuteunion a montreacute que 856de la population reacuteunionnaise de plus de 13 ans srsquoest deacutejagrave connecteacutee agrave Internet 747 deces personnes sont des usagers reacuteguliers En comparaison le rapport [Mediametrie2018-1]montre qursquoaux alentours de 68 de la population franccedilaise meacutetropolitaine se connectequotidiennement Ces sondages montrent lrsquointeacuterecirct pris par lrsquoInternet pour la populationreacuteunionnaise

En 2013 une eacutetude de meacutetrologie reacutealiseacutee par BinarySec vise a effectuer un classementdes fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion Dans le rapport associeacute [Vergoz2013] 9meacutetriques sont preacutesenteacutees Parmi elles le deacutebit descendant moyen est mesureacute agrave 9 36MbsEn comparaison le deacutebit descendant moyen en France meacutetropolitaine mesureacute par[Akamai2015] srsquoeacutelegraveve agrave 8 2 Mbits Akamai utilise la plate-forme Intelligent PlatformTM

pour reacutecolter des donneacutees dont le deacutebit reacuteel La Reacuteunion posseacutedait ainsi un meilleurdeacutebit descendant que la France meacutetropolitaine Le deacutebit moyen franccedilais preacutesenteacute par[Akamai2017] est de 10 75 Mbits Le deacutebit descendant minimum reacuteunionnais mesureacutepar [nPerf2017] est de 18 63 Mbits Ainsi lrsquoeacutecart entre les deacutebits franccedilais et reacuteunionnaissrsquoest accentueacute Malgreacute un deacutebit plus eacuteleveacute La Reacuteunion preacutesente des deacutelais plus eacuteleveacutesque la France

Lrsquoeacutevolution des deacutebits pose la question sur lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis la derniegraverecampagne de mesure La figure 111 montre des deacutelais plus importants agrave La Reacuteunion qursquoagraveParis Lrsquoobjectif de ce chapitre est drsquoeacutetudier lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis 2012 On srsquointeacute-resse eacutegalement agrave la connectiviteacute de La Reacuteunion en terme de deacutelai et de routes Lrsquoasymeacute-trie des liens est une chose courante dans lrsquoInternet Les questions que lrsquoon se pose de-puis La Reacuteunion doivent eacutegalement ecirctre poseacutees lorsque lrsquoon essaye de joindre lrsquoicircle Dansce chapitre nous allons explorer la connectiviteacute de La Reacuteunion Pour cela nous avonsmis en place un protocole de mesures se basant sur notre propre plate-forme de mesuresrespectant la reacutepartition des destinations Notre plate-forme a pour objectif lrsquoeacutetude desroutes et des deacutelais speacutecifiques de lrsquoicircle par rapport agrave son accegraves Internet via les cacircblessous-marins

Une seconde question est alors apparue Est-ce que ces speacutecificiteacutes sont uniquementcelles de La Reacuteunion ou alors communes aux icircles de la Zone Oceacutean Indien

Dans la section 21 nous preacutesentons les objectifs de notre eacutetude de meacutetrologie et lescontraintes associeacutees Afin de reacutepondre agrave ces contraintes un cahier des charges est preacute-senteacute dans la section 22 Le protocole drsquoeacutetude est deacutecrit dans la section 23 Les reacutesultatsobtenus pour La Reacuteunion suivis de ceux des icircles de lrsquoOceacutean Indien sont preacutesenteacutes dansla section 24

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21 Objectifs

En 2012 [Anelli2012] a reacutealiseacute une campagne de mesure des deacutelais depuis La Reacuteunionet Paris Cette campagne de meacutetrologie active baseacutee sur la commande ping a pour ob-jectif de deacutemontrer la diffeacuterence de deacutelai et de deacutebit entre La Reacuteunion et Paris Le premierobjectif de nos travaux consiste agrave la mise jour des donneacutees par une nouvelle eacutetude desdeacutelais Nous ferons par la suite reacutefeacuterence agrave cet objectif par le titre Evolution

Le second objectif est lrsquoanalyse de la connectiviteacute Internet de La Reacuteunion Pour arri-ver agrave obtenir une analyse preacutecise de la connectiviteacute Internet reacuteunionnaise une eacutetude surles routes emprunteacutees par les paquets IP en provenance et agrave destination de La Reacuteunionsera reacutealiseacutee Pour cela on utilisera un outil de type traceroute On utilisera les donneacuteesreacutecolteacutees pour lrsquoidentification des portes de lrsquoInternet reacuteunionnais La reacutefeacuterence utiliseacuteepour cet objectif dans le suite du manuscrit est Connectiviteacute

Ayant cibleacute les meacutetriques nous avons fait le choix de la meacutethode research-driven Cettemeacutethode preacutesenteacutee dans la section 121 a lrsquoavantage de se concentrer uniquement surdes meacutetriques deacutecideacutees preacutealablement Dans le cas de notre eacutetude ce sont les deacutelais et lesroutes

22 Cahier des charges

Deux paramegravetres doivent ecirctre pris en consideacuteration lors de la reacutedaction du cahier descharges lrsquooutil de mesure et lrsquooutil drsquoanalyse

221 Evolution

Pour reacutepondre agrave lrsquoobjectif nous allons effectuer une reprise de lrsquoexistant Lrsquooutil demesure sera la commande ping associeacutee agrave la plate-forme Planet-Lab [PlanetLabEurope]Lrsquooutil drsquoanalyse sera identique agrave celui utiliseacute par [Anelli2012]

222 Connectiviteacute

Identification des besoins

Dans le tableau 14 nous avons vu que diffeacuterents outils sont capables de mesurer lesroutes et les deacutelais Lrsquooutil retenu devra limiter les erreurs lieacutees aux meacutecanismes de lrsquoeacutequi-librage de charge et de MPLS Cet outil devra reacutealiser des mesures depuis des nœudsreacutepartis sur lrsquoensemble de lrsquoicircle Pour cela il est neacutecessaire drsquoeffectuer un choix de plate-forme de meacutetrologie active Ce choix se fera sur 2 points la distribution geacuteographiquedes nœuds de mesure et la couverture des diffeacuterents fournisseurs drsquoaccegraves internet

Lrsquooutil drsquoanalyse devra ecirctre en capaciteacute drsquoidentifier les portes de lrsquoInternet reacuteunion-nais agrave travers la geacuteolocalisation des adresses IP drsquoidentifier les marques MPLS preacutesentesdans les donneacutees pour une meilleure compreacutehension des regravegles de routage geacuteneacuterer unecarte des relations entre pays agrave travers les eacutechanges de paquets envoyeacutes et reacutealiser desstatistiques sur les diffeacuterents nœuds emprunteacutes

Mise en œuvre drsquoune infrastructure de meacutetrologie active

Dans la section preacuteceacutedente nous avons vu que notre cahier des charges devra respec-ter 3 principaux critegraveres outil de mesure plate-forme de mesure et outil drsquoanalyse

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Paris-traceroute

Nous avons vu dans la partie 122 que lrsquoeacutetude des routes et des deacutelais peut se faire agravelrsquoaide drsquoun seul outil traceroute Or cet outil est sujet agrave des impreacutecisions lieacutees agrave lrsquoeacutequili-brage des charges par exemple Souhaitant limiter lrsquoimpact de ces aleacuteas dans nos donneacuteesnous faisons le choix de Paris-traceroute Pour rappel une preacutesentation de lrsquooutil et deses meacutecanismes est faite agrave la section 122

La plate-forme RunPL

Les plates-formes disponibles Similairement dans la section 122 nous avons preacute-senteacute des plates-formes de meacutetrologie active La plate-forme seacutelectionneacutee devra respecterles critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment

Parmi les plates-formes seules Atlas et Planet-Lab ont des sondes preacutesentes sur lrsquoicirclerespectivement 21 et 2 Ces sondes sont reacuteparties de maniegravere ineacutequitable sur lrsquoicircle Lareacutegion Est de lrsquoicircle ne compte qursquoune sonde quand le minimum est de 6 dans les autresreacutegions De plus certains des Fournisseurs drsquoAccegraves Internet (FAI) nrsquoheacutebergent pas de sondede mesure Le reacutesumeacute de notre comparaison est indiqueacute dans le tableau 21

TABLE 21 ndash Reacutepartitions des sondes chez les Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

Archipelago Atlas BISMark DASU Planet-Lab SamKnowsParis-traceroute

Oui Oui Oui Non Oui Non

Disponibiliteacutesur lrsquoicircle

Non Oui Non Non Oui Non

Couverturede lrsquoicircle

Non Oui Non Non Non Non

Reacutepartitionfournis-seurs

Non Non Non Non Non Non

On constate ainsi qursquoaucune des plates-formes preacutesenteacutees ne remplit la totaliteacute descritegraveres de seacutelection Nous avons souhaiteacute deacuteployer notre propre infrastructure Cettenouvelle plate-forme reacutepondra agrave nos critegraveres en offrant une meilleure couverture de lrsquoicirclesur les aspects geacuteographiques FAI et Technologies drsquoAccegraves agrave Internet (TAI) Lrsquoeacutechantillon depopulation est repreacutesenteacute par un ensemble drsquoeacutetudiants Notre plate-forme nous autoriseeacutegalement agrave ecirctre maicirctre de lrsquoinfrastructure de mesures que lrsquoon souhaite mettre en placeAfin de seacutelectionner les outils (physiques et logiciels) les plus adapteacutes agrave nos objectifsnous avons deacutecideacute des speacutecificiteacutes de notre plate-forme

Creacuteation et deacuteploiement de la plate-forme RunPL La plate-forme que lrsquoon souhaitedeacuteployer devra respecter un scheacutema de connectiviteacute bien preacutecis repreacutesenteacute par la figure21 La Sonde de mesure est le cœur de la plate-forme La Destination correspond agrave uneadresse IP ou un nom de domaine agrave joindre pour obtenir des informations sur les routesemprunteacutees et les deacutelais associeacutes Le Serveur de stockage est preacutesent pour deacutelester la sondede mesure LrsquoOrdinateur distant repreacutesente lrsquoadministrateur de la plate-forme Ne pouvantse deacuteplacer pour configurer la sonde un accegraves distant doit ecirctre reacutealiseacute Il est illustreacute parle train en pointilleacute sur la figure Le trait plein entre la sonde et la destination correspondagrave lrsquointeraction entre la sonde et la destination Cette interaction repreacutesente les mesuresque lrsquoon obtiendra sur les performances des liens Les sondes de mesure devront pou-voir effectuer les mesures sans limitation de destinations Elles devront afin de limiter

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le stockage effectuer un deacutelestage des mesures collecteacutees sur un serveur de stockage Ceserveur de stockage tout comme la sonde de mesure devra pouvoir ecirctre joint par lrsquoordi-nateur distant Cette communication a un double objectif Le premier est la reacutecupeacuterationdes donneacutees pour les analyses Le second est la mise agrave jour du protocole de mesure sineacutecessaire Une interaction seacutecuriseacutee est eacutetablie entre lrsquoordinateur distant la sonde et leserveur de stockage Cette liaison est caracteacuteriseacutee par les pointilleacutes sur la figure 21

FIGURE 21 ndash Scheacutema drsquointerconnexion de la plate-forme

Les speacutecificiteacutes de notre plate-forme se deacutecomposent en deux grandes parties quesont la partie mateacuterielle et la partie systegraveme

Mateacuterielle Un cahier des charges speacutecifique agrave notre plate-forme de mesure doit ecirctrereacutealiseacute La premiegravere partie concerne le choix du mateacuteriel physique

La partie mateacuterielle de la plate-forme de mesure est formeacutee de deux composants lasonde de mesure et le serveur de stockage des donneacutees Le serveur de stockage serafourni par le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques (LIM) Seule la sonde de me-sure sera indiqueacutee dans le cahier des charges Le mateacuteriel seacutelectionneacute devra respecter lescritegraveres preacutecis Ces critegraveres ont eacuteteacute deacutecideacutes en eacutetudiant les solutions proposeacutees par lesplates-formes preacuteceacutedemment eacutetudieacutees

mdash Peu encombrant de nombreuses sondes proposeacutees par les diffeacuterentes plates-formessont tregraves discregravetes Notre sonde devra eacutegalement ecirctre peu visible Nous souhaitonsque la sonde soit directement connecteacutee sur le routeur de lrsquousager

mdash Peu coucircteux le coucirct unitaire de chaque kit ne devait pas deacutepasser 50D afin que lrsquoonpuisse avoir un nombre de nœuds conseacutequent Un kit sera composeacute de la sonde deson cacircble alimentation drsquoune carte meacutemoire et drsquoun cacircble reacuteseau

mdash Peu eacutenergivore la facture drsquoeacutelectriciteacute eacutetant agrave la charge de lrsquousager nous souhai-tions une solution agrave faible consommation drsquoeacutenergie

mdash Diversiteacute du systegraveme drsquoexploitation (OS) Le systegraveme drsquoexploitation choisi devrasupporter lrsquoinstallation de Paris-traceroute

La seconde partie du cahier des charges de notre plate-forme se concentre sur le choixdu systegraveme drsquoexploitation

Pour rappel sur la figure 21 nous avons repreacutesenteacute en pointilleacute des interactions seacute-curiseacutees Ces eacutechanges concernent lrsquoaccegraves distant agrave la sonde au serveur de stockage et agravela sauvegarde des donneacutees de mesures sur le serveur Le systegraveme drsquoexploitation devracorrespondre aux critegraveres de seacutelection suivants

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mdash Paris-traceroute Le systegraveme drsquoexploitation devra inteacutegrer Paris-traceroute dans seslibrairies drsquoinstallations ou supporter lrsquoinstallation du code source

mdash Licence GNU-GPL Des modifications du systegraveme seront potentiellement neacuteces-saires

mdash Accegraves distant Le mateacuteriel devant ecirctre geacutereacute agrave distance Un accegraves Secure SHell (SSH)devra donc ecirctre configureacute Le protocole SSH [RFC4250] fut deacuteveloppeacute pour per-mettre lrsquoaccegraves agrave distance de terminaux

mdash Transmission seacutecuriseacutee Lrsquoaccegraves au diffeacuterents composants de la plate-forme devrase faire drsquoune faccedilon seacutecuriseacutee La restriction se fera agrave travers un systegraveme drsquoidentifi-cation

Seacutelection du mateacuteriel [Maksimovic2014] reacutealise une comparaison de diffeacuterents micro-ordinateurs tels que Arduino [Arduino] BeagleBone [Beaglebone] Phidgets [Phidgets]Udoo [Udoo] et RaspberryPi [RaspberryPi] Dans ce comparatif les critegraveres utiliseacutes sontproches de ceux que lrsquoon a seacutelectionneacutes Le tableau 22 reacutesume lrsquoensemble des critegraveres deseacutelection du mateacuteriel Il provient directement de lrsquoarticle [Maksimovic2014]

TABLE 22 ndash Tableau de comparaison des micro-ordinateurs (source [Maksimovic2014])

Critegraveres Arduino BeagleBone Phidegts Raspberry Pi UdooEncombrement(en mm)

7553 863533 813533 8565398 11085

Coucirct (en $ parnœud

30 45 50-200 25-35 99-135

Eacutenergie (en V) 7-12 5 6-15 5 6-15

Systegraveme

drsquoexploitation

Linux ang-strom

Linux

RaspbianUbuntuAndroidArchLinuxFreeBSDFedoraRISC OS

UbuntuAn-droidLinuxArchLi-nux

Nous avons mis en eacutevidence les valeurs respectant les critegraveres Nous faisons le choixdu Raspberry Pi car il possegravede le plus de critegraveres respecteacutes

Seacutelection du systegraveme drsquoexploitation Le premier critegravere de seacutelection est lrsquoinstalla-tion de Paris-traceroute Drsquoapregraves [Paris-traceroute] lrsquooutil est disponible sur les systegravemesRaspbian Ubuntu ArchLinux et FreeBSDConcernant les licences lrsquoensemble des OS ne sont pas eacutequivalents Ainsi seul RaspbianUbuntu et ArchLinux proposent une licence General Public Licence (GPL) RISC OS est as-socieacute agrave une licence proprieacutetaire Android FreeBSD et Fedora sont sous licence de logiciellibre et open source Les licences de distribution open source vont nous autoriser agrave ajou-ter modifier voire supprimer des parties du code pour qursquoil corresponde plus facilementagrave nos besoinsDe nombreux OS proposent nativement la version cliente du protocole SSH La versionserveur peut ecirctre activeacutee lors de lrsquoinstallation du systegraveme drsquoexploitation Lrsquoaccegraves distantnous permettra eacutegalement la mise agrave jour des outils et des OS pour des raisons de seacutecu-riteacuteLa seacutecurisation des eacutechanges se fera au travers drsquoun Virtal Private Network (VPN) Un

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VPN est un systegraveme permettant de creacuteer un lien direct entre des ordinateurs distants[Coonjah2015] reacutealise une comparaison entre deux outils permettant la creacuteation de VPNOpenSSH et OpenVPN OpenSSH propose de meilleures performances qursquoOpenVPN auniveau de lrsquoutilisation de la bande passante et des temps de transferts de fichiers Malgreacutecela nous avons pris le parti drsquoutiliser OpenVPN car crsquoest un outil majoritairement uti-liseacute par les entreprises [Coonjah2015] Cet utilitaire nous propose la mise en place drsquouneconnexion seacutecuriseacutee baseacutee sur lrsquoidentification agrave travers un certificat drsquoauthentificationLe VPN permet de joindre agrave travers un adressage priveacute les diffeacuterentes sondes qui se-ront distribueacutees sur lrsquoicircle de La Reacuteunion Drsquoapregraves le site officiel drsquo[OpenVPN] lrsquooutil peutsrsquoinstaller facilement sur les distributions Rapsbian Ubuntu et Fedora

Le choix du systegraveme drsquoexploitation va deacutependre des critegraveres de seacutelection Nous reacuteca-pitulons les critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment dans le tableau 23

TABLE 23 ndash Reacutecapitulatif de la comparaison des Systegravemes drsquoexploitation sur RaspberryPi

Critegraveres Raspbian Ubuntu Android ArchLinux FreeBSD Fedora RISC OSParis-traceroute

Oui Oui Non Oui Oui Non Non

Licence GPL GPL ASL GNULinux

BSD CreativeCom-mons

CastleTechno-logiesLtdLicence

Accegraves dis-tant (SSH)

Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

OpenVPN Oui Oui Non Non Non Oui Non

Deux systegravemes disponibles pour Raspberry Pi reacutepondent agrave nos critegraveres Raspbian etUbuntu Nous faisons le choix du systegraveme Raspbian Cet OS est une distribution Linuxentiegraverement revue pour des performances optimales sur la carte Raspberry Pi Fortementinspireacutee par la distribution Linux Debian elle propose les mecircmes caracteacuteristiques que ladistribution dite de Bureau Les sondes nrsquoeacutetant pas eacutequipeacutees drsquoun systegraveme drsquoaffichagenous optons pour lrsquoinstallation la plus leacutegegravere possible avec uniquement les paquets neacute-cessaires agrave notre eacutetude

Lrsquooutil drsquoanalyse rTraceroute

Dans la section 21 nous avons preacutesenteacute les contraintes lieacutees agrave la seacutelection drsquoun outildrsquoanalyse des donneacutees de type traceroute Pour rappel ces contraintes sont les suivantes la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoidentification des liens MPLS la geacuteneacuteration drsquounecarte des liens logiques et la geacuteneacuteration drsquoun fichier comportant des statistiques sur lesdiffeacuterents nœuds rencontreacutes

Les outils disponibles Il existe diffeacuterents outils drsquoanalyse des routes que lrsquoon peut ran-ger en trois cateacutegories les geacuteneacuterateurs de donneacutees brutes les plates-formes de mesures etles outils drsquoanalyse graphiques Lrsquooutil que lrsquoon souhaite utiliser entre dans la troisiegravemecateacutegorie La litteacuterature autour drsquooutils graphiques pour lrsquoanalyse des routes nrsquoest pasaussi complegravete que lrsquoon pourrait croire

Gtrace est un outil creacuteeacute par [Periakaruppan1999] Cet outil reproduit graphiquementles reacutesultats obtenus par Traceroute Le logiciel geacutenegravere ses propres donneacutees avant de les

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repreacutesenter sous forme graphique La geacuteolocalisation ne se fait pas sur les adresses IPmais sur le nom Domain Name System (DNS) des nœuds rencontreacutes La localisation drsquounnœud nrsquoest valideacutee qursquoapregraves croisement des informations entre les abreacuteviations des villeset aeacuteroports drsquoinformations contenues dans deux bases de donneacutees Une derniegravere veacuteri-fication est reacutealiseacutee agrave lrsquoaide de la commande nslookup Actuellement cet outil nrsquoest plusmaintenu Il nrsquoimpleacutemente pas le [RFC4950] permettant lrsquoidentification des nœuds MPLSdans les routes

[Aben2015] preacutesente un outil drsquoanalyse des routes inteacutegreacute agrave Atlas RIPE NCC Cet outildrsquoanalyse se nomme OpenIPMap Il utilise la base de donneacutees de RIPE pour effectuer lageacuteolocalisation des donneacutees Les routes sont ensuite traceacutees sur une carte interactive Lesmesures geacuteneacutereacutees par Atlas sont directement visibles et peuvent srsquointeacutegrer dans OpenIP-Map Lrsquoidentification des nœuds MPLS ainsi que la partie statistique ne sont pas inclusesdans les sorties proposeacutees par OpenIPMap

Dans [Yang2016] lrsquoauteur preacutesente un outil drsquoanalyse des routes centreacute sur le conti-nent africain African Visual Route Le design de lrsquooutil srsquoinspire largement du projetOpenIPMap [Aben2015] Lrsquooutil possegravede un deacutefaut important Il lit uniquement les fi-chiers provenant de la plate-forme Atlas

Le tableau 24 preacutesente les possibiliteacutes offertes par chaque outil preacutesenteacute preacuteceacutedem-ment

TABLE 24 ndash Fonctions disponibles dans les outils graphiques drsquoanalyse des routes

African Visual Route Gtrace OpenIPMapGeacuteolocalisation Oui Oui OuiIdentificationdes liens MPLS

Non Non Non

Cartographie Oui Oui OuiStatistiques Non Non Non

On peut constater que par rapport agrave nos besoins les outils listeacutes preacutesentent des la-cunes Les critegraveres drsquoaffichage des liens MPLS et la partie statistique sur les nœuds inter-meacutediaires nrsquoont pu ecirctre remplis Pour ces raisons nous avons deacuteveloppeacute un outil drsquoana-lyse rTraceroute

Deacuteveloppement de rTraceroute

Geacuteolocalisation Dans le cadre de nos travaux la geacuteolocalisation drsquoadresse IP consi-degravere la position geacuteographique de lrsquoadresse les informations sur le deacutetenteur de lrsquoadresseet lrsquoAutonomous System (AS) associeacutes Un AS est un ensemble drsquoeacutequipements et de reacuteseauxsous une mecircme autoriteacute rTraceroute geacuteolocalise les adresses IP rencontreacutees agrave travers unebase de donneacutees impleacutementeacutee au sein du LIM Cette base de donneacutees est remplie au furet agrave mesure que de nouvelles adresses IP sont remonteacutees par les mesures Lrsquoidentificationdes nouvelles adresses se fait par un script deacuteveloppeacute en python sous ma direction parun eacutetudiant de Licence 3eme anneacutee [LanYanFock2015] Cet outil nommeacute rgeoloc utiliseles commandes de lrsquoApplication Programming Interface (API) de RIPE NCC En interro-geant une base de donneacutees drsquoun RIR nous espeacuterons limiter les erreurs lieacutees agrave la geacuteoloca-lisation Pour nos besoins nous limitons les informations lieacutees agrave la localisation et au FAICes informations sont Pays Latitude Longitude Nom du FAI Numeacutero de lrsquoASLes informations (pays longitude latitude) seront utiliseacutees par la suite pour effectuer

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des calculs de distance entre deux adresses IP Le nom du FAI autorise le suivi des ac-cords drsquoeacutechanges de paquets sur les routes Le numeacutero de lrsquoAS nous offre la possibiliteacutede suivre les diffeacuterents chemins emprunteacutes en termes drsquoAS diffeacuterents

rgeoloc est capable drsquoextraire les informations de deacutelais et de longueurs de routesdrsquoun fichier traceroute Il peut eacutegalement deacutecouper un fichier contenant plusieurs don-neacutees traceroute en fichier unitaire

La geacuteolocalisation des adresses associeacutees agrave lrsquoidentification des liens MPLS va aider agravela compreacutehension des routes de lrsquoInternet dans le monde

Identification des liens MPLS Paris-traceroute indique dans ses sorties les liensMPLS rencontreacutes [Augustin2007] indique que lrsquoidentification des liens se fait par la lec-ture des informations contenues dans les paquets reccedilus par lrsquooutil rTraceroute va identi-fier les marques MPLS et les repreacutesenter en un coloris diffeacuterent sur les cartes

Cartographie Lors de la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoinformation neacutecessaire agravela cartographie est le pays Lors de cette identification deux nouvelles informations sontassocieacutees agrave lrsquoIP Ce sont les coordonneacutees du pays pour la carte passeacutee en paramegravetre Agravepartir de ces nouvelles coordonneacutees rTraceroute va geacuteneacuterer une nouvelle carte affichantlrsquoensemble des liens logiques (entre pays) preacutesents dans les traces analyseacutees

Statistique rTraceroute geacutenegravere des statistiques sur chaque nœud rencontreacute La cleacutedrsquoidentification drsquoun nœud est son adresse IP et sa position sur la route analyseacutee Les sta-tistiques geacuteneacutereacutees sont lrsquooccurrence de la paire drsquoidentification le deacutelai minimal obtenupour joindre ce nœud agrave cette position et le pays rattacheacute agrave lrsquoadresse IP

Notre outil est actuellement disponible sur le site du laboratoire agrave lrsquoadresse suivante httplimuniv-reunionfrrtraceroute [rtraceroute] Cet outil est distribueacute sous licencelibre pour une large diffusion dans la communauteacute scientifique

23 Protocole de mesure

La connectiviteacute particuliegravere de lrsquoicircle par les deux cacircbles sous-marins provoque un in-teacuterecirct de lrsquoeacutetude des routes emprunteacutees Lrsquoun des objectifs de nos mesures est drsquoeacutetudierlrsquoeacutevolution des deacutelais et de la longueur des routes entre 2012 et 2016 Le second objec-tif est lrsquoeacutetude de la connectiviteacute en terme de routes de deacutelais et des accegraves logiques delrsquoInternet reacuteunionnais

Notre protocole de mesure se divise en 3 parties La premiegravere partie preacutesente lespoints communs entre les deux objectifs La seconde consiste agrave effectuer une comparai-son de lrsquoeacutetat actuel avec le travail effectueacute preacuteceacutedemment par [Anelli2012] Le troisiegravemepoint concerne les mesures drsquoidentification des portes de lrsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion

231 Eacutechantillon de mesure

Lrsquoeacutechantillon drsquoadresses IP que lrsquoon va utiliser dans nos eacutetudes se doit drsquoecirctre repreacute-sentatif et preacutecis La preacutecision srsquoobtient par la taille drsquoun eacutechantillon La repreacutesentativiteacutepar le respect de la distribution des adresses IP dans lrsquoInternet

Il existe 232 adresses IPv4 avec une reacutepartition bien speacutecifique Drsquoapregraves les [RFC3232RFC5735 RFC6761] 592 708 865 adresses sont reacuteserveacutees On peut citer en exemple lesadresses de type 1921680016 Ce bloc est reacuteserveacute aux reacuteseaux priveacutes Son utilisationpreacutevue est documenteacutee dans le [RFC1918] Telles que deacutecrites dans ce standard les adresses

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Je deacutedie cette thegravese agrave lrsquoensemble des membres de ma famille

I

II

Remerciements

Mes premiers remerciements vont agrave lrsquoendroit de Monsieur Pascal Anelli Maicirctre deconfeacuterences HDR agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion qui a accepteacute drsquoencadrer cette thegravese Jele remercie drsquoavoir mis toute son eacutenergie pour que je puisse mener ces travaux dans lesmeilleures conditions Je le remercie eacutegalement pour la confiance et la patience sans failleqursquoil mrsquoa teacutemoigneacutees durant ces anneacutees

Je remercie Monsieur Richard Lorion Maicirctre de Confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion Malgreacute un emploi du temps surchargeacute il a su me consacrer du temps pouraiguiller mes travaux

Je tiens agrave remercier tout particuliegraverement Madame Laure Petrucci Professeur agrave lrsquoUni-versiteacute Paris 13 et Monsieur Emmanuel Lochin Professeur agrave lrsquoISAE SUPAERO qui mrsquoontfait lrsquohonneur drsquoaccepter de juger ces travaux et drsquoen ecirctre rapporteurs

Je remercie le Professeur Reacutemy Courdier qui a accepteacute de preacutesider mon jury de thegraveseDe par cette acceptation je boucle mon cursus universitaire agrave lrsquoUniversiteacute de La ReacuteunionMes remerciements vont agrave lrsquoattention de Monsieur Promeacutetheacutee Spathis qui consacre deson temps agrave la participation de mon jury de thegravese en tant qursquoexaminateur

Je tiens agrave remercier Messieurs Pierre-Ugo Tournoux et Xavier Nicolay pour les dis-cussions que lrsquoon a eues Cela mrsquoa permis de me remettre dans le droit chemin quand jemrsquoeacutegarais

Je remercie eacutegalement Monsieur Bruno Baynat Maicirctre de confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacutede Paris 6 qui a su donner un nouveau souffle agrave ces travaux agrave travers ses conseils lors deson passage

Je remercie eacutegalement Monsieur Denis Fabregravegue Responsable du pocircle TIC agrave La ReacuteunionMonsieur Thierry Pretet travaillant agrave la cellule Investissements publics de la ReacutegionReacuteunion Monsieur Thomas Silverston Chercheur au NICT drsquoavoir accepteacute de faire par-tie de mon comiteacute de suivi de thegravese

Je remercie eacutegalement le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques dirigeacute parMonsieur Jean Diatta Professeur agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion ainsi que lrsquoensemble desmembres pour lrsquoaccueil et les moyens qui mrsquoont eacuteteacute mis agrave disposition pour le bon deacuterou-lement de cette thegravese

Je remercie eacutegalement la Reacutegion Reacuteunion qui a soutenu financiegraverement ces travaux dethegravese

Je remercie eacutegalement Messieurs Jean-Christophe Lan-Yan-Fock et Arnaud Ravoa-vahy pour les travaux reacutealiseacutes durant leurs stages

Je remercie eacutegalement mes collegravegues mes amis et mes proches pour leurs contribu-tions et leurs encouragements

Je remercie particuliegraverement Aureacutelie Miora Florence et Anne-Claire qui ont eacuteteacute dansla mecircme galegravere que moi

Je tiens agrave remercier du fond du coeur lrsquoensemble des membres de ma famille qui mrsquoonttoujours apporteacute leur soutien et leur encouragement Merci agrave vous

Enfin je tiens agrave remercier toutes les personnes qui ont contribueacute de pregraves ou de loin agravela reacutealisation de ces travaux

III

IV

Reacutesumeacute

Lrsquoaccegraves agrave Internet des icircles de la Zone Oceacutean Indien a la particulariteacute drsquoutiliser deuxlongs cacircbles sous-marins Les routes ont en commun de passer par un de ces liens etdrsquointroduire une composante de deacutelai qui peut ecirctre significative La performance de TCPest lieacutee agrave lrsquoeacutetat des routes et au deacutelai Dans la situation de lrsquoicircle de la Reacuteunion comment secomporte un protocole ayant une deacutependance au deacutelai tel que TCP

Dans cette thegravese nous proposons une eacutetude de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion Les travauxvisent agrave pouvoir dresser un bilan de la connectiviteacute Internet Ils srsquoorientent drsquoune partagrave caracteacuteriser la connectiviteacute au niveau du reacuteseau et drsquoautre part agrave traduire ses caracteacute-ristiques au niveau de la couche de transport Ainsi les travaux preacutesenteacutes reposent surdeux eacutetudes de meacutetrologie sur le reacuteseau reacuteunionnais

Le premier examen a pour objectif la caracteacuterisation des deacutelais et des routes emprun-teacutees depuis et en direction de lrsquoicircle Ces travaux reposent sur une plate-forme de mesuresmise en place agrave cet effet Un outil drsquoidentification des routes a eacuteteacute deacuteveloppeacute afin drsquoana-lyser les chemins depuis et vers la Reacuteunion Cet outil utilise une base de donneacutees degeacuteolocalisation construite agrave partir des adresses IP rencontreacutees des deacutelais associeacutes et drsquoin-formations provenant des Registres Internet Reacutegionaux Lrsquoanalyse des reacutesultats montredes caracteacuteristiques propres agrave la reacutegion Reacuteunion

La seconde eacutetude de meacutetrologie vise lrsquoanalyse des flux TCP Des meacutetriques associeacuteesagrave lrsquoobservation des captures de trafic sont identifieacutees afin drsquoeacutetablir les performances deTCP mais eacutegalement les types de trafic entrant et sortant de lrsquoicircle Le volume des eacutecouteseacutetant important un outil drsquoanalyse pour des traitements efficaces et rapides a eacutegalementeacuteteacute deacuteveloppeacute

Les contributions de cette thegravese sont drsquoabord rattacheacutees au contexte reacuteunionnais etsont extrapoleacutees vers lrsquointernet de la Zone Oceacutean Indien Cette thegravese se veut ecirctre un eacuteleacute-ment pour une reacuteflexion avec lrsquoensemble des acteurs de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion

Mots cleacutes

Meacutetrologie active Deacutelais Routage Meacutetrologie passive Performance TCP Zone OceacuteanIndien Reacuteunion

V

Abstract

The access to the Internet of the Islands of the Indian Ocean Area has the particularityof using two long submarines cables The routes have in common to go through one ofthese links and introduce a delay component that can be significant The performance ofTCP is linked to the state of the route and the delay In the situation of Reunion Islandhow does a protocol having a dependence on delay such as TCP behaves

In this thesis we propose a study of the Internet in Reunion Island The work aimsto be able to take stock of Internet connectivity They are oriented on the one hand tocharacterize the connectivity at the level of the network and on the other hand to translatethese characteristics at the level of the transport layer Thus the works presented arebased on two metrology studies on the Reunion network

The first review aims to characterize the delays and the routes taken from and to theisland This work is based on a platform of measures put in place for this purpose A roadidentification tool has been developed to analyze roads to and from Reunion Island Thistool uses a geolocation database built from IP addresses encountered associated delaysand information from the Regional Internet Registries The analysis of the results showscharacteristics specific to the Reacuteunion region

The second metrology study aims to analyze TCP flows Metrics associated with theobservation of the catches of traffic are identified in order to establish the performancesof TCP but also the types of traffic entering and leaving the island Since the volume ofthe intercepts is important an analysis tool for efficient and rapid treatments has beendeveloped

The contributions of this thesis are first of all related to the Reunionese context andare extrapolated to the Internet of the Indian Ocean Zone This thesis is meant to be anelement for a reflection with all the actors of the Internet in Reunion Island

Keywords

Active Metrology Delay Routage Passive metrology Performance TCP Indian OceanArea Reunion Island

VI

Table des matiegraveres

Remerciements III

Reacutesumeacute V

Abstract VI

Liste des acronymes IX

Introduction 11 Contexte geacuteneacuteral 12 Contexte reacutegional 1

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion 122 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien 5

3 Probleacutematique 84 Organisation de la thegravese 8

1 Eacutetat de lrsquoart 911 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capaciteacute de stockage 10

111 Controcircle de congestion de TCP 10112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de

stockage 14113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN 17114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs 22115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion 23

12 Meacutetrologie du trafic Internet 25121 Deacutefinition 25122 Meacutetrologie active 26123 Meacutetrologie passive 32124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives 35

13 Synthegravese 36

2 Caracteacuterisation de la connectiviteacute de La Reacuteunion 3921 Objectifs 4022 Cahier des charges 40

221 Evolution 40222 Connectiviteacute 40

23 Protocole de mesure 46231 Eacutechantillon de mesure 46232 Eacutevolution 47233 Connectiviteacute 48

24 Reacutesultats 53241 Eacutevolution 53

VII

242 Connectiviteacute de La Reacuteunion 54243 Connectiviteacute des icircles de la Zone Oceacutean Indien 65244 Synthegravese des reacutesultats 71

25 Conclusion 72

3 Meacutetrologie sur le service de transport agrave La Reacuteunion 7531 Objectifs 75

311 Les objectifs de lrsquoeacutetude 76312 Les meacutetriques de lrsquoeacutetude 76

32 Mise en oeuvre drsquoune plate-forme de meacutetrologie 79321 Pour la capture du trafic 79322 Pour analyser les traces 80

33 Protocole de mesure 8234 Reacutesultats 85

341 Supervision du trafic 86342 Performance de TCP 88343 Synthegravese des reacutesultats 91

35 Conclusion 92

Conclusion amp perspectives 951 Synthegravese des travaux 952 Perspectives 96

Table des figures 100

Liste des tableaux 101

Bibliographie 103

VIII

Liste des acronymes

ACK Acknowledgement

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AIMD Additive Increase and Multiplicative Decrease

API Application Programming Interface

ARCEP Autoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques et des Postes

AS Autonomous System

BDP Bandwidth Delay Product

CAIDA Center for Applied Internet Data Analysis

CDCS Comoros Domestic Cable Sytem

CDF Cumulative Density Function

CIL Correspondant Informatique et Liberteacutes

CWND Congestion Window

CWR Congestion Window Reduce

DNS Domain Name System

DSI Direction des Services Informatiques

DupAck Duplicate Acknowledgement

EASSY Eastern Arfrica Submarine SYstem

ECE ECN Echo

ECN Explicit Congestion Notification

FAI Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

FTTH Fiber To The Home

GIX Global Internet eXchange

GNU GNUrsquos Not Unix

GPL General Public Licence

HTTP HyperText Transfer Protocol

HTTPS HyperText Transfer Protocol Secured

IANA Internet Assigned Numbers Authority

ICMP Internet Control Message Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

IX

IGMP Internet Group Management Protocol

IMAP Internet Message Access Protocol

IP Internet Protocol

IPPM IP Performance Metrics

IW Initial Window

IXP Internet eXchange Point

LAN Local Area Network

LER Label Edge Router

LFN Long Fat Network

LIM Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques

LION Lower Indian Ocean Network

LSP Label Switched Path

LSR Label Switch Router

MAN Metropolitan Area Network

MPLS MultiProtocol Label Switch

MSS Maximun Segment Size

NRA Noeud de Raccordement drsquoAbonneacutes

NS Nonce Sum

OS Operating System

PDF Probability Density Function

POP Post Office Protocol

PSAMP Packet Sampling

RENATER REseau NAtional de communication eacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseigne-ment et la Recherche

RIR Regional Internet Registry

RITE Reducing Internet Transport Latency

RSSI Responsable Seacutecuriteacute et Systegravemes drsquoInformation

RTO Retransmission TimeOut

RTT Round-Trip delay Time

SAFE South-Africa Far East

SAT-3 South Africa Transit-3

SCP Ssh CoPy

SEAS Seychelles to East Africa System

SMTP Simple Mail Transfert Protocol

SSH Secure SHell

ssthresh slow-start threshold

TAI Technologies drsquoAccegraves agrave Internet

X

TCP Transmission Control Protocol

TTL Time-To-Live

UDP User Datagram Protocol

VDSL Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line

VLAN Virtual Local Area Network

VOD Video on demand

VPN Virtal Private Network

WAN Wide Area Network

WASC West Africa Submarine Cable

ZOI Zone Oceacutean Indien

XI

XII

Introduction

1 Contexte geacuteneacuteral

Depuis sa premiegravere deacutemonstration publique en 1972 Internet a fortement eacutevolueacute[Leiner1997] Dans une premiegravere phase nous avons les changements de services Les uti-lisateurs ont basculeacute des services historiques que sont lrsquoeacutechange drsquoe-mail et la navigationweb vers une utilisation interactive de lrsquoInternet Ces nouveaux services tels que la Voixsur IP les Jeux en ligne le Streaming etc sont maintenant possibles peu importe lrsquoendroitougrave lrsquoon se situe Cela gracircce agrave la seconde phase des innovations de lrsquoInternet lrsquoeacutevolu-tion des technologies logicielles et mateacuterielles Les technologies sont devenues de plusen plus mobiles et proposent des deacutebits drsquoaccegraves agrave lrsquoInternet de plus en plus importantsAinsi nous sommes passeacutes drsquoun accegraves physique de chez soi connecteacutes agrave un ordinateurfixe et une liaison 56 kbits (kilo-bitsseconde) agrave des smartphones et des connexions mo-biles avec un deacutebit theacuteorique minimal descendant de 20 Gbits (Giga-bitsseconde) dansun futur proche pour la technologie 5G En parallegravele lrsquoaccegraves agrave Internet srsquoest deacutemocra-tiseacute Drsquoapregraves une eacutetude de lrsquoOrganisation des Nations Unies le nombre de teacuteleacutephonesmobiles est devenu supeacuterieur au nombre drsquohabitants sur la planegravete [ONU2013] Ces eacutevo-lutions parallegraveles ont bouleverseacute lrsquousage de lrsquoInternet Est-ce que ces eacutevolutions ont eu unimpact sur lrsquoInternet reacuteunionnais

2 Contexte reacutegional

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion

Pour comprendre la situation de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion il est neacutecessaire de relaterlrsquohistoire de la connectiviteacute Internet et de dresser un bilan de lrsquoeacutetat actuel Cet historiqueest effectueacute agrave partir du document [Pretet2000] qui preacutesente lrsquoavancement du projet deconnexion de lrsquoicircle de La Reacuteunion au cacircble sous-marin South-Africa Far East (SAFE)

La premiegravere connexion de La Reacuteunion agrave lrsquoInternet date de 1992 avec la mise en servicedu projet Telecom-2 Agrave cette eacutepoque la seule liaison connectant La Reacuteunion agrave Interneteacutetait une connexion satellitaire Jusqursquoen 2001 et lrsquoarriveacutee du cacircble SAT-3WASCSAFEles deacutebits drsquoaccegraves reacutesidentiels ne deacutepassaient pas les 56 kbits La bande passante totalede lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle par ce canal satellite eacutetait de 400 Mbits (Meacutega-bitsseconde)tous opeacuterateurs confondus Le coucirct drsquoutilisation de la liaison satellite avoisinait les17 000DMbmois et par opeacuterateur La technologie drsquoaccegraves et le tarif eacuteleveacute limitaient lesusages de lrsquoInternet priveacute agrave des services basiques comme lrsquoeacutechange drsquoe-mail Lrsquoarriveacuteedes cacircbles South Africa Transit-3 (SAT-3)West Africa Submarine Cable (WASC)SAFE en2001 visaient agrave deacutesenclaver numeacuteriquement lrsquoicircle

Ce cacircble drsquoune longueur totale de 28 000 Km (Kilo-megravetres) connecte lrsquoEurope (Es-pagne et Portugal) agrave lrsquoAsie (Inde et Malaisie) en longeant la cocircte Ouest africaine telqursquoillustreacutee par la carte figure 1 Le lien est composeacute de deux paires de fibres optiquesavec une capaciteacute globale de 135 Gbits La reacutepartition des capaciteacutes fut faite en fonction

1

du montant investi par les opeacuterateurs France Teacuteleacutecom fut seacutelectionneacutee pour la Franceavec un deacutebit total de 13 6 Gbits dont 155 Mbits furent alloueacutes agrave la connexion de LaReacuteunion Ce deacutebit eacutetait eacutequivalent agrave la capaciteacute maximale theacuteorique du lien satellite deFrance Teacuteleacutecom Outre la seacutecuriteacute apporteacutee par la fibre optique crsquoest la qualiteacute de la trans-mission qui a eacuteteacute ameacutelioreacutee avec ce support Ce cacircble a eacuteteacute une premiegravere eacutetape dans lamise en place drsquoune autoroute de lrsquoinformation entre lrsquoEurope lrsquoAsie et lrsquoAfrique PourLa Reacuteunion cette autoroute a eacuteteacute un facteur pour la baisse des coucircts de communication eten parallegravele le deacuteploiement de la technologie Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)Les tarifs de consommation de la bande passante du lien ont connu une baisse impor-tante suite agrave une deacutecision de lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques etdes Postes (ARCEP) en 2004 [ARCEP2004] Les tarifs sont passeacutes de 17 000 DMbmois agrave1 550 DMbmois

FIGURE 1 ndash Carte des points drsquoatterrissement du cacircble SAT-3WASCSAFE (Source [Pretet2000])

Malgreacute la baisse des tarifs lrsquoADSL nrsquoeacutetait preacutesent que dans 6 villes agrave forte densiteacutede population Afin drsquoaugmenter la couverture de lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle une dorsalefaisant le tour de lrsquoicircle est installeacutee Crsquoest le reacuteseau nommeacute Gazelle dont le deacutebut du deacute-ploiement fut effectueacute dans le courant de lrsquoanneacutee 2003 [SDTAN2013] Cette fibre est ins-talleacutee en hauteur en suivant le reacuteseau Haute Tension drsquoEDF selon le plan de la figure 2(en trait bleu ou fonceacute) Le but de ce reacuteseau est de raccorder lrsquoensemble des Noeud de Rac-cordement drsquoAbonneacutes (NRA) Un NRA est un local heacutebergeant un central teacuteleacutephonique delrsquoopeacuterateur historique France Teacuteleacutecom dans lequel aboutissent les lignes teacuteleacutephoniquesdes abonneacutes communeacutement appeleacutees boucles locales Au delagrave de ces locaux les boucleslocales forment le reacuteseau capillaire Lrsquointerconnexion entre le reacuteseau Gazelle et les NRAest repreacutesenteacutee en vert sur la figure 2

En 2004 La Reacuteunion srsquoest doteacutee drsquoun point drsquoeacutechange (Global Internet eXchange (GIX)ou Internet eXchange Point (IXP)) nommeacute Reunix Il fut pendant pregraves de 10 ans le seul IXPpreacutesent dans la Zone Oceacutean Indien (ZOI) Geacutereacute par le REseau NAtional de communicationeacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseignement et la Recherche (RENATER) il vise agrave inter-connecter les fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion afin drsquoeacuteviter que le trafic localne sorte de lrsquoicircle et consomme des capaciteacutes sur le cacircble sous-marin En plus de cet eacutequi-pement des technologies de cache ont eacuteteacute deacuteployeacutees sur le territoire LrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion a eacuteteacute un des acteurs de ce deacuteploiement

2

FIGURE 2 ndash Plan de cacircblage du reacuteseau Gazelle en 2006 (Source [Pretet2000])

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 chaque anneacutee une baisse de 20 agrave 40 duprix du Meacutegabit sur le cacircble sous-marin est enregistreacutee En 2006 pour 50D un abonneacutenrsquoavait droit qursquoagrave la connexion ADSL de 1 Mbits sans aucun service additionnel Lrsquoan-neacutee suivante pour le mecircme tarif la teacuteleacutephonie illimiteacutee vers certains pays a eacuteteacute ajouteacuteeau forfait Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le forfait est resteacute le mecircme mais le deacutebit alloueacuteest augmenteacute pour atteindre 8 Mbits La Reacuteunion nrsquoa vu lrsquoarriveacutee du triple play (Teacuteleacutevi-sion Teacuteleacutephone Internet) qursquoagrave partir des anneacutees 20112012 avec lrsquoarriveacutee drsquoun nouveaucacircble Lower Indian Ocean Network (LION) Le LION est un cacircble sous-marin reliant LaReacuteunion Maurice et Madagascar depuis 2009 En 2012 une extension est rajouteacutee sousle nom de LION-2 connectant le LION agrave Mayotte et au Kenya Ce nouveau cacircble proposedegraves sa mise en service une capaciteacute deacutepassant le 1 Tbs (Teacuterabitseconde)

Lrsquoaugmentation continue des deacutebits et de la capaciteacute disponible sur le cacircble SAT-3WASCSAFE actuellement agrave 900 Gbits a acceacuteleacutereacute le deacuteploiement de nouveaux ser-vices et de nouvelles technologies drsquoaccegraves agrave Internet pour les abonneacutes Lrsquoicircle de La Reacuteuniondispose actuellement en dehors des connexions mobiles de trois Technologies drsquoAccegraves agrave In-ternet (TAI) La premiegravere est la technologie ADSL preacutesente depuis 2001 Elle propose desdeacutebits asymeacutetriques allant jusqursquoagrave 20 Mbitss en descente Crsquoest le deacutebit qursquoaura lrsquoutilisa-teur en teacuteleacutechargement Depuis 2014 lrsquoopeacuterateur historique Orange (ex-France Teacuteleacutecom)propose la technologie Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line (VDSL) 2 avec des deacutebitsallant jusqursquoagrave 100 Mbits descendant La limite physique de cette TAI impose une dis-tance entre lrsquoabonneacute et le distributeur infeacuterieure agrave 1 Km La derniegravere technologie preacutesentesur lrsquoicircle est la fibre optique Deacuteployeacutee depuis 2007 par lrsquoopeacuterateur priveacute ZEOP elle eacutetaitjusqursquoagrave peu principalement deacuteployeacutee dans les villes du Port Sainte Marie et Saint Pierre

Chaque opeacuterateur dispose drsquoune ou plusieurs technologies drsquoaccegraves Chaque technolo-

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gie est associeacutee agrave un deacutebit maximal theacuteorique La carte 3 1 preacutesente les deacutebits theacuteoriquesqui sont preacutesents sur lrsquoicircle [France2017]

Cette carte montre une dispariteacute des deacutebits selon les zones geacuteographiques de lrsquoicircleLe Plan France Tregraves Haut Deacutebit a pour objectif drsquouniformiser sur lrsquoensemble du territoirefranccedilais les deacutebits avec le deacuteploiement de la technologie drsquoaccegraves fibre optique

FIGURE 3 ndash Carte des deacutebits agrave La Reacuteunion

Reacutecapitulatif

La connexion agrave Internet donne agrave La Reacuteunion des capaciteacutes importantes La preacutesencedrsquoun GIX sur le territoire a limiteacute le trafic reacuteunionnais sur les cacircbles sous-marins La figure4 montre lrsquoensemble des eacuteveacutenements qui ont marqueacute le deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave LaReacuteunion jusqursquoagrave nos jours

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 [ARCEP2004] et lrsquoarriveacutee du cacircble LION lesopeacuterateurs ont fait le choix drsquoaugmenter les services proposeacutes avec un prix reacutesidentielstable Les derniers services ajouteacutes sont ceux de la Video on demand (VOD) et de la rediffu-sion (Replay) En 2014 le prix moyen du MeacutegabitMois sur le cacircble SAT-3WASCSAFEavoisinait les 25 D En pregraves de 15 ans on note la baisse du coucirct moyen du Meacutegabitmoisde 17 000 D agrave 25 D

Lrsquoeacutevolution de la connectiviteacute Internet agrave La Reacuteunion est lieacutee au deacuteveloppement de laconnectiviteacute des diffeacuterents pays preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien

1 Source Observatoire France Tregraves Haut Deacutebit

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FIGURE 4 ndash Frise chronologique du deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion

22 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien

Les acteurs du deacuteveloppement du numeacuterique dans la Zone Oceacutean Indien

Dans le cadre de nos eacutetudes nous restreignons la ZOI agrave 6 icircles ou archipels suivants(rangeacutes par ordre alphabeacutetique) les Comores Madagascar Maurice Mayotte La Reacuteunionet les Seychelles Agrave lrsquoexception de Mayotte et de La Reacuteunion qui sont des reacutegions fran-ccedilaises les autres icircles et archipels citeacutes sont des pays indeacutependants Nous allons dansun premier temps faire une preacutesentation des principaux acteurs du deacuteveloppement nu-meacuterique dans chaque territoire Le deacuteveloppement de lrsquoInternet dans la ZOI se fait encollaboration avec lrsquoensemble des pays Nous poursuivrons avec les futures installationsdes cacircbles sous-marins dans la ZOI

LrsquoUnion des Comores est une reacutepublique feacutedeacuterale drsquoAfrique Lrsquoarchipel est connecteacuteagrave Internet depuis le 19 Janvier 1998 via une connexion satellite En 2010 le gouverne-ment deacuteploie le Comoros Domestic Cable Sytem (CDCS) qui relie lrsquoensemble des icircles delrsquoarchipel entre elles avec en parallegravele le raccordement au cacircble Eastern Arfrica SubmarineSYstem (EASSY) [Comores2002] Ce cacircble relie lrsquoAfrique du Sud au Soudan en longeantla cocircte Est du continent En 2009 lrsquoAutoriteacute Nationale de Reacutegulation des TIC (ANRTIC) voitle jour De nombreuses missions sont donneacutees agrave cette autoriteacute comme appliquer et fairerespecter la loi des Technologies de lrsquoInformation et de la Communication (TIC) reacuteguler lesecteur des TIC favoriser la coopeacuteration entre les acteurs et geacuterer les diffeacuterends garan-tir une concurrence saine et loyale entre les opeacuterateurs et de deacutevelopper la recherche laformation et les innovations technologiques [ANRTIC2016] En deacutecembre 2016 un troi-siegraveme cacircble connecte lrsquoarchipel agrave Mayotte Actuellement un Vice-Preacutesident chargeacute desTIC travaille en collaboration avec un Conseiller du preacutesident en matiegravere de transports etteacuteleacutecommunications

La Reacutepublique de Madagascar est relieacutee agrave Internet par deux cacircbles sous-marins Lepremier est lrsquoEASSY Le second cacircble est le LION Au niveau des prises de deacutecisions 3 or-ganismes principaux existent Le plus important est le ministegravere des Teacuteleacutecommunicationset des Nouvelles Technologies Il a mis en place le Projet drsquoInfrastructure de Communicationpour Madagascar (PICOM) Lrsquoobjectif est la reacuteduction des coucircts drsquoaccegraves aux services deteacuteleacutecommunications Le second est lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des TEchnologies de Communica-tion (ARTEC) Cet administration octroie les licences aux proprieacutetaires des reacuteseaux arbitreles diffeacuterends entre opeacuterateurs et assure la gestion des spectres [ARTEC2016] Le dernierorganisme est le Groupement des Opeacuterateurs en Technologies de lrsquoInformation et de la Commu-nication (GOTICOM) Il a pour objectif drsquoaccompagner et drsquoameacuteliorer les infrastructuresde teacuteleacutecommunication et de favoriser lrsquointeacutegration des TIC [GOTICOM2011] Depuis2016 un GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Africaine [MGIX2017]

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La Reacutepublique de Maurice regroupe les icircles Rodrigues et Maurice Sous lrsquoimpulsiondu gouvernement anglais la premiegravere ligne teacuteleacutephonique fut installeacutee en 1883 Actuel-lement en plus drsquoune connexion satellitaire reliant les deux icircles le SAFE et le LIONconnectent Maurice agrave Internet Un ministegravere des Technologies de lrsquoInnovation et desCommunications existe au sein du gouvernement Crsquoest ce mecircme gouvernement quinomme le directeur de lrsquoInformation and Communication Technologies Authority (ICTA) Crsquoestlrsquoautoriteacute de reacutegulation des Teacuteleacutecoms et des Postes Il existe 2 principaux opeacuterateurs quesont Mauritius Telecom et Emtel Une dizaine drsquoopeacuterateurs cohabitent sur lrsquoicircle [ICTA2017]Depuis 2016 un nouveau GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Afri-caine [MIXP2017]

Mayotte est un deacutepartement franccedilais depuis Mars 2011 Le raccordement au cacircbleLION-2 extension du cacircble LION en avril 2012 rend possible lrsquoarriveacutee du haut deacutebit surce territoire En 2013 un GIX geacutereacute par RENATER est installeacute au sein du Rectorat Il senomme Mayotix

Les Seychelles ont vu leur premiegravere connexion Internet introduite dans lrsquoarchipel parAtlas Seychelles Ltd en septembre 1996 En 2012 les Seychelles sont connecteacutes agrave une fibreen provenance de Tanzanie Crsquoest le cacircble Seychelles to East Africa System (SEAS) Crsquoestlrsquounique cacircble sous-marin connectant lrsquoarchipel Le Ministegravere des Technologie de lrsquoInforma-tion et des Communications (MITC) fait office drsquoautoriteacute de Reacutegulation des Teacuteleacutecommuni-cations dans le pays [DICT2017]

Chaque autoriteacute de reacutegulation agrave un impact sur le deacuteveloppement de lrsquoInternet dansson pays Ce deacuteveloppement se reacutepercute sur lrsquoameacutelioration de lrsquoaccegraves Internet dans laZOI

Deacuteveloppement de lrsquointerconnexion de la Zone Oceacutean Indien

Cette reacutegion a connu un premier bouleversement de sa connectiviteacute agrave Internet avecle deacuteploiement du cacircble sous-marin SAT-3WASCSAFE en 2001 pour La Reacuteunion etMaurice Lrsquoarriveacutee du LION en 2009 a connecteacute Madagascar aux deux icircles En 2010 lesComores et Madagascar se sont ouverts une voie vers lrsquoAfrique avec le cacircble EASSY Lrsquoin-terconnexion du LION 2 a deacuteveloppeacute lrsquoInternet agrave Mayotte tandis que le deacuteploiement ducacircble SEAS a ouvert les Seychelles agrave lrsquoInternet haut deacutebit La carte 5 indique les diffeacuterentscacircbles sous-marins preacutesents dans la ZOI

La ZOI srsquoengage dans le deacuteploiement de nouveaux liensLe cacircble MElting poT Indianoceanic Submarine System (METISS) drsquoune longueur de

3 500 kilomegravetres reliera Madagascar Maurice et La Reacuteunion agrave lrsquoAfrique du Sud La bandepassante du cacircble sera de 24 Tbs Sa mise en service est preacutevue pour le courant de lrsquoan-neacutee 2019 [Lemauricien]

Africa-1 est un cacircble reliant lrsquoAfrique du Sud le Moyen Orient et lrsquoAsie centrale Cecacircble de plus de 12 0000 kilomegravetres passera le long de la cocircte Est africaine avant de relierlrsquoArabie Saoudite lrsquoEacutegypte et le Pakistan La mise en service du cacircble est preacutevue pour lecourant de lrsquoanneacutee 2020 [Africa1]

En 2019 sera mis en service le cacircble IOX IOX est un cacircble sous-marin deacutedieacute agrave lrsquoicircleMaurice Il a pour but drsquooffrir une nouvelle liaison agrave Maurice en reliant lrsquoicircle agrave lrsquoAfrique etau reste du monde Il sera doteacute drsquoune capaciteacute de 54 Tbs [IOX]

La carte 6 repreacutesente lrsquoensemble des IXP preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien En vertce sont les points drsquoeacutechanges deacutejagrave en service La France a degraves lrsquoanneacutee 2004 mis en placele point drsquoeacutechange agrave La Reacuteunion et en 2012 celui de Mayotte Ceux de Maurice et de

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FIGURE 5 ndash Cartes des cacircbles sous-marins dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien (Source [Cablesmap])

Madagascar ont eacuteteacute mis en service en 2016 avec lrsquoaide de lrsquoUnion Africaine de lrsquoInter-net Society et du projet AXIS [AXIS] Les points bleus repreacutesentent les points drsquoeacutechangequi sont preacutevus drsquoecirctre deacuteployeacutes dans la zone oceacutean indien par le projet AXIS dans le fu-tur Drsquoici quelques anneacutees lrsquoensemble des territoires de la zone sera eacutequipeacute drsquoun pointdrsquoeacutechange Cet eacutequipement vise a maintenir le trafic de type Metropolitan Area Network(MAN) du pays ougrave il est installeacute Il facilite les eacutechanges entre les opeacuterateurs locaux enreacuteduisant la latence et en augmentant la qualiteacute de service

FIGURE 6 ndash Carte des points drsquoeacutechange preacutesents actuellement et dans un futur prochedans la ZOI

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3 Probleacutematique

LrsquoInternet et ses applications ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes dans des territoires ougrave les routes sontnombreuses Lrsquoicircle de La Reacuteunion comme beaucoup de territoires insulaires ne beacuteneacuteficiepas drsquoun nombre de liaisons physiques directes important Lrsquoeacutevolution de lrsquoInternet al-lant des applications toleacuterantes aux deacutelais vers des applications temps-reacuteel neacutecessite unerobustesse et une qualiteacute de service deacutependantes drsquoun maillage fort et de deacutelais courts

Lrsquoeacutetude drsquo[Anelli2012] a deacutemontreacute que les deacutelais agrave destination drsquoadresses aleacuteatoiressont sensiblement plus longs depuis La Reacuteunion que depuis Paris avec un eacutecart drsquoenvi-ron 180 ms Suite agrave ce constat lrsquoauteur a reacutealiseacute des simulations estimant les deacutebits asso-cieacutes avec un taux de pertes de 10 Ces simulations ont mis en avant des deacutebits eacutecouleacutesplus faibles pour un usager situeacute agrave La Reacuteunion qursquoun usager baseacute agrave Paris Une augmen-tation de la bande passante nrsquoentraicircnerait pas une diminution des deacutelais Le groupe detravail europeacuteen Reducing Internet Transport Latency (RITE) a reacutealiseacute une videacuteo explicativede ce pheacutenomegravene [RITE2014-2]

Cette thegravese vise agrave mettre en lumiegravere les principaux freins des deacutebits eacutecouleacutes

Dans une premiegravere eacutetape nous eacutetudierons lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis La Reacuteunionen prenant comme base lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par [Anelli2012]

Dans un second temps nous eacutetudierons les routes logiques de lrsquoInternet reacuteunionnais

Dans un dernier temps nous reacutealiserons une proposition drsquoeacutetude de meacutetrologie Cetteeacutetude vise agrave identifier la correacutelation des eacuteveacutenements de congestion entre les flots lrsquoimpor-tance des anomalies affectant Transmission Control Protocol (TCP) (pertes initiales fauxeacuteveacutenements de congestion) la reacutepartition des flots (en taille en protocole en application)et les paramegravetres de performances (taux de pertesRTT deacutebit eacutecouleacute)

4 Organisation de la thegravese

Suite agrave lrsquoexposition de notre probleacutematique le chapitre 1 preacutesente le contexte scienti-fique de nos travaux Dans un premier temps nous allons preacutesenter les caracteacuteristiquesde TCP et sa probleacutematique lieacutee aux reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage Nous continue-rons avec une preacutesentation de quelques solutions Nous deacuteterminerons si lrsquoaccegraves Internetde La Reacuteunion doit ecirctre consideacutereacute comme un reacuteseau agrave forte capaciteacute de meacutemorisation Lasuite du chapitre inclura la deacutefinition de la meacutetrologie dans les reacuteseaux et une preacutesenta-tion des techniques de mesures active et passive

La premiegravere eacutetude est deacutecrite dans le chapitre 2 et deacutebute par la preacutesentation des ob-jectifs Un cahier des charges permettant de reacutepondre aux objectifs a eacuteteacute reacutedigeacute Ce cahierdes charges a deacuteboucheacute sur le deacuteploiement de la plate-forme de meacutetrologie active RunPLet du deacuteveloppement de deux outils drsquoaide agrave lrsquoanalyse rgeoloc et rtraceroute La preacutesen-tation du protocole de mesure a eacuteteacute reacutealiseacutee dans la partie preacuteceacutedant celle des reacutesultatsLe chapitre se conclut par une synthegravese des reacutesultats qui ont servi agrave nos contributions

La seconde eacutetude est preacutesenteacutee dans le chapitre 3 Les objectifs du chapitre sont preacute-senteacutes dans un premier temps et diviseacutes en deux Ce chapitre preacutesente la mise en oeuvredrsquoune plate-forme de meacutetrologie et du protocole de mesure associeacute Une section reacutesultatassocieacutee agrave une conclusion termine le chapitre Ce chapitre a fait lrsquoobjet drsquoune contributionscientifique

Nous concluons notre thegravese par un reacutesumeacute des diffeacuterentes contributions Un apportsur les perspectives qursquoautorisent nos travaux est proposeacute dans le chapitre 35

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Chapitre 1

Eacutetat de lrsquoart

Transmission Control Protocol (TCP) est le protocole de transport le plus utiliseacute sur lrsquoIn-ternet Lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par Center for Applied Internet Data Analysis (CAIDA) sur une du-reacutee de 2 ans du trafic passant par le point drsquoeacutechange (IXP) EQUNIX de Chicago a montreacuteque 90 97 des paquets Internet Protocol (IP) acheminent des segments TCP [EQUINIX]TCP est un protocole de transport qui rend un service de transfert fiable de donneacuteesLorsque la somme du deacutebit des eacutemetteurs TCP partageant une mecircme ressource du reacute-seau excegravede la capaciteacute de cette ressource il se produit de la congestion La congestionest un pheacutenomegravene indeacutesirable qui met le reacuteseau dans un eacutetat ougrave le service rendu est deacute-gradeacute Cette deacutegradation peut ecirctre seacutevegravere en fonction de lrsquointensiteacute du pheacutenomegravene Poureacuteviter que lrsquoeffet de la congestion empire quand elle apparaicirct TCP integravegre une fonctionde reacutesolution connue sous le nom de controcircle de congestion Le principe est que chaqueeacutemetteur deacutetecte la congestion et diminue son deacutebit drsquoeacutemission Pour se faire le controcirclede congestion srsquoappuie sur la boucle de controcircle constitueacutee entre lrsquoeacutemission drsquoun segmentde donneacutees et la reacuteception de lrsquoacquittement correspondant Le controcircle de congestionagit sur le deacutebit drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur avec une latence lieacutee au Round-Trip delay Time(RTT) Lorsque le produit du RTT avec la capaciteacute drsquoeacutecoulement offerte par le reacuteseau estrelativement important le controcircle de congestion de TCP peine agrave utiliser les ressourcesdu reacuteseau efficacement Ce produit du deacutelai et du deacutebit repreacutesente la quantiteacute de donneacuteesnon acquitteacutees qui peut circuler On peut assimiler ce produit agrave la capaciteacute de stockage dedonneacutees dans le reacuteseau

Ces derniegraveres anneacutees lrsquoaugmentation de la bande passante a fait croicirctre significative-ment cette capaciteacute de stockage En effet comme les deacutelais nrsquoont pas diminueacute dans lesmecircmes proportions la capaciteacute de stockage nrsquoa fait que croicirctre Cette eacutevolution pose undeacutefi au controcircle de congestion de TCP pour maintenir ses performances Cette eacutevolutiona entraicircneacute une activiteacute intense de recherche pour traiter ce problegraveme de produit deacutelai-bande passante pour TCP Ainsi de nouvelles versions du controcircle de congestion de TCPont eacuteteacute eacutetudieacutees pour lrsquoadapter aux speacutecificiteacutes des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockageLong Fat Network (LFN)

Si le stockage important de donneacutees dans le reacuteseau pose un problegraveme pour le controcirclede congestion de TCP qursquoen est-il en pratique dans le cas de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion Pourreacutepondre agrave cette question il faut pouvoir mesurer lrsquoexistant Depuis quelques anneacutees ily a un inteacuterecirct croissant pour la mesure Une science de la mesure sur lrsquoInternet se deacute-veloppe Il faut chercher dans la croissance continue et soutenue de lrsquoInternet ainsi quedans lrsquoabsence drsquoune exploitation coordonneacutee les motivations agrave deacutevelopper la meacutetrologiesur Internet Cette meacutetrologie vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet

Ce chapitre se compose de deux sections theacutematiques La premiegravere section 11 traitede la probleacutematique du controcircle de congestion de TCP utiliseacute sur les reacuteseaux agrave grande

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capaciteacute de stockage La sous-section 111 rappelle le principe du controcircle de conges-tion et sa mise en œuvre dans TCP Dans la partie 112 les problegravemes speacutecifiques ducontrocircle de congestion de TCP appliqueacute dans le contexte des reacuteseaux agrave forte capaciteacute demeacutemorisation sont indiqueacutes Face agrave ces problegravemes des propositions ont eacuteteacute eacutetudieacutees quenous preacutesenterons dans les parties 113 et 114 Pour conclure cette section nous pose-rons dans la sous-section 115 les arguments qui permettent drsquoavancer que lrsquoicircle de LaReacuteunion a une connectiviteacute qui srsquoapparente agrave celle des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de sto-ckageLa seconde section 12 est consacreacutee agrave la meacutetrologie du trafic Internet La deacutefinition et lesmeacutethodologies de la meacutetrologie sont indiqueacutees dans la partie 121 La preacutesentation de lameacutetrologie active sera reacutealiseacutee dans la section 122 suivie par celle de la meacutetrologie pas-sive dans la section 123 La comparaison entre la meacutetrologie active et passive termineracette preacutesentation et sera faite dans la partie 124 Pour conclure ce chapitre une synthegraveseest reacutealiseacutee par la section 13 dans laquelle nous tirons les enseignements pour mener deseacutetudes depuis et vers La Reacuteunion

11 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capa-citeacute de stockage

TCP est un protocole de transport creacuteeacute en 1980 et deacutecrit pour la premiegravere fois dans le[RFC793] il a subi depuis de nombreuses eacutevolutions comme lrsquoindique le [RFC7414] Lesuccegraves de TCP repose sur son service de transmission fiable et ordonneacutee drsquoun flux de don-neacutees asynchrones Crsquoest un protocole fonctionnant de point agrave point et de bout en bout au-trement dit entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur des donneacutees sans concerner les eacutequipementsintermeacutediaires TCP offre un service de communication eacutequivalent agrave un canal virtuel bi-directionnel entre 2 entiteacutes applicatives Le canal de communication se caracteacuterise par satransparence seacutemantique crsquoest-agrave-dire par lrsquoabsence drsquoalteacuteration des donneacutees transfeacutereacuteesPour reacutealiser cette fiabiliteacute de lrsquoeacutechange TCP supervise les eacutechanges de donneacutees par desacquittements (Acknowledgement (ACK)) Cette supervision forme une boucle de controcirclecorrespondant agrave lrsquoeacutemission de donneacutees et agrave la reacuteception de lrsquoacquittement correspondantElle se caracteacuterise par le deacutelai pris nommeacute RTT La correction des donneacutees perdues oualteacutereacutees en cours de transit srsquoeffectue par retransmission de ces donneacutees Si le principe defonctionnement de TCP srsquoeacutenonce facilement sa mise en œuvre est complexe du fait de lanon fiabiliteacute du protocole IP sous-jacent et de la diversiteacute des contextes drsquoutilisation deTCP Lrsquoarticle [Ros2005] deacutetaille les diffeacuterentes caracteacuteristiques du protocole lieacutees agrave lrsquoeacuteta-blissement de connexion la numeacuterotation des donneacutees et agrave la fiabilisation des eacutechanges

Outre lrsquoobjectif de fiabiliteacute TCP a aussi un objectif de performance pour le servicerendu en termes de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capaciteacutes de transmission du reacuteseauPour atteindre cet objectif pour le service TCP integravegre une fonction de controcircle de flux quirepose sur une fenecirctre glissante geacutereacutee par le reacutecepteur Ainsi le deacutebit drsquoeacutemission peut srsquoali-gner sur le deacutebit de reacuteception de sorte qursquoun reacutecepteur lent ne puisse ecirctre satureacute par unexpeacutediteur rapide La speacutecification initiale de TCP a eacuteteacute conccedilue sans prendre en compteles ressources du reacuteseau Cet oubli a eacuteteacute agrave la source de dysfonctionnements seacutevegraveres du reacute-seau comme lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse) [Afanasyev2010] Lafonction de controcircle de congestion vise agrave une prise en compte des ressources disponiblesdu reacuteseau et agrave leurs utilisations efficaces Le controcircle de congestion a susciteacute un travail derecherche intensif et ce sujet reste encore drsquoactualiteacute comme lrsquoindique le [RFC6077]

111 Controcircle de congestion de TCP

Drsquoapregraves [Jain1990] la congestion srsquoexprime par lrsquoeacutequation matheacutematique 11

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sumDemande gt Ressources (11)

Du point de vue drsquoun reacuteseau par commutation de paquets les ressources sont princi-palement les meacutemoires tampon des nœuds de commutation et la capaciteacute de transmissiondes artegraveres de communication La congestion apparaicirct au niveau des nœuds de commu-tation et plus particuliegraverement sur leurs interfaces de sortie La condition pour voir ap-paraicirctre une congestion est laquo si la somme des deacutebits des flux arrivant sur lrsquointerface desortie est supeacuterieure agrave la capaciteacute de transmission du lien en sortie raquo Dans cette situationune file drsquoattente se constitue et quand elle deacuteborde les effets neacutefastes de la congestionse concreacutetisent A savoir que le taux de pertes des paquets augmente dans le reacuteseau cequi se traduit au niveau du service par un deacutebit eacutecouleacute qui chute et un deacutelai de trans-fert qui augmente Dans [Chiu1989] les auteurs montrent que la performance du reacuteseauest lieacutee agrave la charge appliqueacutee au reacuteseau Formellement la charge srsquoexprime comme tauxdrsquoarriveacutee sur le taux de service Informellement la charge repreacutesente la proportion de lademande autrement dit du trafic eacutemis par rapport agrave la capaciteacute de transfert La figure11 illustre lrsquoeacutevolution du deacutebit eacutecouleacute (throughput) et du RTT en fonction de la chargeappliqueacutee au reacuteseau (load) Au deacutebut le deacutebit eacutecouleacute srsquoaccroicirct avec la charge alors queles deacutelais nrsquoaugmentent presque pas On est dans une phase de remplissage des liensLorsque la charge srsquoapproche du taux de remplissage maximum des liens du reacuteseau Ledeacutebit eacutecouleacute nrsquoaugmente presque plus alors que les deacutelais augmentent fortement Crsquoestla phase de remplissage des files drsquoattente Ces deux phases sont seacutepareacutees par un pointcaracteacuteristique qui srsquoappelle le point drsquoinflexion (knee) Lorsque les files drsquoattente sontpleines et que la charge du reacuteseau continue de srsquoaccroicirctre les files drsquoattente vont deacutebor-der Agrave partir de ce point appeleacute le point de retournement (cliff ) le reacuteseau rentre dans lrsquoeacutetatdit drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse)

FIGURE 11 ndash Performance du reacuteseau en fonction de la charge appliqueacutee (Source [Chiu1989])

Lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion est rapporteacute par [Nagle1984] Dans cet eacutetat le reacute-seau enregistre des retransmissions abusives effectue des transferts avec des deacutelais ten-dant vers lrsquoinfini et rend un service avec un deacutebit eacutecouleacute proche de zeacutero Lrsquoeffondrementducirc agrave la congestion srsquoexplique par le gaspillage des ressources utiliseacutees en amont du point

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de perte du paquet La solution agrave lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion reacuteside en lrsquoalignementdu deacutebit de lrsquoeacutemetteur agrave la capaciteacute drsquoeacutecoulement du canal de communication offert parle reacuteseau afin de ne produire aucune perte Ainsi les objectifs assigneacutes au controcircle decongestion de TCP sont drsquoeacuteviter lrsquoeacutetat drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion drsquoallouer eacutequi-tablement les ressources du reacuteseau entres les flux concurrents et drsquooptimiser les perfor-mances obtenues par chaque flux [RFC2914]

Le controcircle de congestion de TCP fonctionne sur le principe de la boucle fermeacutee avecle reacuteseau vu comme une boicircte noire ainsi preacutesenteacute par la figure 12 Apregraves une stimu-lation sous la forme de lrsquoenvoi de paquets lrsquoobservation du comportement de la boicirctenoire agrave ce stimulus sera analyseacute par le controcircleur situeacute dans lrsquoeacutemetteur Le controcircleur rap-proche lrsquoobservation faite en retour du stimulus (feedback) par rapport agrave lrsquoobjectif affecteacuteau controcircleur Celui-ci par reacutetro-action ajustera le nombre des paquets suivants envoyeacutesCet ajustement est le reacutesultat drsquoune fonction de controcircle qui se base sur une perceptionbinaire des retours agrave savoir absence ou preacutesence de congestion

FIGURE 12 ndash Boucle fermeacutee du CC de TCP

Dans [Gevros2001] lrsquoauteur liste les moyens pour effectuer les observations que lrsquoonnomme en fait des notifications dans le contexte des reacuteseaux Les notifications de lacongestion dans le reacuteseau peuvent ecirctre implicites ou explicites Dans le premier caselles sont deacuteduites par lrsquoabsence drsquoACK Lrsquoaugmentation des deacutelais et les pertes des don-neacutees sont des causes possibles pour la non-reacuteception de lrsquoACK A lrsquoinverse lrsquoabsence decongestion est deacuteduite par la reacuteception drsquoun ACK Cette reacuteception autorise lrsquoenvoi drsquounnouveau paquet comme le montre [Jacobson1988-1] Les notifications peuvent ecirctre ex-plicites si les paquets veacutehiculent une marque mise par lrsquoeacuteleacutement congestionneacute commecrsquoest le cas avec la proposition Explicit Congestion Notification (ECN) [RFC3168] Nous re-viendrons sur cette proposition dans la sous-section 113 Lorsque le controcircleur deacuteduitla preacutesence de congestion il reacuteduit le deacutebit drsquoeacutemission de la source Le deacutebit est controcircleacuteagrave lrsquoaide drsquoune fenecirctre appeleacutee la fenecirctre de congestion (Congestion Window (CWND) ω)Elle indique la quantiteacute de donneacutees qui peut ecirctre eacutemise sur un RTT Autrement dit elleindique combien de donneacutees non acquitteacutees peut recevoir le canal de communicationSa taille eacutevolue dans le temps en fonction de lrsquoeacutetat du reacuteseau et selon une fonction decontrocircle Additive Increase and Multiplicative Decrease (AIMD) La fenecirctre drsquoeacutemission uti-liseacutee par un eacutemetteur TCP est le minimum entre la fenecirctre de congestion et la fenecirctreglissante du controcircle de flux Le controcircle de congestion comporte deux phases distinctes[Gevros2001]

mdash La premiegravere phase se nomme eacutevitement de la congestion (congestion avoidance) et sesitue autour du point drsquoinflexion de la figure 11

mdash La seconde phase se nomme reacutesolution de la congestion (congestion recovery) Ellese deacuteclenche quand lrsquoeacutetat du reacuteseau se situe au delagrave du point drsquoinflexion

Dans la phase de congestion avoidance le controcircle de congestion de TCP utilise deux al-gorithmes le deacutemarrage en douceur (slow-start (SS)) et lrsquoeacutevitement de congestion (conges-tion avoidance (CA)) Au deacutebut de la connexion TCP nrsquoa aucune connaissance de lrsquoeacutetat dureacuteseau autrement dit de lrsquoeacutetat du canal de communication entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecep-teur TCP utilise lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur pour sonder le canal Lrsquoobjectif

12

est drsquoatteindre le point drsquoinflexion rapidement et sans risquer de congestionner le canalpar des rafales Pour cela lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur va eacutetaler sur plusieursRTT la croissance de la taille fenecirctre de congestion jusqursquoagrave atteindre une estimation dupoint drsquoinflexion Ainsi lrsquoeacutemetteur commence avec une fenecirctre de congestion assez pe-tite et lrsquoouvre au fur et agrave mesure et de plus en plus vite avec lrsquoarriveacutee des acquittementsPlus preacuteciseacutement le rythme de croissance de la taille de la fenecirctre de congestion est surle doublement tous les RTT Quant la fenecirctre de congestion atteint un certain seuil noteacuteslow-start threshold (ssthresh) le deacutemarrage en douceur srsquoarrecircte et lrsquoalgorithme drsquoeacutevite-ment de congestion est maintenant utiliseacute Cet algorithme augmente lineacuteairement et pluslentement que le deacutemarrage en douceur la taille de la fenecirctre de congestion En lrsquoabsencedrsquoindication explicite par le reacuteseau du deacutebit disponible sur le canal de communicationlrsquoeacutemetteur TCP continue de faire le sondage du canal et veacuterifie si le deacutebit eacutecouleacute peut ecirctreencore augmenteacute Pour lrsquoauteur de [Sallantin2014] lorsque la connexion TCP utilise lrsquoal-gorithme drsquoeacutevitement de congestion elle entre alors dans un eacutetat stable Dans cet eacutetat laconnexion doit se deacuterouler avec un deacutebit eacutecouleacute eacuteleveacute Crsquoest une indication que le pointdrsquoinflexion est atteint

La figure 13 donne une repreacutesentation simplifieacutee des eacutetats du controcircle de congestionde TCP Elle indique que lrsquoeacutetat stable peut ecirctre quitteacute si la connexion est libeacutereacutee ou si ily a un eacuteveacutenement de congestion TCP assimile les pertes implicitement agrave un eacuteveacutenementde congestion Lrsquoeacuteveacutenement de congestion fait basculer le controcircle de congestion de TCPdans la phase de reacutesolution de la congestion Dans cette phase la reprise de la perte oudes pertes est effectueacutee et la taille de la fenecirctre de congestion est diminueacutee et ceci afin dediminuer le deacutebit drsquoeacutemission

On distingue deux faccedilons de deacutetecter un eacuteveacutenement de congestion Une meacutethodesrsquoappuie sur la reprise de perte de TCP par retransmission des donneacutees perdues sur ex-piration drsquoun temporisateur (Retransmission TimeOut (RTO)) Une autre meacutethode utilisela caracteacuteristique de TCP qui consiste agrave ce que le reacutecepteur envoie un acquittement agravechaque segment de donneacutees reccedilu en seacutequence Ce segment porte le numeacutero des derniegraveresdonneacutees reccedilues seacutequentiellement Ainsi la reacuteception de donneacutees entraicircnant une rupturede la numeacuterotation en seacutequence geacutenegravere lrsquoeacutemission drsquoun acquittement dupliqueacute (Dupli-cate Acknowledgement (DupAck)) par le reacutecepteur Agrave la reacuteception de trois DupAck parlrsquoeacutemetteur les donneacutees indiqueacutees par la rupture de seacutequencement sont consideacutereacutees per-dues et retransmises sans attendre lrsquoexpiration du RTO Ce principe de retransmissionrapide porte le nom de fast retransmit (FR) Lrsquoalgorithme de reacutecupeacuteration rapide (fast reco-very (FR)) va maintenir la quantiteacute de donneacutees en transit dans le canal de communicationpour eacuteviter lrsquoeacutemission drsquoune rafale lorsqursquoun nouvel acquittement sera reccedilu En lrsquoabsencedu fast recovery agrave la reacuteception drsquoun nouvel acquittement la fenecirctre pourrait se vider parune rafale correspondant agrave des eacutemissions de paquets de donneacutees dos agrave dos sur un deacute-bit supeacuterieur agrave celui du deacutebit drsquoeacutecoulement du canal Ceci aurait pour effet de saturer lecanal et de renvoyer la connexion TCP dans une phase de reacutesolution de la congestion

Lorsque les eacutemissions de lrsquoeacutemetteur sont bloqueacutees par des donneacutees eacutemises et jamaisacquitteacutees le blocage est rompu par le RTO et ceci quel que soit lrsquoeacutetat Les deacutetails dela mise en œuvre des algorithmes du controcircle de congestion TCP sont deacutecrits par le[RFC5681]

Historiquement la version deacutenommeacutee TCP Tahoe incorporait la fonction de controcirclede congestion deacuteveloppeacutee en 1888 Elle comportait les algorithmes de slow-start conges-tion avoidance et de fast retransmit [Jacobson1988-1] La reprise de perte par fast retransmitsouffrait drsquoinefficaciteacute elle a eacuteteacute corrigeacutee avec lrsquoalgorithme du fast recovery Cette versionagrave quatre algorithmes est la version connue sous le nom de Reno et publieacutee la premiegraverefois en 1997 par le [RFC2001] Le couplage fast retransmit - fast recovery souffrait de deacutefauts

13

Deacutebut13

de13

connexion

Deacutemarrage13

en13

douceur

Etat13

stable

FRFR

Fin13

de13

connexion

3 Dupack

nouvel 13

ack

RTO

RTO

cwnd gt ss

tresh

SYN13

SYNACK

FIN-FINACK

FIGURE 13 ndash Etats du controcircle de congestion de TCP

lorsqursquoun eacuteveacutenement de congestion comportait plusieurs pertes Le [RFC2582] apportaitun correctif en 1999 On parla alors de version NewReno du controcircle de congestion En2005 une eacutetude montra que crsquoeacutetait la version du controcircle de congestion de TCP la plusutiliseacutee sur lrsquoInternet [Medina2005] Depuis de nouvelles versions ont eacuteteacute deacuteployeacutees dansles systegravemes drsquoexploitation tels que Windows et Linux appeleacutes respectivement C-TCP[Tan2006] et CUBIC [Ha2008] Dans la section 112 ces versions seront deacutetailleacutees

Le fonctionnement caracteacuteristique du controcircle de congestion de TCP est illustreacute parla figure 14 extraite de [Huston2000] Elle montre lrsquoeacutevolution de la fenecirctre de conges-tion dans le temps (exprimeacutee en terme de RTT) sur un canal de communication virtuelentre 2 stations Il srsquoagit ici drsquoun sceacutenario ideacutealiseacute dans lequel la connexion TCP nrsquoest pasen concurrence avec drsquoautres connexions La congestion se produit toujours agrave la mecircmevaleur de fenecirctre et pour laquelle la file drsquoattente deacuteborde Cette figure montre les deuxcaracteacuteristiques du controcircle de congestion de TCP qui deacutecoulent de la phase drsquoeacutevitementde congestion et de reacutesolution de la congestion et qui sont

mdash Lrsquoagressiviteacute elle provient du sondage du canal de communication LrsquoeacutemetteurTCP va chercher agrave accroicirctre le deacutebit eacutecouleacute en augmentant graduellement son deacutebitdrsquoeacutemission par lrsquoagrandissement de la taille de la fenecirctre de congestion

mdash La reacuteactiviteacute lorsque le canal de communication est plein et qursquoil deacuteborde quandcette perte est deacutetecteacutee lrsquoeacutemetteur TCP reacuteagit et diminue la taille de sa fenecirctre afinde diminuer son deacutebit drsquoeacutemission

Ces deux caracteacuteristiques donnent cette figure en dents de scie de la fenecirctre de conges-tion

112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de sto-ckage

Un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage est un reacuteseau avec un produit deacutelai-bandepassante (Bandwidth Delay Product (BDP)) eacuteleveacute Dans lrsquoouvrage [Peterson2007] lrsquoauteureffectue une analogie du produit deacutelai-bande passante avec un tuyau Le deacutelai corres-pond agrave la longueur du tuyau et la bande passante au diamegravetre du tube Ainsi le BDPest le volume du tube Dans le cas drsquoun reacuteseau informatique le volume du tuyau srsquoex-prime en bits Ainsi lorsqursquoun canal de communication entre un eacutemetteur et un reacutecepteurpreacutesente un produit deacutelai-bande passante important un volume important de bits (autre-ment dit de donneacutees) peut ecirctre eacutemis avant de recevoir une notification Du point de vue

14

FIGURE 14 ndash Eacutevolution caracteacuteristique de la fenecirctre de congestion de TCP

de lrsquoeacutemetteur TCP ce volume de donneacutees injecteacute dans le reacuteseau sont des donneacutees nonencore acquitteacutees Les reacuteseaux qui offrent des canaux de communication avec un pro-duit deacutelai-bande passante important sont nommeacutes en anglais Long Fat Network (LFN) Le[RFC1072] preacutecise qursquoun LFN agrave un produit deacutelai-bande passante supeacuterieur agrave 12 5 Ko

Sachant que le controcircle de congestion de TCP srsquoappuie sur une reacutetro-action selon unepeacuteriode de RTT et que le deacutebit eacutecouleacute maximal est atteint lorsque la fenecirctre drsquoeacutemissionest au moins supeacuterieure au produit deacutelai(RTT)-bande passante du canal de communica-tion lrsquoutilisation de TCP sur un reacuteseau LFN a des conseacutequences neacutegatives sur la perfor-mance Les causes sont agrave chercher du cocircteacute du RTT et du produit deacutelai-bande passante quiprennent tous les deux des valeurs importantesDans le cas du RTT crsquoest le deacutelai de reacuteactiviteacute de TCP qui est impacteacute En effet quandle RTT est eacuteleveacute la dynamique de TCP est ralentie car lrsquoeacutemetteur TCP doit attendre pluslongtemps pour recevoir un ACK et savoir quoi faire par la suite

Pour ce qui concerne le produit deacutelai-bande passante crsquoest le deacutebit eacutecouleacute qui peutecirctre faible par rapport au deacutebit du canal de communication (sa bande passante) La fe-necirctre drsquoeacutemission de TCP nrsquoatteint pas la valeur du produit deacutelai-bande passante lrsquoeacutemet-teur se trouve alors bloqueacute en attente de lrsquoACK pour eacutemettre de nouvelles donneacutees Cespeacuteriodes de blocage concourent agrave faire chuter le taux drsquoutilisation du canal de communi-cation

Par la suite nous allons deacutetailler les conseacutequences de la faible reacuteactiviteacute et drsquoune fe-necirctre drsquoeacutemission importante agrave atteindre sur lrsquoefficaciteacute de TCP La probleacutematique se poseen terme de deacutemarrage de connexion et son implication pour le transfert des flots courtsde taille maximale possible de la fenecirctre de congestion et de reacutesolution de la congestion

Le deacutemarrage de connexion

Le deacutebut des connexions de TCP se fait agrave lrsquoaide de lrsquoalgorithme du deacutemarrage en dou-ceur Nous avons vu preacuteceacutedemment que ce meacutecanisme double la fenecirctre de congestionen un RTT Lorsque la fenecirctre de congestion atteint la valeur seuil ssthresh lrsquoalgorithmedrsquoeacutevitement de congestion est utiliseacute La valeur initiale du seuil est fixeacutee arbitrairementce qui soumet TCP agrave deux problegravemes Le doublement de la fenecirctre de congestion quandelle atteint des valeurs importantes constitue des increacutements avec une granulariteacute de plusen plus grosse Si la valeur de ssthresh est trop grande par rapport au BDP avec un grosincreacutement le deacutepassement du BDP peut conduire agrave eacutemettre trop de paquets causantdes pertes multiples induisant une augmentation de la latence et une reacuteduction du deacute-bit eacutecouleacute Dans le cas ougrave la valeur du ssthresh est trop basse par rapport au BDP la

15

connexion TCP va utiliser preacutematureacutement lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion avecune increacutementation lineacuteaire Ce changement preacutematureacute aura pour conseacutequence une sous-utilisation de lrsquoalgorithme de deacutemarrage en douceur speacutecialement dans le cas ougrave le BDPest tregraves eacuteleveacute [Wang2004]

Le deacutemarrage de connexion est particuliegraverement important pour les flots courts TCP(short lived TCP flow) Un flot court TCP se deacutefinit comme un flot dont la taille est in-feacuterieure ou eacutegale agrave 10 segments TCP [Sallantin2014] La probleacutematique des flots courtsprovient du fait qursquoils nrsquoont pas assez de donneacutees pour quitter lrsquoeacutetape du deacutemarrage endouceur En effet la taille de la fenecirctre de congestion nrsquoa pas le temps drsquoatteindre la va-leur du produit deacutelai-bande passante que la totaliteacute des donneacutees ont eacuteteacute transmises Laconseacutequence est qursquoils ont fonctionneacute avec une fenecirctre de congestion qui est resteacutee rela-tivement petite Dans le cas drsquoun LFN le rapport de la taille de la fenecirctre de congestionsur le produit deacutelai-bande passante tend vers zeacutero et neacutecessite plusieurs RTT Il srsquoensuitque le deacutebit eacutecouleacute est extrecircmement faible De plus si le flot court souffre drsquoun eacuteveacutene-ment de congestion il sera particuliegraverement peacutenaliseacute Il a de fortes chances que la reprisesrsquoeffectue avec un RTO avec un deacutelai maximum de 1 agrave 3 secondes [RFC6298] Ce genrede flots nrsquoa pas toujours assez de donneacutees eacutemises apregraves la perte pour geacuteneacuterer trois Du-pAck et proceacuteder agrave une reprise par fast retransnmit Comme ces flots repreacutesentent drsquoapregraves[Ciullo2009] 90 des flux preacutesents dans lrsquoInternet leur sous-performance sur les LFN estprobleacutematique

La reacutesolution de la congestion

TCP deacutetecte une perte par lrsquoexpiration du RTO ou par la reacuteception de trois DupAckTCP va reacuteagir en deux temps en renvoyant le paquet perdu et en divisant par deux lafenecirctre de congestion Si la taille de la fenecirctre est importante la division par deux vaentraicircner une chute significative de la capaciteacute drsquoenvoi Par rapport au produit deacutelai-bande passante cette division par deux peut entraicircner une sur-reacuteaction de lrsquoeacutemetteur Ledeacutebit eacutecouleacute apregraves un eacuteveacutenement de congestion peut devenir faible et se pose le problegravemede la dynamique de sondage

Dynamique du sondage

TCP a un objectif de performance en terme de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capa-citeacutes de transmission du reacuteseau TCP possegravede un comportement conservateur Avec lafonction de controcircle AIMD TCP aura besoin drsquoun cycle eacutegal agrave ω2 RTT pour reacutecupeacutererune taille de fenecirctre eacutegale agrave celle avant reacuteduction Dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage TCP tend agrave ecirctre trop prudent agrave ouvrir sa fenecirctre de congestion trop lentementLa capaciteacute de stockage importante demande un nombre de cycles important pour quela fenecirctre de congestion puisse couvrir le BDP Durant ce temps il est important de nepas avoir de pertes Lrsquoexemple donneacute par le [RFC3649] preacutesente un reacuteseau agrave une capa-citeacute de 10 Gbits un deacutelai de 100 ms et une taille de paquets drsquoun maximum de 1500octets Cela demanderait un eacutechange drsquoune dureacutee de deux heures environ De plus la to-taliteacute des paquets devront ecirctre transmis dans la dureacutee indiqueacutee preacuteceacutedemment Le tauxde perte maximal permettant lrsquousage de la totaliteacute de la bande passante est de lrsquoordrede 10minus10 Crsquoest un taux de perte irreacutealiste Il faut donc appliquer une autre fonction decontrocircle pour utiliser efficacement la capaciteacute des liens et pour reacutepondre rapidement auxchangements drsquoeacutetats du reacuteseau

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113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN

Pour rappel dans la partie 111 nous avons vu que le controcircle de congestion de TCPse deacutecoupait en deux phases La premiegravere phase de congestion avoidance comporte les al-gorithmes de sondage alors que la seconde phase dite de congestion recovery comporte lesalgorithmes de reacutesolution de la congestion Nous preacutesentons les propositions qui visentagrave changer le controcircle de congestion de TCP sur ces deux phases pour les adapter auxcontraintes des LFN et donc traiter les problegravemes que nous avons mis en eacutevidence dansla sous-section 112 Lrsquoutilisation de TCP sur des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage asusciteacute des propositions qui sont classeacutees dans le tableau 11 Ces propositions vont ecirctredeacutetailleacutees dans la suite de ce manuscrit

TABLE 11 ndash Tableau de synthegravese des propositions

Phase Problegraveme SolutionsCongestion avoidance Deacutemarrage de

connexionInitial Spreading Reacuteduc-tion du RTO Quick-startJump Start

Congestion recoveryReacutesolution decongestion

MulTCP

Dynamique dusondage

HighSpeed TCP C-TCPBIC CUBIC

Le deacutemarrage de connexion

Lrsquoideacutee de la premiegravere solution est de reacuteduire le nombre de cycles au deacutemarrage drsquounflot Le doublement de la taille lorsque la fenecirctre de congestion vaut 2 segments parexemple conduit agrave un increacutement qui reste faible sur un RTT Le principe de la premiegraveresolution est drsquoaugmenter la taille initiale de la fenecirctre de congestion (Initial Window (IW))[RFC6928] Avec une taille initiale de fenecirctre de congestion eacutequivalent agrave 10 Maximun Seg-ment Size (MSS) lrsquoeacutemetteur peut transmettre degraves le deacutebut de connexion une rafale de 10segments Parmi les avantages de cette solution on peut citer la reacuteduction de la latencedu transfert de donneacutees en consideacuterant que le canal ne sera pas congestionneacute Un des in-conveacutenients de cette solution est la possibiliteacute de congestionner la file drsquoattente du goulotdrsquoeacutetranglement Afin de reacutesoudre ce problegraveme [Sallantin2014] propose lrsquoInitial SpreadingCette proposition combine lrsquoaugmentation de la fenecirctre drsquoeacutemission et le meacutecanisme drsquoes-pacement meacutecanisme limitant la preacutesence de rafales Ces travaux ont fait lrsquoobjet drsquouneproposition aupregraves de lrsquoInternet Engineering Task Force (IETF) [Arnal2014]

La deacutetection drsquoune perte au deacutepart du deacutemarrage en douceur se fait agrave travers lrsquoex-piration du RTO soit trois secondes Pour ameacuteliorer la reprise sur erreur le [RFC6298]propose de reacuteduire la dureacutee du RTO agrave une seconde Cette reacuteduction du RTO autorise uneretransmission plus rapide des paquets perdus et apporte un gain relativement importantpour des flots qui ont une latence tregraves faible comme celle des flots courts

Une autre solution eacutevalueacutee par [Scharf2008-1] et deacutecrite par le [RFC4782] se nommeQuick-start Lrsquoeacutemetteur eacutemet une requecircte contenant le deacutebit drsquoeacutemission qursquoil souhaite uti-liser Chaque nœud traverseacute peut alors accepter rejeter ignorer ou modifier la requecircteen fonction de son deacutebit disponible Pour bien fonctionner ce meacutecanisme de neacutegociationneacutecessite que lrsquoensemble des routeurs traverseacutes aient reacutepondu agrave la requecircte La figure 15compare les performances du deacutemarrage en douceur (en rouge) et de Quick-start sur unteacuteleacutechargement vu depuis le serveur Le serveur a eacutemis deux requecirctes la premiegravere agrave undeacutebit de 8192 Mbits (en vert) et lrsquoautre pour un deacutebit drsquoune valeur de 512 Mbits (en

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bleu) Lrsquoaxe des abscisses repreacutesente la latence (dureacutee de la connexion) depuis lrsquoeacutemissionde la demande drsquoeacutetablissement de connexion et en ordonneacutee le deacutebit drsquoeacutemission Les deacute-bits ont eacuteteacute calculeacutes agrave partir de la quantiteacute de donneacutees moyenne eacutemises en un RTT Les reacute-sultats montrent des performances supeacuterieures de Quick-start par rapport au deacutemarrageen douceur En effet une requecircte de Quick-start avec un deacutebit suffisamment eacuteleveacute per-met drsquoatteindre rapidement lrsquoutilisation maximale de la bande passante disponible Ledeacutemarrage en douceur limite la croissance du deacutebit drsquoeacutemission On remarque eacutegalementque si la valeur seuil du deacutemarrage est trop basse le deacutebit drsquoeacutemission croicirct beaucoupmoins rapidement (lien en pointilleacute sur la figure 15) Quick-start reste performant sur lesflots courts en appliquant un deacutebit drsquoeacutemission qui sera eacutequivalent agrave un flot long

FIGURE 15 ndash Principe de Quick-Start (Source [Scharf2008-1])

Dans lrsquoarticle [Liu2007] lrsquoauteur preacutesente Jump Start Cette proposition reacutealise uneestimation des donneacutees precirctes agrave ecirctre envoyeacutees ainsi que du RTT Lrsquoobjectif est drsquoeacutemettreles segments de faccedilon reacuteguliegravere en un RTT Ce meacutecanisme srsquoavegravere trop agressif dans lesenvironnements congestionneacutes Le nombre de segments envoyeacutes en un RTT peut ecirctreimportant et ainsi causer de seacutevegraveres deacutegradations de performance

La reacutesolution de la congestion

Quand TCP a atteint lrsquoeacutetat stable et qursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de conges-tion va ecirctre diviseacutee par deux Cette reacuteduction diminuera le deacutebit eacutecouleacute Il est importantpour TCP drsquoecirctre reacuteactif vis agrave vis des pertes Pour cela de nouveaux algorithmes doiventecirctre mis en place dans la phase drsquoeacutevitement de congestion Ces algorithmes devront ecirctrereacuteactifs aux pertes mais sans sur-reacuteagir Ces nouveauteacutes doivent permettre de retrouverrapidement un deacutebit eacutecouleacute important

Lorsque plusieurs flux TCP empruntent une route congestionneacutee ils sont soumis aumecircme taux de pertes Le but eacutetant de reacutepartir eacutequitablement la bande passante dispo-nible Une approche de diminution moins agressive de la fenecirctre de congestion consistea reacutealiser des connexions TCP parallegraveles Lrsquoobjectif est drsquoavoir un flux TCP se comportantcomme lrsquoagreacutegation de plusieurs flux

Dans lrsquoarticle [Crowcroft1998] les auteurs proposent une version du controcircle de conges-tion de TCP qui se comporte drsquoune maniegravere eacutequivalente agrave N sessions TCP parallegraveles Ilsrsquoagit de MulTCP MulTCP geacutenegravere un flux TCP unique ougrave les sessions virtuelles sont reacute-parties uniformeacutement afin drsquoobtenir le reacutesultat maximal en terme de deacutebit Le controcircle decongestion de TCP change lorsqursquoil utilise lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion et qursquoil

18

deacutetecte un eacuteveacutenement de congestion (par deacutetection drsquoau moins une perte drsquoun segmentdans une fenecirctre de congestion) Les eacutequations suivantes sont utiliseacutees dans chacun descas MulTCP

ACK ω larr ω +N

ω

DROP ω larr ω times (1minus 1

2N)

(12)

En eacutevitement de congestion lorsqursquoun ACK est reccedilu MulTCP augmente sa fenecirctre decongestion (ω) de N segments par RTT Lors de la perte de segments (DROP) MulTCPreacuteduit sa fenecirctre de ω(2N) plutocirct que la valeur par deacutefaut de ω2 La figure 16 montrelrsquoeacutevolution de la fenecirctre de congestion de MulTCP par rapport agrave TCP On voit sur la fi-gure 16 que MulTCP a de meilleures performances qursquoun flux TCP normal Lorsque lesperformances sont combineacutees le reacutesultat est supeacuterieur agrave un flux unique

FIGURE 16 ndash Simulation de MulTCP avec N=5 (Source [Huston2006])

Dynamique du sondage

Lrsquoobjectif de lrsquoeacutemetteur de TCP est drsquoenvoyer le plus de donneacutees le plus vite possibleMais agrave condition qursquoelles arrivent sans produire de la congestion sinon les donneacutees se-ront perdues et il faudra les reacute-eacutemettre Il faut eacutegalement tenir compte des autres flotsen partageant eacutequitablement les ressources du reacuteseau Une approche pour traiter le pro-blegraveme de la dynamique du sondage consiste agrave changer la fonction de controcircle de TCP

Lrsquoobjectif de HighSpeed-TCP (HS-TCP) est drsquoatteindre les hauts deacutebits en ayant desperformances comparables agrave TCP classique dans les environnements agrave faible BDP [RFC3649]La version du controcircle de congestion HighSpeed-TCP utilise le meacutecanisme drsquoAdditive In-crease and Multiplicative Decrease combineacute agrave un facteur calculeacute en fonction de la taille dela fenecirctre de congestion tel qursquoindiqueacute par les eacutequations 13 En deccedila drsquoun certain seuilde ω la reacuteponse de HighSpeed-TCP est eacutequivalente agrave TCP Reno HS-TCP est limiteacute durantla phase de deacutemarrage en douceur Durant cette phase HS-TCP peut normalement en-voyer un grand nombre de paquets Lrsquoenvoi drsquoun trop grand nombre de donneacutees risquedrsquooccasionner de la congestion Le [RFC3742] propose de limiter agrave 100 paquets la capaciteacutedrsquoenvoi drsquoHS-TCP durant la phase de deacutemarrage en douceur

ACK ω larr ω +α(ω)

ωDROP ω larr (1minus β(ω))times ω

(13)

19

La figure 17 illustre le comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCPLorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre est moins importante gracircceau facteur β Le retour a la valeur preacuteceacutedente se fait beaucoup plus rapidement qursquoavecReno ou NewReno (en gris clair sur la figure) gracircce au facteur α Ainsi HS-TCP offre unemeilleure utilisation de la capaciteacute disponible sur le lien

FIGURE 17 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCP (Source [Afanasyev2010])

Dans [Tan2006] lrsquoauteur propose une version de TCP alliant lrsquoapproche pro-activeet reacuteactive Une approche pro-active utilise les variations du RTT pour estimer lrsquoeacutetat dureacuteseau Alors qursquoune approche reacuteactive agit quand lrsquoeacuteveacutenement de congestion srsquoest pro-duit Lrsquoobjectif est de maintenir de bonnes performances sur reacuteseaux avec un haut deacutebitet un grand RTT Compound-TCP (C-TCP) maintient deux fenecirctres de congestion Lrsquounecroicirct de faccedilon lineacuteaire mais deacutecroicirct via un certain coefficient en cas de perte La secondefenecirctre est lieacutee agrave lrsquoapproche pro-active de TCP-Vegas [Brakmo1994] La taille de la fenecirctrede congestion reacuteellement utiliseacutee est la somme des deux fenecirctres Lrsquoeacutequation 14 illustrecette addition

ACK ω larr ωreno + ωfast (14)

Si le RTT est bas alors la fenecirctre ωfast va croicirctre rapidement Si C-TCP rencontre uneperte alors ωreno diminuera rapidement pour compenser lrsquoaugmentation preacuteceacutedente deωfast Ce systegraveme cherche agrave garder une valeur constante de la fenecirctre drsquoeacutemission C-TCPutilise efficacement des liens sur les reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage C-TCP est sujetau mecircme deacutefaut que TCP-Vegas sur lrsquoexactitude des mesures RTT Si les flux en concur-rence les uns avec les autres dans le reacuteseau observent des valeurs RTT minimales diffeacute-rentes le flux se voyant un RTT plus eacuteleveacute sera beaucoup plus agressif et injuste pourlrsquoautre flux La figure 18 illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion de C-TCPLa partie convexe de la courbe repreacutesente un fonctionnement plus proche de TCP RenoCela indique donc une valeur de ωfast faible Nous remarquons qursquoapregraves une perte TCPessaye de reacutecupeacuterer rapidement la valeur preacuteceacutedente Lors de pertes multiples la fenecirctrede congestion suit une forme proche agrave ce moment de la courbe de HighSpeed-TCP (voirfigure 17) Ce comportement est la conseacutequence drsquoune valeur eacuteleveacutee de ωfast C-TCP per-met ainsi drsquoatteindre le deacutebit maximum disponible sur le lien tout en lissant sa capaciteacutedrsquoenvoi en se basant sur le RTT C-TCP est la version de TCP installeacutee nativement sur lesystegraveme drsquoexploitation Windows de Microsoft

Lrsquoalgorithme de controcircle de congestion de TCP connu sous le nom Binary IncreaseCongestion control (BIC) vise agrave une convergence rapide [Xu2004] La fenecirctre doit atteindrela taille maximale possible sans qursquoil y ait de pertes Pour cela il met en œuvre une nou-velle fonction du controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion La fonction de controcircle

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FIGURE 18 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de Compound-TCP (Source [Afanasyev2010])

de BIC est structureacutee en trois phases (Additive Increase Binary Search Max Probing) tellesqursquoillustreacutees par la figure 19a Au deacutemarrage de la connexion BIC va increacutementer lineacuteai-rement la fenecirctre de congestion Crsquoest la phase drsquoAdditive Increase

Durant la phase Binary Search BIC va essayer de deacutecouvrir la taille optimale de lafenecirctre de congestion La taille optimale est la taille permettant drsquoeacutemettre le maximum dedonneacutees sans essuyer de pertes Elle se base sur lrsquoeacutetude entre la valeur minimale (ωmin)et la valeur maximale (ωmax) de la fenecirctre de congestion Ces variables vont permettredrsquoaffiner la valeur de la fenecirctre de congestion Au deacutebut de la connexion ωmin est mise agrave1 et ωmax est mis arbitrairement agrave une valeur eacuteleveacutee

Lorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de congestion va ecirctre reacuteduite et prendre pourvaleur la moyenne entre ωmin et ωmax ωmin prend alors pour valeur la taille de la fenecirctrede congestion apregraves reacuteduction et ωmax la valeur de la fenecirctre de congestion avant la perteSi lrsquoeacutecart entre la valeur de la fenecirctre de congestion avant et apregraves la perte est supeacuterieuragrave une constante Smax alors la fonction de controcircle de BIC entre en phase dite AdditiveIncrease Durant cette phase Smax va servir de valeur drsquoincreacutementation pour la fenecirctrede congestion agrave chaque RTT Par la suite et si aucune perte nrsquoest de nouveau deacutetecteacuteela fonction de controcircle de BIC retourne en phase de Binary Search Lrsquoobjectif est de stabi-liser la taille de la fenecirctre aux alentours de la valeur de ωmax rencontreacutee avant la pertepreacuteceacutedente

Lorsque cette valeur est deacutepasseacutee BIC entre dans la phase dite Max Probing Lrsquoaug-mentation de la fenecirctre de congestion est alors lineacuteaire Lrsquoobjectif eacutetant la recherche drsquounnouvel ωmax La figure 19b illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion dansle temps Lors du deacutebut de connexion BIC se comporte comme Reno avec le meacutecanismedu deacutemarrage en douceur Degraves qursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre estalors moins agressive qursquoavec Reno Au centre de la courbe nous remarquons la fonctiondrsquoaccroissement avec les trois phases

BIC est un controcircle de congestion performant dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage Neacuteanmoins BIC peut ecirctre trop agressif pour les flux qui ont des courts deacutelaisCela a pour conseacutequence un partage ineacutequitable de la bande passante disponible avec lesflux qui ont des longs deacutelais

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquoiniquiteacute lieacute au RTT lrsquoalgorithme CUBIC propose dechanger la fonction de controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion pour la rendreplus agressive La fonction retenue est cubique et son eacutevolution est repreacutesenteacutee par la fi-gure 110a Contrairement agrave la figure drsquoaccroissement de BIC (fig 19a) qui comporte troisphases la fonction drsquoaccroissement de CUBIC nrsquoen compte que deux (fig 110a) Sur lafigure 110b on constate que ces deux phases sont preacutesentes tout au long de lrsquoeacutevolutionde la fenecirctre de congestion de CUBIC Ces deux phases ne sont pas forceacutement conseacute-cutives lrsquoune de lrsquoautre Apregraves la deacutetection drsquoune perte CUBIC va essayer de croicirctre le

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(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez BIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 19 ndash Fonctionnement de BIC TCP

plus rapidement possible jusqursquoagrave ωMax Lorsque ωMax est atteint la taille de la fenecirctre vasrsquoincreacutementer lentement Mais plus la valeur drsquoω est eacuteloigneacutee en taille de ωMax plus lacroissance va srsquoacceacuteleacuterer Lrsquoavantage de CUBIC sur BIC est le remplacement la fonction decontrocircle lineacuteaire par une fonction cubique pour plus drsquoagressiviteacute Lrsquoalgorithme CUBICest deacutecrit par le [RFC8312]

(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez CUBIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deCUBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 110 ndash Fonctionnement de CUBIC

114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs

Drsquoautres approches ont eacuteteacute eacutetudieacutees pour aider le controcircle de congestion de TCP Cesapproches impliquent les routeurs et ne reposent plus que sur le principe de bout-en-boutpropre agrave TCP

Explicit Congestion Notification (ECN) vise agrave renforcer lrsquoindication drsquoun eacuteveacutenement decongestion [RFC3168] Avec ECN la congestion est signaleacutee avant que la perte drsquoun pa-quet ne se produise Lors de la reacuteception drsquoun paquet indiquant une congestion lrsquoeacutemet-teur va alors reacuteduire sa fenecirctre de congestion et sa fenecirctre drsquoeacutemission La reacuteduction dela capaciteacute drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur eacutevitera pertes et retransmissions et une reacuteductiondes deacutelais de reprise Lrsquousage de cette option neacutecessite que lrsquoeacutemetteur le reacutecepteur et lesrouteurs du chemin soient capables de geacuterer les notifications explicites Avec ECN lrsquoin-formation de congestion est transmise agrave lrsquoeacutemetteur Aucune indication sur le lieu preacutecisde la congestion est indiqueacutee

eXplicit Control Protocol (XCP) est un protocole de controcircle de congestion utilisantles notifications explicites de deacutebit [Katabi2002] En cela il reprend lrsquoideacutee de Quick-startCependant il se diffeacuterencie par le deacutecouplage opeacutereacute entre la probleacutematique du partageeacutequitable entre les flots et celle de lrsquoefficaciteacute du transfert Dans lrsquoarchitecture de proto-coles XCP se situe entre TCP et IP XCP repose sur un en-tecircte qui va servir aux routeurs

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traverseacutes pour indiquer le deacutebit drsquoeacutemission pour le flot La valeur drsquoadaptation de la fe-necirctre de congestion est calculeacutee agrave partir des informations contenues dans lrsquoen-tecircte XCPXCP propose un controcircle de congestion qui fonctionne sur un reacuteseau 100 XCP Uneseconde limite est lrsquoiniquiteacute avec les autres protocoles de transport Les performancessont fortement deacutegradeacutees si diffeacuterents protocoles de bout en bout sont exeacutecuteacutes dans lemecircme reacuteseau tels que TCP XCP possegravede de mauvaises performances si des routeurs IPclassiques (non-XCP) se trouvent au niveau du goulot drsquoeacutetranglement

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquointeropeacuterabiliteacute Dans [Lopez2006] lrsquoauteur proposeXCP-interoperable (XCP-i) une version XCP qui garde les meacutecanismes de controcircle XCPsans ajouter drsquoeacutetat de flux Lrsquoobjectif drsquoXCP-i est de deacuteployer XCP sur un reacuteseau com-prenant des routeurs XCP et non-XCP Pour cela XCP-i va fonctionner en deux phasesDans une premiegravere phase il va deacutecouvrir les nuages non-XCP Un nuage non-XCP est unensemble de routeurs non capables de traiter XCP En comparant les champs Time-To-Live(TTL) drsquoIP et drsquoXCP le nombre de routeurs non-XCP preacutesents dans le reacuteseau peut ecirctredeacuteduit La seconde phase consiste agrave deacuteterminer les ressources du nuage non-XCP En ra-joutant un champ last_xcp_routeur XCP-i garde en meacutemoire lrsquoadresse du dernier routeurXCP traverseacute Agrave partir drsquoalgorithmes drsquoestimation de bande passante la bande passantedu nuage non-XCP sera estimeacutee entre les deux nœuds XCP La derniegravere phase pour reacutea-liser une inter-opeacuterabiliteacute complegravete entre routeurs classiques et routeurs XCP consiste agraveprendre en consideacuteration la bande passante estimeacutee dans les calculs du feedback de XCPLe protocole XCP-i va creacuteer un routeur XCP virtuel agrave la place du nuage non-XCP Gracirccea ces meacutecanismes un reacuteseau heacuteteacuterogegravene devient virtuellement homogegravene pour XCP Lesperformances de XCP-i sont comparables agrave celle de XCP [Lopez2006] XCP-i reacutesout leproblegraveme drsquointer-opeacuterabiliteacute de XCP sur des reacuteseaux non 100 XCP

Ces solutions preacutesentent le deacutesavantage de devoir ecirctre deacuteployeacutees eacutegalement au seindes routeurs Le principal avantage de ces solutions est une indeacutependance au deacutelai Lesprobleacutematiques lieacutees au deacutelai que lrsquoon a preacutesenteacutees preacuteceacutedemment sont alors inopeacute-rantes Dans le cadre de La Reacuteunion les deacutelais peuvent ecirctre importants

115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion

Lrsquoaugmentation des deacutebits drsquoaccegraves srsquoaccompagne de lrsquoaugmentation de la capaciteacute desliens drsquointerconnexion comme celles des cacircbles sous-marins Malgreacute cette augmentationdes deacutebits le temps de propagation reste inchangeacute Dans cette partie nous deacuteterminonsagrave partir de quel deacutebit un accegraves Internet agrave La Reacuteunion peut ecirctre sujet aux problegravemes ren-contreacutes sur les LFN

Dans la section 21 nous avons vu que La Reacuteunion est raccordeacutee agrave Internet par deuxaccegraves reposant sur des cacircbles sous-marins le SAFE et le LION Le cacircble SAFE est prolongeacutepar le cacircble SAT-3WASC Le temps de propagation (tp) sur un cacircble peut ecirctre estimeacutepar la formule matheacutematique 15 dans laquelle d repreacutesente la distance et c la vitesse depropagation du signal sur le support

tp =d

c(15)

Si nous retenons la route directe entre La Reacuteunion et la France hexagonale qui passepar le plus long des accegraves constitueacute par les cacircbles SAFE et SAT-3WASC Sachant que lecacircble SAFE a une longueur totale de 13 500 km pour aller de lrsquoAfrique du Sud agrave lrsquoAsie Sion fait lrsquohypothegravese que lrsquoicircle de La Reacuteunion se situe agrave une distance eacutequivalente agrave la moitieacutedu cacircble SAFE La longueur du cacircble pour La Reacuteunion est de 6 750 Km La vitesse de

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propagation du signal pour une fibre optique est eacutegale agrave la vitesse de la lumiegravere (299 792Kms) Lrsquoapplication de la formule 15 donne tp1 avec

tp1 = 12times dSAFEc = 22 52ms (16)

tp1 approxime le temps de propagation entre La Reacuteunion et le point de sortie du cacircbleSAFE en Afrique du Sud ou en Asie Pour obtenir le RTT ce temps est agrave doubler Onobtient alors la valeur RTT1 = 45 04 ms

La seconde partie du trajet de lrsquoAfrique du Sud jusqursquoen Europe emprunte le cacircbleSAT-3WASC Drsquoapregraves [Cablesmap] la longueur du cacircble est de 14 350 Km Le temps depropagation entre lrsquoAfrique du Sud et lrsquoEurope noteacute tp2 srsquoexprime comme

tp2 = (dSATminus3WASC)c = 47 87ms (17)

Le RTT sur ce cacircble est de RTT2 = 95 74 msAu total le RTT incompressible pour joindre lrsquoEurope en passant par les cacircbles SAFESAT-3WASC consiste agrave additionner le RTT de chaque cacircble agrave savoir RTT1 et RTT2 Le RTTincompressible est donc minimal de 140 78ms Ce deacutelai comme nous venons de le calcu-ler ne prend en compte que la propagation Il neacuteglige le temps de transmission du paquetainsi que les temps drsquoattente avant la transmission

Lrsquoeacutetude preacutesenteacutee dans[Anelli2012] a mesureacute un RTT minimal pour les paquets quit-tant lrsquoicircle de La Reacuteunion de 185 ms Ce reacutesultat a eacuteteacute obtenu par une eacutetude de mesuresdepuis les locaux de lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion La figure 111 repreacutesente la Probabi-lity Density Function (PDF) des RTT mesureacutes Cette fonction est compareacutee agrave celle qui estobtenue depuis la France hexagonale et de Paris en particulier On constate une forte si-militude sur la forme des courbes La courbe de La Reacuteunion enregistre un deacutecalage dansle temps de 185 ms par rapport agrave celle de Paris Ce deacutecalage repreacutesente le RTT minimummesureacute pour rejoindre la meacutetropole et acceacuteder agrave lrsquoInternet

0

0001

0002

0003

0004

0005

0006

0007

0008

0009

001

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1

Pro

b

RTT (in sec)

From Paris

From Reunion

FIGURE 111 ndash Reacutepartition des deacutelais depuis Paris et lrsquoicircle de La Reacuteunion (Source [Anelli2012])

Si lrsquoon considegravere la valeur de BDP de 12 5 Ko indiqueacutee par le [RFC1072] comme lalimite basse drsquoun LFN et si nous reprenons les diffeacuterentes TAI preacutesenteacutees dans la section21 nous pouvons calculer le produit deacutelai-bande passante drsquoun canal de communica-tion entre La Reacuteunion et la meacutetropole Il est fait lrsquohypothegravese pour ce calcul que le goulotdrsquoeacutetranglement est donneacute par lrsquoaccegraves agrave Internet Le tableau 12 preacutesente les reacutesultats ob-tenus

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TABLE 12 ndash Approximation du produit deacutelai bande passante de la connectiviteacute de LaReacuteunion agrave lrsquoInternet

NomhhhhhhhhhhhhhhhhhhhBande passante

RTT (en secondes)Estimeacute 0141

Mesureacute 0185

Modem56 Kbits 987 o 130 Ko128 Kbits 226 Ko 296 Ko512 Kbits 902 Ko 118 Ko

ADSL1 Mbits 176 Ko 231 Ko8 Mbits 141 Ko 185 Ko20 Mbits 353 Ko 463 Ko

VDSL 50 Mbits 881 Ko 116 Mo

Fibre

35 Mbits 617 Ko 809 Ko100 Mbits 176 Mo 231 Mo200 Mbits 353 Mo 463 Mo

1 Gbits 176 Mo 231 Mo

Le tableau preacutesente en gras les produits deacutelai-bande passante deacutepassant la limite des12 5 Ko Ainsi les reacutesultats sont assez eacuteloquents Degraves que lrsquoon arrive sur un accegraves ADSLavec un deacutebit minimal drsquo1 Mbits nous avons un BDP supeacuterieur agrave la limite fixeacutee par le[RFC1072] Ainsi rapidement lrsquoeacutevolution des deacutebits proposeacutes sur lrsquoicircle et les capaciteacutes descacircbles sous-marins associeacutes agrave un deacutelai eacuteleveacute ont fait de lrsquoInternet reacuteunionnais un reacuteseauqui a les caracteacuteristiques drsquoun LFN

Nous avons vu que TCP est un protocole de transport dont la performance est deacutepen-dante du RTT et du BDP Les deacutelais sont une des caracteacuteristiques des LFN La Reacuteunionest un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage due agrave des deacutelais importants Il est important demesurer pour comprendre lrsquoimpact de cette caracteacuterisation sur les performances de TCP

12 Meacutetrologie du trafic Internet

Avec lrsquoInternet qui devient de plus en plus gros et de plus en plus complexe la meacutetro-logie est une activiteacute qui vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet Nousallons dans cette partie du manuscrit preacutesenter les techniques de meacutetrologie appliqueacuteesagrave lrsquoInternet

121 Deacutefinition

Meacutetrologie est un mot composeacute de deux termes grecs Le premier metron signifie lamesure tandis que logos fait reacutefeacuterence agrave la science Par deacutefinition la meacutetrologie deacutesignela science de la mesure Par la suite le terme meacutetrologie fera uniquement reacutefeacuterence agrave la meacute-trologie appliqueacutee aux reacuteseaux informatiquesLa meacutetrologie signifie donc la mesure des caracteacuteristiques drsquoun reacuteseau sous de nombreuxaspects Cette science est devenue un outil indispensable pour avoir une compreacutehensionde divers aspects de lrsquoInternet On peut citer la complexiteacute la qualiteacute de service et laqualiteacute utilisateur la performance du reacuteseau la performance des protocoles le fonction-nement ou encore la validation des modegravelesLa meacutetrologie Internet englobe deux types drsquoactiviteacutes La premiegravere est lrsquoeacutetude des para-megravetres physiques de la qualiteacute de service La seconde consiste a mettre en eacutevidence lesproblegravemes lieacutes agrave lrsquoInternet [Larrieu2010]

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Dans [Paxson2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoapproche research driven et lrsquoapproche measure-ment driven pour deacutefinir les objectifs drsquoune eacutetude de meacutetrologie Le choix drsquoune approcheva aider une personne souhaitant faire de la meacutetrologie sur la bonne faccedilon drsquoaborderlrsquoeacutetude qursquoelle veut mettre en place

Lrsquoexpression research driven peut ecirctre traduite par axeacutee sur la recherche Elle consisteagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires de lancer les campagnes de mesures et drsquointerpreacuteter les reacute-sultats Une meacutetrique se deacutefinit comme une grandeur mesurable et speacutecifieacutee de maniegravererigoureuse Une bonne meacutetrique doit pouvoir se mesurer de faccedilon reproductible ecirctreutile en pratique pour les utilisateurs et les administrateurs du reacuteseau [RFC2330] Cetteapproche est celle geacuteneacuteralement utiliseacutee par les opeacuterateurs et les groupes de recherchesElle est deacuteveloppeacutee par le groupe de travail IP Performance Metrics (IPPM) de lrsquoIETF Cegroupe de travail a produit de nombreux documents pour deacutefinir les mesures de per-formances Lrsquoapproche research driven comporte un deacutefaut principal En laissant de cocircteacutecertaines meacutetriques des aspects du comportement du reacuteseau ne sont pas eacutetudieacutes Parexemple une eacutetude restreinte aux deacutelais ne peut indiquer les raisons de la variation desdeacutelais dans le temps

Lrsquoapproche measurement driven peut se traduire en la mesure pour la mesure Cettemeacutethode consiste agrave mettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer lemaximum drsquoinformations puis effectuer toutes les analyses possibles sur les traces col-lecteacutees et interpreacuteter les reacutesultats obtenus Une telle meacutethode peut srsquoutiliser lorsque lrsquoonsouhaite mettre en avant le comportement geacuteneacuteral drsquoun lien Cette approche permet agrave ladiffeacuterence de la preacuteceacutedente drsquoanalyser agrave plusieurs reprises une mecircme source de donneacuteesen fonction des reacutesultats obtenus

Le tableau 13 reacutesume les deux approches de conduite de projet en meacutetrologie

TABLE 13 ndash Comparatif entre les approches de meacutetrologie

Research Driven Measurement Driven1 - Meacutetriques deacutefinies preacutealablement2 - Utilisation drsquoun outil adapteacute

1 - Collecte des donneacutees2 - Analyse exhaustive

Ces deux approches sont compleacutementaires lrsquoune de lrsquoautre et srsquoappliquent dans lesdeux classes de techniques de mesures les techniques de mesures actives et les tech-niques de mesures passives

122 Meacutetrologie active

La meacutetrologie active consiste agrave injecter un trafic speacutecifique et agrave mesurer en reacuteceptionlrsquoeffet sur le reacuteseau agrave eacutetudier Lrsquohypothegravese faite par la meacutetrologie active est que la mesurefaite de bout en bout est reacuteveacutelatrice de la performance du service du reacuteseau telle qursquoellepeut ecirctre perccedilue par une application Les paquets eacutemis sont des sondes qui en emprun-tant la route entre la source et la destination expeacuterimentent la performance du canal decommunication Il convient de limiter le trafic des sondes afin qursquoil ne vienne pas pertur-ber le trafic et donc fausser la mesure Les meacutetriques mesureacutees par les mesures activessont geacuteneacuteralement des meacutetriques associeacutees agrave la topologie du reacuteseau ou au trafic commeles routes ou les deacutelais Dans le cas de la meacutetrologie active il se peut que lrsquoeacutemetteur soiteacutegalement le collecteur La figure 112 illustre ce principe

La meacutetrologie active est opeacutereacutee agrave lrsquoaide drsquooutils speacutecifiques de geacuteneacuteration et de collectede sondes Le tableau 14 indique les meacutetriques obtenues avec les outils de meacutetrologiepreacutesenteacutes par la suite

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FIGURE 112 ndash Principe de la meacutetrologie active

TABLE 14 ndash Classement des outils

XXXXXXXXXXXOutilMeacutetriques

RTT Routes Deacutebits

Ping XTraceroute X XParis Traceroute X XReverse-traceroute X XTraceIXroute X XPathchar XClink XIperf X

La mesure du RTT est geacuteneacuteralement obtenue par lrsquooutil ping (Packet Internet Groper)Cet outil se preacutesente sous la forme drsquoune commande dans un systegraveme de type Unix Ellesert en premier lieu agrave veacuterifier la connectiviteacute agrave Internet et lrsquoaccessibiliteacute drsquoun nœud Ensecond lieu avec cette veacuterification le RTT et la longueur de la route exprimeacutee en nombrede sauts sont deacutetermineacutes Elle utilise le protocole Internet Control Message Protocol (ICMP)pour effectuer la mesure Un message ICMP Echo request est eacutemis Le destinataire renvoieagrave lrsquoeacutemetteur un message ICMP Echo reply La peacuteriode qui seacutepare lrsquoeacutemission de la reacuteceptiondu coteacute eacutemetteur est mesureacutee

Pour en savoir plus sur la connectiviteacute drsquoun nœud et notamment sur la route emprun-teacutee pour atteindre une destination donneacutee lrsquooutil traceroute offre le moyen de cette deacute-couverte [Jacobson1989-1] Cet outil se preacutesente comme pour ping sous la forme drsquounecommande de type Unix Son principe de fonctionnement est baseacute sur un envoi successifde messages avec un champ TTL du paquet IP qui va croissant Le routeur qui reccediloit unmessage dont le TTL du paquet a atteint la valeur zeacutero envoie un message ICMP TimeExceeded pour reporter lrsquoerreur agrave lrsquoeacutemetteur Par ce message il indique en adresse sourcelrsquoadresse IP de son interface qui a rejeteacute le paquet Ainsi si un paquet ayant un TTL posi-tionneacute agrave n est envoyeacute vers une destination donneacutee le routeur situeacute agrave n sauts de la sourceva faire connaicirctre son adresse IP et ceci tant que le chemin vers la destination est supeacute-rieur agrave n sauts [Crovella2006] Le reacutesultat est lrsquoensemble des nœuds traverseacutes reacutepondantau protocole ICMP De nouveaux outils utilisant le principe de traceroute furent deacutevelop-peacutes pour reacutepondre agrave drsquoautres probleacutematiques comme la preacutesence des points drsquoeacutechangeou encore lrsquoasymeacutetrie des liens

La reacuteponse afficheacutee par la commande traceroute nrsquoest pas la seule route existanteEn exeacutecutant agrave plusieurs reprises la mecircme commande traceroute les reacuteponses obtenuespeuvent ecirctre diffeacuterentes A cause de lrsquoeacutequilibrage de charge (load-balancing) la sortie drsquounrouteur ne sera pas toujours la mecircme Lrsquoeacutequilibrage des charges sert agrave reacutepartir le traficsur diffeacuterents liens Ainsi il est possible que deux paquets provenant de la mecircme sourcevers la mecircme destination nrsquoempruntent pas la mecircme route Sur la figure 113 les liensphysiques entre les diffeacuterents nœuds sont indiqueacutes en rouge Les traits en pointilleacute repreacute-sentent le chemin emprunteacute par les messages ICMP envoyeacutes par la source La figure 113amontre le reacutesultat trouveacute par traceroute La route emprunteacutee est SRC A D DST

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Traceroute va envoyer 3 paquets avec un champ TTL eacutegal agrave 2 Dans le cas de cet exemplelrsquoensemble des paquets est dirigeacute vers B Ainsi malgreacute lrsquoabsence de liaison physique di-recte entre les nœuds A et D traceroute nous indique la preacutesence drsquoune route entre ceuxdeux eacutequipements Lrsquooutil Paris-traceroute vise agrave traiter ce problegraveme [Augustin2006]La figure 113b montre la route deacutecouverte par Paris-traceroute La route afficheacutee estSRC A C DST On remarque que la route obtenue existe physiquement Pour obte-nir ce reacutesultat Paris-traceroute change le numeacutero drsquoidentification du flux agrave lrsquoeacutemission despaquets ICMP Cette modification oblige les routeurs agrave suivre une seule et unique routeParis-traceroute autorise eacutegalement lrsquoaffichage des numeacuteros de voies logiques MPLS

(a) Traceroute

(b) Paris-traceroute

FIGURE 113 ndash Illustration du pheacutenomegravene drsquoeacutequilibrage des charges

MultiProtocol Label Switch (MPLS) est un meacutecanisme de commutation rapide de pa-quets fondeacute sur des adresses de format fixe et sans structure hieacuterarchique [RFC3031]Ces adresses sont des numeacuteros de voies logiques appeleacutees des eacutetiquettes ou labels (paranglicisme) Dans le cas de lrsquoutilisation de traceroute avec MPLS il faut que le routeurMPLS puisse envoyer un message ICMP Le [RFC4950] documente une simple extensionagrave ICMP pour retourner de lrsquoinformation speacutecifique agrave MPLS autrement dit pour qursquounrouteur MPLS puisse indiquer des informations speacutecifiques agrave MPLS dans le paquet ICMPeacutemis en cas de problegraveme [Donnet2012] a eacutetudieacute les possibiliteacutes offertes par des routeursMPLS

Dans les explicit tunnels la structure interne du tunnel est entiegraverement visible et chaquenœud dans le Label Switched Path (LSP) est marqueacute comme nœud MPLS Dans ce type detunnel le champ ttl-propagate qui est dans lrsquoen-tecircte MPLS des paquets et le [RFC4950] sontappliqueacutes Cela signifie que le champ TTL du datagramme IP est deacutecreacutementeacute agrave chaquerouteur rencontreacuteDans les implicit tunnels le LER drsquoentreacutee active lrsquooption ttl-propagate mais les LSR nrsquoim-pleacutementent pas le [RFC4950] La deacutecreacutementation du TTL est effective mais aucune infor-mation de routeur MPLS nrsquoest visibleDans les opaque tunnels crsquoest lrsquoinverse de lrsquoimplicit tunnels Les routeurs impleacutementent le[RFC4950] Le nœud drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Le TTL est alors deacutecreacute-menteacute agrave la sortie du tunnel MPLS Le paquet ICMP-reply indique quand mecircme lrsquoexistencedrsquoun tunnel MPLSPour les invisible tunnels le LER drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Dans ce casle TTL est deacutecreacutementeacute uniquement lors du dernier routeur du tunnel Le [RFC4950] nrsquoestpas impleacutementeacute par le dernier routeur du LSP Cela implique lrsquoabsence drsquoinformation

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sur le meacutecanisme MPLS au sein des paquets ICMP On nrsquoa alors pas drsquoinformations surlrsquoexistence drsquoun tunnel ICMP sur la route emprunteacutee

Avec lrsquoacheminement avec MPLS des mauvaises valeurs de TTL peuvent ecirctre obte-nues agrave cause du type de tunnel mis en œuvre Il est donc important que le [RFC4950] soitimpleacutementeacute dans les routeurs

FIGURE 114 ndash Taxonomie des configurations de tunnels MPLS et des comportements detraceroute correspondants (Source [Donnet2012] )

Paris-traceroute propose lrsquoaffichage des informations MPLS lorsque celles-ci sont dis-ponibles [Augustin2007] La texte ci-dessous illustre les reacutesultats obtenus par Paris-traceroutesur un Explicit tunnel On y voit lrsquoaffichage des marques MPLS avec le TTL associeacute agravechaque nœud

traceroute [(412131413533456) -gt (818216615733457)]protocol icmp algo hopbyhop duration 3 s1 4121314133 23266 ms 2542 ms 3696 ms2 4121313397 6811 ms 5613 ms 4635 ms3 10322161 5779 ms 6841 ms 4073 msMPLS Label 16445 TTL=1 | 2129964 1032237 2223 ms 2249 ms 2264 msMPLS Label 16386 TTL=2 | 2129965 4121312850 2185 ms 2245 ms 2097 msMPLS Label 16442 TTL=3 | 2129966 10322193 3551 ms 9330 ms 7775 ms7 41213133158 2337 ms 3088 ms 2250 ms8 4121312854 195439 ms 195555 ms 195512 ms9 213242121233 211737 ms 211724 ms 212013 ms10 469148181 234190 ms 234271 ms 234323 ms11 4687222 236854 ms 236798 ms 237063 ms12 213224250110 237108 ms T0 236580 ms T0 236570 msT013 2132242502 237213 ms 236631 ms 236694 ms14 213224201252 239100 ms 239461 ms 238680 ms15 8182166157 250874 ms 249608 ms 248057 ms

Avec traIXroute lrsquoobjectif est de deacutecouvrir les diffeacuterents points de peering (IXP) sur unchemin vers une destination [Nomikos2016] Pour lrsquoidentification des nœuds drsquoeacutechangecette version de traceroute combine deux bases de donneacutees compleacutementaires qui sontPeeringDB [PeeringDB] et Packet Clearing House [PCH] Avec une geacuteolocalisation desadresses retourneacutees la liste des pays traverseacutes peut ecirctre eacutetablie

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Drsquoapregraves [Steenbergen2009] laquo lrsquooutil de deacutepannage numeacutero 1 pour veacuterifier la connec-tiviteacute drsquoun nœud reste traceroute raquo pour les administrateurs reacuteseaux mais laquo les liens asy-meacutetriques sont les fleacuteaux numeacutero un de lrsquooutil raquo car laquo le chemin de retour est entiegraverementmasqueacute raquo Afin de corriger cela lrsquooutil reverse-traceroute propose drsquoobtenir une routenon pas entre la source et la destination mais entre la destination et la source [Katz2010]pour cela lrsquooutil va utiliser lrsquoenregistrement des adresses IP des routeurs sur le chemindu retour agrave lrsquoaide des options drsquoen-tecircte Record-Route et Timestamp drsquoIP

Pour deacuteterminer le deacutebit pathchar [Jacobson1997] vise agrave donner le deacutebit saut par sautvers une destination Aussi il reprend le principe de traceroute en eacutemettant des sondesavec le champ TTL avec une valeur croissante Lorsqursquoil injecte le trafic de sondes vers unnœud du chemin il le fait avec des paquets de taille variable Ainsi pathchar deacuteterminela bande passante disponible entre chaque nœud rencontreacute

Lrsquooutil Clink [Downey1999] est similaire agrave pathchar La diffeacuterence se fait au niveausur le nombre de paquets envoyeacutes Clink envoie un nombre de paquets plus importantque Pathchar Ainsi les mesures reacutealiseacutees par Clink auront une meilleure preacutecision

Iperf [Tirumala2005] est un outil pour mesurer la bande passante et la qualiteacute drsquounlien reacuteseau Ce dernier est deacutelimiteacute par deux machines sur lesquelles est installeacute IperfUne machine tient le rocircle de serveur tandis que la seconde machine sera parameacutetreacuteecomme client

Pour des mesures plus repreacutesentatives il est neacutecessaire drsquoaugmenter les points decollectes Des outils de meacutetrologie active ont eacuteteacute conccedilus pour ecirctre reacutepartis sur plusieursnœuds Ces outils se preacutesentent sous la forme de plates-formes de meacutetrologie active deacute-ployeacutees agrave travers le monde De nos jours on compte de nombreuses plates-formes demeacutetrologie active Comme chaque plate-forme a un objectif preacutecis et pour identifier laplate-forme approprieacutee pour reacutealiser une eacutetude preacutecise lrsquoauteur de [Bajpai2015-1] effec-tue une comparaison des diffeacuterentes plates-formes selon 5 critegraveres qui sont

1 lrsquoeacutechelle la couverture et la dureacutee de vie de la plate-forme

2 le mateacuteriel physique utiliseacute pour la sonde

3 les meacutetriques disponibles

4 lrsquoarchitecture de mesure de la plate-forme

5 lrsquoimpact de son utilisation pour la recherche

De cette comparaison nous avons gardeacute 4 plates-formes que sont Atlas RIPE NCC BIS-Mark DASU SamKnows Ces plates-formes ont eacuteteacute gardeacutees car elles autorisent lrsquoeacutetudedes performances des reacuteseaux drsquoaccegraves Nous y avons ajouteacute les plates-formes Archipe-lago et Planet-Lab Ces deux plates-formes ne font pas partie du document drsquoorigine maisfont lrsquoobjet drsquoune utilisation par de nombreux participants tel que lrsquoindique le nombrede sondes actives de ces deux plates-formes

En 2007 le CAIDA a deacuteployeacute sa propre plate-forme de mesures [Archipelago] Atravers le deployement de nœuds (des sondes dans le vocabulaire de Archipelago) surlrsquoensemble de la planegravete lrsquoobjectif est drsquooffrir des accegraves pour effectuer des mesures avecdes outils tels que ping et traceroute Archipelago est composeacutee agrave la date du 1er Mars2017 de 170 sondes reacuteparties dans 59 pays et sur tous les continents

Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le Regional Internet Registry (RIR) europeacuteen RIPENCC a deacutemarreacute la distribution de sondes pour la creacuteation de la plate-forme Atlas [Ripe2010]Cette plate-forme vise agrave creacuteer un reacuteseau de sondes pour lrsquoeacutetude de la connectiviteacute de lrsquoIn-ternet Composeacutee actuellement de pregraves de 10 000 sondes reacuteparties agrave travers le monde elleest capable drsquoeffectuer des tests de meacutetrologie active autour des commandes ping DNSHTTP NTP traceroute et Paris-traceroute

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Agrave lrsquoinitiative de Georgia Tech la plate-forme Broadband Internet Service Benchmark (BIS-Mark) a vu le jour en 2010 Lrsquoobjectif est la reacutealisation drsquoun eacutetat des lieux des performancesdes accegraves Internet [Sundaresan2011] La plate-forme est composeacutee de 405 routeurs instru-menteacutes avec OpenWrt laquo Le projet OpenWrt est un systegraveme drsquoexploitation Linux ciblantles appareils embarqueacutes OpenWrt fournit un systegraveme de fichiers entiegraverement inscriptibleavec gestion des modules drsquoinstallation de logiciels Cela libegravere la seacutelection et la configu-ration des applications fournies par le fournisseur et permet de personnaliser lrsquoappareilgracircce agrave lrsquoutilisation de progiciels adapteacutes agrave nrsquoimporte quelle application raquo [OpenWrt] Lessondes sont distribueacutees dans 34 pays agrave travers le monde

DASU est un utilitaire deacuteveloppeacute en 2010 agrave lrsquoUniversiteacute de Northwestern Le logicielcouple meacutetrologie active et passive avec pour objectif de caracteacuteriser les performancesdes utilisateurs Lrsquooutil fut deacuteveloppeacute comme une extension drsquoun logiciel peer-to-peer Bit-Torrent [Sanchez2013] Depuis Juillet 2010 plus de 90 000 personnes reacuteparties agrave travers147 pays utilisent DASU

En 2003 des chercheurs ameacutericains ont deacuteployeacute une plate-forme de test Planet-Lab[Chun2003] En 2008 une extension europeacuteenne [PlanetLabEurope] a vu le jour Planet-Lab deacutepasse le seul objectif de meacutetrologie elle vise aussi de tester des nouveaux servicesde communication en situation reacuteelle Les nœuds Planet-Lab ont pour Operating System(OS) Fedora Il est possible drsquoinstaller nrsquoimporte quel logiciel du moment qursquoil est com-patible avec cet OS Avec une certaine liberteacute il est possible drsquoeffectuer des tests et desmesures depuis 425 sites reacutepartis sur tous les continents

La plate-forme SamKnows a vu le jour en 2008 [SamKnows] SamKnows sert agrave lrsquoeacutetudedes performances des connexions des particuliers et des entreprises Elle est composeacuteede pregraves de 440 000 sondes Cette infrastructure est partenaire de 36 Fournisseurs drsquoAccegravesInternet (FAI) de tous les continents

Le tableau 15 reacutesume les possibiliteacutes offertes par les plates-formes La colonne Impactsur la recherche est deacutetermineacutee agrave partir du nombre de citations par des articles scientifiquessuivis par le site Google Scholar

La plate-forme de mesures Atlas RIPE NCC [Ripe2010] a eacuteteacute utiliseacutee dans le contexteinsulaire de Cuba Dans lrsquoarticle [Bischof2015] lrsquoauteur cherche agrave caracteacuteriser lrsquoaccegraves In-ternet cubain Dans ses reacutesultats lrsquoauteur a montreacute une forte asymeacutetrie des routes in-ternationales pour le trafic cubain Drsquoun point de vue de la topologie physique cette icirclepossegravede une connectiviteacute qui peut par certains aspects ressembler agrave de celle de lrsquoicircle de LaReacuteunion

Lrsquoicircle de La Reacuteunion bien que Franccedilaise est rattacheacutee administrativement au RIR dela zone Afrique (AfriNIC) LrsquoAfriNIC est le dernier RIR creacuteeacute et les eacutetudes de meacutetrolo-gie concernant cette zone sont peu nombreuses Nous pouvons citer [Gupta2014] qui sepenche sur lrsquointerconnexion des FAI sur le continent africain Cette eacutetude montre que leseacutechanges de paquets ne se font pas au sein du continent africain mais en Europe La rai-son avanceacutee par lrsquoauteur est un coucirct drsquointer-connexion infeacuterieur en Europe Ces regravegles deroutage on des conseacutequences sur les deacutelais et donc sur les performances sur le servicede transport rendu par TCP Ces reacutesultats ont eacuteteacute confirmeacutes par [Fanou2015] Cette eacutetudesrsquointeacuteresse en plus agrave la stabiliteacute des routes Les reacutesultats ont montreacute que les chemins afri-cains restent stables sur une longue dureacutee Pour les auteurs lrsquoeacutemergence de nouveauxpoints drsquoeacutechanges sur le continent doit aider agrave la reacuteduction des deacutelais agrave conditions queles coucircts drsquointerconnexion soient proches de ceux pratiqueacutes en Europe

Enfin lrsquoarticle [Chavula2017] publieacute en 2017 preacutesente la latence pour les transferts defichiers agrave partir de 53 pays africains diffeacuterents Ces mesures srsquoappuient sur la plate-formeRIPE Atlas [Ripe2010] et Speedchecker [Speechecker] Agrave partir des mesures reacutealiseacutees les

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TABLE 15 ndash Tableau des plates-formes de mesures de meacutetrologie active

Nom Nombre desondes deacuteployeacutees

Meacutetriques dispo-nibles

Impact sur la re-cherche

Archipelago ~200 Longueur duchemin RTTDNS Autono-mous System(AS)

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Atlas RIPE NCC ~12 000 RTT RouteHTTP GET etrequecirctes SSL

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BISMark ~420 RTT taux depertes deacutebiteacutecouleacute tempsde chargementdrsquoune page web

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DASU ~100 000 Informations surles flux TCP RTTroutes emprun-teacutees reacutesolutionDNS HTTP GETdeacutebit eacutecouleacute

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PlanetLab ~400 1218SamKnows ~70 000 RTT deacutebit

eacutecouleacute deacutebitutile giguetaux de perteperformance decertains services

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auteurs avancent que lrsquoAfrique est un continent ineacutegalitaire en terme de latence intra etinter pays Ils ont conclu que lrsquoexistence drsquoune faible latence entre deux FAI drsquoun mecircmepays provient drsquoaccord de peering au sein drsquoun IXP heacutebergeacute soit par le pays concerneacutesoit par un pays voisin

123 Meacutetrologie passive

La meacutetrologie passive a pour objectif la mesure des flots de paquets agrave partir drsquounpoint particulier du reacuteseau appeleacute le point de collecte Elle consiste agrave eacutecouter captureret analyser les paquets IP La figure 115 illustre le principe de la meacutetrologie passiveElle montre que le point de collecte nrsquoest pas forceacutement localiseacute du coteacute eacutemetteur oureacutecepteur Les paquets IP transitant par le point de collecte sont captureacutes et sauvegardeacutesOn appelle alors les fichiers contenant les paquets IP collecteacutes des traces Les mesurespassives peuvent ecirctre effectueacutees agrave diffeacuterents niveaux de granulariteacute

Au niveau microscopique les mesures passives tendent agrave eacutetudier les flots au niveaude la connexion de transport On peut par exemple eacutetudier le nombre de paquets per-dus durant une connexion TCP Au niveau macroscopique les mesures passives sonteffectueacutees sur des meacutetriques agreacutegeacutees comme le deacutebit eacutecouleacute total ou le nombre total deconnexions

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FIGURE 115 ndash Principe de la meacutetrologie passive

La meilleure faccedilon de reacutealiser des mesures passives au niveau microscopique est decapturer tous les paquets traversant le point de collecte Mais comme il est difficile decapturer tous les paquets lorsque le deacutebit du lien est eacuteleveacute il faut avoir recours agrave lrsquoeacutechan-tillonnage du trafic Dans ce cas les mesures ne sont pas faites sur la totaliteacute des pa-quets traversant le point de collecte mais sur un sous-ensemble bien speacutecifique de cespaquets Le groupe de travail Packet Sampling (PSAMP) de lrsquoIETF travaille sur un algo-rithme drsquoeacutechantillonnage adapteacute au trafic Internet [PSAMP]

Une combinaison entre lrsquoanalyse des deux granulariteacutes est capable de donner uneeacutevaluation reacuteelle du trafic Les informations que lrsquoon peut obtenir par la meacutetrologie pas-sive sont nombreuses Elles reposent sur lrsquoeacutetude des informations contenues dans le da-tagramme IP que ccedila soit dans lrsquoen-tecircte du datagramme IP ou dans celle du message duprotocole de transport Les meacutetriques sont eacutegalement deacutependantes des outils utiliseacutes Onpeut classer les meacutetriques en deux cateacutegories que sont la supervision et la performance

La supervision donne des informations sur le fonctionnement du reacuteseau et la carac-teacuterisation du trafic On peut ainsi eacutetudier les diffeacuterents services et protocole de transportutiliseacutesLa performance se rapporte agrave celle du protocole de transport crsquoest-agrave-dire son fonction-nement ou sur lrsquoanalyse des flots par rapport soit agrave la composante temporelle ou soit agravela composante seacutemantique On peut alors comparer le deacutebit drsquoaccegraves theacuteorique et le deacutebitmesureacute Pour cela on va eacutetudier le taux de perte le RTT et la MSS

La meacutethode de capture peut reposer sur des eacutequipements mateacuteriels deacutedieacutes ou par unsystegraveme logiciel fonctionnant sur un eacutequipement standard Le logiciel srsquoappuie majori-tairement sur la bibliothegraveque Libpcap [Jacobson1989-2] Cette bibliothegraveque capture lespaquets reccedilus mais elle srsquoutilise eacutegalement en lisant des traces de paquets preacutealablementcaptureacutes Le problegraveme principal des solutions logicielles viennent de la vitesse des liensPlus le lien a un deacutebit eacuteleveacute plus la capture au niveau logiciel devient difficile Il fautalors se tourner vers des solutions de mateacuteriels deacutedieacutes La carte DAG [Graham1997] deacute-veloppeacutee par lrsquoeacutequipe [WAND] de lrsquoUniversiteacute de Waikato en Nouvelle Zeacutelande en est unparfait exemple Cette carte de capture est capable de capter les paquets sur des liens detregraves haut deacutebit Ce mateacuteriel se charge drsquoextraire les entecirctes des paquets de les estampillersuivant une horloge synchroniseacutee et de les stocker sur un disque dur

Lrsquoanalyse des donneacutees est reacutealiseacutee selon deux techniques temps reacuteels ou Batch Leprincipe du temps reacuteel est de pouvoir reacutecupeacuterer extraire et restituer de lrsquoinformation entemps reacuteel sur des flux continus de donneacutees Le mode Batch va englober tous les traite-ments de donneacutees neacutecessitant un temps de calcul plus conseacutequent Le premier proceacutedeacutese propose drsquoanalyser agrave la voleacutee ce qui se passe dans le reacuteseau par le branchement drsquouneacutequipement drsquoeacutecoute sur le reacuteseau On se concentre alors sur la performance du lien Desoutils comme Tstat [Mellia2005] ou Netflow [Claise2004] reacutealisent ce genre drsquoanalyse La

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seconde technique se deacutecompose en deux phases distinctes que sont la capture et lrsquoana-lyse La premiegravere eacutetape est de reacutealiser la capture du trafic appeleacutee des traces Des outilscomme TCPDump [Jacobson1989-1] ou Wireshark [Chappell2010] peuvent enregistrerdes traces sous format DUMP ou PCAP La seconde phase consiste agrave analyser les tracescollecteacutees Les formats de sortie des donneacutees analyseacutees sont deacutependants des outils Lesinformations peuvent ecirctre retranscrites au format texte ou graphique Des outils commeTCPTrace [Ostermann2000] ou TCPStat [Herman2001] peuvent effectuer ce genre drsquoana-lyse de donneacutees Crsquoest avec cette technique qursquoil est possible drsquoeacutetudier les performancesdrsquoun protocole

Il nrsquoexiste pas de plate-forme drsquoaccegraves publique reacutealisant des captures de trafic au ni-veau international Malgreacute cela des traces collecteacutees sont disponibles sur Internet agrave desfins de recherche Dans [Allman2007] les auteurs preacutesentent les regravegles agrave respecter avantde publier des traces Un point est agrave souligner et concerne les adresses IP des paquets Lanon-anonymisation des adresses IP constitue une violation de la vie priveacutee de plus ellepreacutesente un risque drsquoinseacutecuriteacute pour les machines impliqueacutees par les paquets captureacutesCAIDA gegravere un deacutepocirct de partage et propose drsquoacceacuteder agrave des traces collecteacutees agrave traversplusieurs points drsquoeacutechange ameacutericains Pour y acceacuteder il faut indiquer la finaliteacute de lrsquouti-lisation des traces demandeacutees Drsquoautres plates-formes deacutedieacutees agrave des projets ont eacuteteacute misesen place agrave travers le monde

Le projet IPMon de lrsquoopeacuterateur ameacutericain SPRINT consiste agrave identifier les problegravemesdrsquoun reacuteseau deacutejagrave deacuteployeacute afin de pouvoir anticiper son eacutevolution future[IPMon] Danslrsquoarticle [Fraleigh2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoinfrastructure de mesure qui est deacuteployeacutee endivers points du reacuteseau de lrsquoopeacuterateur Les premiers reacutesultats publieacutes dans [Fraleigh2003]ont montreacute une utilisation de plus en plus importante par du trafic multimeacutedia sur le pro-tocole TCP De plus les flots TCP preacutesentent des performances eacuteleveacutees avec des taux dedeacute-seacutequencement faibles et un deacutelai minimal proche du temps de propagation

Le projet METROPOLIS srsquoest inspireacute du projet IPMon Il srsquoagit drsquoun projet franccedilaisavec des points de mesures sur deux types de reacuteseaux Internet diffeacuterents RENATER etle reacuteseau ADSL de France Teacuteleacutecom laquo Lrsquoobjectif de METROPOLIS eacutetait de concevoir denouvelles meacutethodologies pour la meacutetrologie des reacuteseaux IP raquo [METROPOLIS] Dans lecadre de ce projet un outil de caracteacuterisation et drsquoanalyse des traces fut deacuteveloppeacute Cenouvel outil srsquointitule ZOO Une preacutesentation de lrsquooutil sera reacutealiseacutee dans la sous-section322 Les reacutesultats ont mis une eacutevidence lrsquousage preacutedominant du protocole de transportTCP Les applications de type peer-to-peer repreacutesentaient plus de 80 du trafic eacutetudieacute

La position geacuteographique de La Reacuteunion et son rattachement au RIR AfriNIC attirentnotre attention sur les travaux de meacutetrologie passive africains La carte [AfterFibre] preacute-sente les reacuteseaux fibres terrestres et maritimes lieacutes au continent africain On voit ainsi queles reacuteseaux sont ineacutegalement reacutepartis sur le territoire La grandeur du continent et les in-terconnections preacutesentes font du territoire un espace drsquoeacutetude inteacuteressant Crsquoest pourquoide nombreux chercheurs privileacutegient lrsquoeacutetude de la connectiviteacute et des performances delrsquoInternet africain

Dans lrsquoarticle [Johnson2011] une eacutetude sur une zone rurale connecteacutee par satelliteest reacutealiseacutee Les reacutesultats ont montreacute que le trafic est principalement composeacute de fluxweb dont une forte proportion pourrait ecirctre mise en cache Au niveau des deacutelais le RTTmoyen sur la peacuteriode de mesure varie entre 3 et 10 secondes Ce deacutelai rend lrsquoutilisationdes applications temps-reacuteel difficile Le dernier reacutesultat notable de cette analyse est lapreacutesence de trafic geacuteneacutereacute par des logiciels malveillants (malware) Des attaques pour listerles ports UDP et TCP ouverts ont eacuteteacute remarqueacutees

En 2015 les auteurs de [Zheleva2015] ont eacutetudieacute les performances du reacuteseau et le com-portement des usagers apregraves une augmentation de la bande passante en Zambie Lrsquoun des

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premiers reacutesultats indique une augmentation de plus de 58 de la quantiteacute des donneacuteeseacutechangeacutees Au niveau des performances ils ont pu eacutegalement remarquer une tregraves leacutegegraveredeacutegradation du canal de communication avec un taux de retransmission en hausse Cepourcentage est passeacute de 1 12 agrave 1 16 Le dernier reacutesultat noteacute porte sur lrsquoaugmenta-tion du RTT moyen de plus de 100 passant de 0 1436 s agrave 0 3190 s Lrsquoaugmentation dela bande passante a permis lrsquoaccegraves agrave de nouveaux services entraicircnant des changementspour les usagers

Dans [Fanou2016] lrsquoauteur srsquointeacuteresse aux services proposeacutes et compare la localisa-tion des serveurs Le premier reacutesultat montre lrsquoexternalisation continentale de nombreuxserveurs Ceci a pour conseacutequence drsquoaugmenter les deacutelais et de deacutegrader la performancedu service de communication Il faut pour lrsquoauteur arrecircter de raisonner en terme drsquoin-frastructure mais plus en terme de service et mettre lrsquoutilisateur au centre du systegravemePour cela il propose de rapatrier les services sur le territoire et drsquoaugmenter les accordsdrsquoeacutechanges entre les opeacuterateurs continentaux

Enfin dans [Johnson2016] les auteurs srsquointerrogent sur les faibles performances deTCP en Afrique La preacutesence de zone reculeacutees avec des accegraves satellitaires poussent lesdeacutelais vers des valeurs allant au delagrave des 400 ms Ces longs deacutelais sont agrave rapprocher desdeacutebits faibles De plus une expeacuterimentation sur les performances de TCP en fonction dusystegraveme drsquoexploitation a eacuteteacute meneacutee Les reacutesultats ont mis en eacutevidence que le systegraveme Li-nux avec la version TCP CUBIC est moins sensible au long deacutelais La solution proposeacutee auproblegraveme de la diffeacuterence de connectiviteacute agrave travers le continent est la creacuteation drsquoune ingeacute-nierie reacuteseau (liaison physique protocole de transport nouveau service) tenant comptedu contexte Africain

124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives

La meacutetrologie active et la meacutetrologie passive preacutesentent des points communs et despoints de divergences Une fois des objectifs fixeacutes et au moment du choix de la meacutethodeil est important de connaicirctre les avantages et les inconveacutenients lieacutes agrave chaque type demesure Le tableau 16 reacutecapitule syntheacutetiquement ce qui vient drsquoecirctre preacutesenteacute

TABLE 16 ndash Comparatif entre mesures actives et mesures passives

Meacutetrologie Active Meacutetrologie Passive

Avantages

1 - Pour la mesure directe des pa-ramegravetres de QoS principalementle deacutelai le taux de pertes et lagigue

1 - Non intrusives2 - Permettent une mesure directedes paramegravetres utiliseacutes dans lrsquoin-geacutenierie des reacuteseaux

Inconveacutenients

1 - Intrusives le trafic de mesurepeut dans certains cas fausser lesmesures elles-mecircmes2 - Le fait que certains adminis-trateurs et entreprises bloquentou limitent le trafic ICMP peutfausser les reacutesultats obtenus parles techniques actives car ces der-niegraveres font souvent usage de ceprotocole

1 - Elles sont locales (relatives agraveun lien) et il est difficile de leseacutetendre agrave la globaliteacute du reacuteseau2 - Elles ne permettent pas la me-sure directe des paramegravetres deQoS3 - Elles neacutecessitent des ressourcesdisque et meacutemoire vive impor-tantes

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13 Synthegravese

Ce chapitre a rappeleacute le fonctionnement du controcircle de congestion de TCP Le controcirclede congestion de TCP vise agrave maximiser lrsquoutilisation des ressources et agrave maximiser le deacute-bit utile eacutecouleacute de la connexion Ce controcircle est reacutegi par une boucle fermeacutee caracteacuteriseacuteepar un RTT Plus le deacutelai est eacuteleveacute moins TCP est susceptible de reacuteagir dynamiquementaux eacuteveacutenements de congestion Lorsque le produit du RTT et de la capaciteacute du canalde communication est trop important TCP peine agrave atteindre les objectifs preacuteceacutedemmentpreacutesenteacutes Lrsquoaugmentation progressive de la bande passante sans diminution des deacutelais apour effet lrsquoaugmentation de la capaciteacute de stockage des liens Cet accroissement a uneffet neacutegatif sur les performances de TCP Cet effet neacutegatif impacte le deacutemarrage deconnexion les flots courts la reacutesolution de la congestion et la dynamique du sondagePour diminuer lrsquoeffet de la capaciteacute de stockage des liens sur les performances de TCPde nouveaux controcircles de congestion furent deacuteveloppeacutes Chaque nouvelle version ducontrocircle de congestion ambitionne de reacutesoudre une agrave plusieurs probleacutematiques des reacute-seaux agrave forte capaciteacute de stockage Le deacutemarrage de connexion et les flots courts ont dessolutions communes comme une augmentation de la capaciteacute drsquoeacutemission de TCP agrave lrsquoini-tialisation de la connexion ou la reacuteduction du RTO Les probleacutematiques de reacutesolution decongestion et de dynamique de sondage ont permis la creacuteation de nouvelles versions ducontrocircle de congestion de TCP Ces versions de TCP sont des solutions de bout-en-boutDrsquoautres solutions neacutecessitent un changement de paradigme et lrsquointeraction avec les rou-teurs Ces solutions ont lrsquoavantage drsquoecirctre reacuteactives mais neacutecessitent la mise agrave jour deseacutequipements intermeacutediaires du reacuteseau

Le localisation geacuteographique de La Reacuteunion au milieu de lrsquooceacutean indien place lrsquoicircledans une situation ougrave la capaciteacute de stockage du reacuteseau peut ecirctre importante Nous avonsainsi estimeacute cette capaciteacute agrave lrsquoaide des deacutebits theacuteoriques des accegraves et les deacutelais de propa-gation estimeacutes et mesureacutes Les reacutesultats obtenus ont mis en eacutevidence une capaciteacute destockage autorisant la caracteacuterisation de lrsquoInternet reacuteunionnais comme un reacuteseau agrave fortecapaciteacute de stockage Lrsquoimpact de cette capaciteacute de meacutemorisation nrsquoa pas encore eacuteteacute me-sureacute Crsquoest pourquoi nous nous sommes concentreacutes sur la meacutetrologie Internet

La meacutetrologie active est une science invasive en injectant des paquets dans le reacuteseauLa meacutetrologie active mesure directement des paramegravetres de qualiteacute de service comme lesdeacutelais les routes le taux perte et la gigue Nous avons vu que des outils sont en capa-citeacute de mesurer deux meacutetriques simultaneacutement Certains outils peuvent ecirctre distribueacuteset ainsi former des plates-formes de mesure Ces plates-formes offrent la possibiliteacute auxpersonnes inteacuteresseacutees du monde entier de geacuteneacuterer des donneacutees de mesure agrave travers lemonde Les performances de TCP sont deacutependantes du deacutelai Les deacutelais sont eux-mecircmedeacutependants des routes physiques et logiques emprunteacutees Il est donc important drsquoeacutetudierces deux paramegravetres Connaissant nos besoins nous utiliserons lrsquoapproche research drivenpour lrsquoeacutetude de meacutetrologie active Lrsquoapproche research driven est une approche consistantagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires agrave lrsquoeacutetude Notre eacutetude de meacutetrologie active est preacutesenteacutee dansle chapitre 2

La meacutetrologie passive permet une mesure directe des paramegravetres utiliseacutes Cette classede meacutetrologie est centreacutee sur un lien de mesure Elle utilise lrsquoeacutecoute et la capture desdatagrammes IP La meacutetrologie passive eacutetudie la caracteacuterisation du trafic et la perfor-mance des protocoles Nous avons vu que des outils sont en capaciteacute de reacutealiser les deuxeacutetudes en parallegravele Ne pouvant reacutealiser des eacutetudes de meacutetrologie passive agrave distance denombreux chercheurs ont mis agrave disposition de la communauteacute scientifique des donneacuteespubliques La litteacuterature scientifique propose un grand nombre de meacutetriques pour lrsquoeacutetudedes performances du protocole de transport TCP et de la supervision du trafic Afin de

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ne pas nous concentrer sur une meacutetrique en particulier nous faisons le choix de ne pasdresser une liste de meacutetriques Notre eacutetude de meacutetrologie passive que nous preacutesente-rons dans le chapitre 3 utilisera lrsquoapproche measurement driven Cette approche consiste agravemettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer le maximum drsquoinforma-tions puis drsquoeffectuer toutes les analyses possibles sur les donneacutees collecteacutees Neacuteanmoinsla meacutetrologie passive souffre de deux faiblesses essentielles (1) elle reste locale et il estdifficile drsquoeacutetendre les reacutesultats agrave la globaliteacute du reacuteseau (2) au niveau microscopique lescaptures aboutissent tregraves rapidement agrave des volumes de traces colossaux

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Chapitre 2

Caracteacuterisation de la connectiviteacute deLa Reacuteunion

Le rapport [Mediametrie2018-2] sur lrsquoaccegraves Internet agrave La Reacuteunion a montreacute que 856de la population reacuteunionnaise de plus de 13 ans srsquoest deacutejagrave connecteacutee agrave Internet 747 deces personnes sont des usagers reacuteguliers En comparaison le rapport [Mediametrie2018-1]montre qursquoaux alentours de 68 de la population franccedilaise meacutetropolitaine se connectequotidiennement Ces sondages montrent lrsquointeacuterecirct pris par lrsquoInternet pour la populationreacuteunionnaise

En 2013 une eacutetude de meacutetrologie reacutealiseacutee par BinarySec vise a effectuer un classementdes fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion Dans le rapport associeacute [Vergoz2013] 9meacutetriques sont preacutesenteacutees Parmi elles le deacutebit descendant moyen est mesureacute agrave 9 36MbsEn comparaison le deacutebit descendant moyen en France meacutetropolitaine mesureacute par[Akamai2015] srsquoeacutelegraveve agrave 8 2 Mbits Akamai utilise la plate-forme Intelligent PlatformTM

pour reacutecolter des donneacutees dont le deacutebit reacuteel La Reacuteunion posseacutedait ainsi un meilleurdeacutebit descendant que la France meacutetropolitaine Le deacutebit moyen franccedilais preacutesenteacute par[Akamai2017] est de 10 75 Mbits Le deacutebit descendant minimum reacuteunionnais mesureacutepar [nPerf2017] est de 18 63 Mbits Ainsi lrsquoeacutecart entre les deacutebits franccedilais et reacuteunionnaissrsquoest accentueacute Malgreacute un deacutebit plus eacuteleveacute La Reacuteunion preacutesente des deacutelais plus eacuteleveacutesque la France

Lrsquoeacutevolution des deacutebits pose la question sur lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis la derniegraverecampagne de mesure La figure 111 montre des deacutelais plus importants agrave La Reacuteunion qursquoagraveParis Lrsquoobjectif de ce chapitre est drsquoeacutetudier lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis 2012 On srsquointeacute-resse eacutegalement agrave la connectiviteacute de La Reacuteunion en terme de deacutelai et de routes Lrsquoasymeacute-trie des liens est une chose courante dans lrsquoInternet Les questions que lrsquoon se pose de-puis La Reacuteunion doivent eacutegalement ecirctre poseacutees lorsque lrsquoon essaye de joindre lrsquoicircle Dansce chapitre nous allons explorer la connectiviteacute de La Reacuteunion Pour cela nous avonsmis en place un protocole de mesures se basant sur notre propre plate-forme de mesuresrespectant la reacutepartition des destinations Notre plate-forme a pour objectif lrsquoeacutetude desroutes et des deacutelais speacutecifiques de lrsquoicircle par rapport agrave son accegraves Internet via les cacircblessous-marins

Une seconde question est alors apparue Est-ce que ces speacutecificiteacutes sont uniquementcelles de La Reacuteunion ou alors communes aux icircles de la Zone Oceacutean Indien

Dans la section 21 nous preacutesentons les objectifs de notre eacutetude de meacutetrologie et lescontraintes associeacutees Afin de reacutepondre agrave ces contraintes un cahier des charges est preacute-senteacute dans la section 22 Le protocole drsquoeacutetude est deacutecrit dans la section 23 Les reacutesultatsobtenus pour La Reacuteunion suivis de ceux des icircles de lrsquoOceacutean Indien sont preacutesenteacutes dansla section 24

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21 Objectifs

En 2012 [Anelli2012] a reacutealiseacute une campagne de mesure des deacutelais depuis La Reacuteunionet Paris Cette campagne de meacutetrologie active baseacutee sur la commande ping a pour ob-jectif de deacutemontrer la diffeacuterence de deacutelai et de deacutebit entre La Reacuteunion et Paris Le premierobjectif de nos travaux consiste agrave la mise jour des donneacutees par une nouvelle eacutetude desdeacutelais Nous ferons par la suite reacutefeacuterence agrave cet objectif par le titre Evolution

Le second objectif est lrsquoanalyse de la connectiviteacute Internet de La Reacuteunion Pour arri-ver agrave obtenir une analyse preacutecise de la connectiviteacute Internet reacuteunionnaise une eacutetude surles routes emprunteacutees par les paquets IP en provenance et agrave destination de La Reacuteunionsera reacutealiseacutee Pour cela on utilisera un outil de type traceroute On utilisera les donneacuteesreacutecolteacutees pour lrsquoidentification des portes de lrsquoInternet reacuteunionnais La reacutefeacuterence utiliseacuteepour cet objectif dans le suite du manuscrit est Connectiviteacute

Ayant cibleacute les meacutetriques nous avons fait le choix de la meacutethode research-driven Cettemeacutethode preacutesenteacutee dans la section 121 a lrsquoavantage de se concentrer uniquement surdes meacutetriques deacutecideacutees preacutealablement Dans le cas de notre eacutetude ce sont les deacutelais et lesroutes

22 Cahier des charges

Deux paramegravetres doivent ecirctre pris en consideacuteration lors de la reacutedaction du cahier descharges lrsquooutil de mesure et lrsquooutil drsquoanalyse

221 Evolution

Pour reacutepondre agrave lrsquoobjectif nous allons effectuer une reprise de lrsquoexistant Lrsquooutil demesure sera la commande ping associeacutee agrave la plate-forme Planet-Lab [PlanetLabEurope]Lrsquooutil drsquoanalyse sera identique agrave celui utiliseacute par [Anelli2012]

222 Connectiviteacute

Identification des besoins

Dans le tableau 14 nous avons vu que diffeacuterents outils sont capables de mesurer lesroutes et les deacutelais Lrsquooutil retenu devra limiter les erreurs lieacutees aux meacutecanismes de lrsquoeacutequi-librage de charge et de MPLS Cet outil devra reacutealiser des mesures depuis des nœudsreacutepartis sur lrsquoensemble de lrsquoicircle Pour cela il est neacutecessaire drsquoeffectuer un choix de plate-forme de meacutetrologie active Ce choix se fera sur 2 points la distribution geacuteographiquedes nœuds de mesure et la couverture des diffeacuterents fournisseurs drsquoaccegraves internet

Lrsquooutil drsquoanalyse devra ecirctre en capaciteacute drsquoidentifier les portes de lrsquoInternet reacuteunion-nais agrave travers la geacuteolocalisation des adresses IP drsquoidentifier les marques MPLS preacutesentesdans les donneacutees pour une meilleure compreacutehension des regravegles de routage geacuteneacuterer unecarte des relations entre pays agrave travers les eacutechanges de paquets envoyeacutes et reacutealiser desstatistiques sur les diffeacuterents nœuds emprunteacutes

Mise en œuvre drsquoune infrastructure de meacutetrologie active

Dans la section preacuteceacutedente nous avons vu que notre cahier des charges devra respec-ter 3 principaux critegraveres outil de mesure plate-forme de mesure et outil drsquoanalyse

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Paris-traceroute

Nous avons vu dans la partie 122 que lrsquoeacutetude des routes et des deacutelais peut se faire agravelrsquoaide drsquoun seul outil traceroute Or cet outil est sujet agrave des impreacutecisions lieacutees agrave lrsquoeacutequili-brage des charges par exemple Souhaitant limiter lrsquoimpact de ces aleacuteas dans nos donneacuteesnous faisons le choix de Paris-traceroute Pour rappel une preacutesentation de lrsquooutil et deses meacutecanismes est faite agrave la section 122

La plate-forme RunPL

Les plates-formes disponibles Similairement dans la section 122 nous avons preacute-senteacute des plates-formes de meacutetrologie active La plate-forme seacutelectionneacutee devra respecterles critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment

Parmi les plates-formes seules Atlas et Planet-Lab ont des sondes preacutesentes sur lrsquoicirclerespectivement 21 et 2 Ces sondes sont reacuteparties de maniegravere ineacutequitable sur lrsquoicircle Lareacutegion Est de lrsquoicircle ne compte qursquoune sonde quand le minimum est de 6 dans les autresreacutegions De plus certains des Fournisseurs drsquoAccegraves Internet (FAI) nrsquoheacutebergent pas de sondede mesure Le reacutesumeacute de notre comparaison est indiqueacute dans le tableau 21

TABLE 21 ndash Reacutepartitions des sondes chez les Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

Archipelago Atlas BISMark DASU Planet-Lab SamKnowsParis-traceroute

Oui Oui Oui Non Oui Non

Disponibiliteacutesur lrsquoicircle

Non Oui Non Non Oui Non

Couverturede lrsquoicircle

Non Oui Non Non Non Non

Reacutepartitionfournis-seurs

Non Non Non Non Non Non

On constate ainsi qursquoaucune des plates-formes preacutesenteacutees ne remplit la totaliteacute descritegraveres de seacutelection Nous avons souhaiteacute deacuteployer notre propre infrastructure Cettenouvelle plate-forme reacutepondra agrave nos critegraveres en offrant une meilleure couverture de lrsquoicirclesur les aspects geacuteographiques FAI et Technologies drsquoAccegraves agrave Internet (TAI) Lrsquoeacutechantillon depopulation est repreacutesenteacute par un ensemble drsquoeacutetudiants Notre plate-forme nous autoriseeacutegalement agrave ecirctre maicirctre de lrsquoinfrastructure de mesures que lrsquoon souhaite mettre en placeAfin de seacutelectionner les outils (physiques et logiciels) les plus adapteacutes agrave nos objectifsnous avons deacutecideacute des speacutecificiteacutes de notre plate-forme

Creacuteation et deacuteploiement de la plate-forme RunPL La plate-forme que lrsquoon souhaitedeacuteployer devra respecter un scheacutema de connectiviteacute bien preacutecis repreacutesenteacute par la figure21 La Sonde de mesure est le cœur de la plate-forme La Destination correspond agrave uneadresse IP ou un nom de domaine agrave joindre pour obtenir des informations sur les routesemprunteacutees et les deacutelais associeacutes Le Serveur de stockage est preacutesent pour deacutelester la sondede mesure LrsquoOrdinateur distant repreacutesente lrsquoadministrateur de la plate-forme Ne pouvantse deacuteplacer pour configurer la sonde un accegraves distant doit ecirctre reacutealiseacute Il est illustreacute parle train en pointilleacute sur la figure Le trait plein entre la sonde et la destination correspondagrave lrsquointeraction entre la sonde et la destination Cette interaction repreacutesente les mesuresque lrsquoon obtiendra sur les performances des liens Les sondes de mesure devront pou-voir effectuer les mesures sans limitation de destinations Elles devront afin de limiter

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le stockage effectuer un deacutelestage des mesures collecteacutees sur un serveur de stockage Ceserveur de stockage tout comme la sonde de mesure devra pouvoir ecirctre joint par lrsquoordi-nateur distant Cette communication a un double objectif Le premier est la reacutecupeacuterationdes donneacutees pour les analyses Le second est la mise agrave jour du protocole de mesure sineacutecessaire Une interaction seacutecuriseacutee est eacutetablie entre lrsquoordinateur distant la sonde et leserveur de stockage Cette liaison est caracteacuteriseacutee par les pointilleacutes sur la figure 21

FIGURE 21 ndash Scheacutema drsquointerconnexion de la plate-forme

Les speacutecificiteacutes de notre plate-forme se deacutecomposent en deux grandes parties quesont la partie mateacuterielle et la partie systegraveme

Mateacuterielle Un cahier des charges speacutecifique agrave notre plate-forme de mesure doit ecirctrereacutealiseacute La premiegravere partie concerne le choix du mateacuteriel physique

La partie mateacuterielle de la plate-forme de mesure est formeacutee de deux composants lasonde de mesure et le serveur de stockage des donneacutees Le serveur de stockage serafourni par le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques (LIM) Seule la sonde de me-sure sera indiqueacutee dans le cahier des charges Le mateacuteriel seacutelectionneacute devra respecter lescritegraveres preacutecis Ces critegraveres ont eacuteteacute deacutecideacutes en eacutetudiant les solutions proposeacutees par lesplates-formes preacuteceacutedemment eacutetudieacutees

mdash Peu encombrant de nombreuses sondes proposeacutees par les diffeacuterentes plates-formessont tregraves discregravetes Notre sonde devra eacutegalement ecirctre peu visible Nous souhaitonsque la sonde soit directement connecteacutee sur le routeur de lrsquousager

mdash Peu coucircteux le coucirct unitaire de chaque kit ne devait pas deacutepasser 50D afin que lrsquoonpuisse avoir un nombre de nœuds conseacutequent Un kit sera composeacute de la sonde deson cacircble alimentation drsquoune carte meacutemoire et drsquoun cacircble reacuteseau

mdash Peu eacutenergivore la facture drsquoeacutelectriciteacute eacutetant agrave la charge de lrsquousager nous souhai-tions une solution agrave faible consommation drsquoeacutenergie

mdash Diversiteacute du systegraveme drsquoexploitation (OS) Le systegraveme drsquoexploitation choisi devrasupporter lrsquoinstallation de Paris-traceroute

La seconde partie du cahier des charges de notre plate-forme se concentre sur le choixdu systegraveme drsquoexploitation

Pour rappel sur la figure 21 nous avons repreacutesenteacute en pointilleacute des interactions seacute-curiseacutees Ces eacutechanges concernent lrsquoaccegraves distant agrave la sonde au serveur de stockage et agravela sauvegarde des donneacutees de mesures sur le serveur Le systegraveme drsquoexploitation devracorrespondre aux critegraveres de seacutelection suivants

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mdash Paris-traceroute Le systegraveme drsquoexploitation devra inteacutegrer Paris-traceroute dans seslibrairies drsquoinstallations ou supporter lrsquoinstallation du code source

mdash Licence GNU-GPL Des modifications du systegraveme seront potentiellement neacuteces-saires

mdash Accegraves distant Le mateacuteriel devant ecirctre geacutereacute agrave distance Un accegraves Secure SHell (SSH)devra donc ecirctre configureacute Le protocole SSH [RFC4250] fut deacuteveloppeacute pour per-mettre lrsquoaccegraves agrave distance de terminaux

mdash Transmission seacutecuriseacutee Lrsquoaccegraves au diffeacuterents composants de la plate-forme devrase faire drsquoune faccedilon seacutecuriseacutee La restriction se fera agrave travers un systegraveme drsquoidentifi-cation

Seacutelection du mateacuteriel [Maksimovic2014] reacutealise une comparaison de diffeacuterents micro-ordinateurs tels que Arduino [Arduino] BeagleBone [Beaglebone] Phidgets [Phidgets]Udoo [Udoo] et RaspberryPi [RaspberryPi] Dans ce comparatif les critegraveres utiliseacutes sontproches de ceux que lrsquoon a seacutelectionneacutes Le tableau 22 reacutesume lrsquoensemble des critegraveres deseacutelection du mateacuteriel Il provient directement de lrsquoarticle [Maksimovic2014]

TABLE 22 ndash Tableau de comparaison des micro-ordinateurs (source [Maksimovic2014])

Critegraveres Arduino BeagleBone Phidegts Raspberry Pi UdooEncombrement(en mm)

7553 863533 813533 8565398 11085

Coucirct (en $ parnœud

30 45 50-200 25-35 99-135

Eacutenergie (en V) 7-12 5 6-15 5 6-15

Systegraveme

drsquoexploitation

Linux ang-strom

Linux

RaspbianUbuntuAndroidArchLinuxFreeBSDFedoraRISC OS

UbuntuAn-droidLinuxArchLi-nux

Nous avons mis en eacutevidence les valeurs respectant les critegraveres Nous faisons le choixdu Raspberry Pi car il possegravede le plus de critegraveres respecteacutes

Seacutelection du systegraveme drsquoexploitation Le premier critegravere de seacutelection est lrsquoinstalla-tion de Paris-traceroute Drsquoapregraves [Paris-traceroute] lrsquooutil est disponible sur les systegravemesRaspbian Ubuntu ArchLinux et FreeBSDConcernant les licences lrsquoensemble des OS ne sont pas eacutequivalents Ainsi seul RaspbianUbuntu et ArchLinux proposent une licence General Public Licence (GPL) RISC OS est as-socieacute agrave une licence proprieacutetaire Android FreeBSD et Fedora sont sous licence de logiciellibre et open source Les licences de distribution open source vont nous autoriser agrave ajou-ter modifier voire supprimer des parties du code pour qursquoil corresponde plus facilementagrave nos besoinsDe nombreux OS proposent nativement la version cliente du protocole SSH La versionserveur peut ecirctre activeacutee lors de lrsquoinstallation du systegraveme drsquoexploitation Lrsquoaccegraves distantnous permettra eacutegalement la mise agrave jour des outils et des OS pour des raisons de seacutecu-riteacuteLa seacutecurisation des eacutechanges se fera au travers drsquoun Virtal Private Network (VPN) Un

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VPN est un systegraveme permettant de creacuteer un lien direct entre des ordinateurs distants[Coonjah2015] reacutealise une comparaison entre deux outils permettant la creacuteation de VPNOpenSSH et OpenVPN OpenSSH propose de meilleures performances qursquoOpenVPN auniveau de lrsquoutilisation de la bande passante et des temps de transferts de fichiers Malgreacutecela nous avons pris le parti drsquoutiliser OpenVPN car crsquoest un outil majoritairement uti-liseacute par les entreprises [Coonjah2015] Cet utilitaire nous propose la mise en place drsquouneconnexion seacutecuriseacutee baseacutee sur lrsquoidentification agrave travers un certificat drsquoauthentificationLe VPN permet de joindre agrave travers un adressage priveacute les diffeacuterentes sondes qui se-ront distribueacutees sur lrsquoicircle de La Reacuteunion Drsquoapregraves le site officiel drsquo[OpenVPN] lrsquooutil peutsrsquoinstaller facilement sur les distributions Rapsbian Ubuntu et Fedora

Le choix du systegraveme drsquoexploitation va deacutependre des critegraveres de seacutelection Nous reacuteca-pitulons les critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment dans le tableau 23

TABLE 23 ndash Reacutecapitulatif de la comparaison des Systegravemes drsquoexploitation sur RaspberryPi

Critegraveres Raspbian Ubuntu Android ArchLinux FreeBSD Fedora RISC OSParis-traceroute

Oui Oui Non Oui Oui Non Non

Licence GPL GPL ASL GNULinux

BSD CreativeCom-mons

CastleTechno-logiesLtdLicence

Accegraves dis-tant (SSH)

Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

OpenVPN Oui Oui Non Non Non Oui Non

Deux systegravemes disponibles pour Raspberry Pi reacutepondent agrave nos critegraveres Raspbian etUbuntu Nous faisons le choix du systegraveme Raspbian Cet OS est une distribution Linuxentiegraverement revue pour des performances optimales sur la carte Raspberry Pi Fortementinspireacutee par la distribution Linux Debian elle propose les mecircmes caracteacuteristiques que ladistribution dite de Bureau Les sondes nrsquoeacutetant pas eacutequipeacutees drsquoun systegraveme drsquoaffichagenous optons pour lrsquoinstallation la plus leacutegegravere possible avec uniquement les paquets neacute-cessaires agrave notre eacutetude

Lrsquooutil drsquoanalyse rTraceroute

Dans la section 21 nous avons preacutesenteacute les contraintes lieacutees agrave la seacutelection drsquoun outildrsquoanalyse des donneacutees de type traceroute Pour rappel ces contraintes sont les suivantes la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoidentification des liens MPLS la geacuteneacuteration drsquounecarte des liens logiques et la geacuteneacuteration drsquoun fichier comportant des statistiques sur lesdiffeacuterents nœuds rencontreacutes

Les outils disponibles Il existe diffeacuterents outils drsquoanalyse des routes que lrsquoon peut ran-ger en trois cateacutegories les geacuteneacuterateurs de donneacutees brutes les plates-formes de mesures etles outils drsquoanalyse graphiques Lrsquooutil que lrsquoon souhaite utiliser entre dans la troisiegravemecateacutegorie La litteacuterature autour drsquooutils graphiques pour lrsquoanalyse des routes nrsquoest pasaussi complegravete que lrsquoon pourrait croire

Gtrace est un outil creacuteeacute par [Periakaruppan1999] Cet outil reproduit graphiquementles reacutesultats obtenus par Traceroute Le logiciel geacutenegravere ses propres donneacutees avant de les

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repreacutesenter sous forme graphique La geacuteolocalisation ne se fait pas sur les adresses IPmais sur le nom Domain Name System (DNS) des nœuds rencontreacutes La localisation drsquounnœud nrsquoest valideacutee qursquoapregraves croisement des informations entre les abreacuteviations des villeset aeacuteroports drsquoinformations contenues dans deux bases de donneacutees Une derniegravere veacuteri-fication est reacutealiseacutee agrave lrsquoaide de la commande nslookup Actuellement cet outil nrsquoest plusmaintenu Il nrsquoimpleacutemente pas le [RFC4950] permettant lrsquoidentification des nœuds MPLSdans les routes

[Aben2015] preacutesente un outil drsquoanalyse des routes inteacutegreacute agrave Atlas RIPE NCC Cet outildrsquoanalyse se nomme OpenIPMap Il utilise la base de donneacutees de RIPE pour effectuer lageacuteolocalisation des donneacutees Les routes sont ensuite traceacutees sur une carte interactive Lesmesures geacuteneacutereacutees par Atlas sont directement visibles et peuvent srsquointeacutegrer dans OpenIP-Map Lrsquoidentification des nœuds MPLS ainsi que la partie statistique ne sont pas inclusesdans les sorties proposeacutees par OpenIPMap

Dans [Yang2016] lrsquoauteur preacutesente un outil drsquoanalyse des routes centreacute sur le conti-nent africain African Visual Route Le design de lrsquooutil srsquoinspire largement du projetOpenIPMap [Aben2015] Lrsquooutil possegravede un deacutefaut important Il lit uniquement les fi-chiers provenant de la plate-forme Atlas

Le tableau 24 preacutesente les possibiliteacutes offertes par chaque outil preacutesenteacute preacuteceacutedem-ment

TABLE 24 ndash Fonctions disponibles dans les outils graphiques drsquoanalyse des routes

African Visual Route Gtrace OpenIPMapGeacuteolocalisation Oui Oui OuiIdentificationdes liens MPLS

Non Non Non

Cartographie Oui Oui OuiStatistiques Non Non Non

On peut constater que par rapport agrave nos besoins les outils listeacutes preacutesentent des la-cunes Les critegraveres drsquoaffichage des liens MPLS et la partie statistique sur les nœuds inter-meacutediaires nrsquoont pu ecirctre remplis Pour ces raisons nous avons deacuteveloppeacute un outil drsquoana-lyse rTraceroute

Deacuteveloppement de rTraceroute

Geacuteolocalisation Dans le cadre de nos travaux la geacuteolocalisation drsquoadresse IP consi-degravere la position geacuteographique de lrsquoadresse les informations sur le deacutetenteur de lrsquoadresseet lrsquoAutonomous System (AS) associeacutes Un AS est un ensemble drsquoeacutequipements et de reacuteseauxsous une mecircme autoriteacute rTraceroute geacuteolocalise les adresses IP rencontreacutees agrave travers unebase de donneacutees impleacutementeacutee au sein du LIM Cette base de donneacutees est remplie au furet agrave mesure que de nouvelles adresses IP sont remonteacutees par les mesures Lrsquoidentificationdes nouvelles adresses se fait par un script deacuteveloppeacute en python sous ma direction parun eacutetudiant de Licence 3eme anneacutee [LanYanFock2015] Cet outil nommeacute rgeoloc utiliseles commandes de lrsquoApplication Programming Interface (API) de RIPE NCC En interro-geant une base de donneacutees drsquoun RIR nous espeacuterons limiter les erreurs lieacutees agrave la geacuteoloca-lisation Pour nos besoins nous limitons les informations lieacutees agrave la localisation et au FAICes informations sont Pays Latitude Longitude Nom du FAI Numeacutero de lrsquoASLes informations (pays longitude latitude) seront utiliseacutees par la suite pour effectuer

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des calculs de distance entre deux adresses IP Le nom du FAI autorise le suivi des ac-cords drsquoeacutechanges de paquets sur les routes Le numeacutero de lrsquoAS nous offre la possibiliteacutede suivre les diffeacuterents chemins emprunteacutes en termes drsquoAS diffeacuterents

rgeoloc est capable drsquoextraire les informations de deacutelais et de longueurs de routesdrsquoun fichier traceroute Il peut eacutegalement deacutecouper un fichier contenant plusieurs don-neacutees traceroute en fichier unitaire

La geacuteolocalisation des adresses associeacutees agrave lrsquoidentification des liens MPLS va aider agravela compreacutehension des routes de lrsquoInternet dans le monde

Identification des liens MPLS Paris-traceroute indique dans ses sorties les liensMPLS rencontreacutes [Augustin2007] indique que lrsquoidentification des liens se fait par la lec-ture des informations contenues dans les paquets reccedilus par lrsquooutil rTraceroute va identi-fier les marques MPLS et les repreacutesenter en un coloris diffeacuterent sur les cartes

Cartographie Lors de la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoinformation neacutecessaire agravela cartographie est le pays Lors de cette identification deux nouvelles informations sontassocieacutees agrave lrsquoIP Ce sont les coordonneacutees du pays pour la carte passeacutee en paramegravetre Agravepartir de ces nouvelles coordonneacutees rTraceroute va geacuteneacuterer une nouvelle carte affichantlrsquoensemble des liens logiques (entre pays) preacutesents dans les traces analyseacutees

Statistique rTraceroute geacutenegravere des statistiques sur chaque nœud rencontreacute La cleacutedrsquoidentification drsquoun nœud est son adresse IP et sa position sur la route analyseacutee Les sta-tistiques geacuteneacutereacutees sont lrsquooccurrence de la paire drsquoidentification le deacutelai minimal obtenupour joindre ce nœud agrave cette position et le pays rattacheacute agrave lrsquoadresse IP

Notre outil est actuellement disponible sur le site du laboratoire agrave lrsquoadresse suivante httplimuniv-reunionfrrtraceroute [rtraceroute] Cet outil est distribueacute sous licencelibre pour une large diffusion dans la communauteacute scientifique

23 Protocole de mesure

La connectiviteacute particuliegravere de lrsquoicircle par les deux cacircbles sous-marins provoque un in-teacuterecirct de lrsquoeacutetude des routes emprunteacutees Lrsquoun des objectifs de nos mesures est drsquoeacutetudierlrsquoeacutevolution des deacutelais et de la longueur des routes entre 2012 et 2016 Le second objec-tif est lrsquoeacutetude de la connectiviteacute en terme de routes de deacutelais et des accegraves logiques delrsquoInternet reacuteunionnais

Notre protocole de mesure se divise en 3 parties La premiegravere partie preacutesente lespoints communs entre les deux objectifs La seconde consiste agrave effectuer une comparai-son de lrsquoeacutetat actuel avec le travail effectueacute preacuteceacutedemment par [Anelli2012] Le troisiegravemepoint concerne les mesures drsquoidentification des portes de lrsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion

231 Eacutechantillon de mesure

Lrsquoeacutechantillon drsquoadresses IP que lrsquoon va utiliser dans nos eacutetudes se doit drsquoecirctre repreacute-sentatif et preacutecis La preacutecision srsquoobtient par la taille drsquoun eacutechantillon La repreacutesentativiteacutepar le respect de la distribution des adresses IP dans lrsquoInternet

Il existe 232 adresses IPv4 avec une reacutepartition bien speacutecifique Drsquoapregraves les [RFC3232RFC5735 RFC6761] 592 708 865 adresses sont reacuteserveacutees On peut citer en exemple lesadresses de type 1921680016 Ce bloc est reacuteserveacute aux reacuteseaux priveacutes Son utilisationpreacutevue est documenteacutee dans le [RFC1918] Telles que deacutecrites dans ce standard les adresses

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II

Remerciements

Mes premiers remerciements vont agrave lrsquoendroit de Monsieur Pascal Anelli Maicirctre deconfeacuterences HDR agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion qui a accepteacute drsquoencadrer cette thegravese Jele remercie drsquoavoir mis toute son eacutenergie pour que je puisse mener ces travaux dans lesmeilleures conditions Je le remercie eacutegalement pour la confiance et la patience sans failleqursquoil mrsquoa teacutemoigneacutees durant ces anneacutees

Je remercie Monsieur Richard Lorion Maicirctre de Confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion Malgreacute un emploi du temps surchargeacute il a su me consacrer du temps pouraiguiller mes travaux

Je tiens agrave remercier tout particuliegraverement Madame Laure Petrucci Professeur agrave lrsquoUni-versiteacute Paris 13 et Monsieur Emmanuel Lochin Professeur agrave lrsquoISAE SUPAERO qui mrsquoontfait lrsquohonneur drsquoaccepter de juger ces travaux et drsquoen ecirctre rapporteurs

Je remercie le Professeur Reacutemy Courdier qui a accepteacute de preacutesider mon jury de thegraveseDe par cette acceptation je boucle mon cursus universitaire agrave lrsquoUniversiteacute de La ReacuteunionMes remerciements vont agrave lrsquoattention de Monsieur Promeacutetheacutee Spathis qui consacre deson temps agrave la participation de mon jury de thegravese en tant qursquoexaminateur

Je tiens agrave remercier Messieurs Pierre-Ugo Tournoux et Xavier Nicolay pour les dis-cussions que lrsquoon a eues Cela mrsquoa permis de me remettre dans le droit chemin quand jemrsquoeacutegarais

Je remercie eacutegalement Monsieur Bruno Baynat Maicirctre de confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacutede Paris 6 qui a su donner un nouveau souffle agrave ces travaux agrave travers ses conseils lors deson passage

Je remercie eacutegalement Monsieur Denis Fabregravegue Responsable du pocircle TIC agrave La ReacuteunionMonsieur Thierry Pretet travaillant agrave la cellule Investissements publics de la ReacutegionReacuteunion Monsieur Thomas Silverston Chercheur au NICT drsquoavoir accepteacute de faire par-tie de mon comiteacute de suivi de thegravese

Je remercie eacutegalement le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques dirigeacute parMonsieur Jean Diatta Professeur agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion ainsi que lrsquoensemble desmembres pour lrsquoaccueil et les moyens qui mrsquoont eacuteteacute mis agrave disposition pour le bon deacuterou-lement de cette thegravese

Je remercie eacutegalement la Reacutegion Reacuteunion qui a soutenu financiegraverement ces travaux dethegravese

Je remercie eacutegalement Messieurs Jean-Christophe Lan-Yan-Fock et Arnaud Ravoa-vahy pour les travaux reacutealiseacutes durant leurs stages

Je remercie eacutegalement mes collegravegues mes amis et mes proches pour leurs contribu-tions et leurs encouragements

Je remercie particuliegraverement Aureacutelie Miora Florence et Anne-Claire qui ont eacuteteacute dansla mecircme galegravere que moi

Je tiens agrave remercier du fond du coeur lrsquoensemble des membres de ma famille qui mrsquoonttoujours apporteacute leur soutien et leur encouragement Merci agrave vous

Enfin je tiens agrave remercier toutes les personnes qui ont contribueacute de pregraves ou de loin agravela reacutealisation de ces travaux

III

IV

Reacutesumeacute

Lrsquoaccegraves agrave Internet des icircles de la Zone Oceacutean Indien a la particulariteacute drsquoutiliser deuxlongs cacircbles sous-marins Les routes ont en commun de passer par un de ces liens etdrsquointroduire une composante de deacutelai qui peut ecirctre significative La performance de TCPest lieacutee agrave lrsquoeacutetat des routes et au deacutelai Dans la situation de lrsquoicircle de la Reacuteunion comment secomporte un protocole ayant une deacutependance au deacutelai tel que TCP

Dans cette thegravese nous proposons une eacutetude de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion Les travauxvisent agrave pouvoir dresser un bilan de la connectiviteacute Internet Ils srsquoorientent drsquoune partagrave caracteacuteriser la connectiviteacute au niveau du reacuteseau et drsquoautre part agrave traduire ses caracteacute-ristiques au niveau de la couche de transport Ainsi les travaux preacutesenteacutes reposent surdeux eacutetudes de meacutetrologie sur le reacuteseau reacuteunionnais

Le premier examen a pour objectif la caracteacuterisation des deacutelais et des routes emprun-teacutees depuis et en direction de lrsquoicircle Ces travaux reposent sur une plate-forme de mesuresmise en place agrave cet effet Un outil drsquoidentification des routes a eacuteteacute deacuteveloppeacute afin drsquoana-lyser les chemins depuis et vers la Reacuteunion Cet outil utilise une base de donneacutees degeacuteolocalisation construite agrave partir des adresses IP rencontreacutees des deacutelais associeacutes et drsquoin-formations provenant des Registres Internet Reacutegionaux Lrsquoanalyse des reacutesultats montredes caracteacuteristiques propres agrave la reacutegion Reacuteunion

La seconde eacutetude de meacutetrologie vise lrsquoanalyse des flux TCP Des meacutetriques associeacuteesagrave lrsquoobservation des captures de trafic sont identifieacutees afin drsquoeacutetablir les performances deTCP mais eacutegalement les types de trafic entrant et sortant de lrsquoicircle Le volume des eacutecouteseacutetant important un outil drsquoanalyse pour des traitements efficaces et rapides a eacutegalementeacuteteacute deacuteveloppeacute

Les contributions de cette thegravese sont drsquoabord rattacheacutees au contexte reacuteunionnais etsont extrapoleacutees vers lrsquointernet de la Zone Oceacutean Indien Cette thegravese se veut ecirctre un eacuteleacute-ment pour une reacuteflexion avec lrsquoensemble des acteurs de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion

Mots cleacutes

Meacutetrologie active Deacutelais Routage Meacutetrologie passive Performance TCP Zone OceacuteanIndien Reacuteunion

V

Abstract

The access to the Internet of the Islands of the Indian Ocean Area has the particularityof using two long submarines cables The routes have in common to go through one ofthese links and introduce a delay component that can be significant The performance ofTCP is linked to the state of the route and the delay In the situation of Reunion Islandhow does a protocol having a dependence on delay such as TCP behaves

In this thesis we propose a study of the Internet in Reunion Island The work aimsto be able to take stock of Internet connectivity They are oriented on the one hand tocharacterize the connectivity at the level of the network and on the other hand to translatethese characteristics at the level of the transport layer Thus the works presented arebased on two metrology studies on the Reunion network

The first review aims to characterize the delays and the routes taken from and to theisland This work is based on a platform of measures put in place for this purpose A roadidentification tool has been developed to analyze roads to and from Reunion Island Thistool uses a geolocation database built from IP addresses encountered associated delaysand information from the Regional Internet Registries The analysis of the results showscharacteristics specific to the Reacuteunion region

The second metrology study aims to analyze TCP flows Metrics associated with theobservation of the catches of traffic are identified in order to establish the performancesof TCP but also the types of traffic entering and leaving the island Since the volume ofthe intercepts is important an analysis tool for efficient and rapid treatments has beendeveloped

The contributions of this thesis are first of all related to the Reunionese context andare extrapolated to the Internet of the Indian Ocean Zone This thesis is meant to be anelement for a reflection with all the actors of the Internet in Reunion Island

Keywords

Active Metrology Delay Routage Passive metrology Performance TCP Indian OceanArea Reunion Island

VI

Table des matiegraveres

Remerciements III

Reacutesumeacute V

Abstract VI

Liste des acronymes IX

Introduction 11 Contexte geacuteneacuteral 12 Contexte reacutegional 1

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion 122 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien 5

3 Probleacutematique 84 Organisation de la thegravese 8

1 Eacutetat de lrsquoart 911 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capaciteacute de stockage 10

111 Controcircle de congestion de TCP 10112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de

stockage 14113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN 17114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs 22115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion 23

12 Meacutetrologie du trafic Internet 25121 Deacutefinition 25122 Meacutetrologie active 26123 Meacutetrologie passive 32124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives 35

13 Synthegravese 36

2 Caracteacuterisation de la connectiviteacute de La Reacuteunion 3921 Objectifs 4022 Cahier des charges 40

221 Evolution 40222 Connectiviteacute 40

23 Protocole de mesure 46231 Eacutechantillon de mesure 46232 Eacutevolution 47233 Connectiviteacute 48

24 Reacutesultats 53241 Eacutevolution 53

VII

242 Connectiviteacute de La Reacuteunion 54243 Connectiviteacute des icircles de la Zone Oceacutean Indien 65244 Synthegravese des reacutesultats 71

25 Conclusion 72

3 Meacutetrologie sur le service de transport agrave La Reacuteunion 7531 Objectifs 75

311 Les objectifs de lrsquoeacutetude 76312 Les meacutetriques de lrsquoeacutetude 76

32 Mise en oeuvre drsquoune plate-forme de meacutetrologie 79321 Pour la capture du trafic 79322 Pour analyser les traces 80

33 Protocole de mesure 8234 Reacutesultats 85

341 Supervision du trafic 86342 Performance de TCP 88343 Synthegravese des reacutesultats 91

35 Conclusion 92

Conclusion amp perspectives 951 Synthegravese des travaux 952 Perspectives 96

Table des figures 100

Liste des tableaux 101

Bibliographie 103

VIII

Liste des acronymes

ACK Acknowledgement

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AIMD Additive Increase and Multiplicative Decrease

API Application Programming Interface

ARCEP Autoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques et des Postes

AS Autonomous System

BDP Bandwidth Delay Product

CAIDA Center for Applied Internet Data Analysis

CDCS Comoros Domestic Cable Sytem

CDF Cumulative Density Function

CIL Correspondant Informatique et Liberteacutes

CWND Congestion Window

CWR Congestion Window Reduce

DNS Domain Name System

DSI Direction des Services Informatiques

DupAck Duplicate Acknowledgement

EASSY Eastern Arfrica Submarine SYstem

ECE ECN Echo

ECN Explicit Congestion Notification

FAI Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

FTTH Fiber To The Home

GIX Global Internet eXchange

GNU GNUrsquos Not Unix

GPL General Public Licence

HTTP HyperText Transfer Protocol

HTTPS HyperText Transfer Protocol Secured

IANA Internet Assigned Numbers Authority

ICMP Internet Control Message Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

IX

IGMP Internet Group Management Protocol

IMAP Internet Message Access Protocol

IP Internet Protocol

IPPM IP Performance Metrics

IW Initial Window

IXP Internet eXchange Point

LAN Local Area Network

LER Label Edge Router

LFN Long Fat Network

LIM Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques

LION Lower Indian Ocean Network

LSP Label Switched Path

LSR Label Switch Router

MAN Metropolitan Area Network

MPLS MultiProtocol Label Switch

MSS Maximun Segment Size

NRA Noeud de Raccordement drsquoAbonneacutes

NS Nonce Sum

OS Operating System

PDF Probability Density Function

POP Post Office Protocol

PSAMP Packet Sampling

RENATER REseau NAtional de communication eacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseigne-ment et la Recherche

RIR Regional Internet Registry

RITE Reducing Internet Transport Latency

RSSI Responsable Seacutecuriteacute et Systegravemes drsquoInformation

RTO Retransmission TimeOut

RTT Round-Trip delay Time

SAFE South-Africa Far East

SAT-3 South Africa Transit-3

SCP Ssh CoPy

SEAS Seychelles to East Africa System

SMTP Simple Mail Transfert Protocol

SSH Secure SHell

ssthresh slow-start threshold

TAI Technologies drsquoAccegraves agrave Internet

X

TCP Transmission Control Protocol

TTL Time-To-Live

UDP User Datagram Protocol

VDSL Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line

VLAN Virtual Local Area Network

VOD Video on demand

VPN Virtal Private Network

WAN Wide Area Network

WASC West Africa Submarine Cable

ZOI Zone Oceacutean Indien

XI

XII

Introduction

1 Contexte geacuteneacuteral

Depuis sa premiegravere deacutemonstration publique en 1972 Internet a fortement eacutevolueacute[Leiner1997] Dans une premiegravere phase nous avons les changements de services Les uti-lisateurs ont basculeacute des services historiques que sont lrsquoeacutechange drsquoe-mail et la navigationweb vers une utilisation interactive de lrsquoInternet Ces nouveaux services tels que la Voixsur IP les Jeux en ligne le Streaming etc sont maintenant possibles peu importe lrsquoendroitougrave lrsquoon se situe Cela gracircce agrave la seconde phase des innovations de lrsquoInternet lrsquoeacutevolu-tion des technologies logicielles et mateacuterielles Les technologies sont devenues de plusen plus mobiles et proposent des deacutebits drsquoaccegraves agrave lrsquoInternet de plus en plus importantsAinsi nous sommes passeacutes drsquoun accegraves physique de chez soi connecteacutes agrave un ordinateurfixe et une liaison 56 kbits (kilo-bitsseconde) agrave des smartphones et des connexions mo-biles avec un deacutebit theacuteorique minimal descendant de 20 Gbits (Giga-bitsseconde) dansun futur proche pour la technologie 5G En parallegravele lrsquoaccegraves agrave Internet srsquoest deacutemocra-tiseacute Drsquoapregraves une eacutetude de lrsquoOrganisation des Nations Unies le nombre de teacuteleacutephonesmobiles est devenu supeacuterieur au nombre drsquohabitants sur la planegravete [ONU2013] Ces eacutevo-lutions parallegraveles ont bouleverseacute lrsquousage de lrsquoInternet Est-ce que ces eacutevolutions ont eu unimpact sur lrsquoInternet reacuteunionnais

2 Contexte reacutegional

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion

Pour comprendre la situation de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion il est neacutecessaire de relaterlrsquohistoire de la connectiviteacute Internet et de dresser un bilan de lrsquoeacutetat actuel Cet historiqueest effectueacute agrave partir du document [Pretet2000] qui preacutesente lrsquoavancement du projet deconnexion de lrsquoicircle de La Reacuteunion au cacircble sous-marin South-Africa Far East (SAFE)

La premiegravere connexion de La Reacuteunion agrave lrsquoInternet date de 1992 avec la mise en servicedu projet Telecom-2 Agrave cette eacutepoque la seule liaison connectant La Reacuteunion agrave Interneteacutetait une connexion satellitaire Jusqursquoen 2001 et lrsquoarriveacutee du cacircble SAT-3WASCSAFEles deacutebits drsquoaccegraves reacutesidentiels ne deacutepassaient pas les 56 kbits La bande passante totalede lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle par ce canal satellite eacutetait de 400 Mbits (Meacutega-bitsseconde)tous opeacuterateurs confondus Le coucirct drsquoutilisation de la liaison satellite avoisinait les17 000DMbmois et par opeacuterateur La technologie drsquoaccegraves et le tarif eacuteleveacute limitaient lesusages de lrsquoInternet priveacute agrave des services basiques comme lrsquoeacutechange drsquoe-mail Lrsquoarriveacuteedes cacircbles South Africa Transit-3 (SAT-3)West Africa Submarine Cable (WASC)SAFE en2001 visaient agrave deacutesenclaver numeacuteriquement lrsquoicircle

Ce cacircble drsquoune longueur totale de 28 000 Km (Kilo-megravetres) connecte lrsquoEurope (Es-pagne et Portugal) agrave lrsquoAsie (Inde et Malaisie) en longeant la cocircte Ouest africaine telqursquoillustreacutee par la carte figure 1 Le lien est composeacute de deux paires de fibres optiquesavec une capaciteacute globale de 135 Gbits La reacutepartition des capaciteacutes fut faite en fonction

1

du montant investi par les opeacuterateurs France Teacuteleacutecom fut seacutelectionneacutee pour la Franceavec un deacutebit total de 13 6 Gbits dont 155 Mbits furent alloueacutes agrave la connexion de LaReacuteunion Ce deacutebit eacutetait eacutequivalent agrave la capaciteacute maximale theacuteorique du lien satellite deFrance Teacuteleacutecom Outre la seacutecuriteacute apporteacutee par la fibre optique crsquoest la qualiteacute de la trans-mission qui a eacuteteacute ameacutelioreacutee avec ce support Ce cacircble a eacuteteacute une premiegravere eacutetape dans lamise en place drsquoune autoroute de lrsquoinformation entre lrsquoEurope lrsquoAsie et lrsquoAfrique PourLa Reacuteunion cette autoroute a eacuteteacute un facteur pour la baisse des coucircts de communication eten parallegravele le deacuteploiement de la technologie Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)Les tarifs de consommation de la bande passante du lien ont connu une baisse impor-tante suite agrave une deacutecision de lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques etdes Postes (ARCEP) en 2004 [ARCEP2004] Les tarifs sont passeacutes de 17 000 DMbmois agrave1 550 DMbmois

FIGURE 1 ndash Carte des points drsquoatterrissement du cacircble SAT-3WASCSAFE (Source [Pretet2000])

Malgreacute la baisse des tarifs lrsquoADSL nrsquoeacutetait preacutesent que dans 6 villes agrave forte densiteacutede population Afin drsquoaugmenter la couverture de lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle une dorsalefaisant le tour de lrsquoicircle est installeacutee Crsquoest le reacuteseau nommeacute Gazelle dont le deacutebut du deacute-ploiement fut effectueacute dans le courant de lrsquoanneacutee 2003 [SDTAN2013] Cette fibre est ins-talleacutee en hauteur en suivant le reacuteseau Haute Tension drsquoEDF selon le plan de la figure 2(en trait bleu ou fonceacute) Le but de ce reacuteseau est de raccorder lrsquoensemble des Noeud de Rac-cordement drsquoAbonneacutes (NRA) Un NRA est un local heacutebergeant un central teacuteleacutephonique delrsquoopeacuterateur historique France Teacuteleacutecom dans lequel aboutissent les lignes teacuteleacutephoniquesdes abonneacutes communeacutement appeleacutees boucles locales Au delagrave de ces locaux les boucleslocales forment le reacuteseau capillaire Lrsquointerconnexion entre le reacuteseau Gazelle et les NRAest repreacutesenteacutee en vert sur la figure 2

En 2004 La Reacuteunion srsquoest doteacutee drsquoun point drsquoeacutechange (Global Internet eXchange (GIX)ou Internet eXchange Point (IXP)) nommeacute Reunix Il fut pendant pregraves de 10 ans le seul IXPpreacutesent dans la Zone Oceacutean Indien (ZOI) Geacutereacute par le REseau NAtional de communicationeacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseignement et la Recherche (RENATER) il vise agrave inter-connecter les fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion afin drsquoeacuteviter que le trafic localne sorte de lrsquoicircle et consomme des capaciteacutes sur le cacircble sous-marin En plus de cet eacutequi-pement des technologies de cache ont eacuteteacute deacuteployeacutees sur le territoire LrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion a eacuteteacute un des acteurs de ce deacuteploiement

2

FIGURE 2 ndash Plan de cacircblage du reacuteseau Gazelle en 2006 (Source [Pretet2000])

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 chaque anneacutee une baisse de 20 agrave 40 duprix du Meacutegabit sur le cacircble sous-marin est enregistreacutee En 2006 pour 50D un abonneacutenrsquoavait droit qursquoagrave la connexion ADSL de 1 Mbits sans aucun service additionnel Lrsquoan-neacutee suivante pour le mecircme tarif la teacuteleacutephonie illimiteacutee vers certains pays a eacuteteacute ajouteacuteeau forfait Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le forfait est resteacute le mecircme mais le deacutebit alloueacuteest augmenteacute pour atteindre 8 Mbits La Reacuteunion nrsquoa vu lrsquoarriveacutee du triple play (Teacuteleacutevi-sion Teacuteleacutephone Internet) qursquoagrave partir des anneacutees 20112012 avec lrsquoarriveacutee drsquoun nouveaucacircble Lower Indian Ocean Network (LION) Le LION est un cacircble sous-marin reliant LaReacuteunion Maurice et Madagascar depuis 2009 En 2012 une extension est rajouteacutee sousle nom de LION-2 connectant le LION agrave Mayotte et au Kenya Ce nouveau cacircble proposedegraves sa mise en service une capaciteacute deacutepassant le 1 Tbs (Teacuterabitseconde)

Lrsquoaugmentation continue des deacutebits et de la capaciteacute disponible sur le cacircble SAT-3WASCSAFE actuellement agrave 900 Gbits a acceacuteleacutereacute le deacuteploiement de nouveaux ser-vices et de nouvelles technologies drsquoaccegraves agrave Internet pour les abonneacutes Lrsquoicircle de La Reacuteuniondispose actuellement en dehors des connexions mobiles de trois Technologies drsquoAccegraves agrave In-ternet (TAI) La premiegravere est la technologie ADSL preacutesente depuis 2001 Elle propose desdeacutebits asymeacutetriques allant jusqursquoagrave 20 Mbitss en descente Crsquoest le deacutebit qursquoaura lrsquoutilisa-teur en teacuteleacutechargement Depuis 2014 lrsquoopeacuterateur historique Orange (ex-France Teacuteleacutecom)propose la technologie Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line (VDSL) 2 avec des deacutebitsallant jusqursquoagrave 100 Mbits descendant La limite physique de cette TAI impose une dis-tance entre lrsquoabonneacute et le distributeur infeacuterieure agrave 1 Km La derniegravere technologie preacutesentesur lrsquoicircle est la fibre optique Deacuteployeacutee depuis 2007 par lrsquoopeacuterateur priveacute ZEOP elle eacutetaitjusqursquoagrave peu principalement deacuteployeacutee dans les villes du Port Sainte Marie et Saint Pierre

Chaque opeacuterateur dispose drsquoune ou plusieurs technologies drsquoaccegraves Chaque technolo-

3

gie est associeacutee agrave un deacutebit maximal theacuteorique La carte 3 1 preacutesente les deacutebits theacuteoriquesqui sont preacutesents sur lrsquoicircle [France2017]

Cette carte montre une dispariteacute des deacutebits selon les zones geacuteographiques de lrsquoicircleLe Plan France Tregraves Haut Deacutebit a pour objectif drsquouniformiser sur lrsquoensemble du territoirefranccedilais les deacutebits avec le deacuteploiement de la technologie drsquoaccegraves fibre optique

FIGURE 3 ndash Carte des deacutebits agrave La Reacuteunion

Reacutecapitulatif

La connexion agrave Internet donne agrave La Reacuteunion des capaciteacutes importantes La preacutesencedrsquoun GIX sur le territoire a limiteacute le trafic reacuteunionnais sur les cacircbles sous-marins La figure4 montre lrsquoensemble des eacuteveacutenements qui ont marqueacute le deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave LaReacuteunion jusqursquoagrave nos jours

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 [ARCEP2004] et lrsquoarriveacutee du cacircble LION lesopeacuterateurs ont fait le choix drsquoaugmenter les services proposeacutes avec un prix reacutesidentielstable Les derniers services ajouteacutes sont ceux de la Video on demand (VOD) et de la rediffu-sion (Replay) En 2014 le prix moyen du MeacutegabitMois sur le cacircble SAT-3WASCSAFEavoisinait les 25 D En pregraves de 15 ans on note la baisse du coucirct moyen du Meacutegabitmoisde 17 000 D agrave 25 D

Lrsquoeacutevolution de la connectiviteacute Internet agrave La Reacuteunion est lieacutee au deacuteveloppement de laconnectiviteacute des diffeacuterents pays preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien

1 Source Observatoire France Tregraves Haut Deacutebit

4

FIGURE 4 ndash Frise chronologique du deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion

22 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien

Les acteurs du deacuteveloppement du numeacuterique dans la Zone Oceacutean Indien

Dans le cadre de nos eacutetudes nous restreignons la ZOI agrave 6 icircles ou archipels suivants(rangeacutes par ordre alphabeacutetique) les Comores Madagascar Maurice Mayotte La Reacuteunionet les Seychelles Agrave lrsquoexception de Mayotte et de La Reacuteunion qui sont des reacutegions fran-ccedilaises les autres icircles et archipels citeacutes sont des pays indeacutependants Nous allons dansun premier temps faire une preacutesentation des principaux acteurs du deacuteveloppement nu-meacuterique dans chaque territoire Le deacuteveloppement de lrsquoInternet dans la ZOI se fait encollaboration avec lrsquoensemble des pays Nous poursuivrons avec les futures installationsdes cacircbles sous-marins dans la ZOI

LrsquoUnion des Comores est une reacutepublique feacutedeacuterale drsquoAfrique Lrsquoarchipel est connecteacuteagrave Internet depuis le 19 Janvier 1998 via une connexion satellite En 2010 le gouverne-ment deacuteploie le Comoros Domestic Cable Sytem (CDCS) qui relie lrsquoensemble des icircles delrsquoarchipel entre elles avec en parallegravele le raccordement au cacircble Eastern Arfrica SubmarineSYstem (EASSY) [Comores2002] Ce cacircble relie lrsquoAfrique du Sud au Soudan en longeantla cocircte Est du continent En 2009 lrsquoAutoriteacute Nationale de Reacutegulation des TIC (ANRTIC) voitle jour De nombreuses missions sont donneacutees agrave cette autoriteacute comme appliquer et fairerespecter la loi des Technologies de lrsquoInformation et de la Communication (TIC) reacuteguler lesecteur des TIC favoriser la coopeacuteration entre les acteurs et geacuterer les diffeacuterends garan-tir une concurrence saine et loyale entre les opeacuterateurs et de deacutevelopper la recherche laformation et les innovations technologiques [ANRTIC2016] En deacutecembre 2016 un troi-siegraveme cacircble connecte lrsquoarchipel agrave Mayotte Actuellement un Vice-Preacutesident chargeacute desTIC travaille en collaboration avec un Conseiller du preacutesident en matiegravere de transports etteacuteleacutecommunications

La Reacutepublique de Madagascar est relieacutee agrave Internet par deux cacircbles sous-marins Lepremier est lrsquoEASSY Le second cacircble est le LION Au niveau des prises de deacutecisions 3 or-ganismes principaux existent Le plus important est le ministegravere des Teacuteleacutecommunicationset des Nouvelles Technologies Il a mis en place le Projet drsquoInfrastructure de Communicationpour Madagascar (PICOM) Lrsquoobjectif est la reacuteduction des coucircts drsquoaccegraves aux services deteacuteleacutecommunications Le second est lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des TEchnologies de Communica-tion (ARTEC) Cet administration octroie les licences aux proprieacutetaires des reacuteseaux arbitreles diffeacuterends entre opeacuterateurs et assure la gestion des spectres [ARTEC2016] Le dernierorganisme est le Groupement des Opeacuterateurs en Technologies de lrsquoInformation et de la Commu-nication (GOTICOM) Il a pour objectif drsquoaccompagner et drsquoameacuteliorer les infrastructuresde teacuteleacutecommunication et de favoriser lrsquointeacutegration des TIC [GOTICOM2011] Depuis2016 un GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Africaine [MGIX2017]

5

La Reacutepublique de Maurice regroupe les icircles Rodrigues et Maurice Sous lrsquoimpulsiondu gouvernement anglais la premiegravere ligne teacuteleacutephonique fut installeacutee en 1883 Actuel-lement en plus drsquoune connexion satellitaire reliant les deux icircles le SAFE et le LIONconnectent Maurice agrave Internet Un ministegravere des Technologies de lrsquoInnovation et desCommunications existe au sein du gouvernement Crsquoest ce mecircme gouvernement quinomme le directeur de lrsquoInformation and Communication Technologies Authority (ICTA) Crsquoestlrsquoautoriteacute de reacutegulation des Teacuteleacutecoms et des Postes Il existe 2 principaux opeacuterateurs quesont Mauritius Telecom et Emtel Une dizaine drsquoopeacuterateurs cohabitent sur lrsquoicircle [ICTA2017]Depuis 2016 un nouveau GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Afri-caine [MIXP2017]

Mayotte est un deacutepartement franccedilais depuis Mars 2011 Le raccordement au cacircbleLION-2 extension du cacircble LION en avril 2012 rend possible lrsquoarriveacutee du haut deacutebit surce territoire En 2013 un GIX geacutereacute par RENATER est installeacute au sein du Rectorat Il senomme Mayotix

Les Seychelles ont vu leur premiegravere connexion Internet introduite dans lrsquoarchipel parAtlas Seychelles Ltd en septembre 1996 En 2012 les Seychelles sont connecteacutes agrave une fibreen provenance de Tanzanie Crsquoest le cacircble Seychelles to East Africa System (SEAS) Crsquoestlrsquounique cacircble sous-marin connectant lrsquoarchipel Le Ministegravere des Technologie de lrsquoInforma-tion et des Communications (MITC) fait office drsquoautoriteacute de Reacutegulation des Teacuteleacutecommuni-cations dans le pays [DICT2017]

Chaque autoriteacute de reacutegulation agrave un impact sur le deacuteveloppement de lrsquoInternet dansson pays Ce deacuteveloppement se reacutepercute sur lrsquoameacutelioration de lrsquoaccegraves Internet dans laZOI

Deacuteveloppement de lrsquointerconnexion de la Zone Oceacutean Indien

Cette reacutegion a connu un premier bouleversement de sa connectiviteacute agrave Internet avecle deacuteploiement du cacircble sous-marin SAT-3WASCSAFE en 2001 pour La Reacuteunion etMaurice Lrsquoarriveacutee du LION en 2009 a connecteacute Madagascar aux deux icircles En 2010 lesComores et Madagascar se sont ouverts une voie vers lrsquoAfrique avec le cacircble EASSY Lrsquoin-terconnexion du LION 2 a deacuteveloppeacute lrsquoInternet agrave Mayotte tandis que le deacuteploiement ducacircble SEAS a ouvert les Seychelles agrave lrsquoInternet haut deacutebit La carte 5 indique les diffeacuterentscacircbles sous-marins preacutesents dans la ZOI

La ZOI srsquoengage dans le deacuteploiement de nouveaux liensLe cacircble MElting poT Indianoceanic Submarine System (METISS) drsquoune longueur de

3 500 kilomegravetres reliera Madagascar Maurice et La Reacuteunion agrave lrsquoAfrique du Sud La bandepassante du cacircble sera de 24 Tbs Sa mise en service est preacutevue pour le courant de lrsquoan-neacutee 2019 [Lemauricien]

Africa-1 est un cacircble reliant lrsquoAfrique du Sud le Moyen Orient et lrsquoAsie centrale Cecacircble de plus de 12 0000 kilomegravetres passera le long de la cocircte Est africaine avant de relierlrsquoArabie Saoudite lrsquoEacutegypte et le Pakistan La mise en service du cacircble est preacutevue pour lecourant de lrsquoanneacutee 2020 [Africa1]

En 2019 sera mis en service le cacircble IOX IOX est un cacircble sous-marin deacutedieacute agrave lrsquoicircleMaurice Il a pour but drsquooffrir une nouvelle liaison agrave Maurice en reliant lrsquoicircle agrave lrsquoAfrique etau reste du monde Il sera doteacute drsquoune capaciteacute de 54 Tbs [IOX]

La carte 6 repreacutesente lrsquoensemble des IXP preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien En vertce sont les points drsquoeacutechanges deacutejagrave en service La France a degraves lrsquoanneacutee 2004 mis en placele point drsquoeacutechange agrave La Reacuteunion et en 2012 celui de Mayotte Ceux de Maurice et de

6

FIGURE 5 ndash Cartes des cacircbles sous-marins dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien (Source [Cablesmap])

Madagascar ont eacuteteacute mis en service en 2016 avec lrsquoaide de lrsquoUnion Africaine de lrsquoInter-net Society et du projet AXIS [AXIS] Les points bleus repreacutesentent les points drsquoeacutechangequi sont preacutevus drsquoecirctre deacuteployeacutes dans la zone oceacutean indien par le projet AXIS dans le fu-tur Drsquoici quelques anneacutees lrsquoensemble des territoires de la zone sera eacutequipeacute drsquoun pointdrsquoeacutechange Cet eacutequipement vise a maintenir le trafic de type Metropolitan Area Network(MAN) du pays ougrave il est installeacute Il facilite les eacutechanges entre les opeacuterateurs locaux enreacuteduisant la latence et en augmentant la qualiteacute de service

FIGURE 6 ndash Carte des points drsquoeacutechange preacutesents actuellement et dans un futur prochedans la ZOI

7

3 Probleacutematique

LrsquoInternet et ses applications ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes dans des territoires ougrave les routes sontnombreuses Lrsquoicircle de La Reacuteunion comme beaucoup de territoires insulaires ne beacuteneacuteficiepas drsquoun nombre de liaisons physiques directes important Lrsquoeacutevolution de lrsquoInternet al-lant des applications toleacuterantes aux deacutelais vers des applications temps-reacuteel neacutecessite unerobustesse et une qualiteacute de service deacutependantes drsquoun maillage fort et de deacutelais courts

Lrsquoeacutetude drsquo[Anelli2012] a deacutemontreacute que les deacutelais agrave destination drsquoadresses aleacuteatoiressont sensiblement plus longs depuis La Reacuteunion que depuis Paris avec un eacutecart drsquoenvi-ron 180 ms Suite agrave ce constat lrsquoauteur a reacutealiseacute des simulations estimant les deacutebits asso-cieacutes avec un taux de pertes de 10 Ces simulations ont mis en avant des deacutebits eacutecouleacutesplus faibles pour un usager situeacute agrave La Reacuteunion qursquoun usager baseacute agrave Paris Une augmen-tation de la bande passante nrsquoentraicircnerait pas une diminution des deacutelais Le groupe detravail europeacuteen Reducing Internet Transport Latency (RITE) a reacutealiseacute une videacuteo explicativede ce pheacutenomegravene [RITE2014-2]

Cette thegravese vise agrave mettre en lumiegravere les principaux freins des deacutebits eacutecouleacutes

Dans une premiegravere eacutetape nous eacutetudierons lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis La Reacuteunionen prenant comme base lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par [Anelli2012]

Dans un second temps nous eacutetudierons les routes logiques de lrsquoInternet reacuteunionnais

Dans un dernier temps nous reacutealiserons une proposition drsquoeacutetude de meacutetrologie Cetteeacutetude vise agrave identifier la correacutelation des eacuteveacutenements de congestion entre les flots lrsquoimpor-tance des anomalies affectant Transmission Control Protocol (TCP) (pertes initiales fauxeacuteveacutenements de congestion) la reacutepartition des flots (en taille en protocole en application)et les paramegravetres de performances (taux de pertesRTT deacutebit eacutecouleacute)

4 Organisation de la thegravese

Suite agrave lrsquoexposition de notre probleacutematique le chapitre 1 preacutesente le contexte scienti-fique de nos travaux Dans un premier temps nous allons preacutesenter les caracteacuteristiquesde TCP et sa probleacutematique lieacutee aux reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage Nous continue-rons avec une preacutesentation de quelques solutions Nous deacuteterminerons si lrsquoaccegraves Internetde La Reacuteunion doit ecirctre consideacutereacute comme un reacuteseau agrave forte capaciteacute de meacutemorisation Lasuite du chapitre inclura la deacutefinition de la meacutetrologie dans les reacuteseaux et une preacutesenta-tion des techniques de mesures active et passive

La premiegravere eacutetude est deacutecrite dans le chapitre 2 et deacutebute par la preacutesentation des ob-jectifs Un cahier des charges permettant de reacutepondre aux objectifs a eacuteteacute reacutedigeacute Ce cahierdes charges a deacuteboucheacute sur le deacuteploiement de la plate-forme de meacutetrologie active RunPLet du deacuteveloppement de deux outils drsquoaide agrave lrsquoanalyse rgeoloc et rtraceroute La preacutesen-tation du protocole de mesure a eacuteteacute reacutealiseacutee dans la partie preacuteceacutedant celle des reacutesultatsLe chapitre se conclut par une synthegravese des reacutesultats qui ont servi agrave nos contributions

La seconde eacutetude est preacutesenteacutee dans le chapitre 3 Les objectifs du chapitre sont preacute-senteacutes dans un premier temps et diviseacutes en deux Ce chapitre preacutesente la mise en oeuvredrsquoune plate-forme de meacutetrologie et du protocole de mesure associeacute Une section reacutesultatassocieacutee agrave une conclusion termine le chapitre Ce chapitre a fait lrsquoobjet drsquoune contributionscientifique

Nous concluons notre thegravese par un reacutesumeacute des diffeacuterentes contributions Un apportsur les perspectives qursquoautorisent nos travaux est proposeacute dans le chapitre 35

8

Chapitre 1

Eacutetat de lrsquoart

Transmission Control Protocol (TCP) est le protocole de transport le plus utiliseacute sur lrsquoIn-ternet Lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par Center for Applied Internet Data Analysis (CAIDA) sur une du-reacutee de 2 ans du trafic passant par le point drsquoeacutechange (IXP) EQUNIX de Chicago a montreacuteque 90 97 des paquets Internet Protocol (IP) acheminent des segments TCP [EQUINIX]TCP est un protocole de transport qui rend un service de transfert fiable de donneacuteesLorsque la somme du deacutebit des eacutemetteurs TCP partageant une mecircme ressource du reacute-seau excegravede la capaciteacute de cette ressource il se produit de la congestion La congestionest un pheacutenomegravene indeacutesirable qui met le reacuteseau dans un eacutetat ougrave le service rendu est deacute-gradeacute Cette deacutegradation peut ecirctre seacutevegravere en fonction de lrsquointensiteacute du pheacutenomegravene Poureacuteviter que lrsquoeffet de la congestion empire quand elle apparaicirct TCP integravegre une fonctionde reacutesolution connue sous le nom de controcircle de congestion Le principe est que chaqueeacutemetteur deacutetecte la congestion et diminue son deacutebit drsquoeacutemission Pour se faire le controcirclede congestion srsquoappuie sur la boucle de controcircle constitueacutee entre lrsquoeacutemission drsquoun segmentde donneacutees et la reacuteception de lrsquoacquittement correspondant Le controcircle de congestionagit sur le deacutebit drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur avec une latence lieacutee au Round-Trip delay Time(RTT) Lorsque le produit du RTT avec la capaciteacute drsquoeacutecoulement offerte par le reacuteseau estrelativement important le controcircle de congestion de TCP peine agrave utiliser les ressourcesdu reacuteseau efficacement Ce produit du deacutelai et du deacutebit repreacutesente la quantiteacute de donneacuteesnon acquitteacutees qui peut circuler On peut assimiler ce produit agrave la capaciteacute de stockage dedonneacutees dans le reacuteseau

Ces derniegraveres anneacutees lrsquoaugmentation de la bande passante a fait croicirctre significative-ment cette capaciteacute de stockage En effet comme les deacutelais nrsquoont pas diminueacute dans lesmecircmes proportions la capaciteacute de stockage nrsquoa fait que croicirctre Cette eacutevolution pose undeacutefi au controcircle de congestion de TCP pour maintenir ses performances Cette eacutevolutiona entraicircneacute une activiteacute intense de recherche pour traiter ce problegraveme de produit deacutelai-bande passante pour TCP Ainsi de nouvelles versions du controcircle de congestion de TCPont eacuteteacute eacutetudieacutees pour lrsquoadapter aux speacutecificiteacutes des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockageLong Fat Network (LFN)

Si le stockage important de donneacutees dans le reacuteseau pose un problegraveme pour le controcirclede congestion de TCP qursquoen est-il en pratique dans le cas de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion Pourreacutepondre agrave cette question il faut pouvoir mesurer lrsquoexistant Depuis quelques anneacutees ily a un inteacuterecirct croissant pour la mesure Une science de la mesure sur lrsquoInternet se deacute-veloppe Il faut chercher dans la croissance continue et soutenue de lrsquoInternet ainsi quedans lrsquoabsence drsquoune exploitation coordonneacutee les motivations agrave deacutevelopper la meacutetrologiesur Internet Cette meacutetrologie vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet

Ce chapitre se compose de deux sections theacutematiques La premiegravere section 11 traitede la probleacutematique du controcircle de congestion de TCP utiliseacute sur les reacuteseaux agrave grande

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capaciteacute de stockage La sous-section 111 rappelle le principe du controcircle de conges-tion et sa mise en œuvre dans TCP Dans la partie 112 les problegravemes speacutecifiques ducontrocircle de congestion de TCP appliqueacute dans le contexte des reacuteseaux agrave forte capaciteacute demeacutemorisation sont indiqueacutes Face agrave ces problegravemes des propositions ont eacuteteacute eacutetudieacutees quenous preacutesenterons dans les parties 113 et 114 Pour conclure cette section nous pose-rons dans la sous-section 115 les arguments qui permettent drsquoavancer que lrsquoicircle de LaReacuteunion a une connectiviteacute qui srsquoapparente agrave celle des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de sto-ckageLa seconde section 12 est consacreacutee agrave la meacutetrologie du trafic Internet La deacutefinition et lesmeacutethodologies de la meacutetrologie sont indiqueacutees dans la partie 121 La preacutesentation de lameacutetrologie active sera reacutealiseacutee dans la section 122 suivie par celle de la meacutetrologie pas-sive dans la section 123 La comparaison entre la meacutetrologie active et passive termineracette preacutesentation et sera faite dans la partie 124 Pour conclure ce chapitre une synthegraveseest reacutealiseacutee par la section 13 dans laquelle nous tirons les enseignements pour mener deseacutetudes depuis et vers La Reacuteunion

11 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capa-citeacute de stockage

TCP est un protocole de transport creacuteeacute en 1980 et deacutecrit pour la premiegravere fois dans le[RFC793] il a subi depuis de nombreuses eacutevolutions comme lrsquoindique le [RFC7414] Lesuccegraves de TCP repose sur son service de transmission fiable et ordonneacutee drsquoun flux de don-neacutees asynchrones Crsquoest un protocole fonctionnant de point agrave point et de bout en bout au-trement dit entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur des donneacutees sans concerner les eacutequipementsintermeacutediaires TCP offre un service de communication eacutequivalent agrave un canal virtuel bi-directionnel entre 2 entiteacutes applicatives Le canal de communication se caracteacuterise par satransparence seacutemantique crsquoest-agrave-dire par lrsquoabsence drsquoalteacuteration des donneacutees transfeacutereacuteesPour reacutealiser cette fiabiliteacute de lrsquoeacutechange TCP supervise les eacutechanges de donneacutees par desacquittements (Acknowledgement (ACK)) Cette supervision forme une boucle de controcirclecorrespondant agrave lrsquoeacutemission de donneacutees et agrave la reacuteception de lrsquoacquittement correspondantElle se caracteacuterise par le deacutelai pris nommeacute RTT La correction des donneacutees perdues oualteacutereacutees en cours de transit srsquoeffectue par retransmission de ces donneacutees Si le principe defonctionnement de TCP srsquoeacutenonce facilement sa mise en œuvre est complexe du fait de lanon fiabiliteacute du protocole IP sous-jacent et de la diversiteacute des contextes drsquoutilisation deTCP Lrsquoarticle [Ros2005] deacutetaille les diffeacuterentes caracteacuteristiques du protocole lieacutees agrave lrsquoeacuteta-blissement de connexion la numeacuterotation des donneacutees et agrave la fiabilisation des eacutechanges

Outre lrsquoobjectif de fiabiliteacute TCP a aussi un objectif de performance pour le servicerendu en termes de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capaciteacutes de transmission du reacuteseauPour atteindre cet objectif pour le service TCP integravegre une fonction de controcircle de flux quirepose sur une fenecirctre glissante geacutereacutee par le reacutecepteur Ainsi le deacutebit drsquoeacutemission peut srsquoali-gner sur le deacutebit de reacuteception de sorte qursquoun reacutecepteur lent ne puisse ecirctre satureacute par unexpeacutediteur rapide La speacutecification initiale de TCP a eacuteteacute conccedilue sans prendre en compteles ressources du reacuteseau Cet oubli a eacuteteacute agrave la source de dysfonctionnements seacutevegraveres du reacute-seau comme lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse) [Afanasyev2010] Lafonction de controcircle de congestion vise agrave une prise en compte des ressources disponiblesdu reacuteseau et agrave leurs utilisations efficaces Le controcircle de congestion a susciteacute un travail derecherche intensif et ce sujet reste encore drsquoactualiteacute comme lrsquoindique le [RFC6077]

111 Controcircle de congestion de TCP

Drsquoapregraves [Jain1990] la congestion srsquoexprime par lrsquoeacutequation matheacutematique 11

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sumDemande gt Ressources (11)

Du point de vue drsquoun reacuteseau par commutation de paquets les ressources sont princi-palement les meacutemoires tampon des nœuds de commutation et la capaciteacute de transmissiondes artegraveres de communication La congestion apparaicirct au niveau des nœuds de commu-tation et plus particuliegraverement sur leurs interfaces de sortie La condition pour voir ap-paraicirctre une congestion est laquo si la somme des deacutebits des flux arrivant sur lrsquointerface desortie est supeacuterieure agrave la capaciteacute de transmission du lien en sortie raquo Dans cette situationune file drsquoattente se constitue et quand elle deacuteborde les effets neacutefastes de la congestionse concreacutetisent A savoir que le taux de pertes des paquets augmente dans le reacuteseau cequi se traduit au niveau du service par un deacutebit eacutecouleacute qui chute et un deacutelai de trans-fert qui augmente Dans [Chiu1989] les auteurs montrent que la performance du reacuteseauest lieacutee agrave la charge appliqueacutee au reacuteseau Formellement la charge srsquoexprime comme tauxdrsquoarriveacutee sur le taux de service Informellement la charge repreacutesente la proportion de lademande autrement dit du trafic eacutemis par rapport agrave la capaciteacute de transfert La figure11 illustre lrsquoeacutevolution du deacutebit eacutecouleacute (throughput) et du RTT en fonction de la chargeappliqueacutee au reacuteseau (load) Au deacutebut le deacutebit eacutecouleacute srsquoaccroicirct avec la charge alors queles deacutelais nrsquoaugmentent presque pas On est dans une phase de remplissage des liensLorsque la charge srsquoapproche du taux de remplissage maximum des liens du reacuteseau Ledeacutebit eacutecouleacute nrsquoaugmente presque plus alors que les deacutelais augmentent fortement Crsquoestla phase de remplissage des files drsquoattente Ces deux phases sont seacutepareacutees par un pointcaracteacuteristique qui srsquoappelle le point drsquoinflexion (knee) Lorsque les files drsquoattente sontpleines et que la charge du reacuteseau continue de srsquoaccroicirctre les files drsquoattente vont deacutebor-der Agrave partir de ce point appeleacute le point de retournement (cliff ) le reacuteseau rentre dans lrsquoeacutetatdit drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse)

FIGURE 11 ndash Performance du reacuteseau en fonction de la charge appliqueacutee (Source [Chiu1989])

Lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion est rapporteacute par [Nagle1984] Dans cet eacutetat le reacute-seau enregistre des retransmissions abusives effectue des transferts avec des deacutelais ten-dant vers lrsquoinfini et rend un service avec un deacutebit eacutecouleacute proche de zeacutero Lrsquoeffondrementducirc agrave la congestion srsquoexplique par le gaspillage des ressources utiliseacutees en amont du point

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de perte du paquet La solution agrave lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion reacuteside en lrsquoalignementdu deacutebit de lrsquoeacutemetteur agrave la capaciteacute drsquoeacutecoulement du canal de communication offert parle reacuteseau afin de ne produire aucune perte Ainsi les objectifs assigneacutes au controcircle decongestion de TCP sont drsquoeacuteviter lrsquoeacutetat drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion drsquoallouer eacutequi-tablement les ressources du reacuteseau entres les flux concurrents et drsquooptimiser les perfor-mances obtenues par chaque flux [RFC2914]

Le controcircle de congestion de TCP fonctionne sur le principe de la boucle fermeacutee avecle reacuteseau vu comme une boicircte noire ainsi preacutesenteacute par la figure 12 Apregraves une stimu-lation sous la forme de lrsquoenvoi de paquets lrsquoobservation du comportement de la boicirctenoire agrave ce stimulus sera analyseacute par le controcircleur situeacute dans lrsquoeacutemetteur Le controcircleur rap-proche lrsquoobservation faite en retour du stimulus (feedback) par rapport agrave lrsquoobjectif affecteacuteau controcircleur Celui-ci par reacutetro-action ajustera le nombre des paquets suivants envoyeacutesCet ajustement est le reacutesultat drsquoune fonction de controcircle qui se base sur une perceptionbinaire des retours agrave savoir absence ou preacutesence de congestion

FIGURE 12 ndash Boucle fermeacutee du CC de TCP

Dans [Gevros2001] lrsquoauteur liste les moyens pour effectuer les observations que lrsquoonnomme en fait des notifications dans le contexte des reacuteseaux Les notifications de lacongestion dans le reacuteseau peuvent ecirctre implicites ou explicites Dans le premier caselles sont deacuteduites par lrsquoabsence drsquoACK Lrsquoaugmentation des deacutelais et les pertes des don-neacutees sont des causes possibles pour la non-reacuteception de lrsquoACK A lrsquoinverse lrsquoabsence decongestion est deacuteduite par la reacuteception drsquoun ACK Cette reacuteception autorise lrsquoenvoi drsquounnouveau paquet comme le montre [Jacobson1988-1] Les notifications peuvent ecirctre ex-plicites si les paquets veacutehiculent une marque mise par lrsquoeacuteleacutement congestionneacute commecrsquoest le cas avec la proposition Explicit Congestion Notification (ECN) [RFC3168] Nous re-viendrons sur cette proposition dans la sous-section 113 Lorsque le controcircleur deacuteduitla preacutesence de congestion il reacuteduit le deacutebit drsquoeacutemission de la source Le deacutebit est controcircleacuteagrave lrsquoaide drsquoune fenecirctre appeleacutee la fenecirctre de congestion (Congestion Window (CWND) ω)Elle indique la quantiteacute de donneacutees qui peut ecirctre eacutemise sur un RTT Autrement dit elleindique combien de donneacutees non acquitteacutees peut recevoir le canal de communicationSa taille eacutevolue dans le temps en fonction de lrsquoeacutetat du reacuteseau et selon une fonction decontrocircle Additive Increase and Multiplicative Decrease (AIMD) La fenecirctre drsquoeacutemission uti-liseacutee par un eacutemetteur TCP est le minimum entre la fenecirctre de congestion et la fenecirctreglissante du controcircle de flux Le controcircle de congestion comporte deux phases distinctes[Gevros2001]

mdash La premiegravere phase se nomme eacutevitement de la congestion (congestion avoidance) et sesitue autour du point drsquoinflexion de la figure 11

mdash La seconde phase se nomme reacutesolution de la congestion (congestion recovery) Ellese deacuteclenche quand lrsquoeacutetat du reacuteseau se situe au delagrave du point drsquoinflexion

Dans la phase de congestion avoidance le controcircle de congestion de TCP utilise deux al-gorithmes le deacutemarrage en douceur (slow-start (SS)) et lrsquoeacutevitement de congestion (conges-tion avoidance (CA)) Au deacutebut de la connexion TCP nrsquoa aucune connaissance de lrsquoeacutetat dureacuteseau autrement dit de lrsquoeacutetat du canal de communication entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecep-teur TCP utilise lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur pour sonder le canal Lrsquoobjectif

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est drsquoatteindre le point drsquoinflexion rapidement et sans risquer de congestionner le canalpar des rafales Pour cela lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur va eacutetaler sur plusieursRTT la croissance de la taille fenecirctre de congestion jusqursquoagrave atteindre une estimation dupoint drsquoinflexion Ainsi lrsquoeacutemetteur commence avec une fenecirctre de congestion assez pe-tite et lrsquoouvre au fur et agrave mesure et de plus en plus vite avec lrsquoarriveacutee des acquittementsPlus preacuteciseacutement le rythme de croissance de la taille de la fenecirctre de congestion est surle doublement tous les RTT Quant la fenecirctre de congestion atteint un certain seuil noteacuteslow-start threshold (ssthresh) le deacutemarrage en douceur srsquoarrecircte et lrsquoalgorithme drsquoeacutevite-ment de congestion est maintenant utiliseacute Cet algorithme augmente lineacuteairement et pluslentement que le deacutemarrage en douceur la taille de la fenecirctre de congestion En lrsquoabsencedrsquoindication explicite par le reacuteseau du deacutebit disponible sur le canal de communicationlrsquoeacutemetteur TCP continue de faire le sondage du canal et veacuterifie si le deacutebit eacutecouleacute peut ecirctreencore augmenteacute Pour lrsquoauteur de [Sallantin2014] lorsque la connexion TCP utilise lrsquoal-gorithme drsquoeacutevitement de congestion elle entre alors dans un eacutetat stable Dans cet eacutetat laconnexion doit se deacuterouler avec un deacutebit eacutecouleacute eacuteleveacute Crsquoest une indication que le pointdrsquoinflexion est atteint

La figure 13 donne une repreacutesentation simplifieacutee des eacutetats du controcircle de congestionde TCP Elle indique que lrsquoeacutetat stable peut ecirctre quitteacute si la connexion est libeacutereacutee ou si ily a un eacuteveacutenement de congestion TCP assimile les pertes implicitement agrave un eacuteveacutenementde congestion Lrsquoeacuteveacutenement de congestion fait basculer le controcircle de congestion de TCPdans la phase de reacutesolution de la congestion Dans cette phase la reprise de la perte oudes pertes est effectueacutee et la taille de la fenecirctre de congestion est diminueacutee et ceci afin dediminuer le deacutebit drsquoeacutemission

On distingue deux faccedilons de deacutetecter un eacuteveacutenement de congestion Une meacutethodesrsquoappuie sur la reprise de perte de TCP par retransmission des donneacutees perdues sur ex-piration drsquoun temporisateur (Retransmission TimeOut (RTO)) Une autre meacutethode utilisela caracteacuteristique de TCP qui consiste agrave ce que le reacutecepteur envoie un acquittement agravechaque segment de donneacutees reccedilu en seacutequence Ce segment porte le numeacutero des derniegraveresdonneacutees reccedilues seacutequentiellement Ainsi la reacuteception de donneacutees entraicircnant une rupturede la numeacuterotation en seacutequence geacutenegravere lrsquoeacutemission drsquoun acquittement dupliqueacute (Dupli-cate Acknowledgement (DupAck)) par le reacutecepteur Agrave la reacuteception de trois DupAck parlrsquoeacutemetteur les donneacutees indiqueacutees par la rupture de seacutequencement sont consideacutereacutees per-dues et retransmises sans attendre lrsquoexpiration du RTO Ce principe de retransmissionrapide porte le nom de fast retransmit (FR) Lrsquoalgorithme de reacutecupeacuteration rapide (fast reco-very (FR)) va maintenir la quantiteacute de donneacutees en transit dans le canal de communicationpour eacuteviter lrsquoeacutemission drsquoune rafale lorsqursquoun nouvel acquittement sera reccedilu En lrsquoabsencedu fast recovery agrave la reacuteception drsquoun nouvel acquittement la fenecirctre pourrait se vider parune rafale correspondant agrave des eacutemissions de paquets de donneacutees dos agrave dos sur un deacute-bit supeacuterieur agrave celui du deacutebit drsquoeacutecoulement du canal Ceci aurait pour effet de saturer lecanal et de renvoyer la connexion TCP dans une phase de reacutesolution de la congestion

Lorsque les eacutemissions de lrsquoeacutemetteur sont bloqueacutees par des donneacutees eacutemises et jamaisacquitteacutees le blocage est rompu par le RTO et ceci quel que soit lrsquoeacutetat Les deacutetails dela mise en œuvre des algorithmes du controcircle de congestion TCP sont deacutecrits par le[RFC5681]

Historiquement la version deacutenommeacutee TCP Tahoe incorporait la fonction de controcirclede congestion deacuteveloppeacutee en 1888 Elle comportait les algorithmes de slow-start conges-tion avoidance et de fast retransmit [Jacobson1988-1] La reprise de perte par fast retransmitsouffrait drsquoinefficaciteacute elle a eacuteteacute corrigeacutee avec lrsquoalgorithme du fast recovery Cette versionagrave quatre algorithmes est la version connue sous le nom de Reno et publieacutee la premiegraverefois en 1997 par le [RFC2001] Le couplage fast retransmit - fast recovery souffrait de deacutefauts

13

Deacutebut13

de13

connexion

Deacutemarrage13

en13

douceur

Etat13

stable

FRFR

Fin13

de13

connexion

3 Dupack

nouvel 13

ack

RTO

RTO

cwnd gt ss

tresh

SYN13

SYNACK

FIN-FINACK

FIGURE 13 ndash Etats du controcircle de congestion de TCP

lorsqursquoun eacuteveacutenement de congestion comportait plusieurs pertes Le [RFC2582] apportaitun correctif en 1999 On parla alors de version NewReno du controcircle de congestion En2005 une eacutetude montra que crsquoeacutetait la version du controcircle de congestion de TCP la plusutiliseacutee sur lrsquoInternet [Medina2005] Depuis de nouvelles versions ont eacuteteacute deacuteployeacutees dansles systegravemes drsquoexploitation tels que Windows et Linux appeleacutes respectivement C-TCP[Tan2006] et CUBIC [Ha2008] Dans la section 112 ces versions seront deacutetailleacutees

Le fonctionnement caracteacuteristique du controcircle de congestion de TCP est illustreacute parla figure 14 extraite de [Huston2000] Elle montre lrsquoeacutevolution de la fenecirctre de conges-tion dans le temps (exprimeacutee en terme de RTT) sur un canal de communication virtuelentre 2 stations Il srsquoagit ici drsquoun sceacutenario ideacutealiseacute dans lequel la connexion TCP nrsquoest pasen concurrence avec drsquoautres connexions La congestion se produit toujours agrave la mecircmevaleur de fenecirctre et pour laquelle la file drsquoattente deacuteborde Cette figure montre les deuxcaracteacuteristiques du controcircle de congestion de TCP qui deacutecoulent de la phase drsquoeacutevitementde congestion et de reacutesolution de la congestion et qui sont

mdash Lrsquoagressiviteacute elle provient du sondage du canal de communication LrsquoeacutemetteurTCP va chercher agrave accroicirctre le deacutebit eacutecouleacute en augmentant graduellement son deacutebitdrsquoeacutemission par lrsquoagrandissement de la taille de la fenecirctre de congestion

mdash La reacuteactiviteacute lorsque le canal de communication est plein et qursquoil deacuteborde quandcette perte est deacutetecteacutee lrsquoeacutemetteur TCP reacuteagit et diminue la taille de sa fenecirctre afinde diminuer son deacutebit drsquoeacutemission

Ces deux caracteacuteristiques donnent cette figure en dents de scie de la fenecirctre de conges-tion

112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de sto-ckage

Un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage est un reacuteseau avec un produit deacutelai-bandepassante (Bandwidth Delay Product (BDP)) eacuteleveacute Dans lrsquoouvrage [Peterson2007] lrsquoauteureffectue une analogie du produit deacutelai-bande passante avec un tuyau Le deacutelai corres-pond agrave la longueur du tuyau et la bande passante au diamegravetre du tube Ainsi le BDPest le volume du tube Dans le cas drsquoun reacuteseau informatique le volume du tuyau srsquoex-prime en bits Ainsi lorsqursquoun canal de communication entre un eacutemetteur et un reacutecepteurpreacutesente un produit deacutelai-bande passante important un volume important de bits (autre-ment dit de donneacutees) peut ecirctre eacutemis avant de recevoir une notification Du point de vue

14

FIGURE 14 ndash Eacutevolution caracteacuteristique de la fenecirctre de congestion de TCP

de lrsquoeacutemetteur TCP ce volume de donneacutees injecteacute dans le reacuteseau sont des donneacutees nonencore acquitteacutees Les reacuteseaux qui offrent des canaux de communication avec un pro-duit deacutelai-bande passante important sont nommeacutes en anglais Long Fat Network (LFN) Le[RFC1072] preacutecise qursquoun LFN agrave un produit deacutelai-bande passante supeacuterieur agrave 12 5 Ko

Sachant que le controcircle de congestion de TCP srsquoappuie sur une reacutetro-action selon unepeacuteriode de RTT et que le deacutebit eacutecouleacute maximal est atteint lorsque la fenecirctre drsquoeacutemissionest au moins supeacuterieure au produit deacutelai(RTT)-bande passante du canal de communica-tion lrsquoutilisation de TCP sur un reacuteseau LFN a des conseacutequences neacutegatives sur la perfor-mance Les causes sont agrave chercher du cocircteacute du RTT et du produit deacutelai-bande passante quiprennent tous les deux des valeurs importantesDans le cas du RTT crsquoest le deacutelai de reacuteactiviteacute de TCP qui est impacteacute En effet quandle RTT est eacuteleveacute la dynamique de TCP est ralentie car lrsquoeacutemetteur TCP doit attendre pluslongtemps pour recevoir un ACK et savoir quoi faire par la suite

Pour ce qui concerne le produit deacutelai-bande passante crsquoest le deacutebit eacutecouleacute qui peutecirctre faible par rapport au deacutebit du canal de communication (sa bande passante) La fe-necirctre drsquoeacutemission de TCP nrsquoatteint pas la valeur du produit deacutelai-bande passante lrsquoeacutemet-teur se trouve alors bloqueacute en attente de lrsquoACK pour eacutemettre de nouvelles donneacutees Cespeacuteriodes de blocage concourent agrave faire chuter le taux drsquoutilisation du canal de communi-cation

Par la suite nous allons deacutetailler les conseacutequences de la faible reacuteactiviteacute et drsquoune fe-necirctre drsquoeacutemission importante agrave atteindre sur lrsquoefficaciteacute de TCP La probleacutematique se poseen terme de deacutemarrage de connexion et son implication pour le transfert des flots courtsde taille maximale possible de la fenecirctre de congestion et de reacutesolution de la congestion

Le deacutemarrage de connexion

Le deacutebut des connexions de TCP se fait agrave lrsquoaide de lrsquoalgorithme du deacutemarrage en dou-ceur Nous avons vu preacuteceacutedemment que ce meacutecanisme double la fenecirctre de congestionen un RTT Lorsque la fenecirctre de congestion atteint la valeur seuil ssthresh lrsquoalgorithmedrsquoeacutevitement de congestion est utiliseacute La valeur initiale du seuil est fixeacutee arbitrairementce qui soumet TCP agrave deux problegravemes Le doublement de la fenecirctre de congestion quandelle atteint des valeurs importantes constitue des increacutements avec une granulariteacute de plusen plus grosse Si la valeur de ssthresh est trop grande par rapport au BDP avec un grosincreacutement le deacutepassement du BDP peut conduire agrave eacutemettre trop de paquets causantdes pertes multiples induisant une augmentation de la latence et une reacuteduction du deacute-bit eacutecouleacute Dans le cas ougrave la valeur du ssthresh est trop basse par rapport au BDP la

15

connexion TCP va utiliser preacutematureacutement lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion avecune increacutementation lineacuteaire Ce changement preacutematureacute aura pour conseacutequence une sous-utilisation de lrsquoalgorithme de deacutemarrage en douceur speacutecialement dans le cas ougrave le BDPest tregraves eacuteleveacute [Wang2004]

Le deacutemarrage de connexion est particuliegraverement important pour les flots courts TCP(short lived TCP flow) Un flot court TCP se deacutefinit comme un flot dont la taille est in-feacuterieure ou eacutegale agrave 10 segments TCP [Sallantin2014] La probleacutematique des flots courtsprovient du fait qursquoils nrsquoont pas assez de donneacutees pour quitter lrsquoeacutetape du deacutemarrage endouceur En effet la taille de la fenecirctre de congestion nrsquoa pas le temps drsquoatteindre la va-leur du produit deacutelai-bande passante que la totaliteacute des donneacutees ont eacuteteacute transmises Laconseacutequence est qursquoils ont fonctionneacute avec une fenecirctre de congestion qui est resteacutee rela-tivement petite Dans le cas drsquoun LFN le rapport de la taille de la fenecirctre de congestionsur le produit deacutelai-bande passante tend vers zeacutero et neacutecessite plusieurs RTT Il srsquoensuitque le deacutebit eacutecouleacute est extrecircmement faible De plus si le flot court souffre drsquoun eacuteveacutene-ment de congestion il sera particuliegraverement peacutenaliseacute Il a de fortes chances que la reprisesrsquoeffectue avec un RTO avec un deacutelai maximum de 1 agrave 3 secondes [RFC6298] Ce genrede flots nrsquoa pas toujours assez de donneacutees eacutemises apregraves la perte pour geacuteneacuterer trois Du-pAck et proceacuteder agrave une reprise par fast retransnmit Comme ces flots repreacutesentent drsquoapregraves[Ciullo2009] 90 des flux preacutesents dans lrsquoInternet leur sous-performance sur les LFN estprobleacutematique

La reacutesolution de la congestion

TCP deacutetecte une perte par lrsquoexpiration du RTO ou par la reacuteception de trois DupAckTCP va reacuteagir en deux temps en renvoyant le paquet perdu et en divisant par deux lafenecirctre de congestion Si la taille de la fenecirctre est importante la division par deux vaentraicircner une chute significative de la capaciteacute drsquoenvoi Par rapport au produit deacutelai-bande passante cette division par deux peut entraicircner une sur-reacuteaction de lrsquoeacutemetteur Ledeacutebit eacutecouleacute apregraves un eacuteveacutenement de congestion peut devenir faible et se pose le problegravemede la dynamique de sondage

Dynamique du sondage

TCP a un objectif de performance en terme de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capa-citeacutes de transmission du reacuteseau TCP possegravede un comportement conservateur Avec lafonction de controcircle AIMD TCP aura besoin drsquoun cycle eacutegal agrave ω2 RTT pour reacutecupeacutererune taille de fenecirctre eacutegale agrave celle avant reacuteduction Dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage TCP tend agrave ecirctre trop prudent agrave ouvrir sa fenecirctre de congestion trop lentementLa capaciteacute de stockage importante demande un nombre de cycles important pour quela fenecirctre de congestion puisse couvrir le BDP Durant ce temps il est important de nepas avoir de pertes Lrsquoexemple donneacute par le [RFC3649] preacutesente un reacuteseau agrave une capa-citeacute de 10 Gbits un deacutelai de 100 ms et une taille de paquets drsquoun maximum de 1500octets Cela demanderait un eacutechange drsquoune dureacutee de deux heures environ De plus la to-taliteacute des paquets devront ecirctre transmis dans la dureacutee indiqueacutee preacuteceacutedemment Le tauxde perte maximal permettant lrsquousage de la totaliteacute de la bande passante est de lrsquoordrede 10minus10 Crsquoest un taux de perte irreacutealiste Il faut donc appliquer une autre fonction decontrocircle pour utiliser efficacement la capaciteacute des liens et pour reacutepondre rapidement auxchangements drsquoeacutetats du reacuteseau

16

113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN

Pour rappel dans la partie 111 nous avons vu que le controcircle de congestion de TCPse deacutecoupait en deux phases La premiegravere phase de congestion avoidance comporte les al-gorithmes de sondage alors que la seconde phase dite de congestion recovery comporte lesalgorithmes de reacutesolution de la congestion Nous preacutesentons les propositions qui visentagrave changer le controcircle de congestion de TCP sur ces deux phases pour les adapter auxcontraintes des LFN et donc traiter les problegravemes que nous avons mis en eacutevidence dansla sous-section 112 Lrsquoutilisation de TCP sur des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage asusciteacute des propositions qui sont classeacutees dans le tableau 11 Ces propositions vont ecirctredeacutetailleacutees dans la suite de ce manuscrit

TABLE 11 ndash Tableau de synthegravese des propositions

Phase Problegraveme SolutionsCongestion avoidance Deacutemarrage de

connexionInitial Spreading Reacuteduc-tion du RTO Quick-startJump Start

Congestion recoveryReacutesolution decongestion

MulTCP

Dynamique dusondage

HighSpeed TCP C-TCPBIC CUBIC

Le deacutemarrage de connexion

Lrsquoideacutee de la premiegravere solution est de reacuteduire le nombre de cycles au deacutemarrage drsquounflot Le doublement de la taille lorsque la fenecirctre de congestion vaut 2 segments parexemple conduit agrave un increacutement qui reste faible sur un RTT Le principe de la premiegraveresolution est drsquoaugmenter la taille initiale de la fenecirctre de congestion (Initial Window (IW))[RFC6928] Avec une taille initiale de fenecirctre de congestion eacutequivalent agrave 10 Maximun Seg-ment Size (MSS) lrsquoeacutemetteur peut transmettre degraves le deacutebut de connexion une rafale de 10segments Parmi les avantages de cette solution on peut citer la reacuteduction de la latencedu transfert de donneacutees en consideacuterant que le canal ne sera pas congestionneacute Un des in-conveacutenients de cette solution est la possibiliteacute de congestionner la file drsquoattente du goulotdrsquoeacutetranglement Afin de reacutesoudre ce problegraveme [Sallantin2014] propose lrsquoInitial SpreadingCette proposition combine lrsquoaugmentation de la fenecirctre drsquoeacutemission et le meacutecanisme drsquoes-pacement meacutecanisme limitant la preacutesence de rafales Ces travaux ont fait lrsquoobjet drsquouneproposition aupregraves de lrsquoInternet Engineering Task Force (IETF) [Arnal2014]

La deacutetection drsquoune perte au deacutepart du deacutemarrage en douceur se fait agrave travers lrsquoex-piration du RTO soit trois secondes Pour ameacuteliorer la reprise sur erreur le [RFC6298]propose de reacuteduire la dureacutee du RTO agrave une seconde Cette reacuteduction du RTO autorise uneretransmission plus rapide des paquets perdus et apporte un gain relativement importantpour des flots qui ont une latence tregraves faible comme celle des flots courts

Une autre solution eacutevalueacutee par [Scharf2008-1] et deacutecrite par le [RFC4782] se nommeQuick-start Lrsquoeacutemetteur eacutemet une requecircte contenant le deacutebit drsquoeacutemission qursquoil souhaite uti-liser Chaque nœud traverseacute peut alors accepter rejeter ignorer ou modifier la requecircteen fonction de son deacutebit disponible Pour bien fonctionner ce meacutecanisme de neacutegociationneacutecessite que lrsquoensemble des routeurs traverseacutes aient reacutepondu agrave la requecircte La figure 15compare les performances du deacutemarrage en douceur (en rouge) et de Quick-start sur unteacuteleacutechargement vu depuis le serveur Le serveur a eacutemis deux requecirctes la premiegravere agrave undeacutebit de 8192 Mbits (en vert) et lrsquoautre pour un deacutebit drsquoune valeur de 512 Mbits (en

17

bleu) Lrsquoaxe des abscisses repreacutesente la latence (dureacutee de la connexion) depuis lrsquoeacutemissionde la demande drsquoeacutetablissement de connexion et en ordonneacutee le deacutebit drsquoeacutemission Les deacute-bits ont eacuteteacute calculeacutes agrave partir de la quantiteacute de donneacutees moyenne eacutemises en un RTT Les reacute-sultats montrent des performances supeacuterieures de Quick-start par rapport au deacutemarrageen douceur En effet une requecircte de Quick-start avec un deacutebit suffisamment eacuteleveacute per-met drsquoatteindre rapidement lrsquoutilisation maximale de la bande passante disponible Ledeacutemarrage en douceur limite la croissance du deacutebit drsquoeacutemission On remarque eacutegalementque si la valeur seuil du deacutemarrage est trop basse le deacutebit drsquoeacutemission croicirct beaucoupmoins rapidement (lien en pointilleacute sur la figure 15) Quick-start reste performant sur lesflots courts en appliquant un deacutebit drsquoeacutemission qui sera eacutequivalent agrave un flot long

FIGURE 15 ndash Principe de Quick-Start (Source [Scharf2008-1])

Dans lrsquoarticle [Liu2007] lrsquoauteur preacutesente Jump Start Cette proposition reacutealise uneestimation des donneacutees precirctes agrave ecirctre envoyeacutees ainsi que du RTT Lrsquoobjectif est drsquoeacutemettreles segments de faccedilon reacuteguliegravere en un RTT Ce meacutecanisme srsquoavegravere trop agressif dans lesenvironnements congestionneacutes Le nombre de segments envoyeacutes en un RTT peut ecirctreimportant et ainsi causer de seacutevegraveres deacutegradations de performance

La reacutesolution de la congestion

Quand TCP a atteint lrsquoeacutetat stable et qursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de conges-tion va ecirctre diviseacutee par deux Cette reacuteduction diminuera le deacutebit eacutecouleacute Il est importantpour TCP drsquoecirctre reacuteactif vis agrave vis des pertes Pour cela de nouveaux algorithmes doiventecirctre mis en place dans la phase drsquoeacutevitement de congestion Ces algorithmes devront ecirctrereacuteactifs aux pertes mais sans sur-reacuteagir Ces nouveauteacutes doivent permettre de retrouverrapidement un deacutebit eacutecouleacute important

Lorsque plusieurs flux TCP empruntent une route congestionneacutee ils sont soumis aumecircme taux de pertes Le but eacutetant de reacutepartir eacutequitablement la bande passante dispo-nible Une approche de diminution moins agressive de la fenecirctre de congestion consistea reacutealiser des connexions TCP parallegraveles Lrsquoobjectif est drsquoavoir un flux TCP se comportantcomme lrsquoagreacutegation de plusieurs flux

Dans lrsquoarticle [Crowcroft1998] les auteurs proposent une version du controcircle de conges-tion de TCP qui se comporte drsquoune maniegravere eacutequivalente agrave N sessions TCP parallegraveles Ilsrsquoagit de MulTCP MulTCP geacutenegravere un flux TCP unique ougrave les sessions virtuelles sont reacute-parties uniformeacutement afin drsquoobtenir le reacutesultat maximal en terme de deacutebit Le controcircle decongestion de TCP change lorsqursquoil utilise lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion et qursquoil

18

deacutetecte un eacuteveacutenement de congestion (par deacutetection drsquoau moins une perte drsquoun segmentdans une fenecirctre de congestion) Les eacutequations suivantes sont utiliseacutees dans chacun descas MulTCP

ACK ω larr ω +N

ω

DROP ω larr ω times (1minus 1

2N)

(12)

En eacutevitement de congestion lorsqursquoun ACK est reccedilu MulTCP augmente sa fenecirctre decongestion (ω) de N segments par RTT Lors de la perte de segments (DROP) MulTCPreacuteduit sa fenecirctre de ω(2N) plutocirct que la valeur par deacutefaut de ω2 La figure 16 montrelrsquoeacutevolution de la fenecirctre de congestion de MulTCP par rapport agrave TCP On voit sur la fi-gure 16 que MulTCP a de meilleures performances qursquoun flux TCP normal Lorsque lesperformances sont combineacutees le reacutesultat est supeacuterieur agrave un flux unique

FIGURE 16 ndash Simulation de MulTCP avec N=5 (Source [Huston2006])

Dynamique du sondage

Lrsquoobjectif de lrsquoeacutemetteur de TCP est drsquoenvoyer le plus de donneacutees le plus vite possibleMais agrave condition qursquoelles arrivent sans produire de la congestion sinon les donneacutees se-ront perdues et il faudra les reacute-eacutemettre Il faut eacutegalement tenir compte des autres flotsen partageant eacutequitablement les ressources du reacuteseau Une approche pour traiter le pro-blegraveme de la dynamique du sondage consiste agrave changer la fonction de controcircle de TCP

Lrsquoobjectif de HighSpeed-TCP (HS-TCP) est drsquoatteindre les hauts deacutebits en ayant desperformances comparables agrave TCP classique dans les environnements agrave faible BDP [RFC3649]La version du controcircle de congestion HighSpeed-TCP utilise le meacutecanisme drsquoAdditive In-crease and Multiplicative Decrease combineacute agrave un facteur calculeacute en fonction de la taille dela fenecirctre de congestion tel qursquoindiqueacute par les eacutequations 13 En deccedila drsquoun certain seuilde ω la reacuteponse de HighSpeed-TCP est eacutequivalente agrave TCP Reno HS-TCP est limiteacute durantla phase de deacutemarrage en douceur Durant cette phase HS-TCP peut normalement en-voyer un grand nombre de paquets Lrsquoenvoi drsquoun trop grand nombre de donneacutees risquedrsquooccasionner de la congestion Le [RFC3742] propose de limiter agrave 100 paquets la capaciteacutedrsquoenvoi drsquoHS-TCP durant la phase de deacutemarrage en douceur

ACK ω larr ω +α(ω)

ωDROP ω larr (1minus β(ω))times ω

(13)

19

La figure 17 illustre le comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCPLorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre est moins importante gracircceau facteur β Le retour a la valeur preacuteceacutedente se fait beaucoup plus rapidement qursquoavecReno ou NewReno (en gris clair sur la figure) gracircce au facteur α Ainsi HS-TCP offre unemeilleure utilisation de la capaciteacute disponible sur le lien

FIGURE 17 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCP (Source [Afanasyev2010])

Dans [Tan2006] lrsquoauteur propose une version de TCP alliant lrsquoapproche pro-activeet reacuteactive Une approche pro-active utilise les variations du RTT pour estimer lrsquoeacutetat dureacuteseau Alors qursquoune approche reacuteactive agit quand lrsquoeacuteveacutenement de congestion srsquoest pro-duit Lrsquoobjectif est de maintenir de bonnes performances sur reacuteseaux avec un haut deacutebitet un grand RTT Compound-TCP (C-TCP) maintient deux fenecirctres de congestion Lrsquounecroicirct de faccedilon lineacuteaire mais deacutecroicirct via un certain coefficient en cas de perte La secondefenecirctre est lieacutee agrave lrsquoapproche pro-active de TCP-Vegas [Brakmo1994] La taille de la fenecirctrede congestion reacuteellement utiliseacutee est la somme des deux fenecirctres Lrsquoeacutequation 14 illustrecette addition

ACK ω larr ωreno + ωfast (14)

Si le RTT est bas alors la fenecirctre ωfast va croicirctre rapidement Si C-TCP rencontre uneperte alors ωreno diminuera rapidement pour compenser lrsquoaugmentation preacuteceacutedente deωfast Ce systegraveme cherche agrave garder une valeur constante de la fenecirctre drsquoeacutemission C-TCPutilise efficacement des liens sur les reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage C-TCP est sujetau mecircme deacutefaut que TCP-Vegas sur lrsquoexactitude des mesures RTT Si les flux en concur-rence les uns avec les autres dans le reacuteseau observent des valeurs RTT minimales diffeacute-rentes le flux se voyant un RTT plus eacuteleveacute sera beaucoup plus agressif et injuste pourlrsquoautre flux La figure 18 illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion de C-TCPLa partie convexe de la courbe repreacutesente un fonctionnement plus proche de TCP RenoCela indique donc une valeur de ωfast faible Nous remarquons qursquoapregraves une perte TCPessaye de reacutecupeacuterer rapidement la valeur preacuteceacutedente Lors de pertes multiples la fenecirctrede congestion suit une forme proche agrave ce moment de la courbe de HighSpeed-TCP (voirfigure 17) Ce comportement est la conseacutequence drsquoune valeur eacuteleveacutee de ωfast C-TCP per-met ainsi drsquoatteindre le deacutebit maximum disponible sur le lien tout en lissant sa capaciteacutedrsquoenvoi en se basant sur le RTT C-TCP est la version de TCP installeacutee nativement sur lesystegraveme drsquoexploitation Windows de Microsoft

Lrsquoalgorithme de controcircle de congestion de TCP connu sous le nom Binary IncreaseCongestion control (BIC) vise agrave une convergence rapide [Xu2004] La fenecirctre doit atteindrela taille maximale possible sans qursquoil y ait de pertes Pour cela il met en œuvre une nou-velle fonction du controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion La fonction de controcircle

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FIGURE 18 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de Compound-TCP (Source [Afanasyev2010])

de BIC est structureacutee en trois phases (Additive Increase Binary Search Max Probing) tellesqursquoillustreacutees par la figure 19a Au deacutemarrage de la connexion BIC va increacutementer lineacuteai-rement la fenecirctre de congestion Crsquoest la phase drsquoAdditive Increase

Durant la phase Binary Search BIC va essayer de deacutecouvrir la taille optimale de lafenecirctre de congestion La taille optimale est la taille permettant drsquoeacutemettre le maximum dedonneacutees sans essuyer de pertes Elle se base sur lrsquoeacutetude entre la valeur minimale (ωmin)et la valeur maximale (ωmax) de la fenecirctre de congestion Ces variables vont permettredrsquoaffiner la valeur de la fenecirctre de congestion Au deacutebut de la connexion ωmin est mise agrave1 et ωmax est mis arbitrairement agrave une valeur eacuteleveacutee

Lorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de congestion va ecirctre reacuteduite et prendre pourvaleur la moyenne entre ωmin et ωmax ωmin prend alors pour valeur la taille de la fenecirctrede congestion apregraves reacuteduction et ωmax la valeur de la fenecirctre de congestion avant la perteSi lrsquoeacutecart entre la valeur de la fenecirctre de congestion avant et apregraves la perte est supeacuterieuragrave une constante Smax alors la fonction de controcircle de BIC entre en phase dite AdditiveIncrease Durant cette phase Smax va servir de valeur drsquoincreacutementation pour la fenecirctrede congestion agrave chaque RTT Par la suite et si aucune perte nrsquoest de nouveau deacutetecteacuteela fonction de controcircle de BIC retourne en phase de Binary Search Lrsquoobjectif est de stabi-liser la taille de la fenecirctre aux alentours de la valeur de ωmax rencontreacutee avant la pertepreacuteceacutedente

Lorsque cette valeur est deacutepasseacutee BIC entre dans la phase dite Max Probing Lrsquoaug-mentation de la fenecirctre de congestion est alors lineacuteaire Lrsquoobjectif eacutetant la recherche drsquounnouvel ωmax La figure 19b illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion dansle temps Lors du deacutebut de connexion BIC se comporte comme Reno avec le meacutecanismedu deacutemarrage en douceur Degraves qursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre estalors moins agressive qursquoavec Reno Au centre de la courbe nous remarquons la fonctiondrsquoaccroissement avec les trois phases

BIC est un controcircle de congestion performant dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage Neacuteanmoins BIC peut ecirctre trop agressif pour les flux qui ont des courts deacutelaisCela a pour conseacutequence un partage ineacutequitable de la bande passante disponible avec lesflux qui ont des longs deacutelais

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquoiniquiteacute lieacute au RTT lrsquoalgorithme CUBIC propose dechanger la fonction de controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion pour la rendreplus agressive La fonction retenue est cubique et son eacutevolution est repreacutesenteacutee par la fi-gure 110a Contrairement agrave la figure drsquoaccroissement de BIC (fig 19a) qui comporte troisphases la fonction drsquoaccroissement de CUBIC nrsquoen compte que deux (fig 110a) Sur lafigure 110b on constate que ces deux phases sont preacutesentes tout au long de lrsquoeacutevolutionde la fenecirctre de congestion de CUBIC Ces deux phases ne sont pas forceacutement conseacute-cutives lrsquoune de lrsquoautre Apregraves la deacutetection drsquoune perte CUBIC va essayer de croicirctre le

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(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez BIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 19 ndash Fonctionnement de BIC TCP

plus rapidement possible jusqursquoagrave ωMax Lorsque ωMax est atteint la taille de la fenecirctre vasrsquoincreacutementer lentement Mais plus la valeur drsquoω est eacuteloigneacutee en taille de ωMax plus lacroissance va srsquoacceacuteleacuterer Lrsquoavantage de CUBIC sur BIC est le remplacement la fonction decontrocircle lineacuteaire par une fonction cubique pour plus drsquoagressiviteacute Lrsquoalgorithme CUBICest deacutecrit par le [RFC8312]

(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez CUBIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deCUBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 110 ndash Fonctionnement de CUBIC

114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs

Drsquoautres approches ont eacuteteacute eacutetudieacutees pour aider le controcircle de congestion de TCP Cesapproches impliquent les routeurs et ne reposent plus que sur le principe de bout-en-boutpropre agrave TCP

Explicit Congestion Notification (ECN) vise agrave renforcer lrsquoindication drsquoun eacuteveacutenement decongestion [RFC3168] Avec ECN la congestion est signaleacutee avant que la perte drsquoun pa-quet ne se produise Lors de la reacuteception drsquoun paquet indiquant une congestion lrsquoeacutemet-teur va alors reacuteduire sa fenecirctre de congestion et sa fenecirctre drsquoeacutemission La reacuteduction dela capaciteacute drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur eacutevitera pertes et retransmissions et une reacuteductiondes deacutelais de reprise Lrsquousage de cette option neacutecessite que lrsquoeacutemetteur le reacutecepteur et lesrouteurs du chemin soient capables de geacuterer les notifications explicites Avec ECN lrsquoin-formation de congestion est transmise agrave lrsquoeacutemetteur Aucune indication sur le lieu preacutecisde la congestion est indiqueacutee

eXplicit Control Protocol (XCP) est un protocole de controcircle de congestion utilisantles notifications explicites de deacutebit [Katabi2002] En cela il reprend lrsquoideacutee de Quick-startCependant il se diffeacuterencie par le deacutecouplage opeacutereacute entre la probleacutematique du partageeacutequitable entre les flots et celle de lrsquoefficaciteacute du transfert Dans lrsquoarchitecture de proto-coles XCP se situe entre TCP et IP XCP repose sur un en-tecircte qui va servir aux routeurs

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traverseacutes pour indiquer le deacutebit drsquoeacutemission pour le flot La valeur drsquoadaptation de la fe-necirctre de congestion est calculeacutee agrave partir des informations contenues dans lrsquoen-tecircte XCPXCP propose un controcircle de congestion qui fonctionne sur un reacuteseau 100 XCP Uneseconde limite est lrsquoiniquiteacute avec les autres protocoles de transport Les performancessont fortement deacutegradeacutees si diffeacuterents protocoles de bout en bout sont exeacutecuteacutes dans lemecircme reacuteseau tels que TCP XCP possegravede de mauvaises performances si des routeurs IPclassiques (non-XCP) se trouvent au niveau du goulot drsquoeacutetranglement

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquointeropeacuterabiliteacute Dans [Lopez2006] lrsquoauteur proposeXCP-interoperable (XCP-i) une version XCP qui garde les meacutecanismes de controcircle XCPsans ajouter drsquoeacutetat de flux Lrsquoobjectif drsquoXCP-i est de deacuteployer XCP sur un reacuteseau com-prenant des routeurs XCP et non-XCP Pour cela XCP-i va fonctionner en deux phasesDans une premiegravere phase il va deacutecouvrir les nuages non-XCP Un nuage non-XCP est unensemble de routeurs non capables de traiter XCP En comparant les champs Time-To-Live(TTL) drsquoIP et drsquoXCP le nombre de routeurs non-XCP preacutesents dans le reacuteseau peut ecirctredeacuteduit La seconde phase consiste agrave deacuteterminer les ressources du nuage non-XCP En ra-joutant un champ last_xcp_routeur XCP-i garde en meacutemoire lrsquoadresse du dernier routeurXCP traverseacute Agrave partir drsquoalgorithmes drsquoestimation de bande passante la bande passantedu nuage non-XCP sera estimeacutee entre les deux nœuds XCP La derniegravere phase pour reacutea-liser une inter-opeacuterabiliteacute complegravete entre routeurs classiques et routeurs XCP consiste agraveprendre en consideacuteration la bande passante estimeacutee dans les calculs du feedback de XCPLe protocole XCP-i va creacuteer un routeur XCP virtuel agrave la place du nuage non-XCP Gracirccea ces meacutecanismes un reacuteseau heacuteteacuterogegravene devient virtuellement homogegravene pour XCP Lesperformances de XCP-i sont comparables agrave celle de XCP [Lopez2006] XCP-i reacutesout leproblegraveme drsquointer-opeacuterabiliteacute de XCP sur des reacuteseaux non 100 XCP

Ces solutions preacutesentent le deacutesavantage de devoir ecirctre deacuteployeacutees eacutegalement au seindes routeurs Le principal avantage de ces solutions est une indeacutependance au deacutelai Lesprobleacutematiques lieacutees au deacutelai que lrsquoon a preacutesenteacutees preacuteceacutedemment sont alors inopeacute-rantes Dans le cadre de La Reacuteunion les deacutelais peuvent ecirctre importants

115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion

Lrsquoaugmentation des deacutebits drsquoaccegraves srsquoaccompagne de lrsquoaugmentation de la capaciteacute desliens drsquointerconnexion comme celles des cacircbles sous-marins Malgreacute cette augmentationdes deacutebits le temps de propagation reste inchangeacute Dans cette partie nous deacuteterminonsagrave partir de quel deacutebit un accegraves Internet agrave La Reacuteunion peut ecirctre sujet aux problegravemes ren-contreacutes sur les LFN

Dans la section 21 nous avons vu que La Reacuteunion est raccordeacutee agrave Internet par deuxaccegraves reposant sur des cacircbles sous-marins le SAFE et le LION Le cacircble SAFE est prolongeacutepar le cacircble SAT-3WASC Le temps de propagation (tp) sur un cacircble peut ecirctre estimeacutepar la formule matheacutematique 15 dans laquelle d repreacutesente la distance et c la vitesse depropagation du signal sur le support

tp =d

c(15)

Si nous retenons la route directe entre La Reacuteunion et la France hexagonale qui passepar le plus long des accegraves constitueacute par les cacircbles SAFE et SAT-3WASC Sachant que lecacircble SAFE a une longueur totale de 13 500 km pour aller de lrsquoAfrique du Sud agrave lrsquoAsie Sion fait lrsquohypothegravese que lrsquoicircle de La Reacuteunion se situe agrave une distance eacutequivalente agrave la moitieacutedu cacircble SAFE La longueur du cacircble pour La Reacuteunion est de 6 750 Km La vitesse de

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propagation du signal pour une fibre optique est eacutegale agrave la vitesse de la lumiegravere (299 792Kms) Lrsquoapplication de la formule 15 donne tp1 avec

tp1 = 12times dSAFEc = 22 52ms (16)

tp1 approxime le temps de propagation entre La Reacuteunion et le point de sortie du cacircbleSAFE en Afrique du Sud ou en Asie Pour obtenir le RTT ce temps est agrave doubler Onobtient alors la valeur RTT1 = 45 04 ms

La seconde partie du trajet de lrsquoAfrique du Sud jusqursquoen Europe emprunte le cacircbleSAT-3WASC Drsquoapregraves [Cablesmap] la longueur du cacircble est de 14 350 Km Le temps depropagation entre lrsquoAfrique du Sud et lrsquoEurope noteacute tp2 srsquoexprime comme

tp2 = (dSATminus3WASC)c = 47 87ms (17)

Le RTT sur ce cacircble est de RTT2 = 95 74 msAu total le RTT incompressible pour joindre lrsquoEurope en passant par les cacircbles SAFESAT-3WASC consiste agrave additionner le RTT de chaque cacircble agrave savoir RTT1 et RTT2 Le RTTincompressible est donc minimal de 140 78ms Ce deacutelai comme nous venons de le calcu-ler ne prend en compte que la propagation Il neacuteglige le temps de transmission du paquetainsi que les temps drsquoattente avant la transmission

Lrsquoeacutetude preacutesenteacutee dans[Anelli2012] a mesureacute un RTT minimal pour les paquets quit-tant lrsquoicircle de La Reacuteunion de 185 ms Ce reacutesultat a eacuteteacute obtenu par une eacutetude de mesuresdepuis les locaux de lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion La figure 111 repreacutesente la Probabi-lity Density Function (PDF) des RTT mesureacutes Cette fonction est compareacutee agrave celle qui estobtenue depuis la France hexagonale et de Paris en particulier On constate une forte si-militude sur la forme des courbes La courbe de La Reacuteunion enregistre un deacutecalage dansle temps de 185 ms par rapport agrave celle de Paris Ce deacutecalage repreacutesente le RTT minimummesureacute pour rejoindre la meacutetropole et acceacuteder agrave lrsquoInternet

0

0001

0002

0003

0004

0005

0006

0007

0008

0009

001

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1

Pro

b

RTT (in sec)

From Paris

From Reunion

FIGURE 111 ndash Reacutepartition des deacutelais depuis Paris et lrsquoicircle de La Reacuteunion (Source [Anelli2012])

Si lrsquoon considegravere la valeur de BDP de 12 5 Ko indiqueacutee par le [RFC1072] comme lalimite basse drsquoun LFN et si nous reprenons les diffeacuterentes TAI preacutesenteacutees dans la section21 nous pouvons calculer le produit deacutelai-bande passante drsquoun canal de communica-tion entre La Reacuteunion et la meacutetropole Il est fait lrsquohypothegravese pour ce calcul que le goulotdrsquoeacutetranglement est donneacute par lrsquoaccegraves agrave Internet Le tableau 12 preacutesente les reacutesultats ob-tenus

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TABLE 12 ndash Approximation du produit deacutelai bande passante de la connectiviteacute de LaReacuteunion agrave lrsquoInternet

NomhhhhhhhhhhhhhhhhhhhBande passante

RTT (en secondes)Estimeacute 0141

Mesureacute 0185

Modem56 Kbits 987 o 130 Ko128 Kbits 226 Ko 296 Ko512 Kbits 902 Ko 118 Ko

ADSL1 Mbits 176 Ko 231 Ko8 Mbits 141 Ko 185 Ko20 Mbits 353 Ko 463 Ko

VDSL 50 Mbits 881 Ko 116 Mo

Fibre

35 Mbits 617 Ko 809 Ko100 Mbits 176 Mo 231 Mo200 Mbits 353 Mo 463 Mo

1 Gbits 176 Mo 231 Mo

Le tableau preacutesente en gras les produits deacutelai-bande passante deacutepassant la limite des12 5 Ko Ainsi les reacutesultats sont assez eacuteloquents Degraves que lrsquoon arrive sur un accegraves ADSLavec un deacutebit minimal drsquo1 Mbits nous avons un BDP supeacuterieur agrave la limite fixeacutee par le[RFC1072] Ainsi rapidement lrsquoeacutevolution des deacutebits proposeacutes sur lrsquoicircle et les capaciteacutes descacircbles sous-marins associeacutes agrave un deacutelai eacuteleveacute ont fait de lrsquoInternet reacuteunionnais un reacuteseauqui a les caracteacuteristiques drsquoun LFN

Nous avons vu que TCP est un protocole de transport dont la performance est deacutepen-dante du RTT et du BDP Les deacutelais sont une des caracteacuteristiques des LFN La Reacuteunionest un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage due agrave des deacutelais importants Il est important demesurer pour comprendre lrsquoimpact de cette caracteacuterisation sur les performances de TCP

12 Meacutetrologie du trafic Internet

Avec lrsquoInternet qui devient de plus en plus gros et de plus en plus complexe la meacutetro-logie est une activiteacute qui vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet Nousallons dans cette partie du manuscrit preacutesenter les techniques de meacutetrologie appliqueacuteesagrave lrsquoInternet

121 Deacutefinition

Meacutetrologie est un mot composeacute de deux termes grecs Le premier metron signifie lamesure tandis que logos fait reacutefeacuterence agrave la science Par deacutefinition la meacutetrologie deacutesignela science de la mesure Par la suite le terme meacutetrologie fera uniquement reacutefeacuterence agrave la meacute-trologie appliqueacutee aux reacuteseaux informatiquesLa meacutetrologie signifie donc la mesure des caracteacuteristiques drsquoun reacuteseau sous de nombreuxaspects Cette science est devenue un outil indispensable pour avoir une compreacutehensionde divers aspects de lrsquoInternet On peut citer la complexiteacute la qualiteacute de service et laqualiteacute utilisateur la performance du reacuteseau la performance des protocoles le fonction-nement ou encore la validation des modegravelesLa meacutetrologie Internet englobe deux types drsquoactiviteacutes La premiegravere est lrsquoeacutetude des para-megravetres physiques de la qualiteacute de service La seconde consiste a mettre en eacutevidence lesproblegravemes lieacutes agrave lrsquoInternet [Larrieu2010]

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Dans [Paxson2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoapproche research driven et lrsquoapproche measure-ment driven pour deacutefinir les objectifs drsquoune eacutetude de meacutetrologie Le choix drsquoune approcheva aider une personne souhaitant faire de la meacutetrologie sur la bonne faccedilon drsquoaborderlrsquoeacutetude qursquoelle veut mettre en place

Lrsquoexpression research driven peut ecirctre traduite par axeacutee sur la recherche Elle consisteagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires de lancer les campagnes de mesures et drsquointerpreacuteter les reacute-sultats Une meacutetrique se deacutefinit comme une grandeur mesurable et speacutecifieacutee de maniegravererigoureuse Une bonne meacutetrique doit pouvoir se mesurer de faccedilon reproductible ecirctreutile en pratique pour les utilisateurs et les administrateurs du reacuteseau [RFC2330] Cetteapproche est celle geacuteneacuteralement utiliseacutee par les opeacuterateurs et les groupes de recherchesElle est deacuteveloppeacutee par le groupe de travail IP Performance Metrics (IPPM) de lrsquoIETF Cegroupe de travail a produit de nombreux documents pour deacutefinir les mesures de per-formances Lrsquoapproche research driven comporte un deacutefaut principal En laissant de cocircteacutecertaines meacutetriques des aspects du comportement du reacuteseau ne sont pas eacutetudieacutes Parexemple une eacutetude restreinte aux deacutelais ne peut indiquer les raisons de la variation desdeacutelais dans le temps

Lrsquoapproche measurement driven peut se traduire en la mesure pour la mesure Cettemeacutethode consiste agrave mettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer lemaximum drsquoinformations puis effectuer toutes les analyses possibles sur les traces col-lecteacutees et interpreacuteter les reacutesultats obtenus Une telle meacutethode peut srsquoutiliser lorsque lrsquoonsouhaite mettre en avant le comportement geacuteneacuteral drsquoun lien Cette approche permet agrave ladiffeacuterence de la preacuteceacutedente drsquoanalyser agrave plusieurs reprises une mecircme source de donneacuteesen fonction des reacutesultats obtenus

Le tableau 13 reacutesume les deux approches de conduite de projet en meacutetrologie

TABLE 13 ndash Comparatif entre les approches de meacutetrologie

Research Driven Measurement Driven1 - Meacutetriques deacutefinies preacutealablement2 - Utilisation drsquoun outil adapteacute

1 - Collecte des donneacutees2 - Analyse exhaustive

Ces deux approches sont compleacutementaires lrsquoune de lrsquoautre et srsquoappliquent dans lesdeux classes de techniques de mesures les techniques de mesures actives et les tech-niques de mesures passives

122 Meacutetrologie active

La meacutetrologie active consiste agrave injecter un trafic speacutecifique et agrave mesurer en reacuteceptionlrsquoeffet sur le reacuteseau agrave eacutetudier Lrsquohypothegravese faite par la meacutetrologie active est que la mesurefaite de bout en bout est reacuteveacutelatrice de la performance du service du reacuteseau telle qursquoellepeut ecirctre perccedilue par une application Les paquets eacutemis sont des sondes qui en emprun-tant la route entre la source et la destination expeacuterimentent la performance du canal decommunication Il convient de limiter le trafic des sondes afin qursquoil ne vienne pas pertur-ber le trafic et donc fausser la mesure Les meacutetriques mesureacutees par les mesures activessont geacuteneacuteralement des meacutetriques associeacutees agrave la topologie du reacuteseau ou au trafic commeles routes ou les deacutelais Dans le cas de la meacutetrologie active il se peut que lrsquoeacutemetteur soiteacutegalement le collecteur La figure 112 illustre ce principe

La meacutetrologie active est opeacutereacutee agrave lrsquoaide drsquooutils speacutecifiques de geacuteneacuteration et de collectede sondes Le tableau 14 indique les meacutetriques obtenues avec les outils de meacutetrologiepreacutesenteacutes par la suite

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FIGURE 112 ndash Principe de la meacutetrologie active

TABLE 14 ndash Classement des outils

XXXXXXXXXXXOutilMeacutetriques

RTT Routes Deacutebits

Ping XTraceroute X XParis Traceroute X XReverse-traceroute X XTraceIXroute X XPathchar XClink XIperf X

La mesure du RTT est geacuteneacuteralement obtenue par lrsquooutil ping (Packet Internet Groper)Cet outil se preacutesente sous la forme drsquoune commande dans un systegraveme de type Unix Ellesert en premier lieu agrave veacuterifier la connectiviteacute agrave Internet et lrsquoaccessibiliteacute drsquoun nœud Ensecond lieu avec cette veacuterification le RTT et la longueur de la route exprimeacutee en nombrede sauts sont deacutetermineacutes Elle utilise le protocole Internet Control Message Protocol (ICMP)pour effectuer la mesure Un message ICMP Echo request est eacutemis Le destinataire renvoieagrave lrsquoeacutemetteur un message ICMP Echo reply La peacuteriode qui seacutepare lrsquoeacutemission de la reacuteceptiondu coteacute eacutemetteur est mesureacutee

Pour en savoir plus sur la connectiviteacute drsquoun nœud et notamment sur la route emprun-teacutee pour atteindre une destination donneacutee lrsquooutil traceroute offre le moyen de cette deacute-couverte [Jacobson1989-1] Cet outil se preacutesente comme pour ping sous la forme drsquounecommande de type Unix Son principe de fonctionnement est baseacute sur un envoi successifde messages avec un champ TTL du paquet IP qui va croissant Le routeur qui reccediloit unmessage dont le TTL du paquet a atteint la valeur zeacutero envoie un message ICMP TimeExceeded pour reporter lrsquoerreur agrave lrsquoeacutemetteur Par ce message il indique en adresse sourcelrsquoadresse IP de son interface qui a rejeteacute le paquet Ainsi si un paquet ayant un TTL posi-tionneacute agrave n est envoyeacute vers une destination donneacutee le routeur situeacute agrave n sauts de la sourceva faire connaicirctre son adresse IP et ceci tant que le chemin vers la destination est supeacute-rieur agrave n sauts [Crovella2006] Le reacutesultat est lrsquoensemble des nœuds traverseacutes reacutepondantau protocole ICMP De nouveaux outils utilisant le principe de traceroute furent deacutevelop-peacutes pour reacutepondre agrave drsquoautres probleacutematiques comme la preacutesence des points drsquoeacutechangeou encore lrsquoasymeacutetrie des liens

La reacuteponse afficheacutee par la commande traceroute nrsquoest pas la seule route existanteEn exeacutecutant agrave plusieurs reprises la mecircme commande traceroute les reacuteponses obtenuespeuvent ecirctre diffeacuterentes A cause de lrsquoeacutequilibrage de charge (load-balancing) la sortie drsquounrouteur ne sera pas toujours la mecircme Lrsquoeacutequilibrage des charges sert agrave reacutepartir le traficsur diffeacuterents liens Ainsi il est possible que deux paquets provenant de la mecircme sourcevers la mecircme destination nrsquoempruntent pas la mecircme route Sur la figure 113 les liensphysiques entre les diffeacuterents nœuds sont indiqueacutes en rouge Les traits en pointilleacute repreacute-sentent le chemin emprunteacute par les messages ICMP envoyeacutes par la source La figure 113amontre le reacutesultat trouveacute par traceroute La route emprunteacutee est SRC A D DST

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Traceroute va envoyer 3 paquets avec un champ TTL eacutegal agrave 2 Dans le cas de cet exemplelrsquoensemble des paquets est dirigeacute vers B Ainsi malgreacute lrsquoabsence de liaison physique di-recte entre les nœuds A et D traceroute nous indique la preacutesence drsquoune route entre ceuxdeux eacutequipements Lrsquooutil Paris-traceroute vise agrave traiter ce problegraveme [Augustin2006]La figure 113b montre la route deacutecouverte par Paris-traceroute La route afficheacutee estSRC A C DST On remarque que la route obtenue existe physiquement Pour obte-nir ce reacutesultat Paris-traceroute change le numeacutero drsquoidentification du flux agrave lrsquoeacutemission despaquets ICMP Cette modification oblige les routeurs agrave suivre une seule et unique routeParis-traceroute autorise eacutegalement lrsquoaffichage des numeacuteros de voies logiques MPLS

(a) Traceroute

(b) Paris-traceroute

FIGURE 113 ndash Illustration du pheacutenomegravene drsquoeacutequilibrage des charges

MultiProtocol Label Switch (MPLS) est un meacutecanisme de commutation rapide de pa-quets fondeacute sur des adresses de format fixe et sans structure hieacuterarchique [RFC3031]Ces adresses sont des numeacuteros de voies logiques appeleacutees des eacutetiquettes ou labels (paranglicisme) Dans le cas de lrsquoutilisation de traceroute avec MPLS il faut que le routeurMPLS puisse envoyer un message ICMP Le [RFC4950] documente une simple extensionagrave ICMP pour retourner de lrsquoinformation speacutecifique agrave MPLS autrement dit pour qursquounrouteur MPLS puisse indiquer des informations speacutecifiques agrave MPLS dans le paquet ICMPeacutemis en cas de problegraveme [Donnet2012] a eacutetudieacute les possibiliteacutes offertes par des routeursMPLS

Dans les explicit tunnels la structure interne du tunnel est entiegraverement visible et chaquenœud dans le Label Switched Path (LSP) est marqueacute comme nœud MPLS Dans ce type detunnel le champ ttl-propagate qui est dans lrsquoen-tecircte MPLS des paquets et le [RFC4950] sontappliqueacutes Cela signifie que le champ TTL du datagramme IP est deacutecreacutementeacute agrave chaquerouteur rencontreacuteDans les implicit tunnels le LER drsquoentreacutee active lrsquooption ttl-propagate mais les LSR nrsquoim-pleacutementent pas le [RFC4950] La deacutecreacutementation du TTL est effective mais aucune infor-mation de routeur MPLS nrsquoest visibleDans les opaque tunnels crsquoest lrsquoinverse de lrsquoimplicit tunnels Les routeurs impleacutementent le[RFC4950] Le nœud drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Le TTL est alors deacutecreacute-menteacute agrave la sortie du tunnel MPLS Le paquet ICMP-reply indique quand mecircme lrsquoexistencedrsquoun tunnel MPLSPour les invisible tunnels le LER drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Dans ce casle TTL est deacutecreacutementeacute uniquement lors du dernier routeur du tunnel Le [RFC4950] nrsquoestpas impleacutementeacute par le dernier routeur du LSP Cela implique lrsquoabsence drsquoinformation

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sur le meacutecanisme MPLS au sein des paquets ICMP On nrsquoa alors pas drsquoinformations surlrsquoexistence drsquoun tunnel ICMP sur la route emprunteacutee

Avec lrsquoacheminement avec MPLS des mauvaises valeurs de TTL peuvent ecirctre obte-nues agrave cause du type de tunnel mis en œuvre Il est donc important que le [RFC4950] soitimpleacutementeacute dans les routeurs

FIGURE 114 ndash Taxonomie des configurations de tunnels MPLS et des comportements detraceroute correspondants (Source [Donnet2012] )

Paris-traceroute propose lrsquoaffichage des informations MPLS lorsque celles-ci sont dis-ponibles [Augustin2007] La texte ci-dessous illustre les reacutesultats obtenus par Paris-traceroutesur un Explicit tunnel On y voit lrsquoaffichage des marques MPLS avec le TTL associeacute agravechaque nœud

traceroute [(412131413533456) -gt (818216615733457)]protocol icmp algo hopbyhop duration 3 s1 4121314133 23266 ms 2542 ms 3696 ms2 4121313397 6811 ms 5613 ms 4635 ms3 10322161 5779 ms 6841 ms 4073 msMPLS Label 16445 TTL=1 | 2129964 1032237 2223 ms 2249 ms 2264 msMPLS Label 16386 TTL=2 | 2129965 4121312850 2185 ms 2245 ms 2097 msMPLS Label 16442 TTL=3 | 2129966 10322193 3551 ms 9330 ms 7775 ms7 41213133158 2337 ms 3088 ms 2250 ms8 4121312854 195439 ms 195555 ms 195512 ms9 213242121233 211737 ms 211724 ms 212013 ms10 469148181 234190 ms 234271 ms 234323 ms11 4687222 236854 ms 236798 ms 237063 ms12 213224250110 237108 ms T0 236580 ms T0 236570 msT013 2132242502 237213 ms 236631 ms 236694 ms14 213224201252 239100 ms 239461 ms 238680 ms15 8182166157 250874 ms 249608 ms 248057 ms

Avec traIXroute lrsquoobjectif est de deacutecouvrir les diffeacuterents points de peering (IXP) sur unchemin vers une destination [Nomikos2016] Pour lrsquoidentification des nœuds drsquoeacutechangecette version de traceroute combine deux bases de donneacutees compleacutementaires qui sontPeeringDB [PeeringDB] et Packet Clearing House [PCH] Avec une geacuteolocalisation desadresses retourneacutees la liste des pays traverseacutes peut ecirctre eacutetablie

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Drsquoapregraves [Steenbergen2009] laquo lrsquooutil de deacutepannage numeacutero 1 pour veacuterifier la connec-tiviteacute drsquoun nœud reste traceroute raquo pour les administrateurs reacuteseaux mais laquo les liens asy-meacutetriques sont les fleacuteaux numeacutero un de lrsquooutil raquo car laquo le chemin de retour est entiegraverementmasqueacute raquo Afin de corriger cela lrsquooutil reverse-traceroute propose drsquoobtenir une routenon pas entre la source et la destination mais entre la destination et la source [Katz2010]pour cela lrsquooutil va utiliser lrsquoenregistrement des adresses IP des routeurs sur le chemindu retour agrave lrsquoaide des options drsquoen-tecircte Record-Route et Timestamp drsquoIP

Pour deacuteterminer le deacutebit pathchar [Jacobson1997] vise agrave donner le deacutebit saut par sautvers une destination Aussi il reprend le principe de traceroute en eacutemettant des sondesavec le champ TTL avec une valeur croissante Lorsqursquoil injecte le trafic de sondes vers unnœud du chemin il le fait avec des paquets de taille variable Ainsi pathchar deacuteterminela bande passante disponible entre chaque nœud rencontreacute

Lrsquooutil Clink [Downey1999] est similaire agrave pathchar La diffeacuterence se fait au niveausur le nombre de paquets envoyeacutes Clink envoie un nombre de paquets plus importantque Pathchar Ainsi les mesures reacutealiseacutees par Clink auront une meilleure preacutecision

Iperf [Tirumala2005] est un outil pour mesurer la bande passante et la qualiteacute drsquounlien reacuteseau Ce dernier est deacutelimiteacute par deux machines sur lesquelles est installeacute IperfUne machine tient le rocircle de serveur tandis que la seconde machine sera parameacutetreacuteecomme client

Pour des mesures plus repreacutesentatives il est neacutecessaire drsquoaugmenter les points decollectes Des outils de meacutetrologie active ont eacuteteacute conccedilus pour ecirctre reacutepartis sur plusieursnœuds Ces outils se preacutesentent sous la forme de plates-formes de meacutetrologie active deacute-ployeacutees agrave travers le monde De nos jours on compte de nombreuses plates-formes demeacutetrologie active Comme chaque plate-forme a un objectif preacutecis et pour identifier laplate-forme approprieacutee pour reacutealiser une eacutetude preacutecise lrsquoauteur de [Bajpai2015-1] effec-tue une comparaison des diffeacuterentes plates-formes selon 5 critegraveres qui sont

1 lrsquoeacutechelle la couverture et la dureacutee de vie de la plate-forme

2 le mateacuteriel physique utiliseacute pour la sonde

3 les meacutetriques disponibles

4 lrsquoarchitecture de mesure de la plate-forme

5 lrsquoimpact de son utilisation pour la recherche

De cette comparaison nous avons gardeacute 4 plates-formes que sont Atlas RIPE NCC BIS-Mark DASU SamKnows Ces plates-formes ont eacuteteacute gardeacutees car elles autorisent lrsquoeacutetudedes performances des reacuteseaux drsquoaccegraves Nous y avons ajouteacute les plates-formes Archipe-lago et Planet-Lab Ces deux plates-formes ne font pas partie du document drsquoorigine maisfont lrsquoobjet drsquoune utilisation par de nombreux participants tel que lrsquoindique le nombrede sondes actives de ces deux plates-formes

En 2007 le CAIDA a deacuteployeacute sa propre plate-forme de mesures [Archipelago] Atravers le deployement de nœuds (des sondes dans le vocabulaire de Archipelago) surlrsquoensemble de la planegravete lrsquoobjectif est drsquooffrir des accegraves pour effectuer des mesures avecdes outils tels que ping et traceroute Archipelago est composeacutee agrave la date du 1er Mars2017 de 170 sondes reacuteparties dans 59 pays et sur tous les continents

Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le Regional Internet Registry (RIR) europeacuteen RIPENCC a deacutemarreacute la distribution de sondes pour la creacuteation de la plate-forme Atlas [Ripe2010]Cette plate-forme vise agrave creacuteer un reacuteseau de sondes pour lrsquoeacutetude de la connectiviteacute de lrsquoIn-ternet Composeacutee actuellement de pregraves de 10 000 sondes reacuteparties agrave travers le monde elleest capable drsquoeffectuer des tests de meacutetrologie active autour des commandes ping DNSHTTP NTP traceroute et Paris-traceroute

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Agrave lrsquoinitiative de Georgia Tech la plate-forme Broadband Internet Service Benchmark (BIS-Mark) a vu le jour en 2010 Lrsquoobjectif est la reacutealisation drsquoun eacutetat des lieux des performancesdes accegraves Internet [Sundaresan2011] La plate-forme est composeacutee de 405 routeurs instru-menteacutes avec OpenWrt laquo Le projet OpenWrt est un systegraveme drsquoexploitation Linux ciblantles appareils embarqueacutes OpenWrt fournit un systegraveme de fichiers entiegraverement inscriptibleavec gestion des modules drsquoinstallation de logiciels Cela libegravere la seacutelection et la configu-ration des applications fournies par le fournisseur et permet de personnaliser lrsquoappareilgracircce agrave lrsquoutilisation de progiciels adapteacutes agrave nrsquoimporte quelle application raquo [OpenWrt] Lessondes sont distribueacutees dans 34 pays agrave travers le monde

DASU est un utilitaire deacuteveloppeacute en 2010 agrave lrsquoUniversiteacute de Northwestern Le logicielcouple meacutetrologie active et passive avec pour objectif de caracteacuteriser les performancesdes utilisateurs Lrsquooutil fut deacuteveloppeacute comme une extension drsquoun logiciel peer-to-peer Bit-Torrent [Sanchez2013] Depuis Juillet 2010 plus de 90 000 personnes reacuteparties agrave travers147 pays utilisent DASU

En 2003 des chercheurs ameacutericains ont deacuteployeacute une plate-forme de test Planet-Lab[Chun2003] En 2008 une extension europeacuteenne [PlanetLabEurope] a vu le jour Planet-Lab deacutepasse le seul objectif de meacutetrologie elle vise aussi de tester des nouveaux servicesde communication en situation reacuteelle Les nœuds Planet-Lab ont pour Operating System(OS) Fedora Il est possible drsquoinstaller nrsquoimporte quel logiciel du moment qursquoil est com-patible avec cet OS Avec une certaine liberteacute il est possible drsquoeffectuer des tests et desmesures depuis 425 sites reacutepartis sur tous les continents

La plate-forme SamKnows a vu le jour en 2008 [SamKnows] SamKnows sert agrave lrsquoeacutetudedes performances des connexions des particuliers et des entreprises Elle est composeacuteede pregraves de 440 000 sondes Cette infrastructure est partenaire de 36 Fournisseurs drsquoAccegravesInternet (FAI) de tous les continents

Le tableau 15 reacutesume les possibiliteacutes offertes par les plates-formes La colonne Impactsur la recherche est deacutetermineacutee agrave partir du nombre de citations par des articles scientifiquessuivis par le site Google Scholar

La plate-forme de mesures Atlas RIPE NCC [Ripe2010] a eacuteteacute utiliseacutee dans le contexteinsulaire de Cuba Dans lrsquoarticle [Bischof2015] lrsquoauteur cherche agrave caracteacuteriser lrsquoaccegraves In-ternet cubain Dans ses reacutesultats lrsquoauteur a montreacute une forte asymeacutetrie des routes in-ternationales pour le trafic cubain Drsquoun point de vue de la topologie physique cette icirclepossegravede une connectiviteacute qui peut par certains aspects ressembler agrave de celle de lrsquoicircle de LaReacuteunion

Lrsquoicircle de La Reacuteunion bien que Franccedilaise est rattacheacutee administrativement au RIR dela zone Afrique (AfriNIC) LrsquoAfriNIC est le dernier RIR creacuteeacute et les eacutetudes de meacutetrolo-gie concernant cette zone sont peu nombreuses Nous pouvons citer [Gupta2014] qui sepenche sur lrsquointerconnexion des FAI sur le continent africain Cette eacutetude montre que leseacutechanges de paquets ne se font pas au sein du continent africain mais en Europe La rai-son avanceacutee par lrsquoauteur est un coucirct drsquointer-connexion infeacuterieur en Europe Ces regravegles deroutage on des conseacutequences sur les deacutelais et donc sur les performances sur le servicede transport rendu par TCP Ces reacutesultats ont eacuteteacute confirmeacutes par [Fanou2015] Cette eacutetudesrsquointeacuteresse en plus agrave la stabiliteacute des routes Les reacutesultats ont montreacute que les chemins afri-cains restent stables sur une longue dureacutee Pour les auteurs lrsquoeacutemergence de nouveauxpoints drsquoeacutechanges sur le continent doit aider agrave la reacuteduction des deacutelais agrave conditions queles coucircts drsquointerconnexion soient proches de ceux pratiqueacutes en Europe

Enfin lrsquoarticle [Chavula2017] publieacute en 2017 preacutesente la latence pour les transferts defichiers agrave partir de 53 pays africains diffeacuterents Ces mesures srsquoappuient sur la plate-formeRIPE Atlas [Ripe2010] et Speedchecker [Speechecker] Agrave partir des mesures reacutealiseacutees les

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TABLE 15 ndash Tableau des plates-formes de mesures de meacutetrologie active

Nom Nombre desondes deacuteployeacutees

Meacutetriques dispo-nibles

Impact sur la re-cherche

Archipelago ~200 Longueur duchemin RTTDNS Autono-mous System(AS)

109

Atlas RIPE NCC ~12 000 RTT RouteHTTP GET etrequecirctes SSL

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BISMark ~420 RTT taux depertes deacutebiteacutecouleacute tempsde chargementdrsquoune page web

304

DASU ~100 000 Informations surles flux TCP RTTroutes emprun-teacutees reacutesolutionDNS HTTP GETdeacutebit eacutecouleacute

84

PlanetLab ~400 1218SamKnows ~70 000 RTT deacutebit

eacutecouleacute deacutebitutile giguetaux de perteperformance decertains services

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auteurs avancent que lrsquoAfrique est un continent ineacutegalitaire en terme de latence intra etinter pays Ils ont conclu que lrsquoexistence drsquoune faible latence entre deux FAI drsquoun mecircmepays provient drsquoaccord de peering au sein drsquoun IXP heacutebergeacute soit par le pays concerneacutesoit par un pays voisin

123 Meacutetrologie passive

La meacutetrologie passive a pour objectif la mesure des flots de paquets agrave partir drsquounpoint particulier du reacuteseau appeleacute le point de collecte Elle consiste agrave eacutecouter captureret analyser les paquets IP La figure 115 illustre le principe de la meacutetrologie passiveElle montre que le point de collecte nrsquoest pas forceacutement localiseacute du coteacute eacutemetteur oureacutecepteur Les paquets IP transitant par le point de collecte sont captureacutes et sauvegardeacutesOn appelle alors les fichiers contenant les paquets IP collecteacutes des traces Les mesurespassives peuvent ecirctre effectueacutees agrave diffeacuterents niveaux de granulariteacute

Au niveau microscopique les mesures passives tendent agrave eacutetudier les flots au niveaude la connexion de transport On peut par exemple eacutetudier le nombre de paquets per-dus durant une connexion TCP Au niveau macroscopique les mesures passives sonteffectueacutees sur des meacutetriques agreacutegeacutees comme le deacutebit eacutecouleacute total ou le nombre total deconnexions

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FIGURE 115 ndash Principe de la meacutetrologie passive

La meilleure faccedilon de reacutealiser des mesures passives au niveau microscopique est decapturer tous les paquets traversant le point de collecte Mais comme il est difficile decapturer tous les paquets lorsque le deacutebit du lien est eacuteleveacute il faut avoir recours agrave lrsquoeacutechan-tillonnage du trafic Dans ce cas les mesures ne sont pas faites sur la totaliteacute des pa-quets traversant le point de collecte mais sur un sous-ensemble bien speacutecifique de cespaquets Le groupe de travail Packet Sampling (PSAMP) de lrsquoIETF travaille sur un algo-rithme drsquoeacutechantillonnage adapteacute au trafic Internet [PSAMP]

Une combinaison entre lrsquoanalyse des deux granulariteacutes est capable de donner uneeacutevaluation reacuteelle du trafic Les informations que lrsquoon peut obtenir par la meacutetrologie pas-sive sont nombreuses Elles reposent sur lrsquoeacutetude des informations contenues dans le da-tagramme IP que ccedila soit dans lrsquoen-tecircte du datagramme IP ou dans celle du message duprotocole de transport Les meacutetriques sont eacutegalement deacutependantes des outils utiliseacutes Onpeut classer les meacutetriques en deux cateacutegories que sont la supervision et la performance

La supervision donne des informations sur le fonctionnement du reacuteseau et la carac-teacuterisation du trafic On peut ainsi eacutetudier les diffeacuterents services et protocole de transportutiliseacutesLa performance se rapporte agrave celle du protocole de transport crsquoest-agrave-dire son fonction-nement ou sur lrsquoanalyse des flots par rapport soit agrave la composante temporelle ou soit agravela composante seacutemantique On peut alors comparer le deacutebit drsquoaccegraves theacuteorique et le deacutebitmesureacute Pour cela on va eacutetudier le taux de perte le RTT et la MSS

La meacutethode de capture peut reposer sur des eacutequipements mateacuteriels deacutedieacutes ou par unsystegraveme logiciel fonctionnant sur un eacutequipement standard Le logiciel srsquoappuie majori-tairement sur la bibliothegraveque Libpcap [Jacobson1989-2] Cette bibliothegraveque capture lespaquets reccedilus mais elle srsquoutilise eacutegalement en lisant des traces de paquets preacutealablementcaptureacutes Le problegraveme principal des solutions logicielles viennent de la vitesse des liensPlus le lien a un deacutebit eacuteleveacute plus la capture au niveau logiciel devient difficile Il fautalors se tourner vers des solutions de mateacuteriels deacutedieacutes La carte DAG [Graham1997] deacute-veloppeacutee par lrsquoeacutequipe [WAND] de lrsquoUniversiteacute de Waikato en Nouvelle Zeacutelande en est unparfait exemple Cette carte de capture est capable de capter les paquets sur des liens detregraves haut deacutebit Ce mateacuteriel se charge drsquoextraire les entecirctes des paquets de les estampillersuivant une horloge synchroniseacutee et de les stocker sur un disque dur

Lrsquoanalyse des donneacutees est reacutealiseacutee selon deux techniques temps reacuteels ou Batch Leprincipe du temps reacuteel est de pouvoir reacutecupeacuterer extraire et restituer de lrsquoinformation entemps reacuteel sur des flux continus de donneacutees Le mode Batch va englober tous les traite-ments de donneacutees neacutecessitant un temps de calcul plus conseacutequent Le premier proceacutedeacutese propose drsquoanalyser agrave la voleacutee ce qui se passe dans le reacuteseau par le branchement drsquouneacutequipement drsquoeacutecoute sur le reacuteseau On se concentre alors sur la performance du lien Desoutils comme Tstat [Mellia2005] ou Netflow [Claise2004] reacutealisent ce genre drsquoanalyse La

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seconde technique se deacutecompose en deux phases distinctes que sont la capture et lrsquoana-lyse La premiegravere eacutetape est de reacutealiser la capture du trafic appeleacutee des traces Des outilscomme TCPDump [Jacobson1989-1] ou Wireshark [Chappell2010] peuvent enregistrerdes traces sous format DUMP ou PCAP La seconde phase consiste agrave analyser les tracescollecteacutees Les formats de sortie des donneacutees analyseacutees sont deacutependants des outils Lesinformations peuvent ecirctre retranscrites au format texte ou graphique Des outils commeTCPTrace [Ostermann2000] ou TCPStat [Herman2001] peuvent effectuer ce genre drsquoana-lyse de donneacutees Crsquoest avec cette technique qursquoil est possible drsquoeacutetudier les performancesdrsquoun protocole

Il nrsquoexiste pas de plate-forme drsquoaccegraves publique reacutealisant des captures de trafic au ni-veau international Malgreacute cela des traces collecteacutees sont disponibles sur Internet agrave desfins de recherche Dans [Allman2007] les auteurs preacutesentent les regravegles agrave respecter avantde publier des traces Un point est agrave souligner et concerne les adresses IP des paquets Lanon-anonymisation des adresses IP constitue une violation de la vie priveacutee de plus ellepreacutesente un risque drsquoinseacutecuriteacute pour les machines impliqueacutees par les paquets captureacutesCAIDA gegravere un deacutepocirct de partage et propose drsquoacceacuteder agrave des traces collecteacutees agrave traversplusieurs points drsquoeacutechange ameacutericains Pour y acceacuteder il faut indiquer la finaliteacute de lrsquouti-lisation des traces demandeacutees Drsquoautres plates-formes deacutedieacutees agrave des projets ont eacuteteacute misesen place agrave travers le monde

Le projet IPMon de lrsquoopeacuterateur ameacutericain SPRINT consiste agrave identifier les problegravemesdrsquoun reacuteseau deacutejagrave deacuteployeacute afin de pouvoir anticiper son eacutevolution future[IPMon] Danslrsquoarticle [Fraleigh2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoinfrastructure de mesure qui est deacuteployeacutee endivers points du reacuteseau de lrsquoopeacuterateur Les premiers reacutesultats publieacutes dans [Fraleigh2003]ont montreacute une utilisation de plus en plus importante par du trafic multimeacutedia sur le pro-tocole TCP De plus les flots TCP preacutesentent des performances eacuteleveacutees avec des taux dedeacute-seacutequencement faibles et un deacutelai minimal proche du temps de propagation

Le projet METROPOLIS srsquoest inspireacute du projet IPMon Il srsquoagit drsquoun projet franccedilaisavec des points de mesures sur deux types de reacuteseaux Internet diffeacuterents RENATER etle reacuteseau ADSL de France Teacuteleacutecom laquo Lrsquoobjectif de METROPOLIS eacutetait de concevoir denouvelles meacutethodologies pour la meacutetrologie des reacuteseaux IP raquo [METROPOLIS] Dans lecadre de ce projet un outil de caracteacuterisation et drsquoanalyse des traces fut deacuteveloppeacute Cenouvel outil srsquointitule ZOO Une preacutesentation de lrsquooutil sera reacutealiseacutee dans la sous-section322 Les reacutesultats ont mis une eacutevidence lrsquousage preacutedominant du protocole de transportTCP Les applications de type peer-to-peer repreacutesentaient plus de 80 du trafic eacutetudieacute

La position geacuteographique de La Reacuteunion et son rattachement au RIR AfriNIC attirentnotre attention sur les travaux de meacutetrologie passive africains La carte [AfterFibre] preacute-sente les reacuteseaux fibres terrestres et maritimes lieacutes au continent africain On voit ainsi queles reacuteseaux sont ineacutegalement reacutepartis sur le territoire La grandeur du continent et les in-terconnections preacutesentes font du territoire un espace drsquoeacutetude inteacuteressant Crsquoest pourquoide nombreux chercheurs privileacutegient lrsquoeacutetude de la connectiviteacute et des performances delrsquoInternet africain

Dans lrsquoarticle [Johnson2011] une eacutetude sur une zone rurale connecteacutee par satelliteest reacutealiseacutee Les reacutesultats ont montreacute que le trafic est principalement composeacute de fluxweb dont une forte proportion pourrait ecirctre mise en cache Au niveau des deacutelais le RTTmoyen sur la peacuteriode de mesure varie entre 3 et 10 secondes Ce deacutelai rend lrsquoutilisationdes applications temps-reacuteel difficile Le dernier reacutesultat notable de cette analyse est lapreacutesence de trafic geacuteneacutereacute par des logiciels malveillants (malware) Des attaques pour listerles ports UDP et TCP ouverts ont eacuteteacute remarqueacutees

En 2015 les auteurs de [Zheleva2015] ont eacutetudieacute les performances du reacuteseau et le com-portement des usagers apregraves une augmentation de la bande passante en Zambie Lrsquoun des

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premiers reacutesultats indique une augmentation de plus de 58 de la quantiteacute des donneacuteeseacutechangeacutees Au niveau des performances ils ont pu eacutegalement remarquer une tregraves leacutegegraveredeacutegradation du canal de communication avec un taux de retransmission en hausse Cepourcentage est passeacute de 1 12 agrave 1 16 Le dernier reacutesultat noteacute porte sur lrsquoaugmenta-tion du RTT moyen de plus de 100 passant de 0 1436 s agrave 0 3190 s Lrsquoaugmentation dela bande passante a permis lrsquoaccegraves agrave de nouveaux services entraicircnant des changementspour les usagers

Dans [Fanou2016] lrsquoauteur srsquointeacuteresse aux services proposeacutes et compare la localisa-tion des serveurs Le premier reacutesultat montre lrsquoexternalisation continentale de nombreuxserveurs Ceci a pour conseacutequence drsquoaugmenter les deacutelais et de deacutegrader la performancedu service de communication Il faut pour lrsquoauteur arrecircter de raisonner en terme drsquoin-frastructure mais plus en terme de service et mettre lrsquoutilisateur au centre du systegravemePour cela il propose de rapatrier les services sur le territoire et drsquoaugmenter les accordsdrsquoeacutechanges entre les opeacuterateurs continentaux

Enfin dans [Johnson2016] les auteurs srsquointerrogent sur les faibles performances deTCP en Afrique La preacutesence de zone reculeacutees avec des accegraves satellitaires poussent lesdeacutelais vers des valeurs allant au delagrave des 400 ms Ces longs deacutelais sont agrave rapprocher desdeacutebits faibles De plus une expeacuterimentation sur les performances de TCP en fonction dusystegraveme drsquoexploitation a eacuteteacute meneacutee Les reacutesultats ont mis en eacutevidence que le systegraveme Li-nux avec la version TCP CUBIC est moins sensible au long deacutelais La solution proposeacutee auproblegraveme de la diffeacuterence de connectiviteacute agrave travers le continent est la creacuteation drsquoune ingeacute-nierie reacuteseau (liaison physique protocole de transport nouveau service) tenant comptedu contexte Africain

124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives

La meacutetrologie active et la meacutetrologie passive preacutesentent des points communs et despoints de divergences Une fois des objectifs fixeacutes et au moment du choix de la meacutethodeil est important de connaicirctre les avantages et les inconveacutenients lieacutes agrave chaque type demesure Le tableau 16 reacutecapitule syntheacutetiquement ce qui vient drsquoecirctre preacutesenteacute

TABLE 16 ndash Comparatif entre mesures actives et mesures passives

Meacutetrologie Active Meacutetrologie Passive

Avantages

1 - Pour la mesure directe des pa-ramegravetres de QoS principalementle deacutelai le taux de pertes et lagigue

1 - Non intrusives2 - Permettent une mesure directedes paramegravetres utiliseacutes dans lrsquoin-geacutenierie des reacuteseaux

Inconveacutenients

1 - Intrusives le trafic de mesurepeut dans certains cas fausser lesmesures elles-mecircmes2 - Le fait que certains adminis-trateurs et entreprises bloquentou limitent le trafic ICMP peutfausser les reacutesultats obtenus parles techniques actives car ces der-niegraveres font souvent usage de ceprotocole

1 - Elles sont locales (relatives agraveun lien) et il est difficile de leseacutetendre agrave la globaliteacute du reacuteseau2 - Elles ne permettent pas la me-sure directe des paramegravetres deQoS3 - Elles neacutecessitent des ressourcesdisque et meacutemoire vive impor-tantes

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13 Synthegravese

Ce chapitre a rappeleacute le fonctionnement du controcircle de congestion de TCP Le controcirclede congestion de TCP vise agrave maximiser lrsquoutilisation des ressources et agrave maximiser le deacute-bit utile eacutecouleacute de la connexion Ce controcircle est reacutegi par une boucle fermeacutee caracteacuteriseacuteepar un RTT Plus le deacutelai est eacuteleveacute moins TCP est susceptible de reacuteagir dynamiquementaux eacuteveacutenements de congestion Lorsque le produit du RTT et de la capaciteacute du canalde communication est trop important TCP peine agrave atteindre les objectifs preacuteceacutedemmentpreacutesenteacutes Lrsquoaugmentation progressive de la bande passante sans diminution des deacutelais apour effet lrsquoaugmentation de la capaciteacute de stockage des liens Cet accroissement a uneffet neacutegatif sur les performances de TCP Cet effet neacutegatif impacte le deacutemarrage deconnexion les flots courts la reacutesolution de la congestion et la dynamique du sondagePour diminuer lrsquoeffet de la capaciteacute de stockage des liens sur les performances de TCPde nouveaux controcircles de congestion furent deacuteveloppeacutes Chaque nouvelle version ducontrocircle de congestion ambitionne de reacutesoudre une agrave plusieurs probleacutematiques des reacute-seaux agrave forte capaciteacute de stockage Le deacutemarrage de connexion et les flots courts ont dessolutions communes comme une augmentation de la capaciteacute drsquoeacutemission de TCP agrave lrsquoini-tialisation de la connexion ou la reacuteduction du RTO Les probleacutematiques de reacutesolution decongestion et de dynamique de sondage ont permis la creacuteation de nouvelles versions ducontrocircle de congestion de TCP Ces versions de TCP sont des solutions de bout-en-boutDrsquoautres solutions neacutecessitent un changement de paradigme et lrsquointeraction avec les rou-teurs Ces solutions ont lrsquoavantage drsquoecirctre reacuteactives mais neacutecessitent la mise agrave jour deseacutequipements intermeacutediaires du reacuteseau

Le localisation geacuteographique de La Reacuteunion au milieu de lrsquooceacutean indien place lrsquoicircledans une situation ougrave la capaciteacute de stockage du reacuteseau peut ecirctre importante Nous avonsainsi estimeacute cette capaciteacute agrave lrsquoaide des deacutebits theacuteoriques des accegraves et les deacutelais de propa-gation estimeacutes et mesureacutes Les reacutesultats obtenus ont mis en eacutevidence une capaciteacute destockage autorisant la caracteacuterisation de lrsquoInternet reacuteunionnais comme un reacuteseau agrave fortecapaciteacute de stockage Lrsquoimpact de cette capaciteacute de meacutemorisation nrsquoa pas encore eacuteteacute me-sureacute Crsquoest pourquoi nous nous sommes concentreacutes sur la meacutetrologie Internet

La meacutetrologie active est une science invasive en injectant des paquets dans le reacuteseauLa meacutetrologie active mesure directement des paramegravetres de qualiteacute de service comme lesdeacutelais les routes le taux perte et la gigue Nous avons vu que des outils sont en capa-citeacute de mesurer deux meacutetriques simultaneacutement Certains outils peuvent ecirctre distribueacuteset ainsi former des plates-formes de mesure Ces plates-formes offrent la possibiliteacute auxpersonnes inteacuteresseacutees du monde entier de geacuteneacuterer des donneacutees de mesure agrave travers lemonde Les performances de TCP sont deacutependantes du deacutelai Les deacutelais sont eux-mecircmedeacutependants des routes physiques et logiques emprunteacutees Il est donc important drsquoeacutetudierces deux paramegravetres Connaissant nos besoins nous utiliserons lrsquoapproche research drivenpour lrsquoeacutetude de meacutetrologie active Lrsquoapproche research driven est une approche consistantagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires agrave lrsquoeacutetude Notre eacutetude de meacutetrologie active est preacutesenteacutee dansle chapitre 2

La meacutetrologie passive permet une mesure directe des paramegravetres utiliseacutes Cette classede meacutetrologie est centreacutee sur un lien de mesure Elle utilise lrsquoeacutecoute et la capture desdatagrammes IP La meacutetrologie passive eacutetudie la caracteacuterisation du trafic et la perfor-mance des protocoles Nous avons vu que des outils sont en capaciteacute de reacutealiser les deuxeacutetudes en parallegravele Ne pouvant reacutealiser des eacutetudes de meacutetrologie passive agrave distance denombreux chercheurs ont mis agrave disposition de la communauteacute scientifique des donneacuteespubliques La litteacuterature scientifique propose un grand nombre de meacutetriques pour lrsquoeacutetudedes performances du protocole de transport TCP et de la supervision du trafic Afin de

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ne pas nous concentrer sur une meacutetrique en particulier nous faisons le choix de ne pasdresser une liste de meacutetriques Notre eacutetude de meacutetrologie passive que nous preacutesente-rons dans le chapitre 3 utilisera lrsquoapproche measurement driven Cette approche consiste agravemettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer le maximum drsquoinforma-tions puis drsquoeffectuer toutes les analyses possibles sur les donneacutees collecteacutees Neacuteanmoinsla meacutetrologie passive souffre de deux faiblesses essentielles (1) elle reste locale et il estdifficile drsquoeacutetendre les reacutesultats agrave la globaliteacute du reacuteseau (2) au niveau microscopique lescaptures aboutissent tregraves rapidement agrave des volumes de traces colossaux

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Chapitre 2

Caracteacuterisation de la connectiviteacute deLa Reacuteunion

Le rapport [Mediametrie2018-2] sur lrsquoaccegraves Internet agrave La Reacuteunion a montreacute que 856de la population reacuteunionnaise de plus de 13 ans srsquoest deacutejagrave connecteacutee agrave Internet 747 deces personnes sont des usagers reacuteguliers En comparaison le rapport [Mediametrie2018-1]montre qursquoaux alentours de 68 de la population franccedilaise meacutetropolitaine se connectequotidiennement Ces sondages montrent lrsquointeacuterecirct pris par lrsquoInternet pour la populationreacuteunionnaise

En 2013 une eacutetude de meacutetrologie reacutealiseacutee par BinarySec vise a effectuer un classementdes fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion Dans le rapport associeacute [Vergoz2013] 9meacutetriques sont preacutesenteacutees Parmi elles le deacutebit descendant moyen est mesureacute agrave 9 36MbsEn comparaison le deacutebit descendant moyen en France meacutetropolitaine mesureacute par[Akamai2015] srsquoeacutelegraveve agrave 8 2 Mbits Akamai utilise la plate-forme Intelligent PlatformTM

pour reacutecolter des donneacutees dont le deacutebit reacuteel La Reacuteunion posseacutedait ainsi un meilleurdeacutebit descendant que la France meacutetropolitaine Le deacutebit moyen franccedilais preacutesenteacute par[Akamai2017] est de 10 75 Mbits Le deacutebit descendant minimum reacuteunionnais mesureacutepar [nPerf2017] est de 18 63 Mbits Ainsi lrsquoeacutecart entre les deacutebits franccedilais et reacuteunionnaissrsquoest accentueacute Malgreacute un deacutebit plus eacuteleveacute La Reacuteunion preacutesente des deacutelais plus eacuteleveacutesque la France

Lrsquoeacutevolution des deacutebits pose la question sur lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis la derniegraverecampagne de mesure La figure 111 montre des deacutelais plus importants agrave La Reacuteunion qursquoagraveParis Lrsquoobjectif de ce chapitre est drsquoeacutetudier lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis 2012 On srsquointeacute-resse eacutegalement agrave la connectiviteacute de La Reacuteunion en terme de deacutelai et de routes Lrsquoasymeacute-trie des liens est une chose courante dans lrsquoInternet Les questions que lrsquoon se pose de-puis La Reacuteunion doivent eacutegalement ecirctre poseacutees lorsque lrsquoon essaye de joindre lrsquoicircle Dansce chapitre nous allons explorer la connectiviteacute de La Reacuteunion Pour cela nous avonsmis en place un protocole de mesures se basant sur notre propre plate-forme de mesuresrespectant la reacutepartition des destinations Notre plate-forme a pour objectif lrsquoeacutetude desroutes et des deacutelais speacutecifiques de lrsquoicircle par rapport agrave son accegraves Internet via les cacircblessous-marins

Une seconde question est alors apparue Est-ce que ces speacutecificiteacutes sont uniquementcelles de La Reacuteunion ou alors communes aux icircles de la Zone Oceacutean Indien

Dans la section 21 nous preacutesentons les objectifs de notre eacutetude de meacutetrologie et lescontraintes associeacutees Afin de reacutepondre agrave ces contraintes un cahier des charges est preacute-senteacute dans la section 22 Le protocole drsquoeacutetude est deacutecrit dans la section 23 Les reacutesultatsobtenus pour La Reacuteunion suivis de ceux des icircles de lrsquoOceacutean Indien sont preacutesenteacutes dansla section 24

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21 Objectifs

En 2012 [Anelli2012] a reacutealiseacute une campagne de mesure des deacutelais depuis La Reacuteunionet Paris Cette campagne de meacutetrologie active baseacutee sur la commande ping a pour ob-jectif de deacutemontrer la diffeacuterence de deacutelai et de deacutebit entre La Reacuteunion et Paris Le premierobjectif de nos travaux consiste agrave la mise jour des donneacutees par une nouvelle eacutetude desdeacutelais Nous ferons par la suite reacutefeacuterence agrave cet objectif par le titre Evolution

Le second objectif est lrsquoanalyse de la connectiviteacute Internet de La Reacuteunion Pour arri-ver agrave obtenir une analyse preacutecise de la connectiviteacute Internet reacuteunionnaise une eacutetude surles routes emprunteacutees par les paquets IP en provenance et agrave destination de La Reacuteunionsera reacutealiseacutee Pour cela on utilisera un outil de type traceroute On utilisera les donneacuteesreacutecolteacutees pour lrsquoidentification des portes de lrsquoInternet reacuteunionnais La reacutefeacuterence utiliseacuteepour cet objectif dans le suite du manuscrit est Connectiviteacute

Ayant cibleacute les meacutetriques nous avons fait le choix de la meacutethode research-driven Cettemeacutethode preacutesenteacutee dans la section 121 a lrsquoavantage de se concentrer uniquement surdes meacutetriques deacutecideacutees preacutealablement Dans le cas de notre eacutetude ce sont les deacutelais et lesroutes

22 Cahier des charges

Deux paramegravetres doivent ecirctre pris en consideacuteration lors de la reacutedaction du cahier descharges lrsquooutil de mesure et lrsquooutil drsquoanalyse

221 Evolution

Pour reacutepondre agrave lrsquoobjectif nous allons effectuer une reprise de lrsquoexistant Lrsquooutil demesure sera la commande ping associeacutee agrave la plate-forme Planet-Lab [PlanetLabEurope]Lrsquooutil drsquoanalyse sera identique agrave celui utiliseacute par [Anelli2012]

222 Connectiviteacute

Identification des besoins

Dans le tableau 14 nous avons vu que diffeacuterents outils sont capables de mesurer lesroutes et les deacutelais Lrsquooutil retenu devra limiter les erreurs lieacutees aux meacutecanismes de lrsquoeacutequi-librage de charge et de MPLS Cet outil devra reacutealiser des mesures depuis des nœudsreacutepartis sur lrsquoensemble de lrsquoicircle Pour cela il est neacutecessaire drsquoeffectuer un choix de plate-forme de meacutetrologie active Ce choix se fera sur 2 points la distribution geacuteographiquedes nœuds de mesure et la couverture des diffeacuterents fournisseurs drsquoaccegraves internet

Lrsquooutil drsquoanalyse devra ecirctre en capaciteacute drsquoidentifier les portes de lrsquoInternet reacuteunion-nais agrave travers la geacuteolocalisation des adresses IP drsquoidentifier les marques MPLS preacutesentesdans les donneacutees pour une meilleure compreacutehension des regravegles de routage geacuteneacuterer unecarte des relations entre pays agrave travers les eacutechanges de paquets envoyeacutes et reacutealiser desstatistiques sur les diffeacuterents nœuds emprunteacutes

Mise en œuvre drsquoune infrastructure de meacutetrologie active

Dans la section preacuteceacutedente nous avons vu que notre cahier des charges devra respec-ter 3 principaux critegraveres outil de mesure plate-forme de mesure et outil drsquoanalyse

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Paris-traceroute

Nous avons vu dans la partie 122 que lrsquoeacutetude des routes et des deacutelais peut se faire agravelrsquoaide drsquoun seul outil traceroute Or cet outil est sujet agrave des impreacutecisions lieacutees agrave lrsquoeacutequili-brage des charges par exemple Souhaitant limiter lrsquoimpact de ces aleacuteas dans nos donneacuteesnous faisons le choix de Paris-traceroute Pour rappel une preacutesentation de lrsquooutil et deses meacutecanismes est faite agrave la section 122

La plate-forme RunPL

Les plates-formes disponibles Similairement dans la section 122 nous avons preacute-senteacute des plates-formes de meacutetrologie active La plate-forme seacutelectionneacutee devra respecterles critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment

Parmi les plates-formes seules Atlas et Planet-Lab ont des sondes preacutesentes sur lrsquoicirclerespectivement 21 et 2 Ces sondes sont reacuteparties de maniegravere ineacutequitable sur lrsquoicircle Lareacutegion Est de lrsquoicircle ne compte qursquoune sonde quand le minimum est de 6 dans les autresreacutegions De plus certains des Fournisseurs drsquoAccegraves Internet (FAI) nrsquoheacutebergent pas de sondede mesure Le reacutesumeacute de notre comparaison est indiqueacute dans le tableau 21

TABLE 21 ndash Reacutepartitions des sondes chez les Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

Archipelago Atlas BISMark DASU Planet-Lab SamKnowsParis-traceroute

Oui Oui Oui Non Oui Non

Disponibiliteacutesur lrsquoicircle

Non Oui Non Non Oui Non

Couverturede lrsquoicircle

Non Oui Non Non Non Non

Reacutepartitionfournis-seurs

Non Non Non Non Non Non

On constate ainsi qursquoaucune des plates-formes preacutesenteacutees ne remplit la totaliteacute descritegraveres de seacutelection Nous avons souhaiteacute deacuteployer notre propre infrastructure Cettenouvelle plate-forme reacutepondra agrave nos critegraveres en offrant une meilleure couverture de lrsquoicirclesur les aspects geacuteographiques FAI et Technologies drsquoAccegraves agrave Internet (TAI) Lrsquoeacutechantillon depopulation est repreacutesenteacute par un ensemble drsquoeacutetudiants Notre plate-forme nous autoriseeacutegalement agrave ecirctre maicirctre de lrsquoinfrastructure de mesures que lrsquoon souhaite mettre en placeAfin de seacutelectionner les outils (physiques et logiciels) les plus adapteacutes agrave nos objectifsnous avons deacutecideacute des speacutecificiteacutes de notre plate-forme

Creacuteation et deacuteploiement de la plate-forme RunPL La plate-forme que lrsquoon souhaitedeacuteployer devra respecter un scheacutema de connectiviteacute bien preacutecis repreacutesenteacute par la figure21 La Sonde de mesure est le cœur de la plate-forme La Destination correspond agrave uneadresse IP ou un nom de domaine agrave joindre pour obtenir des informations sur les routesemprunteacutees et les deacutelais associeacutes Le Serveur de stockage est preacutesent pour deacutelester la sondede mesure LrsquoOrdinateur distant repreacutesente lrsquoadministrateur de la plate-forme Ne pouvantse deacuteplacer pour configurer la sonde un accegraves distant doit ecirctre reacutealiseacute Il est illustreacute parle train en pointilleacute sur la figure Le trait plein entre la sonde et la destination correspondagrave lrsquointeraction entre la sonde et la destination Cette interaction repreacutesente les mesuresque lrsquoon obtiendra sur les performances des liens Les sondes de mesure devront pou-voir effectuer les mesures sans limitation de destinations Elles devront afin de limiter

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le stockage effectuer un deacutelestage des mesures collecteacutees sur un serveur de stockage Ceserveur de stockage tout comme la sonde de mesure devra pouvoir ecirctre joint par lrsquoordi-nateur distant Cette communication a un double objectif Le premier est la reacutecupeacuterationdes donneacutees pour les analyses Le second est la mise agrave jour du protocole de mesure sineacutecessaire Une interaction seacutecuriseacutee est eacutetablie entre lrsquoordinateur distant la sonde et leserveur de stockage Cette liaison est caracteacuteriseacutee par les pointilleacutes sur la figure 21

FIGURE 21 ndash Scheacutema drsquointerconnexion de la plate-forme

Les speacutecificiteacutes de notre plate-forme se deacutecomposent en deux grandes parties quesont la partie mateacuterielle et la partie systegraveme

Mateacuterielle Un cahier des charges speacutecifique agrave notre plate-forme de mesure doit ecirctrereacutealiseacute La premiegravere partie concerne le choix du mateacuteriel physique

La partie mateacuterielle de la plate-forme de mesure est formeacutee de deux composants lasonde de mesure et le serveur de stockage des donneacutees Le serveur de stockage serafourni par le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques (LIM) Seule la sonde de me-sure sera indiqueacutee dans le cahier des charges Le mateacuteriel seacutelectionneacute devra respecter lescritegraveres preacutecis Ces critegraveres ont eacuteteacute deacutecideacutes en eacutetudiant les solutions proposeacutees par lesplates-formes preacuteceacutedemment eacutetudieacutees

mdash Peu encombrant de nombreuses sondes proposeacutees par les diffeacuterentes plates-formessont tregraves discregravetes Notre sonde devra eacutegalement ecirctre peu visible Nous souhaitonsque la sonde soit directement connecteacutee sur le routeur de lrsquousager

mdash Peu coucircteux le coucirct unitaire de chaque kit ne devait pas deacutepasser 50D afin que lrsquoonpuisse avoir un nombre de nœuds conseacutequent Un kit sera composeacute de la sonde deson cacircble alimentation drsquoune carte meacutemoire et drsquoun cacircble reacuteseau

mdash Peu eacutenergivore la facture drsquoeacutelectriciteacute eacutetant agrave la charge de lrsquousager nous souhai-tions une solution agrave faible consommation drsquoeacutenergie

mdash Diversiteacute du systegraveme drsquoexploitation (OS) Le systegraveme drsquoexploitation choisi devrasupporter lrsquoinstallation de Paris-traceroute

La seconde partie du cahier des charges de notre plate-forme se concentre sur le choixdu systegraveme drsquoexploitation

Pour rappel sur la figure 21 nous avons repreacutesenteacute en pointilleacute des interactions seacute-curiseacutees Ces eacutechanges concernent lrsquoaccegraves distant agrave la sonde au serveur de stockage et agravela sauvegarde des donneacutees de mesures sur le serveur Le systegraveme drsquoexploitation devracorrespondre aux critegraveres de seacutelection suivants

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mdash Paris-traceroute Le systegraveme drsquoexploitation devra inteacutegrer Paris-traceroute dans seslibrairies drsquoinstallations ou supporter lrsquoinstallation du code source

mdash Licence GNU-GPL Des modifications du systegraveme seront potentiellement neacuteces-saires

mdash Accegraves distant Le mateacuteriel devant ecirctre geacutereacute agrave distance Un accegraves Secure SHell (SSH)devra donc ecirctre configureacute Le protocole SSH [RFC4250] fut deacuteveloppeacute pour per-mettre lrsquoaccegraves agrave distance de terminaux

mdash Transmission seacutecuriseacutee Lrsquoaccegraves au diffeacuterents composants de la plate-forme devrase faire drsquoune faccedilon seacutecuriseacutee La restriction se fera agrave travers un systegraveme drsquoidentifi-cation

Seacutelection du mateacuteriel [Maksimovic2014] reacutealise une comparaison de diffeacuterents micro-ordinateurs tels que Arduino [Arduino] BeagleBone [Beaglebone] Phidgets [Phidgets]Udoo [Udoo] et RaspberryPi [RaspberryPi] Dans ce comparatif les critegraveres utiliseacutes sontproches de ceux que lrsquoon a seacutelectionneacutes Le tableau 22 reacutesume lrsquoensemble des critegraveres deseacutelection du mateacuteriel Il provient directement de lrsquoarticle [Maksimovic2014]

TABLE 22 ndash Tableau de comparaison des micro-ordinateurs (source [Maksimovic2014])

Critegraveres Arduino BeagleBone Phidegts Raspberry Pi UdooEncombrement(en mm)

7553 863533 813533 8565398 11085

Coucirct (en $ parnœud

30 45 50-200 25-35 99-135

Eacutenergie (en V) 7-12 5 6-15 5 6-15

Systegraveme

drsquoexploitation

Linux ang-strom

Linux

RaspbianUbuntuAndroidArchLinuxFreeBSDFedoraRISC OS

UbuntuAn-droidLinuxArchLi-nux

Nous avons mis en eacutevidence les valeurs respectant les critegraveres Nous faisons le choixdu Raspberry Pi car il possegravede le plus de critegraveres respecteacutes

Seacutelection du systegraveme drsquoexploitation Le premier critegravere de seacutelection est lrsquoinstalla-tion de Paris-traceroute Drsquoapregraves [Paris-traceroute] lrsquooutil est disponible sur les systegravemesRaspbian Ubuntu ArchLinux et FreeBSDConcernant les licences lrsquoensemble des OS ne sont pas eacutequivalents Ainsi seul RaspbianUbuntu et ArchLinux proposent une licence General Public Licence (GPL) RISC OS est as-socieacute agrave une licence proprieacutetaire Android FreeBSD et Fedora sont sous licence de logiciellibre et open source Les licences de distribution open source vont nous autoriser agrave ajou-ter modifier voire supprimer des parties du code pour qursquoil corresponde plus facilementagrave nos besoinsDe nombreux OS proposent nativement la version cliente du protocole SSH La versionserveur peut ecirctre activeacutee lors de lrsquoinstallation du systegraveme drsquoexploitation Lrsquoaccegraves distantnous permettra eacutegalement la mise agrave jour des outils et des OS pour des raisons de seacutecu-riteacuteLa seacutecurisation des eacutechanges se fera au travers drsquoun Virtal Private Network (VPN) Un

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VPN est un systegraveme permettant de creacuteer un lien direct entre des ordinateurs distants[Coonjah2015] reacutealise une comparaison entre deux outils permettant la creacuteation de VPNOpenSSH et OpenVPN OpenSSH propose de meilleures performances qursquoOpenVPN auniveau de lrsquoutilisation de la bande passante et des temps de transferts de fichiers Malgreacutecela nous avons pris le parti drsquoutiliser OpenVPN car crsquoest un outil majoritairement uti-liseacute par les entreprises [Coonjah2015] Cet utilitaire nous propose la mise en place drsquouneconnexion seacutecuriseacutee baseacutee sur lrsquoidentification agrave travers un certificat drsquoauthentificationLe VPN permet de joindre agrave travers un adressage priveacute les diffeacuterentes sondes qui se-ront distribueacutees sur lrsquoicircle de La Reacuteunion Drsquoapregraves le site officiel drsquo[OpenVPN] lrsquooutil peutsrsquoinstaller facilement sur les distributions Rapsbian Ubuntu et Fedora

Le choix du systegraveme drsquoexploitation va deacutependre des critegraveres de seacutelection Nous reacuteca-pitulons les critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment dans le tableau 23

TABLE 23 ndash Reacutecapitulatif de la comparaison des Systegravemes drsquoexploitation sur RaspberryPi

Critegraveres Raspbian Ubuntu Android ArchLinux FreeBSD Fedora RISC OSParis-traceroute

Oui Oui Non Oui Oui Non Non

Licence GPL GPL ASL GNULinux

BSD CreativeCom-mons

CastleTechno-logiesLtdLicence

Accegraves dis-tant (SSH)

Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

OpenVPN Oui Oui Non Non Non Oui Non

Deux systegravemes disponibles pour Raspberry Pi reacutepondent agrave nos critegraveres Raspbian etUbuntu Nous faisons le choix du systegraveme Raspbian Cet OS est une distribution Linuxentiegraverement revue pour des performances optimales sur la carte Raspberry Pi Fortementinspireacutee par la distribution Linux Debian elle propose les mecircmes caracteacuteristiques que ladistribution dite de Bureau Les sondes nrsquoeacutetant pas eacutequipeacutees drsquoun systegraveme drsquoaffichagenous optons pour lrsquoinstallation la plus leacutegegravere possible avec uniquement les paquets neacute-cessaires agrave notre eacutetude

Lrsquooutil drsquoanalyse rTraceroute

Dans la section 21 nous avons preacutesenteacute les contraintes lieacutees agrave la seacutelection drsquoun outildrsquoanalyse des donneacutees de type traceroute Pour rappel ces contraintes sont les suivantes la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoidentification des liens MPLS la geacuteneacuteration drsquounecarte des liens logiques et la geacuteneacuteration drsquoun fichier comportant des statistiques sur lesdiffeacuterents nœuds rencontreacutes

Les outils disponibles Il existe diffeacuterents outils drsquoanalyse des routes que lrsquoon peut ran-ger en trois cateacutegories les geacuteneacuterateurs de donneacutees brutes les plates-formes de mesures etles outils drsquoanalyse graphiques Lrsquooutil que lrsquoon souhaite utiliser entre dans la troisiegravemecateacutegorie La litteacuterature autour drsquooutils graphiques pour lrsquoanalyse des routes nrsquoest pasaussi complegravete que lrsquoon pourrait croire

Gtrace est un outil creacuteeacute par [Periakaruppan1999] Cet outil reproduit graphiquementles reacutesultats obtenus par Traceroute Le logiciel geacutenegravere ses propres donneacutees avant de les

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repreacutesenter sous forme graphique La geacuteolocalisation ne se fait pas sur les adresses IPmais sur le nom Domain Name System (DNS) des nœuds rencontreacutes La localisation drsquounnœud nrsquoest valideacutee qursquoapregraves croisement des informations entre les abreacuteviations des villeset aeacuteroports drsquoinformations contenues dans deux bases de donneacutees Une derniegravere veacuteri-fication est reacutealiseacutee agrave lrsquoaide de la commande nslookup Actuellement cet outil nrsquoest plusmaintenu Il nrsquoimpleacutemente pas le [RFC4950] permettant lrsquoidentification des nœuds MPLSdans les routes

[Aben2015] preacutesente un outil drsquoanalyse des routes inteacutegreacute agrave Atlas RIPE NCC Cet outildrsquoanalyse se nomme OpenIPMap Il utilise la base de donneacutees de RIPE pour effectuer lageacuteolocalisation des donneacutees Les routes sont ensuite traceacutees sur une carte interactive Lesmesures geacuteneacutereacutees par Atlas sont directement visibles et peuvent srsquointeacutegrer dans OpenIP-Map Lrsquoidentification des nœuds MPLS ainsi que la partie statistique ne sont pas inclusesdans les sorties proposeacutees par OpenIPMap

Dans [Yang2016] lrsquoauteur preacutesente un outil drsquoanalyse des routes centreacute sur le conti-nent africain African Visual Route Le design de lrsquooutil srsquoinspire largement du projetOpenIPMap [Aben2015] Lrsquooutil possegravede un deacutefaut important Il lit uniquement les fi-chiers provenant de la plate-forme Atlas

Le tableau 24 preacutesente les possibiliteacutes offertes par chaque outil preacutesenteacute preacuteceacutedem-ment

TABLE 24 ndash Fonctions disponibles dans les outils graphiques drsquoanalyse des routes

African Visual Route Gtrace OpenIPMapGeacuteolocalisation Oui Oui OuiIdentificationdes liens MPLS

Non Non Non

Cartographie Oui Oui OuiStatistiques Non Non Non

On peut constater que par rapport agrave nos besoins les outils listeacutes preacutesentent des la-cunes Les critegraveres drsquoaffichage des liens MPLS et la partie statistique sur les nœuds inter-meacutediaires nrsquoont pu ecirctre remplis Pour ces raisons nous avons deacuteveloppeacute un outil drsquoana-lyse rTraceroute

Deacuteveloppement de rTraceroute

Geacuteolocalisation Dans le cadre de nos travaux la geacuteolocalisation drsquoadresse IP consi-degravere la position geacuteographique de lrsquoadresse les informations sur le deacutetenteur de lrsquoadresseet lrsquoAutonomous System (AS) associeacutes Un AS est un ensemble drsquoeacutequipements et de reacuteseauxsous une mecircme autoriteacute rTraceroute geacuteolocalise les adresses IP rencontreacutees agrave travers unebase de donneacutees impleacutementeacutee au sein du LIM Cette base de donneacutees est remplie au furet agrave mesure que de nouvelles adresses IP sont remonteacutees par les mesures Lrsquoidentificationdes nouvelles adresses se fait par un script deacuteveloppeacute en python sous ma direction parun eacutetudiant de Licence 3eme anneacutee [LanYanFock2015] Cet outil nommeacute rgeoloc utiliseles commandes de lrsquoApplication Programming Interface (API) de RIPE NCC En interro-geant une base de donneacutees drsquoun RIR nous espeacuterons limiter les erreurs lieacutees agrave la geacuteoloca-lisation Pour nos besoins nous limitons les informations lieacutees agrave la localisation et au FAICes informations sont Pays Latitude Longitude Nom du FAI Numeacutero de lrsquoASLes informations (pays longitude latitude) seront utiliseacutees par la suite pour effectuer

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des calculs de distance entre deux adresses IP Le nom du FAI autorise le suivi des ac-cords drsquoeacutechanges de paquets sur les routes Le numeacutero de lrsquoAS nous offre la possibiliteacutede suivre les diffeacuterents chemins emprunteacutes en termes drsquoAS diffeacuterents

rgeoloc est capable drsquoextraire les informations de deacutelais et de longueurs de routesdrsquoun fichier traceroute Il peut eacutegalement deacutecouper un fichier contenant plusieurs don-neacutees traceroute en fichier unitaire

La geacuteolocalisation des adresses associeacutees agrave lrsquoidentification des liens MPLS va aider agravela compreacutehension des routes de lrsquoInternet dans le monde

Identification des liens MPLS Paris-traceroute indique dans ses sorties les liensMPLS rencontreacutes [Augustin2007] indique que lrsquoidentification des liens se fait par la lec-ture des informations contenues dans les paquets reccedilus par lrsquooutil rTraceroute va identi-fier les marques MPLS et les repreacutesenter en un coloris diffeacuterent sur les cartes

Cartographie Lors de la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoinformation neacutecessaire agravela cartographie est le pays Lors de cette identification deux nouvelles informations sontassocieacutees agrave lrsquoIP Ce sont les coordonneacutees du pays pour la carte passeacutee en paramegravetre Agravepartir de ces nouvelles coordonneacutees rTraceroute va geacuteneacuterer une nouvelle carte affichantlrsquoensemble des liens logiques (entre pays) preacutesents dans les traces analyseacutees

Statistique rTraceroute geacutenegravere des statistiques sur chaque nœud rencontreacute La cleacutedrsquoidentification drsquoun nœud est son adresse IP et sa position sur la route analyseacutee Les sta-tistiques geacuteneacutereacutees sont lrsquooccurrence de la paire drsquoidentification le deacutelai minimal obtenupour joindre ce nœud agrave cette position et le pays rattacheacute agrave lrsquoadresse IP

Notre outil est actuellement disponible sur le site du laboratoire agrave lrsquoadresse suivante httplimuniv-reunionfrrtraceroute [rtraceroute] Cet outil est distribueacute sous licencelibre pour une large diffusion dans la communauteacute scientifique

23 Protocole de mesure

La connectiviteacute particuliegravere de lrsquoicircle par les deux cacircbles sous-marins provoque un in-teacuterecirct de lrsquoeacutetude des routes emprunteacutees Lrsquoun des objectifs de nos mesures est drsquoeacutetudierlrsquoeacutevolution des deacutelais et de la longueur des routes entre 2012 et 2016 Le second objec-tif est lrsquoeacutetude de la connectiviteacute en terme de routes de deacutelais et des accegraves logiques delrsquoInternet reacuteunionnais

Notre protocole de mesure se divise en 3 parties La premiegravere partie preacutesente lespoints communs entre les deux objectifs La seconde consiste agrave effectuer une comparai-son de lrsquoeacutetat actuel avec le travail effectueacute preacuteceacutedemment par [Anelli2012] Le troisiegravemepoint concerne les mesures drsquoidentification des portes de lrsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion

231 Eacutechantillon de mesure

Lrsquoeacutechantillon drsquoadresses IP que lrsquoon va utiliser dans nos eacutetudes se doit drsquoecirctre repreacute-sentatif et preacutecis La preacutecision srsquoobtient par la taille drsquoun eacutechantillon La repreacutesentativiteacutepar le respect de la distribution des adresses IP dans lrsquoInternet

Il existe 232 adresses IPv4 avec une reacutepartition bien speacutecifique Drsquoapregraves les [RFC3232RFC5735 RFC6761] 592 708 865 adresses sont reacuteserveacutees On peut citer en exemple lesadresses de type 1921680016 Ce bloc est reacuteserveacute aux reacuteseaux priveacutes Son utilisationpreacutevue est documenteacutee dans le [RFC1918] Telles que deacutecrites dans ce standard les adresses

46

Remerciements

Mes premiers remerciements vont agrave lrsquoendroit de Monsieur Pascal Anelli Maicirctre deconfeacuterences HDR agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion qui a accepteacute drsquoencadrer cette thegravese Jele remercie drsquoavoir mis toute son eacutenergie pour que je puisse mener ces travaux dans lesmeilleures conditions Je le remercie eacutegalement pour la confiance et la patience sans failleqursquoil mrsquoa teacutemoigneacutees durant ces anneacutees

Je remercie Monsieur Richard Lorion Maicirctre de Confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion Malgreacute un emploi du temps surchargeacute il a su me consacrer du temps pouraiguiller mes travaux

Je tiens agrave remercier tout particuliegraverement Madame Laure Petrucci Professeur agrave lrsquoUni-versiteacute Paris 13 et Monsieur Emmanuel Lochin Professeur agrave lrsquoISAE SUPAERO qui mrsquoontfait lrsquohonneur drsquoaccepter de juger ces travaux et drsquoen ecirctre rapporteurs

Je remercie le Professeur Reacutemy Courdier qui a accepteacute de preacutesider mon jury de thegraveseDe par cette acceptation je boucle mon cursus universitaire agrave lrsquoUniversiteacute de La ReacuteunionMes remerciements vont agrave lrsquoattention de Monsieur Promeacutetheacutee Spathis qui consacre deson temps agrave la participation de mon jury de thegravese en tant qursquoexaminateur

Je tiens agrave remercier Messieurs Pierre-Ugo Tournoux et Xavier Nicolay pour les dis-cussions que lrsquoon a eues Cela mrsquoa permis de me remettre dans le droit chemin quand jemrsquoeacutegarais

Je remercie eacutegalement Monsieur Bruno Baynat Maicirctre de confeacuterences agrave lrsquoUniversiteacutede Paris 6 qui a su donner un nouveau souffle agrave ces travaux agrave travers ses conseils lors deson passage

Je remercie eacutegalement Monsieur Denis Fabregravegue Responsable du pocircle TIC agrave La ReacuteunionMonsieur Thierry Pretet travaillant agrave la cellule Investissements publics de la ReacutegionReacuteunion Monsieur Thomas Silverston Chercheur au NICT drsquoavoir accepteacute de faire par-tie de mon comiteacute de suivi de thegravese

Je remercie eacutegalement le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques dirigeacute parMonsieur Jean Diatta Professeur agrave lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion ainsi que lrsquoensemble desmembres pour lrsquoaccueil et les moyens qui mrsquoont eacuteteacute mis agrave disposition pour le bon deacuterou-lement de cette thegravese

Je remercie eacutegalement la Reacutegion Reacuteunion qui a soutenu financiegraverement ces travaux dethegravese

Je remercie eacutegalement Messieurs Jean-Christophe Lan-Yan-Fock et Arnaud Ravoa-vahy pour les travaux reacutealiseacutes durant leurs stages

Je remercie eacutegalement mes collegravegues mes amis et mes proches pour leurs contribu-tions et leurs encouragements

Je remercie particuliegraverement Aureacutelie Miora Florence et Anne-Claire qui ont eacuteteacute dansla mecircme galegravere que moi

Je tiens agrave remercier du fond du coeur lrsquoensemble des membres de ma famille qui mrsquoonttoujours apporteacute leur soutien et leur encouragement Merci agrave vous

Enfin je tiens agrave remercier toutes les personnes qui ont contribueacute de pregraves ou de loin agravela reacutealisation de ces travaux

III

IV

Reacutesumeacute

Lrsquoaccegraves agrave Internet des icircles de la Zone Oceacutean Indien a la particulariteacute drsquoutiliser deuxlongs cacircbles sous-marins Les routes ont en commun de passer par un de ces liens etdrsquointroduire une composante de deacutelai qui peut ecirctre significative La performance de TCPest lieacutee agrave lrsquoeacutetat des routes et au deacutelai Dans la situation de lrsquoicircle de la Reacuteunion comment secomporte un protocole ayant une deacutependance au deacutelai tel que TCP

Dans cette thegravese nous proposons une eacutetude de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion Les travauxvisent agrave pouvoir dresser un bilan de la connectiviteacute Internet Ils srsquoorientent drsquoune partagrave caracteacuteriser la connectiviteacute au niveau du reacuteseau et drsquoautre part agrave traduire ses caracteacute-ristiques au niveau de la couche de transport Ainsi les travaux preacutesenteacutes reposent surdeux eacutetudes de meacutetrologie sur le reacuteseau reacuteunionnais

Le premier examen a pour objectif la caracteacuterisation des deacutelais et des routes emprun-teacutees depuis et en direction de lrsquoicircle Ces travaux reposent sur une plate-forme de mesuresmise en place agrave cet effet Un outil drsquoidentification des routes a eacuteteacute deacuteveloppeacute afin drsquoana-lyser les chemins depuis et vers la Reacuteunion Cet outil utilise une base de donneacutees degeacuteolocalisation construite agrave partir des adresses IP rencontreacutees des deacutelais associeacutes et drsquoin-formations provenant des Registres Internet Reacutegionaux Lrsquoanalyse des reacutesultats montredes caracteacuteristiques propres agrave la reacutegion Reacuteunion

La seconde eacutetude de meacutetrologie vise lrsquoanalyse des flux TCP Des meacutetriques associeacuteesagrave lrsquoobservation des captures de trafic sont identifieacutees afin drsquoeacutetablir les performances deTCP mais eacutegalement les types de trafic entrant et sortant de lrsquoicircle Le volume des eacutecouteseacutetant important un outil drsquoanalyse pour des traitements efficaces et rapides a eacutegalementeacuteteacute deacuteveloppeacute

Les contributions de cette thegravese sont drsquoabord rattacheacutees au contexte reacuteunionnais etsont extrapoleacutees vers lrsquointernet de la Zone Oceacutean Indien Cette thegravese se veut ecirctre un eacuteleacute-ment pour une reacuteflexion avec lrsquoensemble des acteurs de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion

Mots cleacutes

Meacutetrologie active Deacutelais Routage Meacutetrologie passive Performance TCP Zone OceacuteanIndien Reacuteunion

V

Abstract

The access to the Internet of the Islands of the Indian Ocean Area has the particularityof using two long submarines cables The routes have in common to go through one ofthese links and introduce a delay component that can be significant The performance ofTCP is linked to the state of the route and the delay In the situation of Reunion Islandhow does a protocol having a dependence on delay such as TCP behaves

In this thesis we propose a study of the Internet in Reunion Island The work aimsto be able to take stock of Internet connectivity They are oriented on the one hand tocharacterize the connectivity at the level of the network and on the other hand to translatethese characteristics at the level of the transport layer Thus the works presented arebased on two metrology studies on the Reunion network

The first review aims to characterize the delays and the routes taken from and to theisland This work is based on a platform of measures put in place for this purpose A roadidentification tool has been developed to analyze roads to and from Reunion Island Thistool uses a geolocation database built from IP addresses encountered associated delaysand information from the Regional Internet Registries The analysis of the results showscharacteristics specific to the Reacuteunion region

The second metrology study aims to analyze TCP flows Metrics associated with theobservation of the catches of traffic are identified in order to establish the performancesof TCP but also the types of traffic entering and leaving the island Since the volume ofthe intercepts is important an analysis tool for efficient and rapid treatments has beendeveloped

The contributions of this thesis are first of all related to the Reunionese context andare extrapolated to the Internet of the Indian Ocean Zone This thesis is meant to be anelement for a reflection with all the actors of the Internet in Reunion Island

Keywords

Active Metrology Delay Routage Passive metrology Performance TCP Indian OceanArea Reunion Island

VI

Table des matiegraveres

Remerciements III

Reacutesumeacute V

Abstract VI

Liste des acronymes IX

Introduction 11 Contexte geacuteneacuteral 12 Contexte reacutegional 1

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion 122 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien 5

3 Probleacutematique 84 Organisation de la thegravese 8

1 Eacutetat de lrsquoart 911 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capaciteacute de stockage 10

111 Controcircle de congestion de TCP 10112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de

stockage 14113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN 17114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs 22115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion 23

12 Meacutetrologie du trafic Internet 25121 Deacutefinition 25122 Meacutetrologie active 26123 Meacutetrologie passive 32124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives 35

13 Synthegravese 36

2 Caracteacuterisation de la connectiviteacute de La Reacuteunion 3921 Objectifs 4022 Cahier des charges 40

221 Evolution 40222 Connectiviteacute 40

23 Protocole de mesure 46231 Eacutechantillon de mesure 46232 Eacutevolution 47233 Connectiviteacute 48

24 Reacutesultats 53241 Eacutevolution 53

VII

242 Connectiviteacute de La Reacuteunion 54243 Connectiviteacute des icircles de la Zone Oceacutean Indien 65244 Synthegravese des reacutesultats 71

25 Conclusion 72

3 Meacutetrologie sur le service de transport agrave La Reacuteunion 7531 Objectifs 75

311 Les objectifs de lrsquoeacutetude 76312 Les meacutetriques de lrsquoeacutetude 76

32 Mise en oeuvre drsquoune plate-forme de meacutetrologie 79321 Pour la capture du trafic 79322 Pour analyser les traces 80

33 Protocole de mesure 8234 Reacutesultats 85

341 Supervision du trafic 86342 Performance de TCP 88343 Synthegravese des reacutesultats 91

35 Conclusion 92

Conclusion amp perspectives 951 Synthegravese des travaux 952 Perspectives 96

Table des figures 100

Liste des tableaux 101

Bibliographie 103

VIII

Liste des acronymes

ACK Acknowledgement

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AIMD Additive Increase and Multiplicative Decrease

API Application Programming Interface

ARCEP Autoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques et des Postes

AS Autonomous System

BDP Bandwidth Delay Product

CAIDA Center for Applied Internet Data Analysis

CDCS Comoros Domestic Cable Sytem

CDF Cumulative Density Function

CIL Correspondant Informatique et Liberteacutes

CWND Congestion Window

CWR Congestion Window Reduce

DNS Domain Name System

DSI Direction des Services Informatiques

DupAck Duplicate Acknowledgement

EASSY Eastern Arfrica Submarine SYstem

ECE ECN Echo

ECN Explicit Congestion Notification

FAI Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

FTTH Fiber To The Home

GIX Global Internet eXchange

GNU GNUrsquos Not Unix

GPL General Public Licence

HTTP HyperText Transfer Protocol

HTTPS HyperText Transfer Protocol Secured

IANA Internet Assigned Numbers Authority

ICMP Internet Control Message Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

IX

IGMP Internet Group Management Protocol

IMAP Internet Message Access Protocol

IP Internet Protocol

IPPM IP Performance Metrics

IW Initial Window

IXP Internet eXchange Point

LAN Local Area Network

LER Label Edge Router

LFN Long Fat Network

LIM Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques

LION Lower Indian Ocean Network

LSP Label Switched Path

LSR Label Switch Router

MAN Metropolitan Area Network

MPLS MultiProtocol Label Switch

MSS Maximun Segment Size

NRA Noeud de Raccordement drsquoAbonneacutes

NS Nonce Sum

OS Operating System

PDF Probability Density Function

POP Post Office Protocol

PSAMP Packet Sampling

RENATER REseau NAtional de communication eacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseigne-ment et la Recherche

RIR Regional Internet Registry

RITE Reducing Internet Transport Latency

RSSI Responsable Seacutecuriteacute et Systegravemes drsquoInformation

RTO Retransmission TimeOut

RTT Round-Trip delay Time

SAFE South-Africa Far East

SAT-3 South Africa Transit-3

SCP Ssh CoPy

SEAS Seychelles to East Africa System

SMTP Simple Mail Transfert Protocol

SSH Secure SHell

ssthresh slow-start threshold

TAI Technologies drsquoAccegraves agrave Internet

X

TCP Transmission Control Protocol

TTL Time-To-Live

UDP User Datagram Protocol

VDSL Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line

VLAN Virtual Local Area Network

VOD Video on demand

VPN Virtal Private Network

WAN Wide Area Network

WASC West Africa Submarine Cable

ZOI Zone Oceacutean Indien

XI

XII

Introduction

1 Contexte geacuteneacuteral

Depuis sa premiegravere deacutemonstration publique en 1972 Internet a fortement eacutevolueacute[Leiner1997] Dans une premiegravere phase nous avons les changements de services Les uti-lisateurs ont basculeacute des services historiques que sont lrsquoeacutechange drsquoe-mail et la navigationweb vers une utilisation interactive de lrsquoInternet Ces nouveaux services tels que la Voixsur IP les Jeux en ligne le Streaming etc sont maintenant possibles peu importe lrsquoendroitougrave lrsquoon se situe Cela gracircce agrave la seconde phase des innovations de lrsquoInternet lrsquoeacutevolu-tion des technologies logicielles et mateacuterielles Les technologies sont devenues de plusen plus mobiles et proposent des deacutebits drsquoaccegraves agrave lrsquoInternet de plus en plus importantsAinsi nous sommes passeacutes drsquoun accegraves physique de chez soi connecteacutes agrave un ordinateurfixe et une liaison 56 kbits (kilo-bitsseconde) agrave des smartphones et des connexions mo-biles avec un deacutebit theacuteorique minimal descendant de 20 Gbits (Giga-bitsseconde) dansun futur proche pour la technologie 5G En parallegravele lrsquoaccegraves agrave Internet srsquoest deacutemocra-tiseacute Drsquoapregraves une eacutetude de lrsquoOrganisation des Nations Unies le nombre de teacuteleacutephonesmobiles est devenu supeacuterieur au nombre drsquohabitants sur la planegravete [ONU2013] Ces eacutevo-lutions parallegraveles ont bouleverseacute lrsquousage de lrsquoInternet Est-ce que ces eacutevolutions ont eu unimpact sur lrsquoInternet reacuteunionnais

2 Contexte reacutegional

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion

Pour comprendre la situation de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion il est neacutecessaire de relaterlrsquohistoire de la connectiviteacute Internet et de dresser un bilan de lrsquoeacutetat actuel Cet historiqueest effectueacute agrave partir du document [Pretet2000] qui preacutesente lrsquoavancement du projet deconnexion de lrsquoicircle de La Reacuteunion au cacircble sous-marin South-Africa Far East (SAFE)

La premiegravere connexion de La Reacuteunion agrave lrsquoInternet date de 1992 avec la mise en servicedu projet Telecom-2 Agrave cette eacutepoque la seule liaison connectant La Reacuteunion agrave Interneteacutetait une connexion satellitaire Jusqursquoen 2001 et lrsquoarriveacutee du cacircble SAT-3WASCSAFEles deacutebits drsquoaccegraves reacutesidentiels ne deacutepassaient pas les 56 kbits La bande passante totalede lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle par ce canal satellite eacutetait de 400 Mbits (Meacutega-bitsseconde)tous opeacuterateurs confondus Le coucirct drsquoutilisation de la liaison satellite avoisinait les17 000DMbmois et par opeacuterateur La technologie drsquoaccegraves et le tarif eacuteleveacute limitaient lesusages de lrsquoInternet priveacute agrave des services basiques comme lrsquoeacutechange drsquoe-mail Lrsquoarriveacuteedes cacircbles South Africa Transit-3 (SAT-3)West Africa Submarine Cable (WASC)SAFE en2001 visaient agrave deacutesenclaver numeacuteriquement lrsquoicircle

Ce cacircble drsquoune longueur totale de 28 000 Km (Kilo-megravetres) connecte lrsquoEurope (Es-pagne et Portugal) agrave lrsquoAsie (Inde et Malaisie) en longeant la cocircte Ouest africaine telqursquoillustreacutee par la carte figure 1 Le lien est composeacute de deux paires de fibres optiquesavec une capaciteacute globale de 135 Gbits La reacutepartition des capaciteacutes fut faite en fonction

1

du montant investi par les opeacuterateurs France Teacuteleacutecom fut seacutelectionneacutee pour la Franceavec un deacutebit total de 13 6 Gbits dont 155 Mbits furent alloueacutes agrave la connexion de LaReacuteunion Ce deacutebit eacutetait eacutequivalent agrave la capaciteacute maximale theacuteorique du lien satellite deFrance Teacuteleacutecom Outre la seacutecuriteacute apporteacutee par la fibre optique crsquoest la qualiteacute de la trans-mission qui a eacuteteacute ameacutelioreacutee avec ce support Ce cacircble a eacuteteacute une premiegravere eacutetape dans lamise en place drsquoune autoroute de lrsquoinformation entre lrsquoEurope lrsquoAsie et lrsquoAfrique PourLa Reacuteunion cette autoroute a eacuteteacute un facteur pour la baisse des coucircts de communication eten parallegravele le deacuteploiement de la technologie Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)Les tarifs de consommation de la bande passante du lien ont connu une baisse impor-tante suite agrave une deacutecision de lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques etdes Postes (ARCEP) en 2004 [ARCEP2004] Les tarifs sont passeacutes de 17 000 DMbmois agrave1 550 DMbmois

FIGURE 1 ndash Carte des points drsquoatterrissement du cacircble SAT-3WASCSAFE (Source [Pretet2000])

Malgreacute la baisse des tarifs lrsquoADSL nrsquoeacutetait preacutesent que dans 6 villes agrave forte densiteacutede population Afin drsquoaugmenter la couverture de lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle une dorsalefaisant le tour de lrsquoicircle est installeacutee Crsquoest le reacuteseau nommeacute Gazelle dont le deacutebut du deacute-ploiement fut effectueacute dans le courant de lrsquoanneacutee 2003 [SDTAN2013] Cette fibre est ins-talleacutee en hauteur en suivant le reacuteseau Haute Tension drsquoEDF selon le plan de la figure 2(en trait bleu ou fonceacute) Le but de ce reacuteseau est de raccorder lrsquoensemble des Noeud de Rac-cordement drsquoAbonneacutes (NRA) Un NRA est un local heacutebergeant un central teacuteleacutephonique delrsquoopeacuterateur historique France Teacuteleacutecom dans lequel aboutissent les lignes teacuteleacutephoniquesdes abonneacutes communeacutement appeleacutees boucles locales Au delagrave de ces locaux les boucleslocales forment le reacuteseau capillaire Lrsquointerconnexion entre le reacuteseau Gazelle et les NRAest repreacutesenteacutee en vert sur la figure 2

En 2004 La Reacuteunion srsquoest doteacutee drsquoun point drsquoeacutechange (Global Internet eXchange (GIX)ou Internet eXchange Point (IXP)) nommeacute Reunix Il fut pendant pregraves de 10 ans le seul IXPpreacutesent dans la Zone Oceacutean Indien (ZOI) Geacutereacute par le REseau NAtional de communicationeacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseignement et la Recherche (RENATER) il vise agrave inter-connecter les fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion afin drsquoeacuteviter que le trafic localne sorte de lrsquoicircle et consomme des capaciteacutes sur le cacircble sous-marin En plus de cet eacutequi-pement des technologies de cache ont eacuteteacute deacuteployeacutees sur le territoire LrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion a eacuteteacute un des acteurs de ce deacuteploiement

2

FIGURE 2 ndash Plan de cacircblage du reacuteseau Gazelle en 2006 (Source [Pretet2000])

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 chaque anneacutee une baisse de 20 agrave 40 duprix du Meacutegabit sur le cacircble sous-marin est enregistreacutee En 2006 pour 50D un abonneacutenrsquoavait droit qursquoagrave la connexion ADSL de 1 Mbits sans aucun service additionnel Lrsquoan-neacutee suivante pour le mecircme tarif la teacuteleacutephonie illimiteacutee vers certains pays a eacuteteacute ajouteacuteeau forfait Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le forfait est resteacute le mecircme mais le deacutebit alloueacuteest augmenteacute pour atteindre 8 Mbits La Reacuteunion nrsquoa vu lrsquoarriveacutee du triple play (Teacuteleacutevi-sion Teacuteleacutephone Internet) qursquoagrave partir des anneacutees 20112012 avec lrsquoarriveacutee drsquoun nouveaucacircble Lower Indian Ocean Network (LION) Le LION est un cacircble sous-marin reliant LaReacuteunion Maurice et Madagascar depuis 2009 En 2012 une extension est rajouteacutee sousle nom de LION-2 connectant le LION agrave Mayotte et au Kenya Ce nouveau cacircble proposedegraves sa mise en service une capaciteacute deacutepassant le 1 Tbs (Teacuterabitseconde)

Lrsquoaugmentation continue des deacutebits et de la capaciteacute disponible sur le cacircble SAT-3WASCSAFE actuellement agrave 900 Gbits a acceacuteleacutereacute le deacuteploiement de nouveaux ser-vices et de nouvelles technologies drsquoaccegraves agrave Internet pour les abonneacutes Lrsquoicircle de La Reacuteuniondispose actuellement en dehors des connexions mobiles de trois Technologies drsquoAccegraves agrave In-ternet (TAI) La premiegravere est la technologie ADSL preacutesente depuis 2001 Elle propose desdeacutebits asymeacutetriques allant jusqursquoagrave 20 Mbitss en descente Crsquoest le deacutebit qursquoaura lrsquoutilisa-teur en teacuteleacutechargement Depuis 2014 lrsquoopeacuterateur historique Orange (ex-France Teacuteleacutecom)propose la technologie Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line (VDSL) 2 avec des deacutebitsallant jusqursquoagrave 100 Mbits descendant La limite physique de cette TAI impose une dis-tance entre lrsquoabonneacute et le distributeur infeacuterieure agrave 1 Km La derniegravere technologie preacutesentesur lrsquoicircle est la fibre optique Deacuteployeacutee depuis 2007 par lrsquoopeacuterateur priveacute ZEOP elle eacutetaitjusqursquoagrave peu principalement deacuteployeacutee dans les villes du Port Sainte Marie et Saint Pierre

Chaque opeacuterateur dispose drsquoune ou plusieurs technologies drsquoaccegraves Chaque technolo-

3

gie est associeacutee agrave un deacutebit maximal theacuteorique La carte 3 1 preacutesente les deacutebits theacuteoriquesqui sont preacutesents sur lrsquoicircle [France2017]

Cette carte montre une dispariteacute des deacutebits selon les zones geacuteographiques de lrsquoicircleLe Plan France Tregraves Haut Deacutebit a pour objectif drsquouniformiser sur lrsquoensemble du territoirefranccedilais les deacutebits avec le deacuteploiement de la technologie drsquoaccegraves fibre optique

FIGURE 3 ndash Carte des deacutebits agrave La Reacuteunion

Reacutecapitulatif

La connexion agrave Internet donne agrave La Reacuteunion des capaciteacutes importantes La preacutesencedrsquoun GIX sur le territoire a limiteacute le trafic reacuteunionnais sur les cacircbles sous-marins La figure4 montre lrsquoensemble des eacuteveacutenements qui ont marqueacute le deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave LaReacuteunion jusqursquoagrave nos jours

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 [ARCEP2004] et lrsquoarriveacutee du cacircble LION lesopeacuterateurs ont fait le choix drsquoaugmenter les services proposeacutes avec un prix reacutesidentielstable Les derniers services ajouteacutes sont ceux de la Video on demand (VOD) et de la rediffu-sion (Replay) En 2014 le prix moyen du MeacutegabitMois sur le cacircble SAT-3WASCSAFEavoisinait les 25 D En pregraves de 15 ans on note la baisse du coucirct moyen du Meacutegabitmoisde 17 000 D agrave 25 D

Lrsquoeacutevolution de la connectiviteacute Internet agrave La Reacuteunion est lieacutee au deacuteveloppement de laconnectiviteacute des diffeacuterents pays preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien

1 Source Observatoire France Tregraves Haut Deacutebit

4

FIGURE 4 ndash Frise chronologique du deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion

22 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien

Les acteurs du deacuteveloppement du numeacuterique dans la Zone Oceacutean Indien

Dans le cadre de nos eacutetudes nous restreignons la ZOI agrave 6 icircles ou archipels suivants(rangeacutes par ordre alphabeacutetique) les Comores Madagascar Maurice Mayotte La Reacuteunionet les Seychelles Agrave lrsquoexception de Mayotte et de La Reacuteunion qui sont des reacutegions fran-ccedilaises les autres icircles et archipels citeacutes sont des pays indeacutependants Nous allons dansun premier temps faire une preacutesentation des principaux acteurs du deacuteveloppement nu-meacuterique dans chaque territoire Le deacuteveloppement de lrsquoInternet dans la ZOI se fait encollaboration avec lrsquoensemble des pays Nous poursuivrons avec les futures installationsdes cacircbles sous-marins dans la ZOI

LrsquoUnion des Comores est une reacutepublique feacutedeacuterale drsquoAfrique Lrsquoarchipel est connecteacuteagrave Internet depuis le 19 Janvier 1998 via une connexion satellite En 2010 le gouverne-ment deacuteploie le Comoros Domestic Cable Sytem (CDCS) qui relie lrsquoensemble des icircles delrsquoarchipel entre elles avec en parallegravele le raccordement au cacircble Eastern Arfrica SubmarineSYstem (EASSY) [Comores2002] Ce cacircble relie lrsquoAfrique du Sud au Soudan en longeantla cocircte Est du continent En 2009 lrsquoAutoriteacute Nationale de Reacutegulation des TIC (ANRTIC) voitle jour De nombreuses missions sont donneacutees agrave cette autoriteacute comme appliquer et fairerespecter la loi des Technologies de lrsquoInformation et de la Communication (TIC) reacuteguler lesecteur des TIC favoriser la coopeacuteration entre les acteurs et geacuterer les diffeacuterends garan-tir une concurrence saine et loyale entre les opeacuterateurs et de deacutevelopper la recherche laformation et les innovations technologiques [ANRTIC2016] En deacutecembre 2016 un troi-siegraveme cacircble connecte lrsquoarchipel agrave Mayotte Actuellement un Vice-Preacutesident chargeacute desTIC travaille en collaboration avec un Conseiller du preacutesident en matiegravere de transports etteacuteleacutecommunications

La Reacutepublique de Madagascar est relieacutee agrave Internet par deux cacircbles sous-marins Lepremier est lrsquoEASSY Le second cacircble est le LION Au niveau des prises de deacutecisions 3 or-ganismes principaux existent Le plus important est le ministegravere des Teacuteleacutecommunicationset des Nouvelles Technologies Il a mis en place le Projet drsquoInfrastructure de Communicationpour Madagascar (PICOM) Lrsquoobjectif est la reacuteduction des coucircts drsquoaccegraves aux services deteacuteleacutecommunications Le second est lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des TEchnologies de Communica-tion (ARTEC) Cet administration octroie les licences aux proprieacutetaires des reacuteseaux arbitreles diffeacuterends entre opeacuterateurs et assure la gestion des spectres [ARTEC2016] Le dernierorganisme est le Groupement des Opeacuterateurs en Technologies de lrsquoInformation et de la Commu-nication (GOTICOM) Il a pour objectif drsquoaccompagner et drsquoameacuteliorer les infrastructuresde teacuteleacutecommunication et de favoriser lrsquointeacutegration des TIC [GOTICOM2011] Depuis2016 un GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Africaine [MGIX2017]

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La Reacutepublique de Maurice regroupe les icircles Rodrigues et Maurice Sous lrsquoimpulsiondu gouvernement anglais la premiegravere ligne teacuteleacutephonique fut installeacutee en 1883 Actuel-lement en plus drsquoune connexion satellitaire reliant les deux icircles le SAFE et le LIONconnectent Maurice agrave Internet Un ministegravere des Technologies de lrsquoInnovation et desCommunications existe au sein du gouvernement Crsquoest ce mecircme gouvernement quinomme le directeur de lrsquoInformation and Communication Technologies Authority (ICTA) Crsquoestlrsquoautoriteacute de reacutegulation des Teacuteleacutecoms et des Postes Il existe 2 principaux opeacuterateurs quesont Mauritius Telecom et Emtel Une dizaine drsquoopeacuterateurs cohabitent sur lrsquoicircle [ICTA2017]Depuis 2016 un nouveau GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Afri-caine [MIXP2017]

Mayotte est un deacutepartement franccedilais depuis Mars 2011 Le raccordement au cacircbleLION-2 extension du cacircble LION en avril 2012 rend possible lrsquoarriveacutee du haut deacutebit surce territoire En 2013 un GIX geacutereacute par RENATER est installeacute au sein du Rectorat Il senomme Mayotix

Les Seychelles ont vu leur premiegravere connexion Internet introduite dans lrsquoarchipel parAtlas Seychelles Ltd en septembre 1996 En 2012 les Seychelles sont connecteacutes agrave une fibreen provenance de Tanzanie Crsquoest le cacircble Seychelles to East Africa System (SEAS) Crsquoestlrsquounique cacircble sous-marin connectant lrsquoarchipel Le Ministegravere des Technologie de lrsquoInforma-tion et des Communications (MITC) fait office drsquoautoriteacute de Reacutegulation des Teacuteleacutecommuni-cations dans le pays [DICT2017]

Chaque autoriteacute de reacutegulation agrave un impact sur le deacuteveloppement de lrsquoInternet dansson pays Ce deacuteveloppement se reacutepercute sur lrsquoameacutelioration de lrsquoaccegraves Internet dans laZOI

Deacuteveloppement de lrsquointerconnexion de la Zone Oceacutean Indien

Cette reacutegion a connu un premier bouleversement de sa connectiviteacute agrave Internet avecle deacuteploiement du cacircble sous-marin SAT-3WASCSAFE en 2001 pour La Reacuteunion etMaurice Lrsquoarriveacutee du LION en 2009 a connecteacute Madagascar aux deux icircles En 2010 lesComores et Madagascar se sont ouverts une voie vers lrsquoAfrique avec le cacircble EASSY Lrsquoin-terconnexion du LION 2 a deacuteveloppeacute lrsquoInternet agrave Mayotte tandis que le deacuteploiement ducacircble SEAS a ouvert les Seychelles agrave lrsquoInternet haut deacutebit La carte 5 indique les diffeacuterentscacircbles sous-marins preacutesents dans la ZOI

La ZOI srsquoengage dans le deacuteploiement de nouveaux liensLe cacircble MElting poT Indianoceanic Submarine System (METISS) drsquoune longueur de

3 500 kilomegravetres reliera Madagascar Maurice et La Reacuteunion agrave lrsquoAfrique du Sud La bandepassante du cacircble sera de 24 Tbs Sa mise en service est preacutevue pour le courant de lrsquoan-neacutee 2019 [Lemauricien]

Africa-1 est un cacircble reliant lrsquoAfrique du Sud le Moyen Orient et lrsquoAsie centrale Cecacircble de plus de 12 0000 kilomegravetres passera le long de la cocircte Est africaine avant de relierlrsquoArabie Saoudite lrsquoEacutegypte et le Pakistan La mise en service du cacircble est preacutevue pour lecourant de lrsquoanneacutee 2020 [Africa1]

En 2019 sera mis en service le cacircble IOX IOX est un cacircble sous-marin deacutedieacute agrave lrsquoicircleMaurice Il a pour but drsquooffrir une nouvelle liaison agrave Maurice en reliant lrsquoicircle agrave lrsquoAfrique etau reste du monde Il sera doteacute drsquoune capaciteacute de 54 Tbs [IOX]

La carte 6 repreacutesente lrsquoensemble des IXP preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien En vertce sont les points drsquoeacutechanges deacutejagrave en service La France a degraves lrsquoanneacutee 2004 mis en placele point drsquoeacutechange agrave La Reacuteunion et en 2012 celui de Mayotte Ceux de Maurice et de

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FIGURE 5 ndash Cartes des cacircbles sous-marins dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien (Source [Cablesmap])

Madagascar ont eacuteteacute mis en service en 2016 avec lrsquoaide de lrsquoUnion Africaine de lrsquoInter-net Society et du projet AXIS [AXIS] Les points bleus repreacutesentent les points drsquoeacutechangequi sont preacutevus drsquoecirctre deacuteployeacutes dans la zone oceacutean indien par le projet AXIS dans le fu-tur Drsquoici quelques anneacutees lrsquoensemble des territoires de la zone sera eacutequipeacute drsquoun pointdrsquoeacutechange Cet eacutequipement vise a maintenir le trafic de type Metropolitan Area Network(MAN) du pays ougrave il est installeacute Il facilite les eacutechanges entre les opeacuterateurs locaux enreacuteduisant la latence et en augmentant la qualiteacute de service

FIGURE 6 ndash Carte des points drsquoeacutechange preacutesents actuellement et dans un futur prochedans la ZOI

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3 Probleacutematique

LrsquoInternet et ses applications ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes dans des territoires ougrave les routes sontnombreuses Lrsquoicircle de La Reacuteunion comme beaucoup de territoires insulaires ne beacuteneacuteficiepas drsquoun nombre de liaisons physiques directes important Lrsquoeacutevolution de lrsquoInternet al-lant des applications toleacuterantes aux deacutelais vers des applications temps-reacuteel neacutecessite unerobustesse et une qualiteacute de service deacutependantes drsquoun maillage fort et de deacutelais courts

Lrsquoeacutetude drsquo[Anelli2012] a deacutemontreacute que les deacutelais agrave destination drsquoadresses aleacuteatoiressont sensiblement plus longs depuis La Reacuteunion que depuis Paris avec un eacutecart drsquoenvi-ron 180 ms Suite agrave ce constat lrsquoauteur a reacutealiseacute des simulations estimant les deacutebits asso-cieacutes avec un taux de pertes de 10 Ces simulations ont mis en avant des deacutebits eacutecouleacutesplus faibles pour un usager situeacute agrave La Reacuteunion qursquoun usager baseacute agrave Paris Une augmen-tation de la bande passante nrsquoentraicircnerait pas une diminution des deacutelais Le groupe detravail europeacuteen Reducing Internet Transport Latency (RITE) a reacutealiseacute une videacuteo explicativede ce pheacutenomegravene [RITE2014-2]

Cette thegravese vise agrave mettre en lumiegravere les principaux freins des deacutebits eacutecouleacutes

Dans une premiegravere eacutetape nous eacutetudierons lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis La Reacuteunionen prenant comme base lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par [Anelli2012]

Dans un second temps nous eacutetudierons les routes logiques de lrsquoInternet reacuteunionnais

Dans un dernier temps nous reacutealiserons une proposition drsquoeacutetude de meacutetrologie Cetteeacutetude vise agrave identifier la correacutelation des eacuteveacutenements de congestion entre les flots lrsquoimpor-tance des anomalies affectant Transmission Control Protocol (TCP) (pertes initiales fauxeacuteveacutenements de congestion) la reacutepartition des flots (en taille en protocole en application)et les paramegravetres de performances (taux de pertesRTT deacutebit eacutecouleacute)

4 Organisation de la thegravese

Suite agrave lrsquoexposition de notre probleacutematique le chapitre 1 preacutesente le contexte scienti-fique de nos travaux Dans un premier temps nous allons preacutesenter les caracteacuteristiquesde TCP et sa probleacutematique lieacutee aux reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage Nous continue-rons avec une preacutesentation de quelques solutions Nous deacuteterminerons si lrsquoaccegraves Internetde La Reacuteunion doit ecirctre consideacutereacute comme un reacuteseau agrave forte capaciteacute de meacutemorisation Lasuite du chapitre inclura la deacutefinition de la meacutetrologie dans les reacuteseaux et une preacutesenta-tion des techniques de mesures active et passive

La premiegravere eacutetude est deacutecrite dans le chapitre 2 et deacutebute par la preacutesentation des ob-jectifs Un cahier des charges permettant de reacutepondre aux objectifs a eacuteteacute reacutedigeacute Ce cahierdes charges a deacuteboucheacute sur le deacuteploiement de la plate-forme de meacutetrologie active RunPLet du deacuteveloppement de deux outils drsquoaide agrave lrsquoanalyse rgeoloc et rtraceroute La preacutesen-tation du protocole de mesure a eacuteteacute reacutealiseacutee dans la partie preacuteceacutedant celle des reacutesultatsLe chapitre se conclut par une synthegravese des reacutesultats qui ont servi agrave nos contributions

La seconde eacutetude est preacutesenteacutee dans le chapitre 3 Les objectifs du chapitre sont preacute-senteacutes dans un premier temps et diviseacutes en deux Ce chapitre preacutesente la mise en oeuvredrsquoune plate-forme de meacutetrologie et du protocole de mesure associeacute Une section reacutesultatassocieacutee agrave une conclusion termine le chapitre Ce chapitre a fait lrsquoobjet drsquoune contributionscientifique

Nous concluons notre thegravese par un reacutesumeacute des diffeacuterentes contributions Un apportsur les perspectives qursquoautorisent nos travaux est proposeacute dans le chapitre 35

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Chapitre 1

Eacutetat de lrsquoart

Transmission Control Protocol (TCP) est le protocole de transport le plus utiliseacute sur lrsquoIn-ternet Lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par Center for Applied Internet Data Analysis (CAIDA) sur une du-reacutee de 2 ans du trafic passant par le point drsquoeacutechange (IXP) EQUNIX de Chicago a montreacuteque 90 97 des paquets Internet Protocol (IP) acheminent des segments TCP [EQUINIX]TCP est un protocole de transport qui rend un service de transfert fiable de donneacuteesLorsque la somme du deacutebit des eacutemetteurs TCP partageant une mecircme ressource du reacute-seau excegravede la capaciteacute de cette ressource il se produit de la congestion La congestionest un pheacutenomegravene indeacutesirable qui met le reacuteseau dans un eacutetat ougrave le service rendu est deacute-gradeacute Cette deacutegradation peut ecirctre seacutevegravere en fonction de lrsquointensiteacute du pheacutenomegravene Poureacuteviter que lrsquoeffet de la congestion empire quand elle apparaicirct TCP integravegre une fonctionde reacutesolution connue sous le nom de controcircle de congestion Le principe est que chaqueeacutemetteur deacutetecte la congestion et diminue son deacutebit drsquoeacutemission Pour se faire le controcirclede congestion srsquoappuie sur la boucle de controcircle constitueacutee entre lrsquoeacutemission drsquoun segmentde donneacutees et la reacuteception de lrsquoacquittement correspondant Le controcircle de congestionagit sur le deacutebit drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur avec une latence lieacutee au Round-Trip delay Time(RTT) Lorsque le produit du RTT avec la capaciteacute drsquoeacutecoulement offerte par le reacuteseau estrelativement important le controcircle de congestion de TCP peine agrave utiliser les ressourcesdu reacuteseau efficacement Ce produit du deacutelai et du deacutebit repreacutesente la quantiteacute de donneacuteesnon acquitteacutees qui peut circuler On peut assimiler ce produit agrave la capaciteacute de stockage dedonneacutees dans le reacuteseau

Ces derniegraveres anneacutees lrsquoaugmentation de la bande passante a fait croicirctre significative-ment cette capaciteacute de stockage En effet comme les deacutelais nrsquoont pas diminueacute dans lesmecircmes proportions la capaciteacute de stockage nrsquoa fait que croicirctre Cette eacutevolution pose undeacutefi au controcircle de congestion de TCP pour maintenir ses performances Cette eacutevolutiona entraicircneacute une activiteacute intense de recherche pour traiter ce problegraveme de produit deacutelai-bande passante pour TCP Ainsi de nouvelles versions du controcircle de congestion de TCPont eacuteteacute eacutetudieacutees pour lrsquoadapter aux speacutecificiteacutes des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockageLong Fat Network (LFN)

Si le stockage important de donneacutees dans le reacuteseau pose un problegraveme pour le controcirclede congestion de TCP qursquoen est-il en pratique dans le cas de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion Pourreacutepondre agrave cette question il faut pouvoir mesurer lrsquoexistant Depuis quelques anneacutees ily a un inteacuterecirct croissant pour la mesure Une science de la mesure sur lrsquoInternet se deacute-veloppe Il faut chercher dans la croissance continue et soutenue de lrsquoInternet ainsi quedans lrsquoabsence drsquoune exploitation coordonneacutee les motivations agrave deacutevelopper la meacutetrologiesur Internet Cette meacutetrologie vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet

Ce chapitre se compose de deux sections theacutematiques La premiegravere section 11 traitede la probleacutematique du controcircle de congestion de TCP utiliseacute sur les reacuteseaux agrave grande

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capaciteacute de stockage La sous-section 111 rappelle le principe du controcircle de conges-tion et sa mise en œuvre dans TCP Dans la partie 112 les problegravemes speacutecifiques ducontrocircle de congestion de TCP appliqueacute dans le contexte des reacuteseaux agrave forte capaciteacute demeacutemorisation sont indiqueacutes Face agrave ces problegravemes des propositions ont eacuteteacute eacutetudieacutees quenous preacutesenterons dans les parties 113 et 114 Pour conclure cette section nous pose-rons dans la sous-section 115 les arguments qui permettent drsquoavancer que lrsquoicircle de LaReacuteunion a une connectiviteacute qui srsquoapparente agrave celle des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de sto-ckageLa seconde section 12 est consacreacutee agrave la meacutetrologie du trafic Internet La deacutefinition et lesmeacutethodologies de la meacutetrologie sont indiqueacutees dans la partie 121 La preacutesentation de lameacutetrologie active sera reacutealiseacutee dans la section 122 suivie par celle de la meacutetrologie pas-sive dans la section 123 La comparaison entre la meacutetrologie active et passive termineracette preacutesentation et sera faite dans la partie 124 Pour conclure ce chapitre une synthegraveseest reacutealiseacutee par la section 13 dans laquelle nous tirons les enseignements pour mener deseacutetudes depuis et vers La Reacuteunion

11 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capa-citeacute de stockage

TCP est un protocole de transport creacuteeacute en 1980 et deacutecrit pour la premiegravere fois dans le[RFC793] il a subi depuis de nombreuses eacutevolutions comme lrsquoindique le [RFC7414] Lesuccegraves de TCP repose sur son service de transmission fiable et ordonneacutee drsquoun flux de don-neacutees asynchrones Crsquoest un protocole fonctionnant de point agrave point et de bout en bout au-trement dit entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur des donneacutees sans concerner les eacutequipementsintermeacutediaires TCP offre un service de communication eacutequivalent agrave un canal virtuel bi-directionnel entre 2 entiteacutes applicatives Le canal de communication se caracteacuterise par satransparence seacutemantique crsquoest-agrave-dire par lrsquoabsence drsquoalteacuteration des donneacutees transfeacutereacuteesPour reacutealiser cette fiabiliteacute de lrsquoeacutechange TCP supervise les eacutechanges de donneacutees par desacquittements (Acknowledgement (ACK)) Cette supervision forme une boucle de controcirclecorrespondant agrave lrsquoeacutemission de donneacutees et agrave la reacuteception de lrsquoacquittement correspondantElle se caracteacuterise par le deacutelai pris nommeacute RTT La correction des donneacutees perdues oualteacutereacutees en cours de transit srsquoeffectue par retransmission de ces donneacutees Si le principe defonctionnement de TCP srsquoeacutenonce facilement sa mise en œuvre est complexe du fait de lanon fiabiliteacute du protocole IP sous-jacent et de la diversiteacute des contextes drsquoutilisation deTCP Lrsquoarticle [Ros2005] deacutetaille les diffeacuterentes caracteacuteristiques du protocole lieacutees agrave lrsquoeacuteta-blissement de connexion la numeacuterotation des donneacutees et agrave la fiabilisation des eacutechanges

Outre lrsquoobjectif de fiabiliteacute TCP a aussi un objectif de performance pour le servicerendu en termes de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capaciteacutes de transmission du reacuteseauPour atteindre cet objectif pour le service TCP integravegre une fonction de controcircle de flux quirepose sur une fenecirctre glissante geacutereacutee par le reacutecepteur Ainsi le deacutebit drsquoeacutemission peut srsquoali-gner sur le deacutebit de reacuteception de sorte qursquoun reacutecepteur lent ne puisse ecirctre satureacute par unexpeacutediteur rapide La speacutecification initiale de TCP a eacuteteacute conccedilue sans prendre en compteles ressources du reacuteseau Cet oubli a eacuteteacute agrave la source de dysfonctionnements seacutevegraveres du reacute-seau comme lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse) [Afanasyev2010] Lafonction de controcircle de congestion vise agrave une prise en compte des ressources disponiblesdu reacuteseau et agrave leurs utilisations efficaces Le controcircle de congestion a susciteacute un travail derecherche intensif et ce sujet reste encore drsquoactualiteacute comme lrsquoindique le [RFC6077]

111 Controcircle de congestion de TCP

Drsquoapregraves [Jain1990] la congestion srsquoexprime par lrsquoeacutequation matheacutematique 11

10

sumDemande gt Ressources (11)

Du point de vue drsquoun reacuteseau par commutation de paquets les ressources sont princi-palement les meacutemoires tampon des nœuds de commutation et la capaciteacute de transmissiondes artegraveres de communication La congestion apparaicirct au niveau des nœuds de commu-tation et plus particuliegraverement sur leurs interfaces de sortie La condition pour voir ap-paraicirctre une congestion est laquo si la somme des deacutebits des flux arrivant sur lrsquointerface desortie est supeacuterieure agrave la capaciteacute de transmission du lien en sortie raquo Dans cette situationune file drsquoattente se constitue et quand elle deacuteborde les effets neacutefastes de la congestionse concreacutetisent A savoir que le taux de pertes des paquets augmente dans le reacuteseau cequi se traduit au niveau du service par un deacutebit eacutecouleacute qui chute et un deacutelai de trans-fert qui augmente Dans [Chiu1989] les auteurs montrent que la performance du reacuteseauest lieacutee agrave la charge appliqueacutee au reacuteseau Formellement la charge srsquoexprime comme tauxdrsquoarriveacutee sur le taux de service Informellement la charge repreacutesente la proportion de lademande autrement dit du trafic eacutemis par rapport agrave la capaciteacute de transfert La figure11 illustre lrsquoeacutevolution du deacutebit eacutecouleacute (throughput) et du RTT en fonction de la chargeappliqueacutee au reacuteseau (load) Au deacutebut le deacutebit eacutecouleacute srsquoaccroicirct avec la charge alors queles deacutelais nrsquoaugmentent presque pas On est dans une phase de remplissage des liensLorsque la charge srsquoapproche du taux de remplissage maximum des liens du reacuteseau Ledeacutebit eacutecouleacute nrsquoaugmente presque plus alors que les deacutelais augmentent fortement Crsquoestla phase de remplissage des files drsquoattente Ces deux phases sont seacutepareacutees par un pointcaracteacuteristique qui srsquoappelle le point drsquoinflexion (knee) Lorsque les files drsquoattente sontpleines et que la charge du reacuteseau continue de srsquoaccroicirctre les files drsquoattente vont deacutebor-der Agrave partir de ce point appeleacute le point de retournement (cliff ) le reacuteseau rentre dans lrsquoeacutetatdit drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse)

FIGURE 11 ndash Performance du reacuteseau en fonction de la charge appliqueacutee (Source [Chiu1989])

Lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion est rapporteacute par [Nagle1984] Dans cet eacutetat le reacute-seau enregistre des retransmissions abusives effectue des transferts avec des deacutelais ten-dant vers lrsquoinfini et rend un service avec un deacutebit eacutecouleacute proche de zeacutero Lrsquoeffondrementducirc agrave la congestion srsquoexplique par le gaspillage des ressources utiliseacutees en amont du point

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de perte du paquet La solution agrave lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion reacuteside en lrsquoalignementdu deacutebit de lrsquoeacutemetteur agrave la capaciteacute drsquoeacutecoulement du canal de communication offert parle reacuteseau afin de ne produire aucune perte Ainsi les objectifs assigneacutes au controcircle decongestion de TCP sont drsquoeacuteviter lrsquoeacutetat drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion drsquoallouer eacutequi-tablement les ressources du reacuteseau entres les flux concurrents et drsquooptimiser les perfor-mances obtenues par chaque flux [RFC2914]

Le controcircle de congestion de TCP fonctionne sur le principe de la boucle fermeacutee avecle reacuteseau vu comme une boicircte noire ainsi preacutesenteacute par la figure 12 Apregraves une stimu-lation sous la forme de lrsquoenvoi de paquets lrsquoobservation du comportement de la boicirctenoire agrave ce stimulus sera analyseacute par le controcircleur situeacute dans lrsquoeacutemetteur Le controcircleur rap-proche lrsquoobservation faite en retour du stimulus (feedback) par rapport agrave lrsquoobjectif affecteacuteau controcircleur Celui-ci par reacutetro-action ajustera le nombre des paquets suivants envoyeacutesCet ajustement est le reacutesultat drsquoune fonction de controcircle qui se base sur une perceptionbinaire des retours agrave savoir absence ou preacutesence de congestion

FIGURE 12 ndash Boucle fermeacutee du CC de TCP

Dans [Gevros2001] lrsquoauteur liste les moyens pour effectuer les observations que lrsquoonnomme en fait des notifications dans le contexte des reacuteseaux Les notifications de lacongestion dans le reacuteseau peuvent ecirctre implicites ou explicites Dans le premier caselles sont deacuteduites par lrsquoabsence drsquoACK Lrsquoaugmentation des deacutelais et les pertes des don-neacutees sont des causes possibles pour la non-reacuteception de lrsquoACK A lrsquoinverse lrsquoabsence decongestion est deacuteduite par la reacuteception drsquoun ACK Cette reacuteception autorise lrsquoenvoi drsquounnouveau paquet comme le montre [Jacobson1988-1] Les notifications peuvent ecirctre ex-plicites si les paquets veacutehiculent une marque mise par lrsquoeacuteleacutement congestionneacute commecrsquoest le cas avec la proposition Explicit Congestion Notification (ECN) [RFC3168] Nous re-viendrons sur cette proposition dans la sous-section 113 Lorsque le controcircleur deacuteduitla preacutesence de congestion il reacuteduit le deacutebit drsquoeacutemission de la source Le deacutebit est controcircleacuteagrave lrsquoaide drsquoune fenecirctre appeleacutee la fenecirctre de congestion (Congestion Window (CWND) ω)Elle indique la quantiteacute de donneacutees qui peut ecirctre eacutemise sur un RTT Autrement dit elleindique combien de donneacutees non acquitteacutees peut recevoir le canal de communicationSa taille eacutevolue dans le temps en fonction de lrsquoeacutetat du reacuteseau et selon une fonction decontrocircle Additive Increase and Multiplicative Decrease (AIMD) La fenecirctre drsquoeacutemission uti-liseacutee par un eacutemetteur TCP est le minimum entre la fenecirctre de congestion et la fenecirctreglissante du controcircle de flux Le controcircle de congestion comporte deux phases distinctes[Gevros2001]

mdash La premiegravere phase se nomme eacutevitement de la congestion (congestion avoidance) et sesitue autour du point drsquoinflexion de la figure 11

mdash La seconde phase se nomme reacutesolution de la congestion (congestion recovery) Ellese deacuteclenche quand lrsquoeacutetat du reacuteseau se situe au delagrave du point drsquoinflexion

Dans la phase de congestion avoidance le controcircle de congestion de TCP utilise deux al-gorithmes le deacutemarrage en douceur (slow-start (SS)) et lrsquoeacutevitement de congestion (conges-tion avoidance (CA)) Au deacutebut de la connexion TCP nrsquoa aucune connaissance de lrsquoeacutetat dureacuteseau autrement dit de lrsquoeacutetat du canal de communication entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecep-teur TCP utilise lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur pour sonder le canal Lrsquoobjectif

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est drsquoatteindre le point drsquoinflexion rapidement et sans risquer de congestionner le canalpar des rafales Pour cela lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur va eacutetaler sur plusieursRTT la croissance de la taille fenecirctre de congestion jusqursquoagrave atteindre une estimation dupoint drsquoinflexion Ainsi lrsquoeacutemetteur commence avec une fenecirctre de congestion assez pe-tite et lrsquoouvre au fur et agrave mesure et de plus en plus vite avec lrsquoarriveacutee des acquittementsPlus preacuteciseacutement le rythme de croissance de la taille de la fenecirctre de congestion est surle doublement tous les RTT Quant la fenecirctre de congestion atteint un certain seuil noteacuteslow-start threshold (ssthresh) le deacutemarrage en douceur srsquoarrecircte et lrsquoalgorithme drsquoeacutevite-ment de congestion est maintenant utiliseacute Cet algorithme augmente lineacuteairement et pluslentement que le deacutemarrage en douceur la taille de la fenecirctre de congestion En lrsquoabsencedrsquoindication explicite par le reacuteseau du deacutebit disponible sur le canal de communicationlrsquoeacutemetteur TCP continue de faire le sondage du canal et veacuterifie si le deacutebit eacutecouleacute peut ecirctreencore augmenteacute Pour lrsquoauteur de [Sallantin2014] lorsque la connexion TCP utilise lrsquoal-gorithme drsquoeacutevitement de congestion elle entre alors dans un eacutetat stable Dans cet eacutetat laconnexion doit se deacuterouler avec un deacutebit eacutecouleacute eacuteleveacute Crsquoest une indication que le pointdrsquoinflexion est atteint

La figure 13 donne une repreacutesentation simplifieacutee des eacutetats du controcircle de congestionde TCP Elle indique que lrsquoeacutetat stable peut ecirctre quitteacute si la connexion est libeacutereacutee ou si ily a un eacuteveacutenement de congestion TCP assimile les pertes implicitement agrave un eacuteveacutenementde congestion Lrsquoeacuteveacutenement de congestion fait basculer le controcircle de congestion de TCPdans la phase de reacutesolution de la congestion Dans cette phase la reprise de la perte oudes pertes est effectueacutee et la taille de la fenecirctre de congestion est diminueacutee et ceci afin dediminuer le deacutebit drsquoeacutemission

On distingue deux faccedilons de deacutetecter un eacuteveacutenement de congestion Une meacutethodesrsquoappuie sur la reprise de perte de TCP par retransmission des donneacutees perdues sur ex-piration drsquoun temporisateur (Retransmission TimeOut (RTO)) Une autre meacutethode utilisela caracteacuteristique de TCP qui consiste agrave ce que le reacutecepteur envoie un acquittement agravechaque segment de donneacutees reccedilu en seacutequence Ce segment porte le numeacutero des derniegraveresdonneacutees reccedilues seacutequentiellement Ainsi la reacuteception de donneacutees entraicircnant une rupturede la numeacuterotation en seacutequence geacutenegravere lrsquoeacutemission drsquoun acquittement dupliqueacute (Dupli-cate Acknowledgement (DupAck)) par le reacutecepteur Agrave la reacuteception de trois DupAck parlrsquoeacutemetteur les donneacutees indiqueacutees par la rupture de seacutequencement sont consideacutereacutees per-dues et retransmises sans attendre lrsquoexpiration du RTO Ce principe de retransmissionrapide porte le nom de fast retransmit (FR) Lrsquoalgorithme de reacutecupeacuteration rapide (fast reco-very (FR)) va maintenir la quantiteacute de donneacutees en transit dans le canal de communicationpour eacuteviter lrsquoeacutemission drsquoune rafale lorsqursquoun nouvel acquittement sera reccedilu En lrsquoabsencedu fast recovery agrave la reacuteception drsquoun nouvel acquittement la fenecirctre pourrait se vider parune rafale correspondant agrave des eacutemissions de paquets de donneacutees dos agrave dos sur un deacute-bit supeacuterieur agrave celui du deacutebit drsquoeacutecoulement du canal Ceci aurait pour effet de saturer lecanal et de renvoyer la connexion TCP dans une phase de reacutesolution de la congestion

Lorsque les eacutemissions de lrsquoeacutemetteur sont bloqueacutees par des donneacutees eacutemises et jamaisacquitteacutees le blocage est rompu par le RTO et ceci quel que soit lrsquoeacutetat Les deacutetails dela mise en œuvre des algorithmes du controcircle de congestion TCP sont deacutecrits par le[RFC5681]

Historiquement la version deacutenommeacutee TCP Tahoe incorporait la fonction de controcirclede congestion deacuteveloppeacutee en 1888 Elle comportait les algorithmes de slow-start conges-tion avoidance et de fast retransmit [Jacobson1988-1] La reprise de perte par fast retransmitsouffrait drsquoinefficaciteacute elle a eacuteteacute corrigeacutee avec lrsquoalgorithme du fast recovery Cette versionagrave quatre algorithmes est la version connue sous le nom de Reno et publieacutee la premiegraverefois en 1997 par le [RFC2001] Le couplage fast retransmit - fast recovery souffrait de deacutefauts

13

Deacutebut13

de13

connexion

Deacutemarrage13

en13

douceur

Etat13

stable

FRFR

Fin13

de13

connexion

3 Dupack

nouvel 13

ack

RTO

RTO

cwnd gt ss

tresh

SYN13

SYNACK

FIN-FINACK

FIGURE 13 ndash Etats du controcircle de congestion de TCP

lorsqursquoun eacuteveacutenement de congestion comportait plusieurs pertes Le [RFC2582] apportaitun correctif en 1999 On parla alors de version NewReno du controcircle de congestion En2005 une eacutetude montra que crsquoeacutetait la version du controcircle de congestion de TCP la plusutiliseacutee sur lrsquoInternet [Medina2005] Depuis de nouvelles versions ont eacuteteacute deacuteployeacutees dansles systegravemes drsquoexploitation tels que Windows et Linux appeleacutes respectivement C-TCP[Tan2006] et CUBIC [Ha2008] Dans la section 112 ces versions seront deacutetailleacutees

Le fonctionnement caracteacuteristique du controcircle de congestion de TCP est illustreacute parla figure 14 extraite de [Huston2000] Elle montre lrsquoeacutevolution de la fenecirctre de conges-tion dans le temps (exprimeacutee en terme de RTT) sur un canal de communication virtuelentre 2 stations Il srsquoagit ici drsquoun sceacutenario ideacutealiseacute dans lequel la connexion TCP nrsquoest pasen concurrence avec drsquoautres connexions La congestion se produit toujours agrave la mecircmevaleur de fenecirctre et pour laquelle la file drsquoattente deacuteborde Cette figure montre les deuxcaracteacuteristiques du controcircle de congestion de TCP qui deacutecoulent de la phase drsquoeacutevitementde congestion et de reacutesolution de la congestion et qui sont

mdash Lrsquoagressiviteacute elle provient du sondage du canal de communication LrsquoeacutemetteurTCP va chercher agrave accroicirctre le deacutebit eacutecouleacute en augmentant graduellement son deacutebitdrsquoeacutemission par lrsquoagrandissement de la taille de la fenecirctre de congestion

mdash La reacuteactiviteacute lorsque le canal de communication est plein et qursquoil deacuteborde quandcette perte est deacutetecteacutee lrsquoeacutemetteur TCP reacuteagit et diminue la taille de sa fenecirctre afinde diminuer son deacutebit drsquoeacutemission

Ces deux caracteacuteristiques donnent cette figure en dents de scie de la fenecirctre de conges-tion

112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de sto-ckage

Un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage est un reacuteseau avec un produit deacutelai-bandepassante (Bandwidth Delay Product (BDP)) eacuteleveacute Dans lrsquoouvrage [Peterson2007] lrsquoauteureffectue une analogie du produit deacutelai-bande passante avec un tuyau Le deacutelai corres-pond agrave la longueur du tuyau et la bande passante au diamegravetre du tube Ainsi le BDPest le volume du tube Dans le cas drsquoun reacuteseau informatique le volume du tuyau srsquoex-prime en bits Ainsi lorsqursquoun canal de communication entre un eacutemetteur et un reacutecepteurpreacutesente un produit deacutelai-bande passante important un volume important de bits (autre-ment dit de donneacutees) peut ecirctre eacutemis avant de recevoir une notification Du point de vue

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FIGURE 14 ndash Eacutevolution caracteacuteristique de la fenecirctre de congestion de TCP

de lrsquoeacutemetteur TCP ce volume de donneacutees injecteacute dans le reacuteseau sont des donneacutees nonencore acquitteacutees Les reacuteseaux qui offrent des canaux de communication avec un pro-duit deacutelai-bande passante important sont nommeacutes en anglais Long Fat Network (LFN) Le[RFC1072] preacutecise qursquoun LFN agrave un produit deacutelai-bande passante supeacuterieur agrave 12 5 Ko

Sachant que le controcircle de congestion de TCP srsquoappuie sur une reacutetro-action selon unepeacuteriode de RTT et que le deacutebit eacutecouleacute maximal est atteint lorsque la fenecirctre drsquoeacutemissionest au moins supeacuterieure au produit deacutelai(RTT)-bande passante du canal de communica-tion lrsquoutilisation de TCP sur un reacuteseau LFN a des conseacutequences neacutegatives sur la perfor-mance Les causes sont agrave chercher du cocircteacute du RTT et du produit deacutelai-bande passante quiprennent tous les deux des valeurs importantesDans le cas du RTT crsquoest le deacutelai de reacuteactiviteacute de TCP qui est impacteacute En effet quandle RTT est eacuteleveacute la dynamique de TCP est ralentie car lrsquoeacutemetteur TCP doit attendre pluslongtemps pour recevoir un ACK et savoir quoi faire par la suite

Pour ce qui concerne le produit deacutelai-bande passante crsquoest le deacutebit eacutecouleacute qui peutecirctre faible par rapport au deacutebit du canal de communication (sa bande passante) La fe-necirctre drsquoeacutemission de TCP nrsquoatteint pas la valeur du produit deacutelai-bande passante lrsquoeacutemet-teur se trouve alors bloqueacute en attente de lrsquoACK pour eacutemettre de nouvelles donneacutees Cespeacuteriodes de blocage concourent agrave faire chuter le taux drsquoutilisation du canal de communi-cation

Par la suite nous allons deacutetailler les conseacutequences de la faible reacuteactiviteacute et drsquoune fe-necirctre drsquoeacutemission importante agrave atteindre sur lrsquoefficaciteacute de TCP La probleacutematique se poseen terme de deacutemarrage de connexion et son implication pour le transfert des flots courtsde taille maximale possible de la fenecirctre de congestion et de reacutesolution de la congestion

Le deacutemarrage de connexion

Le deacutebut des connexions de TCP se fait agrave lrsquoaide de lrsquoalgorithme du deacutemarrage en dou-ceur Nous avons vu preacuteceacutedemment que ce meacutecanisme double la fenecirctre de congestionen un RTT Lorsque la fenecirctre de congestion atteint la valeur seuil ssthresh lrsquoalgorithmedrsquoeacutevitement de congestion est utiliseacute La valeur initiale du seuil est fixeacutee arbitrairementce qui soumet TCP agrave deux problegravemes Le doublement de la fenecirctre de congestion quandelle atteint des valeurs importantes constitue des increacutements avec une granulariteacute de plusen plus grosse Si la valeur de ssthresh est trop grande par rapport au BDP avec un grosincreacutement le deacutepassement du BDP peut conduire agrave eacutemettre trop de paquets causantdes pertes multiples induisant une augmentation de la latence et une reacuteduction du deacute-bit eacutecouleacute Dans le cas ougrave la valeur du ssthresh est trop basse par rapport au BDP la

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connexion TCP va utiliser preacutematureacutement lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion avecune increacutementation lineacuteaire Ce changement preacutematureacute aura pour conseacutequence une sous-utilisation de lrsquoalgorithme de deacutemarrage en douceur speacutecialement dans le cas ougrave le BDPest tregraves eacuteleveacute [Wang2004]

Le deacutemarrage de connexion est particuliegraverement important pour les flots courts TCP(short lived TCP flow) Un flot court TCP se deacutefinit comme un flot dont la taille est in-feacuterieure ou eacutegale agrave 10 segments TCP [Sallantin2014] La probleacutematique des flots courtsprovient du fait qursquoils nrsquoont pas assez de donneacutees pour quitter lrsquoeacutetape du deacutemarrage endouceur En effet la taille de la fenecirctre de congestion nrsquoa pas le temps drsquoatteindre la va-leur du produit deacutelai-bande passante que la totaliteacute des donneacutees ont eacuteteacute transmises Laconseacutequence est qursquoils ont fonctionneacute avec une fenecirctre de congestion qui est resteacutee rela-tivement petite Dans le cas drsquoun LFN le rapport de la taille de la fenecirctre de congestionsur le produit deacutelai-bande passante tend vers zeacutero et neacutecessite plusieurs RTT Il srsquoensuitque le deacutebit eacutecouleacute est extrecircmement faible De plus si le flot court souffre drsquoun eacuteveacutene-ment de congestion il sera particuliegraverement peacutenaliseacute Il a de fortes chances que la reprisesrsquoeffectue avec un RTO avec un deacutelai maximum de 1 agrave 3 secondes [RFC6298] Ce genrede flots nrsquoa pas toujours assez de donneacutees eacutemises apregraves la perte pour geacuteneacuterer trois Du-pAck et proceacuteder agrave une reprise par fast retransnmit Comme ces flots repreacutesentent drsquoapregraves[Ciullo2009] 90 des flux preacutesents dans lrsquoInternet leur sous-performance sur les LFN estprobleacutematique

La reacutesolution de la congestion

TCP deacutetecte une perte par lrsquoexpiration du RTO ou par la reacuteception de trois DupAckTCP va reacuteagir en deux temps en renvoyant le paquet perdu et en divisant par deux lafenecirctre de congestion Si la taille de la fenecirctre est importante la division par deux vaentraicircner une chute significative de la capaciteacute drsquoenvoi Par rapport au produit deacutelai-bande passante cette division par deux peut entraicircner une sur-reacuteaction de lrsquoeacutemetteur Ledeacutebit eacutecouleacute apregraves un eacuteveacutenement de congestion peut devenir faible et se pose le problegravemede la dynamique de sondage

Dynamique du sondage

TCP a un objectif de performance en terme de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capa-citeacutes de transmission du reacuteseau TCP possegravede un comportement conservateur Avec lafonction de controcircle AIMD TCP aura besoin drsquoun cycle eacutegal agrave ω2 RTT pour reacutecupeacutererune taille de fenecirctre eacutegale agrave celle avant reacuteduction Dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage TCP tend agrave ecirctre trop prudent agrave ouvrir sa fenecirctre de congestion trop lentementLa capaciteacute de stockage importante demande un nombre de cycles important pour quela fenecirctre de congestion puisse couvrir le BDP Durant ce temps il est important de nepas avoir de pertes Lrsquoexemple donneacute par le [RFC3649] preacutesente un reacuteseau agrave une capa-citeacute de 10 Gbits un deacutelai de 100 ms et une taille de paquets drsquoun maximum de 1500octets Cela demanderait un eacutechange drsquoune dureacutee de deux heures environ De plus la to-taliteacute des paquets devront ecirctre transmis dans la dureacutee indiqueacutee preacuteceacutedemment Le tauxde perte maximal permettant lrsquousage de la totaliteacute de la bande passante est de lrsquoordrede 10minus10 Crsquoest un taux de perte irreacutealiste Il faut donc appliquer une autre fonction decontrocircle pour utiliser efficacement la capaciteacute des liens et pour reacutepondre rapidement auxchangements drsquoeacutetats du reacuteseau

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113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN

Pour rappel dans la partie 111 nous avons vu que le controcircle de congestion de TCPse deacutecoupait en deux phases La premiegravere phase de congestion avoidance comporte les al-gorithmes de sondage alors que la seconde phase dite de congestion recovery comporte lesalgorithmes de reacutesolution de la congestion Nous preacutesentons les propositions qui visentagrave changer le controcircle de congestion de TCP sur ces deux phases pour les adapter auxcontraintes des LFN et donc traiter les problegravemes que nous avons mis en eacutevidence dansla sous-section 112 Lrsquoutilisation de TCP sur des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage asusciteacute des propositions qui sont classeacutees dans le tableau 11 Ces propositions vont ecirctredeacutetailleacutees dans la suite de ce manuscrit

TABLE 11 ndash Tableau de synthegravese des propositions

Phase Problegraveme SolutionsCongestion avoidance Deacutemarrage de

connexionInitial Spreading Reacuteduc-tion du RTO Quick-startJump Start

Congestion recoveryReacutesolution decongestion

MulTCP

Dynamique dusondage

HighSpeed TCP C-TCPBIC CUBIC

Le deacutemarrage de connexion

Lrsquoideacutee de la premiegravere solution est de reacuteduire le nombre de cycles au deacutemarrage drsquounflot Le doublement de la taille lorsque la fenecirctre de congestion vaut 2 segments parexemple conduit agrave un increacutement qui reste faible sur un RTT Le principe de la premiegraveresolution est drsquoaugmenter la taille initiale de la fenecirctre de congestion (Initial Window (IW))[RFC6928] Avec une taille initiale de fenecirctre de congestion eacutequivalent agrave 10 Maximun Seg-ment Size (MSS) lrsquoeacutemetteur peut transmettre degraves le deacutebut de connexion une rafale de 10segments Parmi les avantages de cette solution on peut citer la reacuteduction de la latencedu transfert de donneacutees en consideacuterant que le canal ne sera pas congestionneacute Un des in-conveacutenients de cette solution est la possibiliteacute de congestionner la file drsquoattente du goulotdrsquoeacutetranglement Afin de reacutesoudre ce problegraveme [Sallantin2014] propose lrsquoInitial SpreadingCette proposition combine lrsquoaugmentation de la fenecirctre drsquoeacutemission et le meacutecanisme drsquoes-pacement meacutecanisme limitant la preacutesence de rafales Ces travaux ont fait lrsquoobjet drsquouneproposition aupregraves de lrsquoInternet Engineering Task Force (IETF) [Arnal2014]

La deacutetection drsquoune perte au deacutepart du deacutemarrage en douceur se fait agrave travers lrsquoex-piration du RTO soit trois secondes Pour ameacuteliorer la reprise sur erreur le [RFC6298]propose de reacuteduire la dureacutee du RTO agrave une seconde Cette reacuteduction du RTO autorise uneretransmission plus rapide des paquets perdus et apporte un gain relativement importantpour des flots qui ont une latence tregraves faible comme celle des flots courts

Une autre solution eacutevalueacutee par [Scharf2008-1] et deacutecrite par le [RFC4782] se nommeQuick-start Lrsquoeacutemetteur eacutemet une requecircte contenant le deacutebit drsquoeacutemission qursquoil souhaite uti-liser Chaque nœud traverseacute peut alors accepter rejeter ignorer ou modifier la requecircteen fonction de son deacutebit disponible Pour bien fonctionner ce meacutecanisme de neacutegociationneacutecessite que lrsquoensemble des routeurs traverseacutes aient reacutepondu agrave la requecircte La figure 15compare les performances du deacutemarrage en douceur (en rouge) et de Quick-start sur unteacuteleacutechargement vu depuis le serveur Le serveur a eacutemis deux requecirctes la premiegravere agrave undeacutebit de 8192 Mbits (en vert) et lrsquoautre pour un deacutebit drsquoune valeur de 512 Mbits (en

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bleu) Lrsquoaxe des abscisses repreacutesente la latence (dureacutee de la connexion) depuis lrsquoeacutemissionde la demande drsquoeacutetablissement de connexion et en ordonneacutee le deacutebit drsquoeacutemission Les deacute-bits ont eacuteteacute calculeacutes agrave partir de la quantiteacute de donneacutees moyenne eacutemises en un RTT Les reacute-sultats montrent des performances supeacuterieures de Quick-start par rapport au deacutemarrageen douceur En effet une requecircte de Quick-start avec un deacutebit suffisamment eacuteleveacute per-met drsquoatteindre rapidement lrsquoutilisation maximale de la bande passante disponible Ledeacutemarrage en douceur limite la croissance du deacutebit drsquoeacutemission On remarque eacutegalementque si la valeur seuil du deacutemarrage est trop basse le deacutebit drsquoeacutemission croicirct beaucoupmoins rapidement (lien en pointilleacute sur la figure 15) Quick-start reste performant sur lesflots courts en appliquant un deacutebit drsquoeacutemission qui sera eacutequivalent agrave un flot long

FIGURE 15 ndash Principe de Quick-Start (Source [Scharf2008-1])

Dans lrsquoarticle [Liu2007] lrsquoauteur preacutesente Jump Start Cette proposition reacutealise uneestimation des donneacutees precirctes agrave ecirctre envoyeacutees ainsi que du RTT Lrsquoobjectif est drsquoeacutemettreles segments de faccedilon reacuteguliegravere en un RTT Ce meacutecanisme srsquoavegravere trop agressif dans lesenvironnements congestionneacutes Le nombre de segments envoyeacutes en un RTT peut ecirctreimportant et ainsi causer de seacutevegraveres deacutegradations de performance

La reacutesolution de la congestion

Quand TCP a atteint lrsquoeacutetat stable et qursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de conges-tion va ecirctre diviseacutee par deux Cette reacuteduction diminuera le deacutebit eacutecouleacute Il est importantpour TCP drsquoecirctre reacuteactif vis agrave vis des pertes Pour cela de nouveaux algorithmes doiventecirctre mis en place dans la phase drsquoeacutevitement de congestion Ces algorithmes devront ecirctrereacuteactifs aux pertes mais sans sur-reacuteagir Ces nouveauteacutes doivent permettre de retrouverrapidement un deacutebit eacutecouleacute important

Lorsque plusieurs flux TCP empruntent une route congestionneacutee ils sont soumis aumecircme taux de pertes Le but eacutetant de reacutepartir eacutequitablement la bande passante dispo-nible Une approche de diminution moins agressive de la fenecirctre de congestion consistea reacutealiser des connexions TCP parallegraveles Lrsquoobjectif est drsquoavoir un flux TCP se comportantcomme lrsquoagreacutegation de plusieurs flux

Dans lrsquoarticle [Crowcroft1998] les auteurs proposent une version du controcircle de conges-tion de TCP qui se comporte drsquoune maniegravere eacutequivalente agrave N sessions TCP parallegraveles Ilsrsquoagit de MulTCP MulTCP geacutenegravere un flux TCP unique ougrave les sessions virtuelles sont reacute-parties uniformeacutement afin drsquoobtenir le reacutesultat maximal en terme de deacutebit Le controcircle decongestion de TCP change lorsqursquoil utilise lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion et qursquoil

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deacutetecte un eacuteveacutenement de congestion (par deacutetection drsquoau moins une perte drsquoun segmentdans une fenecirctre de congestion) Les eacutequations suivantes sont utiliseacutees dans chacun descas MulTCP

ACK ω larr ω +N

ω

DROP ω larr ω times (1minus 1

2N)

(12)

En eacutevitement de congestion lorsqursquoun ACK est reccedilu MulTCP augmente sa fenecirctre decongestion (ω) de N segments par RTT Lors de la perte de segments (DROP) MulTCPreacuteduit sa fenecirctre de ω(2N) plutocirct que la valeur par deacutefaut de ω2 La figure 16 montrelrsquoeacutevolution de la fenecirctre de congestion de MulTCP par rapport agrave TCP On voit sur la fi-gure 16 que MulTCP a de meilleures performances qursquoun flux TCP normal Lorsque lesperformances sont combineacutees le reacutesultat est supeacuterieur agrave un flux unique

FIGURE 16 ndash Simulation de MulTCP avec N=5 (Source [Huston2006])

Dynamique du sondage

Lrsquoobjectif de lrsquoeacutemetteur de TCP est drsquoenvoyer le plus de donneacutees le plus vite possibleMais agrave condition qursquoelles arrivent sans produire de la congestion sinon les donneacutees se-ront perdues et il faudra les reacute-eacutemettre Il faut eacutegalement tenir compte des autres flotsen partageant eacutequitablement les ressources du reacuteseau Une approche pour traiter le pro-blegraveme de la dynamique du sondage consiste agrave changer la fonction de controcircle de TCP

Lrsquoobjectif de HighSpeed-TCP (HS-TCP) est drsquoatteindre les hauts deacutebits en ayant desperformances comparables agrave TCP classique dans les environnements agrave faible BDP [RFC3649]La version du controcircle de congestion HighSpeed-TCP utilise le meacutecanisme drsquoAdditive In-crease and Multiplicative Decrease combineacute agrave un facteur calculeacute en fonction de la taille dela fenecirctre de congestion tel qursquoindiqueacute par les eacutequations 13 En deccedila drsquoun certain seuilde ω la reacuteponse de HighSpeed-TCP est eacutequivalente agrave TCP Reno HS-TCP est limiteacute durantla phase de deacutemarrage en douceur Durant cette phase HS-TCP peut normalement en-voyer un grand nombre de paquets Lrsquoenvoi drsquoun trop grand nombre de donneacutees risquedrsquooccasionner de la congestion Le [RFC3742] propose de limiter agrave 100 paquets la capaciteacutedrsquoenvoi drsquoHS-TCP durant la phase de deacutemarrage en douceur

ACK ω larr ω +α(ω)

ωDROP ω larr (1minus β(ω))times ω

(13)

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La figure 17 illustre le comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCPLorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre est moins importante gracircceau facteur β Le retour a la valeur preacuteceacutedente se fait beaucoup plus rapidement qursquoavecReno ou NewReno (en gris clair sur la figure) gracircce au facteur α Ainsi HS-TCP offre unemeilleure utilisation de la capaciteacute disponible sur le lien

FIGURE 17 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCP (Source [Afanasyev2010])

Dans [Tan2006] lrsquoauteur propose une version de TCP alliant lrsquoapproche pro-activeet reacuteactive Une approche pro-active utilise les variations du RTT pour estimer lrsquoeacutetat dureacuteseau Alors qursquoune approche reacuteactive agit quand lrsquoeacuteveacutenement de congestion srsquoest pro-duit Lrsquoobjectif est de maintenir de bonnes performances sur reacuteseaux avec un haut deacutebitet un grand RTT Compound-TCP (C-TCP) maintient deux fenecirctres de congestion Lrsquounecroicirct de faccedilon lineacuteaire mais deacutecroicirct via un certain coefficient en cas de perte La secondefenecirctre est lieacutee agrave lrsquoapproche pro-active de TCP-Vegas [Brakmo1994] La taille de la fenecirctrede congestion reacuteellement utiliseacutee est la somme des deux fenecirctres Lrsquoeacutequation 14 illustrecette addition

ACK ω larr ωreno + ωfast (14)

Si le RTT est bas alors la fenecirctre ωfast va croicirctre rapidement Si C-TCP rencontre uneperte alors ωreno diminuera rapidement pour compenser lrsquoaugmentation preacuteceacutedente deωfast Ce systegraveme cherche agrave garder une valeur constante de la fenecirctre drsquoeacutemission C-TCPutilise efficacement des liens sur les reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage C-TCP est sujetau mecircme deacutefaut que TCP-Vegas sur lrsquoexactitude des mesures RTT Si les flux en concur-rence les uns avec les autres dans le reacuteseau observent des valeurs RTT minimales diffeacute-rentes le flux se voyant un RTT plus eacuteleveacute sera beaucoup plus agressif et injuste pourlrsquoautre flux La figure 18 illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion de C-TCPLa partie convexe de la courbe repreacutesente un fonctionnement plus proche de TCP RenoCela indique donc une valeur de ωfast faible Nous remarquons qursquoapregraves une perte TCPessaye de reacutecupeacuterer rapidement la valeur preacuteceacutedente Lors de pertes multiples la fenecirctrede congestion suit une forme proche agrave ce moment de la courbe de HighSpeed-TCP (voirfigure 17) Ce comportement est la conseacutequence drsquoune valeur eacuteleveacutee de ωfast C-TCP per-met ainsi drsquoatteindre le deacutebit maximum disponible sur le lien tout en lissant sa capaciteacutedrsquoenvoi en se basant sur le RTT C-TCP est la version de TCP installeacutee nativement sur lesystegraveme drsquoexploitation Windows de Microsoft

Lrsquoalgorithme de controcircle de congestion de TCP connu sous le nom Binary IncreaseCongestion control (BIC) vise agrave une convergence rapide [Xu2004] La fenecirctre doit atteindrela taille maximale possible sans qursquoil y ait de pertes Pour cela il met en œuvre une nou-velle fonction du controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion La fonction de controcircle

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FIGURE 18 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de Compound-TCP (Source [Afanasyev2010])

de BIC est structureacutee en trois phases (Additive Increase Binary Search Max Probing) tellesqursquoillustreacutees par la figure 19a Au deacutemarrage de la connexion BIC va increacutementer lineacuteai-rement la fenecirctre de congestion Crsquoest la phase drsquoAdditive Increase

Durant la phase Binary Search BIC va essayer de deacutecouvrir la taille optimale de lafenecirctre de congestion La taille optimale est la taille permettant drsquoeacutemettre le maximum dedonneacutees sans essuyer de pertes Elle se base sur lrsquoeacutetude entre la valeur minimale (ωmin)et la valeur maximale (ωmax) de la fenecirctre de congestion Ces variables vont permettredrsquoaffiner la valeur de la fenecirctre de congestion Au deacutebut de la connexion ωmin est mise agrave1 et ωmax est mis arbitrairement agrave une valeur eacuteleveacutee

Lorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de congestion va ecirctre reacuteduite et prendre pourvaleur la moyenne entre ωmin et ωmax ωmin prend alors pour valeur la taille de la fenecirctrede congestion apregraves reacuteduction et ωmax la valeur de la fenecirctre de congestion avant la perteSi lrsquoeacutecart entre la valeur de la fenecirctre de congestion avant et apregraves la perte est supeacuterieuragrave une constante Smax alors la fonction de controcircle de BIC entre en phase dite AdditiveIncrease Durant cette phase Smax va servir de valeur drsquoincreacutementation pour la fenecirctrede congestion agrave chaque RTT Par la suite et si aucune perte nrsquoest de nouveau deacutetecteacuteela fonction de controcircle de BIC retourne en phase de Binary Search Lrsquoobjectif est de stabi-liser la taille de la fenecirctre aux alentours de la valeur de ωmax rencontreacutee avant la pertepreacuteceacutedente

Lorsque cette valeur est deacutepasseacutee BIC entre dans la phase dite Max Probing Lrsquoaug-mentation de la fenecirctre de congestion est alors lineacuteaire Lrsquoobjectif eacutetant la recherche drsquounnouvel ωmax La figure 19b illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion dansle temps Lors du deacutebut de connexion BIC se comporte comme Reno avec le meacutecanismedu deacutemarrage en douceur Degraves qursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre estalors moins agressive qursquoavec Reno Au centre de la courbe nous remarquons la fonctiondrsquoaccroissement avec les trois phases

BIC est un controcircle de congestion performant dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage Neacuteanmoins BIC peut ecirctre trop agressif pour les flux qui ont des courts deacutelaisCela a pour conseacutequence un partage ineacutequitable de la bande passante disponible avec lesflux qui ont des longs deacutelais

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquoiniquiteacute lieacute au RTT lrsquoalgorithme CUBIC propose dechanger la fonction de controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion pour la rendreplus agressive La fonction retenue est cubique et son eacutevolution est repreacutesenteacutee par la fi-gure 110a Contrairement agrave la figure drsquoaccroissement de BIC (fig 19a) qui comporte troisphases la fonction drsquoaccroissement de CUBIC nrsquoen compte que deux (fig 110a) Sur lafigure 110b on constate que ces deux phases sont preacutesentes tout au long de lrsquoeacutevolutionde la fenecirctre de congestion de CUBIC Ces deux phases ne sont pas forceacutement conseacute-cutives lrsquoune de lrsquoautre Apregraves la deacutetection drsquoune perte CUBIC va essayer de croicirctre le

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(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez BIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 19 ndash Fonctionnement de BIC TCP

plus rapidement possible jusqursquoagrave ωMax Lorsque ωMax est atteint la taille de la fenecirctre vasrsquoincreacutementer lentement Mais plus la valeur drsquoω est eacuteloigneacutee en taille de ωMax plus lacroissance va srsquoacceacuteleacuterer Lrsquoavantage de CUBIC sur BIC est le remplacement la fonction decontrocircle lineacuteaire par une fonction cubique pour plus drsquoagressiviteacute Lrsquoalgorithme CUBICest deacutecrit par le [RFC8312]

(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez CUBIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deCUBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 110 ndash Fonctionnement de CUBIC

114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs

Drsquoautres approches ont eacuteteacute eacutetudieacutees pour aider le controcircle de congestion de TCP Cesapproches impliquent les routeurs et ne reposent plus que sur le principe de bout-en-boutpropre agrave TCP

Explicit Congestion Notification (ECN) vise agrave renforcer lrsquoindication drsquoun eacuteveacutenement decongestion [RFC3168] Avec ECN la congestion est signaleacutee avant que la perte drsquoun pa-quet ne se produise Lors de la reacuteception drsquoun paquet indiquant une congestion lrsquoeacutemet-teur va alors reacuteduire sa fenecirctre de congestion et sa fenecirctre drsquoeacutemission La reacuteduction dela capaciteacute drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur eacutevitera pertes et retransmissions et une reacuteductiondes deacutelais de reprise Lrsquousage de cette option neacutecessite que lrsquoeacutemetteur le reacutecepteur et lesrouteurs du chemin soient capables de geacuterer les notifications explicites Avec ECN lrsquoin-formation de congestion est transmise agrave lrsquoeacutemetteur Aucune indication sur le lieu preacutecisde la congestion est indiqueacutee

eXplicit Control Protocol (XCP) est un protocole de controcircle de congestion utilisantles notifications explicites de deacutebit [Katabi2002] En cela il reprend lrsquoideacutee de Quick-startCependant il se diffeacuterencie par le deacutecouplage opeacutereacute entre la probleacutematique du partageeacutequitable entre les flots et celle de lrsquoefficaciteacute du transfert Dans lrsquoarchitecture de proto-coles XCP se situe entre TCP et IP XCP repose sur un en-tecircte qui va servir aux routeurs

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traverseacutes pour indiquer le deacutebit drsquoeacutemission pour le flot La valeur drsquoadaptation de la fe-necirctre de congestion est calculeacutee agrave partir des informations contenues dans lrsquoen-tecircte XCPXCP propose un controcircle de congestion qui fonctionne sur un reacuteseau 100 XCP Uneseconde limite est lrsquoiniquiteacute avec les autres protocoles de transport Les performancessont fortement deacutegradeacutees si diffeacuterents protocoles de bout en bout sont exeacutecuteacutes dans lemecircme reacuteseau tels que TCP XCP possegravede de mauvaises performances si des routeurs IPclassiques (non-XCP) se trouvent au niveau du goulot drsquoeacutetranglement

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquointeropeacuterabiliteacute Dans [Lopez2006] lrsquoauteur proposeXCP-interoperable (XCP-i) une version XCP qui garde les meacutecanismes de controcircle XCPsans ajouter drsquoeacutetat de flux Lrsquoobjectif drsquoXCP-i est de deacuteployer XCP sur un reacuteseau com-prenant des routeurs XCP et non-XCP Pour cela XCP-i va fonctionner en deux phasesDans une premiegravere phase il va deacutecouvrir les nuages non-XCP Un nuage non-XCP est unensemble de routeurs non capables de traiter XCP En comparant les champs Time-To-Live(TTL) drsquoIP et drsquoXCP le nombre de routeurs non-XCP preacutesents dans le reacuteseau peut ecirctredeacuteduit La seconde phase consiste agrave deacuteterminer les ressources du nuage non-XCP En ra-joutant un champ last_xcp_routeur XCP-i garde en meacutemoire lrsquoadresse du dernier routeurXCP traverseacute Agrave partir drsquoalgorithmes drsquoestimation de bande passante la bande passantedu nuage non-XCP sera estimeacutee entre les deux nœuds XCP La derniegravere phase pour reacutea-liser une inter-opeacuterabiliteacute complegravete entre routeurs classiques et routeurs XCP consiste agraveprendre en consideacuteration la bande passante estimeacutee dans les calculs du feedback de XCPLe protocole XCP-i va creacuteer un routeur XCP virtuel agrave la place du nuage non-XCP Gracirccea ces meacutecanismes un reacuteseau heacuteteacuterogegravene devient virtuellement homogegravene pour XCP Lesperformances de XCP-i sont comparables agrave celle de XCP [Lopez2006] XCP-i reacutesout leproblegraveme drsquointer-opeacuterabiliteacute de XCP sur des reacuteseaux non 100 XCP

Ces solutions preacutesentent le deacutesavantage de devoir ecirctre deacuteployeacutees eacutegalement au seindes routeurs Le principal avantage de ces solutions est une indeacutependance au deacutelai Lesprobleacutematiques lieacutees au deacutelai que lrsquoon a preacutesenteacutees preacuteceacutedemment sont alors inopeacute-rantes Dans le cadre de La Reacuteunion les deacutelais peuvent ecirctre importants

115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion

Lrsquoaugmentation des deacutebits drsquoaccegraves srsquoaccompagne de lrsquoaugmentation de la capaciteacute desliens drsquointerconnexion comme celles des cacircbles sous-marins Malgreacute cette augmentationdes deacutebits le temps de propagation reste inchangeacute Dans cette partie nous deacuteterminonsagrave partir de quel deacutebit un accegraves Internet agrave La Reacuteunion peut ecirctre sujet aux problegravemes ren-contreacutes sur les LFN

Dans la section 21 nous avons vu que La Reacuteunion est raccordeacutee agrave Internet par deuxaccegraves reposant sur des cacircbles sous-marins le SAFE et le LION Le cacircble SAFE est prolongeacutepar le cacircble SAT-3WASC Le temps de propagation (tp) sur un cacircble peut ecirctre estimeacutepar la formule matheacutematique 15 dans laquelle d repreacutesente la distance et c la vitesse depropagation du signal sur le support

tp =d

c(15)

Si nous retenons la route directe entre La Reacuteunion et la France hexagonale qui passepar le plus long des accegraves constitueacute par les cacircbles SAFE et SAT-3WASC Sachant que lecacircble SAFE a une longueur totale de 13 500 km pour aller de lrsquoAfrique du Sud agrave lrsquoAsie Sion fait lrsquohypothegravese que lrsquoicircle de La Reacuteunion se situe agrave une distance eacutequivalente agrave la moitieacutedu cacircble SAFE La longueur du cacircble pour La Reacuteunion est de 6 750 Km La vitesse de

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propagation du signal pour une fibre optique est eacutegale agrave la vitesse de la lumiegravere (299 792Kms) Lrsquoapplication de la formule 15 donne tp1 avec

tp1 = 12times dSAFEc = 22 52ms (16)

tp1 approxime le temps de propagation entre La Reacuteunion et le point de sortie du cacircbleSAFE en Afrique du Sud ou en Asie Pour obtenir le RTT ce temps est agrave doubler Onobtient alors la valeur RTT1 = 45 04 ms

La seconde partie du trajet de lrsquoAfrique du Sud jusqursquoen Europe emprunte le cacircbleSAT-3WASC Drsquoapregraves [Cablesmap] la longueur du cacircble est de 14 350 Km Le temps depropagation entre lrsquoAfrique du Sud et lrsquoEurope noteacute tp2 srsquoexprime comme

tp2 = (dSATminus3WASC)c = 47 87ms (17)

Le RTT sur ce cacircble est de RTT2 = 95 74 msAu total le RTT incompressible pour joindre lrsquoEurope en passant par les cacircbles SAFESAT-3WASC consiste agrave additionner le RTT de chaque cacircble agrave savoir RTT1 et RTT2 Le RTTincompressible est donc minimal de 140 78ms Ce deacutelai comme nous venons de le calcu-ler ne prend en compte que la propagation Il neacuteglige le temps de transmission du paquetainsi que les temps drsquoattente avant la transmission

Lrsquoeacutetude preacutesenteacutee dans[Anelli2012] a mesureacute un RTT minimal pour les paquets quit-tant lrsquoicircle de La Reacuteunion de 185 ms Ce reacutesultat a eacuteteacute obtenu par une eacutetude de mesuresdepuis les locaux de lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion La figure 111 repreacutesente la Probabi-lity Density Function (PDF) des RTT mesureacutes Cette fonction est compareacutee agrave celle qui estobtenue depuis la France hexagonale et de Paris en particulier On constate une forte si-militude sur la forme des courbes La courbe de La Reacuteunion enregistre un deacutecalage dansle temps de 185 ms par rapport agrave celle de Paris Ce deacutecalage repreacutesente le RTT minimummesureacute pour rejoindre la meacutetropole et acceacuteder agrave lrsquoInternet

0

0001

0002

0003

0004

0005

0006

0007

0008

0009

001

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1

Pro

b

RTT (in sec)

From Paris

From Reunion

FIGURE 111 ndash Reacutepartition des deacutelais depuis Paris et lrsquoicircle de La Reacuteunion (Source [Anelli2012])

Si lrsquoon considegravere la valeur de BDP de 12 5 Ko indiqueacutee par le [RFC1072] comme lalimite basse drsquoun LFN et si nous reprenons les diffeacuterentes TAI preacutesenteacutees dans la section21 nous pouvons calculer le produit deacutelai-bande passante drsquoun canal de communica-tion entre La Reacuteunion et la meacutetropole Il est fait lrsquohypothegravese pour ce calcul que le goulotdrsquoeacutetranglement est donneacute par lrsquoaccegraves agrave Internet Le tableau 12 preacutesente les reacutesultats ob-tenus

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TABLE 12 ndash Approximation du produit deacutelai bande passante de la connectiviteacute de LaReacuteunion agrave lrsquoInternet

NomhhhhhhhhhhhhhhhhhhhBande passante

RTT (en secondes)Estimeacute 0141

Mesureacute 0185

Modem56 Kbits 987 o 130 Ko128 Kbits 226 Ko 296 Ko512 Kbits 902 Ko 118 Ko

ADSL1 Mbits 176 Ko 231 Ko8 Mbits 141 Ko 185 Ko20 Mbits 353 Ko 463 Ko

VDSL 50 Mbits 881 Ko 116 Mo

Fibre

35 Mbits 617 Ko 809 Ko100 Mbits 176 Mo 231 Mo200 Mbits 353 Mo 463 Mo

1 Gbits 176 Mo 231 Mo

Le tableau preacutesente en gras les produits deacutelai-bande passante deacutepassant la limite des12 5 Ko Ainsi les reacutesultats sont assez eacuteloquents Degraves que lrsquoon arrive sur un accegraves ADSLavec un deacutebit minimal drsquo1 Mbits nous avons un BDP supeacuterieur agrave la limite fixeacutee par le[RFC1072] Ainsi rapidement lrsquoeacutevolution des deacutebits proposeacutes sur lrsquoicircle et les capaciteacutes descacircbles sous-marins associeacutes agrave un deacutelai eacuteleveacute ont fait de lrsquoInternet reacuteunionnais un reacuteseauqui a les caracteacuteristiques drsquoun LFN

Nous avons vu que TCP est un protocole de transport dont la performance est deacutepen-dante du RTT et du BDP Les deacutelais sont une des caracteacuteristiques des LFN La Reacuteunionest un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage due agrave des deacutelais importants Il est important demesurer pour comprendre lrsquoimpact de cette caracteacuterisation sur les performances de TCP

12 Meacutetrologie du trafic Internet

Avec lrsquoInternet qui devient de plus en plus gros et de plus en plus complexe la meacutetro-logie est une activiteacute qui vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet Nousallons dans cette partie du manuscrit preacutesenter les techniques de meacutetrologie appliqueacuteesagrave lrsquoInternet

121 Deacutefinition

Meacutetrologie est un mot composeacute de deux termes grecs Le premier metron signifie lamesure tandis que logos fait reacutefeacuterence agrave la science Par deacutefinition la meacutetrologie deacutesignela science de la mesure Par la suite le terme meacutetrologie fera uniquement reacutefeacuterence agrave la meacute-trologie appliqueacutee aux reacuteseaux informatiquesLa meacutetrologie signifie donc la mesure des caracteacuteristiques drsquoun reacuteseau sous de nombreuxaspects Cette science est devenue un outil indispensable pour avoir une compreacutehensionde divers aspects de lrsquoInternet On peut citer la complexiteacute la qualiteacute de service et laqualiteacute utilisateur la performance du reacuteseau la performance des protocoles le fonction-nement ou encore la validation des modegravelesLa meacutetrologie Internet englobe deux types drsquoactiviteacutes La premiegravere est lrsquoeacutetude des para-megravetres physiques de la qualiteacute de service La seconde consiste a mettre en eacutevidence lesproblegravemes lieacutes agrave lrsquoInternet [Larrieu2010]

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Dans [Paxson2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoapproche research driven et lrsquoapproche measure-ment driven pour deacutefinir les objectifs drsquoune eacutetude de meacutetrologie Le choix drsquoune approcheva aider une personne souhaitant faire de la meacutetrologie sur la bonne faccedilon drsquoaborderlrsquoeacutetude qursquoelle veut mettre en place

Lrsquoexpression research driven peut ecirctre traduite par axeacutee sur la recherche Elle consisteagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires de lancer les campagnes de mesures et drsquointerpreacuteter les reacute-sultats Une meacutetrique se deacutefinit comme une grandeur mesurable et speacutecifieacutee de maniegravererigoureuse Une bonne meacutetrique doit pouvoir se mesurer de faccedilon reproductible ecirctreutile en pratique pour les utilisateurs et les administrateurs du reacuteseau [RFC2330] Cetteapproche est celle geacuteneacuteralement utiliseacutee par les opeacuterateurs et les groupes de recherchesElle est deacuteveloppeacutee par le groupe de travail IP Performance Metrics (IPPM) de lrsquoIETF Cegroupe de travail a produit de nombreux documents pour deacutefinir les mesures de per-formances Lrsquoapproche research driven comporte un deacutefaut principal En laissant de cocircteacutecertaines meacutetriques des aspects du comportement du reacuteseau ne sont pas eacutetudieacutes Parexemple une eacutetude restreinte aux deacutelais ne peut indiquer les raisons de la variation desdeacutelais dans le temps

Lrsquoapproche measurement driven peut se traduire en la mesure pour la mesure Cettemeacutethode consiste agrave mettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer lemaximum drsquoinformations puis effectuer toutes les analyses possibles sur les traces col-lecteacutees et interpreacuteter les reacutesultats obtenus Une telle meacutethode peut srsquoutiliser lorsque lrsquoonsouhaite mettre en avant le comportement geacuteneacuteral drsquoun lien Cette approche permet agrave ladiffeacuterence de la preacuteceacutedente drsquoanalyser agrave plusieurs reprises une mecircme source de donneacuteesen fonction des reacutesultats obtenus

Le tableau 13 reacutesume les deux approches de conduite de projet en meacutetrologie

TABLE 13 ndash Comparatif entre les approches de meacutetrologie

Research Driven Measurement Driven1 - Meacutetriques deacutefinies preacutealablement2 - Utilisation drsquoun outil adapteacute

1 - Collecte des donneacutees2 - Analyse exhaustive

Ces deux approches sont compleacutementaires lrsquoune de lrsquoautre et srsquoappliquent dans lesdeux classes de techniques de mesures les techniques de mesures actives et les tech-niques de mesures passives

122 Meacutetrologie active

La meacutetrologie active consiste agrave injecter un trafic speacutecifique et agrave mesurer en reacuteceptionlrsquoeffet sur le reacuteseau agrave eacutetudier Lrsquohypothegravese faite par la meacutetrologie active est que la mesurefaite de bout en bout est reacuteveacutelatrice de la performance du service du reacuteseau telle qursquoellepeut ecirctre perccedilue par une application Les paquets eacutemis sont des sondes qui en emprun-tant la route entre la source et la destination expeacuterimentent la performance du canal decommunication Il convient de limiter le trafic des sondes afin qursquoil ne vienne pas pertur-ber le trafic et donc fausser la mesure Les meacutetriques mesureacutees par les mesures activessont geacuteneacuteralement des meacutetriques associeacutees agrave la topologie du reacuteseau ou au trafic commeles routes ou les deacutelais Dans le cas de la meacutetrologie active il se peut que lrsquoeacutemetteur soiteacutegalement le collecteur La figure 112 illustre ce principe

La meacutetrologie active est opeacutereacutee agrave lrsquoaide drsquooutils speacutecifiques de geacuteneacuteration et de collectede sondes Le tableau 14 indique les meacutetriques obtenues avec les outils de meacutetrologiepreacutesenteacutes par la suite

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FIGURE 112 ndash Principe de la meacutetrologie active

TABLE 14 ndash Classement des outils

XXXXXXXXXXXOutilMeacutetriques

RTT Routes Deacutebits

Ping XTraceroute X XParis Traceroute X XReverse-traceroute X XTraceIXroute X XPathchar XClink XIperf X

La mesure du RTT est geacuteneacuteralement obtenue par lrsquooutil ping (Packet Internet Groper)Cet outil se preacutesente sous la forme drsquoune commande dans un systegraveme de type Unix Ellesert en premier lieu agrave veacuterifier la connectiviteacute agrave Internet et lrsquoaccessibiliteacute drsquoun nœud Ensecond lieu avec cette veacuterification le RTT et la longueur de la route exprimeacutee en nombrede sauts sont deacutetermineacutes Elle utilise le protocole Internet Control Message Protocol (ICMP)pour effectuer la mesure Un message ICMP Echo request est eacutemis Le destinataire renvoieagrave lrsquoeacutemetteur un message ICMP Echo reply La peacuteriode qui seacutepare lrsquoeacutemission de la reacuteceptiondu coteacute eacutemetteur est mesureacutee

Pour en savoir plus sur la connectiviteacute drsquoun nœud et notamment sur la route emprun-teacutee pour atteindre une destination donneacutee lrsquooutil traceroute offre le moyen de cette deacute-couverte [Jacobson1989-1] Cet outil se preacutesente comme pour ping sous la forme drsquounecommande de type Unix Son principe de fonctionnement est baseacute sur un envoi successifde messages avec un champ TTL du paquet IP qui va croissant Le routeur qui reccediloit unmessage dont le TTL du paquet a atteint la valeur zeacutero envoie un message ICMP TimeExceeded pour reporter lrsquoerreur agrave lrsquoeacutemetteur Par ce message il indique en adresse sourcelrsquoadresse IP de son interface qui a rejeteacute le paquet Ainsi si un paquet ayant un TTL posi-tionneacute agrave n est envoyeacute vers une destination donneacutee le routeur situeacute agrave n sauts de la sourceva faire connaicirctre son adresse IP et ceci tant que le chemin vers la destination est supeacute-rieur agrave n sauts [Crovella2006] Le reacutesultat est lrsquoensemble des nœuds traverseacutes reacutepondantau protocole ICMP De nouveaux outils utilisant le principe de traceroute furent deacutevelop-peacutes pour reacutepondre agrave drsquoautres probleacutematiques comme la preacutesence des points drsquoeacutechangeou encore lrsquoasymeacutetrie des liens

La reacuteponse afficheacutee par la commande traceroute nrsquoest pas la seule route existanteEn exeacutecutant agrave plusieurs reprises la mecircme commande traceroute les reacuteponses obtenuespeuvent ecirctre diffeacuterentes A cause de lrsquoeacutequilibrage de charge (load-balancing) la sortie drsquounrouteur ne sera pas toujours la mecircme Lrsquoeacutequilibrage des charges sert agrave reacutepartir le traficsur diffeacuterents liens Ainsi il est possible que deux paquets provenant de la mecircme sourcevers la mecircme destination nrsquoempruntent pas la mecircme route Sur la figure 113 les liensphysiques entre les diffeacuterents nœuds sont indiqueacutes en rouge Les traits en pointilleacute repreacute-sentent le chemin emprunteacute par les messages ICMP envoyeacutes par la source La figure 113amontre le reacutesultat trouveacute par traceroute La route emprunteacutee est SRC A D DST

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Traceroute va envoyer 3 paquets avec un champ TTL eacutegal agrave 2 Dans le cas de cet exemplelrsquoensemble des paquets est dirigeacute vers B Ainsi malgreacute lrsquoabsence de liaison physique di-recte entre les nœuds A et D traceroute nous indique la preacutesence drsquoune route entre ceuxdeux eacutequipements Lrsquooutil Paris-traceroute vise agrave traiter ce problegraveme [Augustin2006]La figure 113b montre la route deacutecouverte par Paris-traceroute La route afficheacutee estSRC A C DST On remarque que la route obtenue existe physiquement Pour obte-nir ce reacutesultat Paris-traceroute change le numeacutero drsquoidentification du flux agrave lrsquoeacutemission despaquets ICMP Cette modification oblige les routeurs agrave suivre une seule et unique routeParis-traceroute autorise eacutegalement lrsquoaffichage des numeacuteros de voies logiques MPLS

(a) Traceroute

(b) Paris-traceroute

FIGURE 113 ndash Illustration du pheacutenomegravene drsquoeacutequilibrage des charges

MultiProtocol Label Switch (MPLS) est un meacutecanisme de commutation rapide de pa-quets fondeacute sur des adresses de format fixe et sans structure hieacuterarchique [RFC3031]Ces adresses sont des numeacuteros de voies logiques appeleacutees des eacutetiquettes ou labels (paranglicisme) Dans le cas de lrsquoutilisation de traceroute avec MPLS il faut que le routeurMPLS puisse envoyer un message ICMP Le [RFC4950] documente une simple extensionagrave ICMP pour retourner de lrsquoinformation speacutecifique agrave MPLS autrement dit pour qursquounrouteur MPLS puisse indiquer des informations speacutecifiques agrave MPLS dans le paquet ICMPeacutemis en cas de problegraveme [Donnet2012] a eacutetudieacute les possibiliteacutes offertes par des routeursMPLS

Dans les explicit tunnels la structure interne du tunnel est entiegraverement visible et chaquenœud dans le Label Switched Path (LSP) est marqueacute comme nœud MPLS Dans ce type detunnel le champ ttl-propagate qui est dans lrsquoen-tecircte MPLS des paquets et le [RFC4950] sontappliqueacutes Cela signifie que le champ TTL du datagramme IP est deacutecreacutementeacute agrave chaquerouteur rencontreacuteDans les implicit tunnels le LER drsquoentreacutee active lrsquooption ttl-propagate mais les LSR nrsquoim-pleacutementent pas le [RFC4950] La deacutecreacutementation du TTL est effective mais aucune infor-mation de routeur MPLS nrsquoest visibleDans les opaque tunnels crsquoest lrsquoinverse de lrsquoimplicit tunnels Les routeurs impleacutementent le[RFC4950] Le nœud drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Le TTL est alors deacutecreacute-menteacute agrave la sortie du tunnel MPLS Le paquet ICMP-reply indique quand mecircme lrsquoexistencedrsquoun tunnel MPLSPour les invisible tunnels le LER drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Dans ce casle TTL est deacutecreacutementeacute uniquement lors du dernier routeur du tunnel Le [RFC4950] nrsquoestpas impleacutementeacute par le dernier routeur du LSP Cela implique lrsquoabsence drsquoinformation

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sur le meacutecanisme MPLS au sein des paquets ICMP On nrsquoa alors pas drsquoinformations surlrsquoexistence drsquoun tunnel ICMP sur la route emprunteacutee

Avec lrsquoacheminement avec MPLS des mauvaises valeurs de TTL peuvent ecirctre obte-nues agrave cause du type de tunnel mis en œuvre Il est donc important que le [RFC4950] soitimpleacutementeacute dans les routeurs

FIGURE 114 ndash Taxonomie des configurations de tunnels MPLS et des comportements detraceroute correspondants (Source [Donnet2012] )

Paris-traceroute propose lrsquoaffichage des informations MPLS lorsque celles-ci sont dis-ponibles [Augustin2007] La texte ci-dessous illustre les reacutesultats obtenus par Paris-traceroutesur un Explicit tunnel On y voit lrsquoaffichage des marques MPLS avec le TTL associeacute agravechaque nœud

traceroute [(412131413533456) -gt (818216615733457)]protocol icmp algo hopbyhop duration 3 s1 4121314133 23266 ms 2542 ms 3696 ms2 4121313397 6811 ms 5613 ms 4635 ms3 10322161 5779 ms 6841 ms 4073 msMPLS Label 16445 TTL=1 | 2129964 1032237 2223 ms 2249 ms 2264 msMPLS Label 16386 TTL=2 | 2129965 4121312850 2185 ms 2245 ms 2097 msMPLS Label 16442 TTL=3 | 2129966 10322193 3551 ms 9330 ms 7775 ms7 41213133158 2337 ms 3088 ms 2250 ms8 4121312854 195439 ms 195555 ms 195512 ms9 213242121233 211737 ms 211724 ms 212013 ms10 469148181 234190 ms 234271 ms 234323 ms11 4687222 236854 ms 236798 ms 237063 ms12 213224250110 237108 ms T0 236580 ms T0 236570 msT013 2132242502 237213 ms 236631 ms 236694 ms14 213224201252 239100 ms 239461 ms 238680 ms15 8182166157 250874 ms 249608 ms 248057 ms

Avec traIXroute lrsquoobjectif est de deacutecouvrir les diffeacuterents points de peering (IXP) sur unchemin vers une destination [Nomikos2016] Pour lrsquoidentification des nœuds drsquoeacutechangecette version de traceroute combine deux bases de donneacutees compleacutementaires qui sontPeeringDB [PeeringDB] et Packet Clearing House [PCH] Avec une geacuteolocalisation desadresses retourneacutees la liste des pays traverseacutes peut ecirctre eacutetablie

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Drsquoapregraves [Steenbergen2009] laquo lrsquooutil de deacutepannage numeacutero 1 pour veacuterifier la connec-tiviteacute drsquoun nœud reste traceroute raquo pour les administrateurs reacuteseaux mais laquo les liens asy-meacutetriques sont les fleacuteaux numeacutero un de lrsquooutil raquo car laquo le chemin de retour est entiegraverementmasqueacute raquo Afin de corriger cela lrsquooutil reverse-traceroute propose drsquoobtenir une routenon pas entre la source et la destination mais entre la destination et la source [Katz2010]pour cela lrsquooutil va utiliser lrsquoenregistrement des adresses IP des routeurs sur le chemindu retour agrave lrsquoaide des options drsquoen-tecircte Record-Route et Timestamp drsquoIP

Pour deacuteterminer le deacutebit pathchar [Jacobson1997] vise agrave donner le deacutebit saut par sautvers une destination Aussi il reprend le principe de traceroute en eacutemettant des sondesavec le champ TTL avec une valeur croissante Lorsqursquoil injecte le trafic de sondes vers unnœud du chemin il le fait avec des paquets de taille variable Ainsi pathchar deacuteterminela bande passante disponible entre chaque nœud rencontreacute

Lrsquooutil Clink [Downey1999] est similaire agrave pathchar La diffeacuterence se fait au niveausur le nombre de paquets envoyeacutes Clink envoie un nombre de paquets plus importantque Pathchar Ainsi les mesures reacutealiseacutees par Clink auront une meilleure preacutecision

Iperf [Tirumala2005] est un outil pour mesurer la bande passante et la qualiteacute drsquounlien reacuteseau Ce dernier est deacutelimiteacute par deux machines sur lesquelles est installeacute IperfUne machine tient le rocircle de serveur tandis que la seconde machine sera parameacutetreacuteecomme client

Pour des mesures plus repreacutesentatives il est neacutecessaire drsquoaugmenter les points decollectes Des outils de meacutetrologie active ont eacuteteacute conccedilus pour ecirctre reacutepartis sur plusieursnœuds Ces outils se preacutesentent sous la forme de plates-formes de meacutetrologie active deacute-ployeacutees agrave travers le monde De nos jours on compte de nombreuses plates-formes demeacutetrologie active Comme chaque plate-forme a un objectif preacutecis et pour identifier laplate-forme approprieacutee pour reacutealiser une eacutetude preacutecise lrsquoauteur de [Bajpai2015-1] effec-tue une comparaison des diffeacuterentes plates-formes selon 5 critegraveres qui sont

1 lrsquoeacutechelle la couverture et la dureacutee de vie de la plate-forme

2 le mateacuteriel physique utiliseacute pour la sonde

3 les meacutetriques disponibles

4 lrsquoarchitecture de mesure de la plate-forme

5 lrsquoimpact de son utilisation pour la recherche

De cette comparaison nous avons gardeacute 4 plates-formes que sont Atlas RIPE NCC BIS-Mark DASU SamKnows Ces plates-formes ont eacuteteacute gardeacutees car elles autorisent lrsquoeacutetudedes performances des reacuteseaux drsquoaccegraves Nous y avons ajouteacute les plates-formes Archipe-lago et Planet-Lab Ces deux plates-formes ne font pas partie du document drsquoorigine maisfont lrsquoobjet drsquoune utilisation par de nombreux participants tel que lrsquoindique le nombrede sondes actives de ces deux plates-formes

En 2007 le CAIDA a deacuteployeacute sa propre plate-forme de mesures [Archipelago] Atravers le deployement de nœuds (des sondes dans le vocabulaire de Archipelago) surlrsquoensemble de la planegravete lrsquoobjectif est drsquooffrir des accegraves pour effectuer des mesures avecdes outils tels que ping et traceroute Archipelago est composeacutee agrave la date du 1er Mars2017 de 170 sondes reacuteparties dans 59 pays et sur tous les continents

Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le Regional Internet Registry (RIR) europeacuteen RIPENCC a deacutemarreacute la distribution de sondes pour la creacuteation de la plate-forme Atlas [Ripe2010]Cette plate-forme vise agrave creacuteer un reacuteseau de sondes pour lrsquoeacutetude de la connectiviteacute de lrsquoIn-ternet Composeacutee actuellement de pregraves de 10 000 sondes reacuteparties agrave travers le monde elleest capable drsquoeffectuer des tests de meacutetrologie active autour des commandes ping DNSHTTP NTP traceroute et Paris-traceroute

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Agrave lrsquoinitiative de Georgia Tech la plate-forme Broadband Internet Service Benchmark (BIS-Mark) a vu le jour en 2010 Lrsquoobjectif est la reacutealisation drsquoun eacutetat des lieux des performancesdes accegraves Internet [Sundaresan2011] La plate-forme est composeacutee de 405 routeurs instru-menteacutes avec OpenWrt laquo Le projet OpenWrt est un systegraveme drsquoexploitation Linux ciblantles appareils embarqueacutes OpenWrt fournit un systegraveme de fichiers entiegraverement inscriptibleavec gestion des modules drsquoinstallation de logiciels Cela libegravere la seacutelection et la configu-ration des applications fournies par le fournisseur et permet de personnaliser lrsquoappareilgracircce agrave lrsquoutilisation de progiciels adapteacutes agrave nrsquoimporte quelle application raquo [OpenWrt] Lessondes sont distribueacutees dans 34 pays agrave travers le monde

DASU est un utilitaire deacuteveloppeacute en 2010 agrave lrsquoUniversiteacute de Northwestern Le logicielcouple meacutetrologie active et passive avec pour objectif de caracteacuteriser les performancesdes utilisateurs Lrsquooutil fut deacuteveloppeacute comme une extension drsquoun logiciel peer-to-peer Bit-Torrent [Sanchez2013] Depuis Juillet 2010 plus de 90 000 personnes reacuteparties agrave travers147 pays utilisent DASU

En 2003 des chercheurs ameacutericains ont deacuteployeacute une plate-forme de test Planet-Lab[Chun2003] En 2008 une extension europeacuteenne [PlanetLabEurope] a vu le jour Planet-Lab deacutepasse le seul objectif de meacutetrologie elle vise aussi de tester des nouveaux servicesde communication en situation reacuteelle Les nœuds Planet-Lab ont pour Operating System(OS) Fedora Il est possible drsquoinstaller nrsquoimporte quel logiciel du moment qursquoil est com-patible avec cet OS Avec une certaine liberteacute il est possible drsquoeffectuer des tests et desmesures depuis 425 sites reacutepartis sur tous les continents

La plate-forme SamKnows a vu le jour en 2008 [SamKnows] SamKnows sert agrave lrsquoeacutetudedes performances des connexions des particuliers et des entreprises Elle est composeacuteede pregraves de 440 000 sondes Cette infrastructure est partenaire de 36 Fournisseurs drsquoAccegravesInternet (FAI) de tous les continents

Le tableau 15 reacutesume les possibiliteacutes offertes par les plates-formes La colonne Impactsur la recherche est deacutetermineacutee agrave partir du nombre de citations par des articles scientifiquessuivis par le site Google Scholar

La plate-forme de mesures Atlas RIPE NCC [Ripe2010] a eacuteteacute utiliseacutee dans le contexteinsulaire de Cuba Dans lrsquoarticle [Bischof2015] lrsquoauteur cherche agrave caracteacuteriser lrsquoaccegraves In-ternet cubain Dans ses reacutesultats lrsquoauteur a montreacute une forte asymeacutetrie des routes in-ternationales pour le trafic cubain Drsquoun point de vue de la topologie physique cette icirclepossegravede une connectiviteacute qui peut par certains aspects ressembler agrave de celle de lrsquoicircle de LaReacuteunion

Lrsquoicircle de La Reacuteunion bien que Franccedilaise est rattacheacutee administrativement au RIR dela zone Afrique (AfriNIC) LrsquoAfriNIC est le dernier RIR creacuteeacute et les eacutetudes de meacutetrolo-gie concernant cette zone sont peu nombreuses Nous pouvons citer [Gupta2014] qui sepenche sur lrsquointerconnexion des FAI sur le continent africain Cette eacutetude montre que leseacutechanges de paquets ne se font pas au sein du continent africain mais en Europe La rai-son avanceacutee par lrsquoauteur est un coucirct drsquointer-connexion infeacuterieur en Europe Ces regravegles deroutage on des conseacutequences sur les deacutelais et donc sur les performances sur le servicede transport rendu par TCP Ces reacutesultats ont eacuteteacute confirmeacutes par [Fanou2015] Cette eacutetudesrsquointeacuteresse en plus agrave la stabiliteacute des routes Les reacutesultats ont montreacute que les chemins afri-cains restent stables sur une longue dureacutee Pour les auteurs lrsquoeacutemergence de nouveauxpoints drsquoeacutechanges sur le continent doit aider agrave la reacuteduction des deacutelais agrave conditions queles coucircts drsquointerconnexion soient proches de ceux pratiqueacutes en Europe

Enfin lrsquoarticle [Chavula2017] publieacute en 2017 preacutesente la latence pour les transferts defichiers agrave partir de 53 pays africains diffeacuterents Ces mesures srsquoappuient sur la plate-formeRIPE Atlas [Ripe2010] et Speedchecker [Speechecker] Agrave partir des mesures reacutealiseacutees les

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TABLE 15 ndash Tableau des plates-formes de mesures de meacutetrologie active

Nom Nombre desondes deacuteployeacutees

Meacutetriques dispo-nibles

Impact sur la re-cherche

Archipelago ~200 Longueur duchemin RTTDNS Autono-mous System(AS)

109

Atlas RIPE NCC ~12 000 RTT RouteHTTP GET etrequecirctes SSL

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BISMark ~420 RTT taux depertes deacutebiteacutecouleacute tempsde chargementdrsquoune page web

304

DASU ~100 000 Informations surles flux TCP RTTroutes emprun-teacutees reacutesolutionDNS HTTP GETdeacutebit eacutecouleacute

84

PlanetLab ~400 1218SamKnows ~70 000 RTT deacutebit

eacutecouleacute deacutebitutile giguetaux de perteperformance decertains services

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auteurs avancent que lrsquoAfrique est un continent ineacutegalitaire en terme de latence intra etinter pays Ils ont conclu que lrsquoexistence drsquoune faible latence entre deux FAI drsquoun mecircmepays provient drsquoaccord de peering au sein drsquoun IXP heacutebergeacute soit par le pays concerneacutesoit par un pays voisin

123 Meacutetrologie passive

La meacutetrologie passive a pour objectif la mesure des flots de paquets agrave partir drsquounpoint particulier du reacuteseau appeleacute le point de collecte Elle consiste agrave eacutecouter captureret analyser les paquets IP La figure 115 illustre le principe de la meacutetrologie passiveElle montre que le point de collecte nrsquoest pas forceacutement localiseacute du coteacute eacutemetteur oureacutecepteur Les paquets IP transitant par le point de collecte sont captureacutes et sauvegardeacutesOn appelle alors les fichiers contenant les paquets IP collecteacutes des traces Les mesurespassives peuvent ecirctre effectueacutees agrave diffeacuterents niveaux de granulariteacute

Au niveau microscopique les mesures passives tendent agrave eacutetudier les flots au niveaude la connexion de transport On peut par exemple eacutetudier le nombre de paquets per-dus durant une connexion TCP Au niveau macroscopique les mesures passives sonteffectueacutees sur des meacutetriques agreacutegeacutees comme le deacutebit eacutecouleacute total ou le nombre total deconnexions

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FIGURE 115 ndash Principe de la meacutetrologie passive

La meilleure faccedilon de reacutealiser des mesures passives au niveau microscopique est decapturer tous les paquets traversant le point de collecte Mais comme il est difficile decapturer tous les paquets lorsque le deacutebit du lien est eacuteleveacute il faut avoir recours agrave lrsquoeacutechan-tillonnage du trafic Dans ce cas les mesures ne sont pas faites sur la totaliteacute des pa-quets traversant le point de collecte mais sur un sous-ensemble bien speacutecifique de cespaquets Le groupe de travail Packet Sampling (PSAMP) de lrsquoIETF travaille sur un algo-rithme drsquoeacutechantillonnage adapteacute au trafic Internet [PSAMP]

Une combinaison entre lrsquoanalyse des deux granulariteacutes est capable de donner uneeacutevaluation reacuteelle du trafic Les informations que lrsquoon peut obtenir par la meacutetrologie pas-sive sont nombreuses Elles reposent sur lrsquoeacutetude des informations contenues dans le da-tagramme IP que ccedila soit dans lrsquoen-tecircte du datagramme IP ou dans celle du message duprotocole de transport Les meacutetriques sont eacutegalement deacutependantes des outils utiliseacutes Onpeut classer les meacutetriques en deux cateacutegories que sont la supervision et la performance

La supervision donne des informations sur le fonctionnement du reacuteseau et la carac-teacuterisation du trafic On peut ainsi eacutetudier les diffeacuterents services et protocole de transportutiliseacutesLa performance se rapporte agrave celle du protocole de transport crsquoest-agrave-dire son fonction-nement ou sur lrsquoanalyse des flots par rapport soit agrave la composante temporelle ou soit agravela composante seacutemantique On peut alors comparer le deacutebit drsquoaccegraves theacuteorique et le deacutebitmesureacute Pour cela on va eacutetudier le taux de perte le RTT et la MSS

La meacutethode de capture peut reposer sur des eacutequipements mateacuteriels deacutedieacutes ou par unsystegraveme logiciel fonctionnant sur un eacutequipement standard Le logiciel srsquoappuie majori-tairement sur la bibliothegraveque Libpcap [Jacobson1989-2] Cette bibliothegraveque capture lespaquets reccedilus mais elle srsquoutilise eacutegalement en lisant des traces de paquets preacutealablementcaptureacutes Le problegraveme principal des solutions logicielles viennent de la vitesse des liensPlus le lien a un deacutebit eacuteleveacute plus la capture au niveau logiciel devient difficile Il fautalors se tourner vers des solutions de mateacuteriels deacutedieacutes La carte DAG [Graham1997] deacute-veloppeacutee par lrsquoeacutequipe [WAND] de lrsquoUniversiteacute de Waikato en Nouvelle Zeacutelande en est unparfait exemple Cette carte de capture est capable de capter les paquets sur des liens detregraves haut deacutebit Ce mateacuteriel se charge drsquoextraire les entecirctes des paquets de les estampillersuivant une horloge synchroniseacutee et de les stocker sur un disque dur

Lrsquoanalyse des donneacutees est reacutealiseacutee selon deux techniques temps reacuteels ou Batch Leprincipe du temps reacuteel est de pouvoir reacutecupeacuterer extraire et restituer de lrsquoinformation entemps reacuteel sur des flux continus de donneacutees Le mode Batch va englober tous les traite-ments de donneacutees neacutecessitant un temps de calcul plus conseacutequent Le premier proceacutedeacutese propose drsquoanalyser agrave la voleacutee ce qui se passe dans le reacuteseau par le branchement drsquouneacutequipement drsquoeacutecoute sur le reacuteseau On se concentre alors sur la performance du lien Desoutils comme Tstat [Mellia2005] ou Netflow [Claise2004] reacutealisent ce genre drsquoanalyse La

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seconde technique se deacutecompose en deux phases distinctes que sont la capture et lrsquoana-lyse La premiegravere eacutetape est de reacutealiser la capture du trafic appeleacutee des traces Des outilscomme TCPDump [Jacobson1989-1] ou Wireshark [Chappell2010] peuvent enregistrerdes traces sous format DUMP ou PCAP La seconde phase consiste agrave analyser les tracescollecteacutees Les formats de sortie des donneacutees analyseacutees sont deacutependants des outils Lesinformations peuvent ecirctre retranscrites au format texte ou graphique Des outils commeTCPTrace [Ostermann2000] ou TCPStat [Herman2001] peuvent effectuer ce genre drsquoana-lyse de donneacutees Crsquoest avec cette technique qursquoil est possible drsquoeacutetudier les performancesdrsquoun protocole

Il nrsquoexiste pas de plate-forme drsquoaccegraves publique reacutealisant des captures de trafic au ni-veau international Malgreacute cela des traces collecteacutees sont disponibles sur Internet agrave desfins de recherche Dans [Allman2007] les auteurs preacutesentent les regravegles agrave respecter avantde publier des traces Un point est agrave souligner et concerne les adresses IP des paquets Lanon-anonymisation des adresses IP constitue une violation de la vie priveacutee de plus ellepreacutesente un risque drsquoinseacutecuriteacute pour les machines impliqueacutees par les paquets captureacutesCAIDA gegravere un deacutepocirct de partage et propose drsquoacceacuteder agrave des traces collecteacutees agrave traversplusieurs points drsquoeacutechange ameacutericains Pour y acceacuteder il faut indiquer la finaliteacute de lrsquouti-lisation des traces demandeacutees Drsquoautres plates-formes deacutedieacutees agrave des projets ont eacuteteacute misesen place agrave travers le monde

Le projet IPMon de lrsquoopeacuterateur ameacutericain SPRINT consiste agrave identifier les problegravemesdrsquoun reacuteseau deacutejagrave deacuteployeacute afin de pouvoir anticiper son eacutevolution future[IPMon] Danslrsquoarticle [Fraleigh2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoinfrastructure de mesure qui est deacuteployeacutee endivers points du reacuteseau de lrsquoopeacuterateur Les premiers reacutesultats publieacutes dans [Fraleigh2003]ont montreacute une utilisation de plus en plus importante par du trafic multimeacutedia sur le pro-tocole TCP De plus les flots TCP preacutesentent des performances eacuteleveacutees avec des taux dedeacute-seacutequencement faibles et un deacutelai minimal proche du temps de propagation

Le projet METROPOLIS srsquoest inspireacute du projet IPMon Il srsquoagit drsquoun projet franccedilaisavec des points de mesures sur deux types de reacuteseaux Internet diffeacuterents RENATER etle reacuteseau ADSL de France Teacuteleacutecom laquo Lrsquoobjectif de METROPOLIS eacutetait de concevoir denouvelles meacutethodologies pour la meacutetrologie des reacuteseaux IP raquo [METROPOLIS] Dans lecadre de ce projet un outil de caracteacuterisation et drsquoanalyse des traces fut deacuteveloppeacute Cenouvel outil srsquointitule ZOO Une preacutesentation de lrsquooutil sera reacutealiseacutee dans la sous-section322 Les reacutesultats ont mis une eacutevidence lrsquousage preacutedominant du protocole de transportTCP Les applications de type peer-to-peer repreacutesentaient plus de 80 du trafic eacutetudieacute

La position geacuteographique de La Reacuteunion et son rattachement au RIR AfriNIC attirentnotre attention sur les travaux de meacutetrologie passive africains La carte [AfterFibre] preacute-sente les reacuteseaux fibres terrestres et maritimes lieacutes au continent africain On voit ainsi queles reacuteseaux sont ineacutegalement reacutepartis sur le territoire La grandeur du continent et les in-terconnections preacutesentes font du territoire un espace drsquoeacutetude inteacuteressant Crsquoest pourquoide nombreux chercheurs privileacutegient lrsquoeacutetude de la connectiviteacute et des performances delrsquoInternet africain

Dans lrsquoarticle [Johnson2011] une eacutetude sur une zone rurale connecteacutee par satelliteest reacutealiseacutee Les reacutesultats ont montreacute que le trafic est principalement composeacute de fluxweb dont une forte proportion pourrait ecirctre mise en cache Au niveau des deacutelais le RTTmoyen sur la peacuteriode de mesure varie entre 3 et 10 secondes Ce deacutelai rend lrsquoutilisationdes applications temps-reacuteel difficile Le dernier reacutesultat notable de cette analyse est lapreacutesence de trafic geacuteneacutereacute par des logiciels malveillants (malware) Des attaques pour listerles ports UDP et TCP ouverts ont eacuteteacute remarqueacutees

En 2015 les auteurs de [Zheleva2015] ont eacutetudieacute les performances du reacuteseau et le com-portement des usagers apregraves une augmentation de la bande passante en Zambie Lrsquoun des

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premiers reacutesultats indique une augmentation de plus de 58 de la quantiteacute des donneacuteeseacutechangeacutees Au niveau des performances ils ont pu eacutegalement remarquer une tregraves leacutegegraveredeacutegradation du canal de communication avec un taux de retransmission en hausse Cepourcentage est passeacute de 1 12 agrave 1 16 Le dernier reacutesultat noteacute porte sur lrsquoaugmenta-tion du RTT moyen de plus de 100 passant de 0 1436 s agrave 0 3190 s Lrsquoaugmentation dela bande passante a permis lrsquoaccegraves agrave de nouveaux services entraicircnant des changementspour les usagers

Dans [Fanou2016] lrsquoauteur srsquointeacuteresse aux services proposeacutes et compare la localisa-tion des serveurs Le premier reacutesultat montre lrsquoexternalisation continentale de nombreuxserveurs Ceci a pour conseacutequence drsquoaugmenter les deacutelais et de deacutegrader la performancedu service de communication Il faut pour lrsquoauteur arrecircter de raisonner en terme drsquoin-frastructure mais plus en terme de service et mettre lrsquoutilisateur au centre du systegravemePour cela il propose de rapatrier les services sur le territoire et drsquoaugmenter les accordsdrsquoeacutechanges entre les opeacuterateurs continentaux

Enfin dans [Johnson2016] les auteurs srsquointerrogent sur les faibles performances deTCP en Afrique La preacutesence de zone reculeacutees avec des accegraves satellitaires poussent lesdeacutelais vers des valeurs allant au delagrave des 400 ms Ces longs deacutelais sont agrave rapprocher desdeacutebits faibles De plus une expeacuterimentation sur les performances de TCP en fonction dusystegraveme drsquoexploitation a eacuteteacute meneacutee Les reacutesultats ont mis en eacutevidence que le systegraveme Li-nux avec la version TCP CUBIC est moins sensible au long deacutelais La solution proposeacutee auproblegraveme de la diffeacuterence de connectiviteacute agrave travers le continent est la creacuteation drsquoune ingeacute-nierie reacuteseau (liaison physique protocole de transport nouveau service) tenant comptedu contexte Africain

124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives

La meacutetrologie active et la meacutetrologie passive preacutesentent des points communs et despoints de divergences Une fois des objectifs fixeacutes et au moment du choix de la meacutethodeil est important de connaicirctre les avantages et les inconveacutenients lieacutes agrave chaque type demesure Le tableau 16 reacutecapitule syntheacutetiquement ce qui vient drsquoecirctre preacutesenteacute

TABLE 16 ndash Comparatif entre mesures actives et mesures passives

Meacutetrologie Active Meacutetrologie Passive

Avantages

1 - Pour la mesure directe des pa-ramegravetres de QoS principalementle deacutelai le taux de pertes et lagigue

1 - Non intrusives2 - Permettent une mesure directedes paramegravetres utiliseacutes dans lrsquoin-geacutenierie des reacuteseaux

Inconveacutenients

1 - Intrusives le trafic de mesurepeut dans certains cas fausser lesmesures elles-mecircmes2 - Le fait que certains adminis-trateurs et entreprises bloquentou limitent le trafic ICMP peutfausser les reacutesultats obtenus parles techniques actives car ces der-niegraveres font souvent usage de ceprotocole

1 - Elles sont locales (relatives agraveun lien) et il est difficile de leseacutetendre agrave la globaliteacute du reacuteseau2 - Elles ne permettent pas la me-sure directe des paramegravetres deQoS3 - Elles neacutecessitent des ressourcesdisque et meacutemoire vive impor-tantes

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13 Synthegravese

Ce chapitre a rappeleacute le fonctionnement du controcircle de congestion de TCP Le controcirclede congestion de TCP vise agrave maximiser lrsquoutilisation des ressources et agrave maximiser le deacute-bit utile eacutecouleacute de la connexion Ce controcircle est reacutegi par une boucle fermeacutee caracteacuteriseacuteepar un RTT Plus le deacutelai est eacuteleveacute moins TCP est susceptible de reacuteagir dynamiquementaux eacuteveacutenements de congestion Lorsque le produit du RTT et de la capaciteacute du canalde communication est trop important TCP peine agrave atteindre les objectifs preacuteceacutedemmentpreacutesenteacutes Lrsquoaugmentation progressive de la bande passante sans diminution des deacutelais apour effet lrsquoaugmentation de la capaciteacute de stockage des liens Cet accroissement a uneffet neacutegatif sur les performances de TCP Cet effet neacutegatif impacte le deacutemarrage deconnexion les flots courts la reacutesolution de la congestion et la dynamique du sondagePour diminuer lrsquoeffet de la capaciteacute de stockage des liens sur les performances de TCPde nouveaux controcircles de congestion furent deacuteveloppeacutes Chaque nouvelle version ducontrocircle de congestion ambitionne de reacutesoudre une agrave plusieurs probleacutematiques des reacute-seaux agrave forte capaciteacute de stockage Le deacutemarrage de connexion et les flots courts ont dessolutions communes comme une augmentation de la capaciteacute drsquoeacutemission de TCP agrave lrsquoini-tialisation de la connexion ou la reacuteduction du RTO Les probleacutematiques de reacutesolution decongestion et de dynamique de sondage ont permis la creacuteation de nouvelles versions ducontrocircle de congestion de TCP Ces versions de TCP sont des solutions de bout-en-boutDrsquoautres solutions neacutecessitent un changement de paradigme et lrsquointeraction avec les rou-teurs Ces solutions ont lrsquoavantage drsquoecirctre reacuteactives mais neacutecessitent la mise agrave jour deseacutequipements intermeacutediaires du reacuteseau

Le localisation geacuteographique de La Reacuteunion au milieu de lrsquooceacutean indien place lrsquoicircledans une situation ougrave la capaciteacute de stockage du reacuteseau peut ecirctre importante Nous avonsainsi estimeacute cette capaciteacute agrave lrsquoaide des deacutebits theacuteoriques des accegraves et les deacutelais de propa-gation estimeacutes et mesureacutes Les reacutesultats obtenus ont mis en eacutevidence une capaciteacute destockage autorisant la caracteacuterisation de lrsquoInternet reacuteunionnais comme un reacuteseau agrave fortecapaciteacute de stockage Lrsquoimpact de cette capaciteacute de meacutemorisation nrsquoa pas encore eacuteteacute me-sureacute Crsquoest pourquoi nous nous sommes concentreacutes sur la meacutetrologie Internet

La meacutetrologie active est une science invasive en injectant des paquets dans le reacuteseauLa meacutetrologie active mesure directement des paramegravetres de qualiteacute de service comme lesdeacutelais les routes le taux perte et la gigue Nous avons vu que des outils sont en capa-citeacute de mesurer deux meacutetriques simultaneacutement Certains outils peuvent ecirctre distribueacuteset ainsi former des plates-formes de mesure Ces plates-formes offrent la possibiliteacute auxpersonnes inteacuteresseacutees du monde entier de geacuteneacuterer des donneacutees de mesure agrave travers lemonde Les performances de TCP sont deacutependantes du deacutelai Les deacutelais sont eux-mecircmedeacutependants des routes physiques et logiques emprunteacutees Il est donc important drsquoeacutetudierces deux paramegravetres Connaissant nos besoins nous utiliserons lrsquoapproche research drivenpour lrsquoeacutetude de meacutetrologie active Lrsquoapproche research driven est une approche consistantagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires agrave lrsquoeacutetude Notre eacutetude de meacutetrologie active est preacutesenteacutee dansle chapitre 2

La meacutetrologie passive permet une mesure directe des paramegravetres utiliseacutes Cette classede meacutetrologie est centreacutee sur un lien de mesure Elle utilise lrsquoeacutecoute et la capture desdatagrammes IP La meacutetrologie passive eacutetudie la caracteacuterisation du trafic et la perfor-mance des protocoles Nous avons vu que des outils sont en capaciteacute de reacutealiser les deuxeacutetudes en parallegravele Ne pouvant reacutealiser des eacutetudes de meacutetrologie passive agrave distance denombreux chercheurs ont mis agrave disposition de la communauteacute scientifique des donneacuteespubliques La litteacuterature scientifique propose un grand nombre de meacutetriques pour lrsquoeacutetudedes performances du protocole de transport TCP et de la supervision du trafic Afin de

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ne pas nous concentrer sur une meacutetrique en particulier nous faisons le choix de ne pasdresser une liste de meacutetriques Notre eacutetude de meacutetrologie passive que nous preacutesente-rons dans le chapitre 3 utilisera lrsquoapproche measurement driven Cette approche consiste agravemettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer le maximum drsquoinforma-tions puis drsquoeffectuer toutes les analyses possibles sur les donneacutees collecteacutees Neacuteanmoinsla meacutetrologie passive souffre de deux faiblesses essentielles (1) elle reste locale et il estdifficile drsquoeacutetendre les reacutesultats agrave la globaliteacute du reacuteseau (2) au niveau microscopique lescaptures aboutissent tregraves rapidement agrave des volumes de traces colossaux

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Chapitre 2

Caracteacuterisation de la connectiviteacute deLa Reacuteunion

Le rapport [Mediametrie2018-2] sur lrsquoaccegraves Internet agrave La Reacuteunion a montreacute que 856de la population reacuteunionnaise de plus de 13 ans srsquoest deacutejagrave connecteacutee agrave Internet 747 deces personnes sont des usagers reacuteguliers En comparaison le rapport [Mediametrie2018-1]montre qursquoaux alentours de 68 de la population franccedilaise meacutetropolitaine se connectequotidiennement Ces sondages montrent lrsquointeacuterecirct pris par lrsquoInternet pour la populationreacuteunionnaise

En 2013 une eacutetude de meacutetrologie reacutealiseacutee par BinarySec vise a effectuer un classementdes fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion Dans le rapport associeacute [Vergoz2013] 9meacutetriques sont preacutesenteacutees Parmi elles le deacutebit descendant moyen est mesureacute agrave 9 36MbsEn comparaison le deacutebit descendant moyen en France meacutetropolitaine mesureacute par[Akamai2015] srsquoeacutelegraveve agrave 8 2 Mbits Akamai utilise la plate-forme Intelligent PlatformTM

pour reacutecolter des donneacutees dont le deacutebit reacuteel La Reacuteunion posseacutedait ainsi un meilleurdeacutebit descendant que la France meacutetropolitaine Le deacutebit moyen franccedilais preacutesenteacute par[Akamai2017] est de 10 75 Mbits Le deacutebit descendant minimum reacuteunionnais mesureacutepar [nPerf2017] est de 18 63 Mbits Ainsi lrsquoeacutecart entre les deacutebits franccedilais et reacuteunionnaissrsquoest accentueacute Malgreacute un deacutebit plus eacuteleveacute La Reacuteunion preacutesente des deacutelais plus eacuteleveacutesque la France

Lrsquoeacutevolution des deacutebits pose la question sur lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis la derniegraverecampagne de mesure La figure 111 montre des deacutelais plus importants agrave La Reacuteunion qursquoagraveParis Lrsquoobjectif de ce chapitre est drsquoeacutetudier lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis 2012 On srsquointeacute-resse eacutegalement agrave la connectiviteacute de La Reacuteunion en terme de deacutelai et de routes Lrsquoasymeacute-trie des liens est une chose courante dans lrsquoInternet Les questions que lrsquoon se pose de-puis La Reacuteunion doivent eacutegalement ecirctre poseacutees lorsque lrsquoon essaye de joindre lrsquoicircle Dansce chapitre nous allons explorer la connectiviteacute de La Reacuteunion Pour cela nous avonsmis en place un protocole de mesures se basant sur notre propre plate-forme de mesuresrespectant la reacutepartition des destinations Notre plate-forme a pour objectif lrsquoeacutetude desroutes et des deacutelais speacutecifiques de lrsquoicircle par rapport agrave son accegraves Internet via les cacircblessous-marins

Une seconde question est alors apparue Est-ce que ces speacutecificiteacutes sont uniquementcelles de La Reacuteunion ou alors communes aux icircles de la Zone Oceacutean Indien

Dans la section 21 nous preacutesentons les objectifs de notre eacutetude de meacutetrologie et lescontraintes associeacutees Afin de reacutepondre agrave ces contraintes un cahier des charges est preacute-senteacute dans la section 22 Le protocole drsquoeacutetude est deacutecrit dans la section 23 Les reacutesultatsobtenus pour La Reacuteunion suivis de ceux des icircles de lrsquoOceacutean Indien sont preacutesenteacutes dansla section 24

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21 Objectifs

En 2012 [Anelli2012] a reacutealiseacute une campagne de mesure des deacutelais depuis La Reacuteunionet Paris Cette campagne de meacutetrologie active baseacutee sur la commande ping a pour ob-jectif de deacutemontrer la diffeacuterence de deacutelai et de deacutebit entre La Reacuteunion et Paris Le premierobjectif de nos travaux consiste agrave la mise jour des donneacutees par une nouvelle eacutetude desdeacutelais Nous ferons par la suite reacutefeacuterence agrave cet objectif par le titre Evolution

Le second objectif est lrsquoanalyse de la connectiviteacute Internet de La Reacuteunion Pour arri-ver agrave obtenir une analyse preacutecise de la connectiviteacute Internet reacuteunionnaise une eacutetude surles routes emprunteacutees par les paquets IP en provenance et agrave destination de La Reacuteunionsera reacutealiseacutee Pour cela on utilisera un outil de type traceroute On utilisera les donneacuteesreacutecolteacutees pour lrsquoidentification des portes de lrsquoInternet reacuteunionnais La reacutefeacuterence utiliseacuteepour cet objectif dans le suite du manuscrit est Connectiviteacute

Ayant cibleacute les meacutetriques nous avons fait le choix de la meacutethode research-driven Cettemeacutethode preacutesenteacutee dans la section 121 a lrsquoavantage de se concentrer uniquement surdes meacutetriques deacutecideacutees preacutealablement Dans le cas de notre eacutetude ce sont les deacutelais et lesroutes

22 Cahier des charges

Deux paramegravetres doivent ecirctre pris en consideacuteration lors de la reacutedaction du cahier descharges lrsquooutil de mesure et lrsquooutil drsquoanalyse

221 Evolution

Pour reacutepondre agrave lrsquoobjectif nous allons effectuer une reprise de lrsquoexistant Lrsquooutil demesure sera la commande ping associeacutee agrave la plate-forme Planet-Lab [PlanetLabEurope]Lrsquooutil drsquoanalyse sera identique agrave celui utiliseacute par [Anelli2012]

222 Connectiviteacute

Identification des besoins

Dans le tableau 14 nous avons vu que diffeacuterents outils sont capables de mesurer lesroutes et les deacutelais Lrsquooutil retenu devra limiter les erreurs lieacutees aux meacutecanismes de lrsquoeacutequi-librage de charge et de MPLS Cet outil devra reacutealiser des mesures depuis des nœudsreacutepartis sur lrsquoensemble de lrsquoicircle Pour cela il est neacutecessaire drsquoeffectuer un choix de plate-forme de meacutetrologie active Ce choix se fera sur 2 points la distribution geacuteographiquedes nœuds de mesure et la couverture des diffeacuterents fournisseurs drsquoaccegraves internet

Lrsquooutil drsquoanalyse devra ecirctre en capaciteacute drsquoidentifier les portes de lrsquoInternet reacuteunion-nais agrave travers la geacuteolocalisation des adresses IP drsquoidentifier les marques MPLS preacutesentesdans les donneacutees pour une meilleure compreacutehension des regravegles de routage geacuteneacuterer unecarte des relations entre pays agrave travers les eacutechanges de paquets envoyeacutes et reacutealiser desstatistiques sur les diffeacuterents nœuds emprunteacutes

Mise en œuvre drsquoune infrastructure de meacutetrologie active

Dans la section preacuteceacutedente nous avons vu que notre cahier des charges devra respec-ter 3 principaux critegraveres outil de mesure plate-forme de mesure et outil drsquoanalyse

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Paris-traceroute

Nous avons vu dans la partie 122 que lrsquoeacutetude des routes et des deacutelais peut se faire agravelrsquoaide drsquoun seul outil traceroute Or cet outil est sujet agrave des impreacutecisions lieacutees agrave lrsquoeacutequili-brage des charges par exemple Souhaitant limiter lrsquoimpact de ces aleacuteas dans nos donneacuteesnous faisons le choix de Paris-traceroute Pour rappel une preacutesentation de lrsquooutil et deses meacutecanismes est faite agrave la section 122

La plate-forme RunPL

Les plates-formes disponibles Similairement dans la section 122 nous avons preacute-senteacute des plates-formes de meacutetrologie active La plate-forme seacutelectionneacutee devra respecterles critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment

Parmi les plates-formes seules Atlas et Planet-Lab ont des sondes preacutesentes sur lrsquoicirclerespectivement 21 et 2 Ces sondes sont reacuteparties de maniegravere ineacutequitable sur lrsquoicircle Lareacutegion Est de lrsquoicircle ne compte qursquoune sonde quand le minimum est de 6 dans les autresreacutegions De plus certains des Fournisseurs drsquoAccegraves Internet (FAI) nrsquoheacutebergent pas de sondede mesure Le reacutesumeacute de notre comparaison est indiqueacute dans le tableau 21

TABLE 21 ndash Reacutepartitions des sondes chez les Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

Archipelago Atlas BISMark DASU Planet-Lab SamKnowsParis-traceroute

Oui Oui Oui Non Oui Non

Disponibiliteacutesur lrsquoicircle

Non Oui Non Non Oui Non

Couverturede lrsquoicircle

Non Oui Non Non Non Non

Reacutepartitionfournis-seurs

Non Non Non Non Non Non

On constate ainsi qursquoaucune des plates-formes preacutesenteacutees ne remplit la totaliteacute descritegraveres de seacutelection Nous avons souhaiteacute deacuteployer notre propre infrastructure Cettenouvelle plate-forme reacutepondra agrave nos critegraveres en offrant une meilleure couverture de lrsquoicirclesur les aspects geacuteographiques FAI et Technologies drsquoAccegraves agrave Internet (TAI) Lrsquoeacutechantillon depopulation est repreacutesenteacute par un ensemble drsquoeacutetudiants Notre plate-forme nous autoriseeacutegalement agrave ecirctre maicirctre de lrsquoinfrastructure de mesures que lrsquoon souhaite mettre en placeAfin de seacutelectionner les outils (physiques et logiciels) les plus adapteacutes agrave nos objectifsnous avons deacutecideacute des speacutecificiteacutes de notre plate-forme

Creacuteation et deacuteploiement de la plate-forme RunPL La plate-forme que lrsquoon souhaitedeacuteployer devra respecter un scheacutema de connectiviteacute bien preacutecis repreacutesenteacute par la figure21 La Sonde de mesure est le cœur de la plate-forme La Destination correspond agrave uneadresse IP ou un nom de domaine agrave joindre pour obtenir des informations sur les routesemprunteacutees et les deacutelais associeacutes Le Serveur de stockage est preacutesent pour deacutelester la sondede mesure LrsquoOrdinateur distant repreacutesente lrsquoadministrateur de la plate-forme Ne pouvantse deacuteplacer pour configurer la sonde un accegraves distant doit ecirctre reacutealiseacute Il est illustreacute parle train en pointilleacute sur la figure Le trait plein entre la sonde et la destination correspondagrave lrsquointeraction entre la sonde et la destination Cette interaction repreacutesente les mesuresque lrsquoon obtiendra sur les performances des liens Les sondes de mesure devront pou-voir effectuer les mesures sans limitation de destinations Elles devront afin de limiter

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le stockage effectuer un deacutelestage des mesures collecteacutees sur un serveur de stockage Ceserveur de stockage tout comme la sonde de mesure devra pouvoir ecirctre joint par lrsquoordi-nateur distant Cette communication a un double objectif Le premier est la reacutecupeacuterationdes donneacutees pour les analyses Le second est la mise agrave jour du protocole de mesure sineacutecessaire Une interaction seacutecuriseacutee est eacutetablie entre lrsquoordinateur distant la sonde et leserveur de stockage Cette liaison est caracteacuteriseacutee par les pointilleacutes sur la figure 21

FIGURE 21 ndash Scheacutema drsquointerconnexion de la plate-forme

Les speacutecificiteacutes de notre plate-forme se deacutecomposent en deux grandes parties quesont la partie mateacuterielle et la partie systegraveme

Mateacuterielle Un cahier des charges speacutecifique agrave notre plate-forme de mesure doit ecirctrereacutealiseacute La premiegravere partie concerne le choix du mateacuteriel physique

La partie mateacuterielle de la plate-forme de mesure est formeacutee de deux composants lasonde de mesure et le serveur de stockage des donneacutees Le serveur de stockage serafourni par le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques (LIM) Seule la sonde de me-sure sera indiqueacutee dans le cahier des charges Le mateacuteriel seacutelectionneacute devra respecter lescritegraveres preacutecis Ces critegraveres ont eacuteteacute deacutecideacutes en eacutetudiant les solutions proposeacutees par lesplates-formes preacuteceacutedemment eacutetudieacutees

mdash Peu encombrant de nombreuses sondes proposeacutees par les diffeacuterentes plates-formessont tregraves discregravetes Notre sonde devra eacutegalement ecirctre peu visible Nous souhaitonsque la sonde soit directement connecteacutee sur le routeur de lrsquousager

mdash Peu coucircteux le coucirct unitaire de chaque kit ne devait pas deacutepasser 50D afin que lrsquoonpuisse avoir un nombre de nœuds conseacutequent Un kit sera composeacute de la sonde deson cacircble alimentation drsquoune carte meacutemoire et drsquoun cacircble reacuteseau

mdash Peu eacutenergivore la facture drsquoeacutelectriciteacute eacutetant agrave la charge de lrsquousager nous souhai-tions une solution agrave faible consommation drsquoeacutenergie

mdash Diversiteacute du systegraveme drsquoexploitation (OS) Le systegraveme drsquoexploitation choisi devrasupporter lrsquoinstallation de Paris-traceroute

La seconde partie du cahier des charges de notre plate-forme se concentre sur le choixdu systegraveme drsquoexploitation

Pour rappel sur la figure 21 nous avons repreacutesenteacute en pointilleacute des interactions seacute-curiseacutees Ces eacutechanges concernent lrsquoaccegraves distant agrave la sonde au serveur de stockage et agravela sauvegarde des donneacutees de mesures sur le serveur Le systegraveme drsquoexploitation devracorrespondre aux critegraveres de seacutelection suivants

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mdash Paris-traceroute Le systegraveme drsquoexploitation devra inteacutegrer Paris-traceroute dans seslibrairies drsquoinstallations ou supporter lrsquoinstallation du code source

mdash Licence GNU-GPL Des modifications du systegraveme seront potentiellement neacuteces-saires

mdash Accegraves distant Le mateacuteriel devant ecirctre geacutereacute agrave distance Un accegraves Secure SHell (SSH)devra donc ecirctre configureacute Le protocole SSH [RFC4250] fut deacuteveloppeacute pour per-mettre lrsquoaccegraves agrave distance de terminaux

mdash Transmission seacutecuriseacutee Lrsquoaccegraves au diffeacuterents composants de la plate-forme devrase faire drsquoune faccedilon seacutecuriseacutee La restriction se fera agrave travers un systegraveme drsquoidentifi-cation

Seacutelection du mateacuteriel [Maksimovic2014] reacutealise une comparaison de diffeacuterents micro-ordinateurs tels que Arduino [Arduino] BeagleBone [Beaglebone] Phidgets [Phidgets]Udoo [Udoo] et RaspberryPi [RaspberryPi] Dans ce comparatif les critegraveres utiliseacutes sontproches de ceux que lrsquoon a seacutelectionneacutes Le tableau 22 reacutesume lrsquoensemble des critegraveres deseacutelection du mateacuteriel Il provient directement de lrsquoarticle [Maksimovic2014]

TABLE 22 ndash Tableau de comparaison des micro-ordinateurs (source [Maksimovic2014])

Critegraveres Arduino BeagleBone Phidegts Raspberry Pi UdooEncombrement(en mm)

7553 863533 813533 8565398 11085

Coucirct (en $ parnœud

30 45 50-200 25-35 99-135

Eacutenergie (en V) 7-12 5 6-15 5 6-15

Systegraveme

drsquoexploitation

Linux ang-strom

Linux

RaspbianUbuntuAndroidArchLinuxFreeBSDFedoraRISC OS

UbuntuAn-droidLinuxArchLi-nux

Nous avons mis en eacutevidence les valeurs respectant les critegraveres Nous faisons le choixdu Raspberry Pi car il possegravede le plus de critegraveres respecteacutes

Seacutelection du systegraveme drsquoexploitation Le premier critegravere de seacutelection est lrsquoinstalla-tion de Paris-traceroute Drsquoapregraves [Paris-traceroute] lrsquooutil est disponible sur les systegravemesRaspbian Ubuntu ArchLinux et FreeBSDConcernant les licences lrsquoensemble des OS ne sont pas eacutequivalents Ainsi seul RaspbianUbuntu et ArchLinux proposent une licence General Public Licence (GPL) RISC OS est as-socieacute agrave une licence proprieacutetaire Android FreeBSD et Fedora sont sous licence de logiciellibre et open source Les licences de distribution open source vont nous autoriser agrave ajou-ter modifier voire supprimer des parties du code pour qursquoil corresponde plus facilementagrave nos besoinsDe nombreux OS proposent nativement la version cliente du protocole SSH La versionserveur peut ecirctre activeacutee lors de lrsquoinstallation du systegraveme drsquoexploitation Lrsquoaccegraves distantnous permettra eacutegalement la mise agrave jour des outils et des OS pour des raisons de seacutecu-riteacuteLa seacutecurisation des eacutechanges se fera au travers drsquoun Virtal Private Network (VPN) Un

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VPN est un systegraveme permettant de creacuteer un lien direct entre des ordinateurs distants[Coonjah2015] reacutealise une comparaison entre deux outils permettant la creacuteation de VPNOpenSSH et OpenVPN OpenSSH propose de meilleures performances qursquoOpenVPN auniveau de lrsquoutilisation de la bande passante et des temps de transferts de fichiers Malgreacutecela nous avons pris le parti drsquoutiliser OpenVPN car crsquoest un outil majoritairement uti-liseacute par les entreprises [Coonjah2015] Cet utilitaire nous propose la mise en place drsquouneconnexion seacutecuriseacutee baseacutee sur lrsquoidentification agrave travers un certificat drsquoauthentificationLe VPN permet de joindre agrave travers un adressage priveacute les diffeacuterentes sondes qui se-ront distribueacutees sur lrsquoicircle de La Reacuteunion Drsquoapregraves le site officiel drsquo[OpenVPN] lrsquooutil peutsrsquoinstaller facilement sur les distributions Rapsbian Ubuntu et Fedora

Le choix du systegraveme drsquoexploitation va deacutependre des critegraveres de seacutelection Nous reacuteca-pitulons les critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment dans le tableau 23

TABLE 23 ndash Reacutecapitulatif de la comparaison des Systegravemes drsquoexploitation sur RaspberryPi

Critegraveres Raspbian Ubuntu Android ArchLinux FreeBSD Fedora RISC OSParis-traceroute

Oui Oui Non Oui Oui Non Non

Licence GPL GPL ASL GNULinux

BSD CreativeCom-mons

CastleTechno-logiesLtdLicence

Accegraves dis-tant (SSH)

Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

OpenVPN Oui Oui Non Non Non Oui Non

Deux systegravemes disponibles pour Raspberry Pi reacutepondent agrave nos critegraveres Raspbian etUbuntu Nous faisons le choix du systegraveme Raspbian Cet OS est une distribution Linuxentiegraverement revue pour des performances optimales sur la carte Raspberry Pi Fortementinspireacutee par la distribution Linux Debian elle propose les mecircmes caracteacuteristiques que ladistribution dite de Bureau Les sondes nrsquoeacutetant pas eacutequipeacutees drsquoun systegraveme drsquoaffichagenous optons pour lrsquoinstallation la plus leacutegegravere possible avec uniquement les paquets neacute-cessaires agrave notre eacutetude

Lrsquooutil drsquoanalyse rTraceroute

Dans la section 21 nous avons preacutesenteacute les contraintes lieacutees agrave la seacutelection drsquoun outildrsquoanalyse des donneacutees de type traceroute Pour rappel ces contraintes sont les suivantes la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoidentification des liens MPLS la geacuteneacuteration drsquounecarte des liens logiques et la geacuteneacuteration drsquoun fichier comportant des statistiques sur lesdiffeacuterents nœuds rencontreacutes

Les outils disponibles Il existe diffeacuterents outils drsquoanalyse des routes que lrsquoon peut ran-ger en trois cateacutegories les geacuteneacuterateurs de donneacutees brutes les plates-formes de mesures etles outils drsquoanalyse graphiques Lrsquooutil que lrsquoon souhaite utiliser entre dans la troisiegravemecateacutegorie La litteacuterature autour drsquooutils graphiques pour lrsquoanalyse des routes nrsquoest pasaussi complegravete que lrsquoon pourrait croire

Gtrace est un outil creacuteeacute par [Periakaruppan1999] Cet outil reproduit graphiquementles reacutesultats obtenus par Traceroute Le logiciel geacutenegravere ses propres donneacutees avant de les

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repreacutesenter sous forme graphique La geacuteolocalisation ne se fait pas sur les adresses IPmais sur le nom Domain Name System (DNS) des nœuds rencontreacutes La localisation drsquounnœud nrsquoest valideacutee qursquoapregraves croisement des informations entre les abreacuteviations des villeset aeacuteroports drsquoinformations contenues dans deux bases de donneacutees Une derniegravere veacuteri-fication est reacutealiseacutee agrave lrsquoaide de la commande nslookup Actuellement cet outil nrsquoest plusmaintenu Il nrsquoimpleacutemente pas le [RFC4950] permettant lrsquoidentification des nœuds MPLSdans les routes

[Aben2015] preacutesente un outil drsquoanalyse des routes inteacutegreacute agrave Atlas RIPE NCC Cet outildrsquoanalyse se nomme OpenIPMap Il utilise la base de donneacutees de RIPE pour effectuer lageacuteolocalisation des donneacutees Les routes sont ensuite traceacutees sur une carte interactive Lesmesures geacuteneacutereacutees par Atlas sont directement visibles et peuvent srsquointeacutegrer dans OpenIP-Map Lrsquoidentification des nœuds MPLS ainsi que la partie statistique ne sont pas inclusesdans les sorties proposeacutees par OpenIPMap

Dans [Yang2016] lrsquoauteur preacutesente un outil drsquoanalyse des routes centreacute sur le conti-nent africain African Visual Route Le design de lrsquooutil srsquoinspire largement du projetOpenIPMap [Aben2015] Lrsquooutil possegravede un deacutefaut important Il lit uniquement les fi-chiers provenant de la plate-forme Atlas

Le tableau 24 preacutesente les possibiliteacutes offertes par chaque outil preacutesenteacute preacuteceacutedem-ment

TABLE 24 ndash Fonctions disponibles dans les outils graphiques drsquoanalyse des routes

African Visual Route Gtrace OpenIPMapGeacuteolocalisation Oui Oui OuiIdentificationdes liens MPLS

Non Non Non

Cartographie Oui Oui OuiStatistiques Non Non Non

On peut constater que par rapport agrave nos besoins les outils listeacutes preacutesentent des la-cunes Les critegraveres drsquoaffichage des liens MPLS et la partie statistique sur les nœuds inter-meacutediaires nrsquoont pu ecirctre remplis Pour ces raisons nous avons deacuteveloppeacute un outil drsquoana-lyse rTraceroute

Deacuteveloppement de rTraceroute

Geacuteolocalisation Dans le cadre de nos travaux la geacuteolocalisation drsquoadresse IP consi-degravere la position geacuteographique de lrsquoadresse les informations sur le deacutetenteur de lrsquoadresseet lrsquoAutonomous System (AS) associeacutes Un AS est un ensemble drsquoeacutequipements et de reacuteseauxsous une mecircme autoriteacute rTraceroute geacuteolocalise les adresses IP rencontreacutees agrave travers unebase de donneacutees impleacutementeacutee au sein du LIM Cette base de donneacutees est remplie au furet agrave mesure que de nouvelles adresses IP sont remonteacutees par les mesures Lrsquoidentificationdes nouvelles adresses se fait par un script deacuteveloppeacute en python sous ma direction parun eacutetudiant de Licence 3eme anneacutee [LanYanFock2015] Cet outil nommeacute rgeoloc utiliseles commandes de lrsquoApplication Programming Interface (API) de RIPE NCC En interro-geant une base de donneacutees drsquoun RIR nous espeacuterons limiter les erreurs lieacutees agrave la geacuteoloca-lisation Pour nos besoins nous limitons les informations lieacutees agrave la localisation et au FAICes informations sont Pays Latitude Longitude Nom du FAI Numeacutero de lrsquoASLes informations (pays longitude latitude) seront utiliseacutees par la suite pour effectuer

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des calculs de distance entre deux adresses IP Le nom du FAI autorise le suivi des ac-cords drsquoeacutechanges de paquets sur les routes Le numeacutero de lrsquoAS nous offre la possibiliteacutede suivre les diffeacuterents chemins emprunteacutes en termes drsquoAS diffeacuterents

rgeoloc est capable drsquoextraire les informations de deacutelais et de longueurs de routesdrsquoun fichier traceroute Il peut eacutegalement deacutecouper un fichier contenant plusieurs don-neacutees traceroute en fichier unitaire

La geacuteolocalisation des adresses associeacutees agrave lrsquoidentification des liens MPLS va aider agravela compreacutehension des routes de lrsquoInternet dans le monde

Identification des liens MPLS Paris-traceroute indique dans ses sorties les liensMPLS rencontreacutes [Augustin2007] indique que lrsquoidentification des liens se fait par la lec-ture des informations contenues dans les paquets reccedilus par lrsquooutil rTraceroute va identi-fier les marques MPLS et les repreacutesenter en un coloris diffeacuterent sur les cartes

Cartographie Lors de la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoinformation neacutecessaire agravela cartographie est le pays Lors de cette identification deux nouvelles informations sontassocieacutees agrave lrsquoIP Ce sont les coordonneacutees du pays pour la carte passeacutee en paramegravetre Agravepartir de ces nouvelles coordonneacutees rTraceroute va geacuteneacuterer une nouvelle carte affichantlrsquoensemble des liens logiques (entre pays) preacutesents dans les traces analyseacutees

Statistique rTraceroute geacutenegravere des statistiques sur chaque nœud rencontreacute La cleacutedrsquoidentification drsquoun nœud est son adresse IP et sa position sur la route analyseacutee Les sta-tistiques geacuteneacutereacutees sont lrsquooccurrence de la paire drsquoidentification le deacutelai minimal obtenupour joindre ce nœud agrave cette position et le pays rattacheacute agrave lrsquoadresse IP

Notre outil est actuellement disponible sur le site du laboratoire agrave lrsquoadresse suivante httplimuniv-reunionfrrtraceroute [rtraceroute] Cet outil est distribueacute sous licencelibre pour une large diffusion dans la communauteacute scientifique

23 Protocole de mesure

La connectiviteacute particuliegravere de lrsquoicircle par les deux cacircbles sous-marins provoque un in-teacuterecirct de lrsquoeacutetude des routes emprunteacutees Lrsquoun des objectifs de nos mesures est drsquoeacutetudierlrsquoeacutevolution des deacutelais et de la longueur des routes entre 2012 et 2016 Le second objec-tif est lrsquoeacutetude de la connectiviteacute en terme de routes de deacutelais et des accegraves logiques delrsquoInternet reacuteunionnais

Notre protocole de mesure se divise en 3 parties La premiegravere partie preacutesente lespoints communs entre les deux objectifs La seconde consiste agrave effectuer une comparai-son de lrsquoeacutetat actuel avec le travail effectueacute preacuteceacutedemment par [Anelli2012] Le troisiegravemepoint concerne les mesures drsquoidentification des portes de lrsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion

231 Eacutechantillon de mesure

Lrsquoeacutechantillon drsquoadresses IP que lrsquoon va utiliser dans nos eacutetudes se doit drsquoecirctre repreacute-sentatif et preacutecis La preacutecision srsquoobtient par la taille drsquoun eacutechantillon La repreacutesentativiteacutepar le respect de la distribution des adresses IP dans lrsquoInternet

Il existe 232 adresses IPv4 avec une reacutepartition bien speacutecifique Drsquoapregraves les [RFC3232RFC5735 RFC6761] 592 708 865 adresses sont reacuteserveacutees On peut citer en exemple lesadresses de type 1921680016 Ce bloc est reacuteserveacute aux reacuteseaux priveacutes Son utilisationpreacutevue est documenteacutee dans le [RFC1918] Telles que deacutecrites dans ce standard les adresses

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IV

Reacutesumeacute

Lrsquoaccegraves agrave Internet des icircles de la Zone Oceacutean Indien a la particulariteacute drsquoutiliser deuxlongs cacircbles sous-marins Les routes ont en commun de passer par un de ces liens etdrsquointroduire une composante de deacutelai qui peut ecirctre significative La performance de TCPest lieacutee agrave lrsquoeacutetat des routes et au deacutelai Dans la situation de lrsquoicircle de la Reacuteunion comment secomporte un protocole ayant une deacutependance au deacutelai tel que TCP

Dans cette thegravese nous proposons une eacutetude de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion Les travauxvisent agrave pouvoir dresser un bilan de la connectiviteacute Internet Ils srsquoorientent drsquoune partagrave caracteacuteriser la connectiviteacute au niveau du reacuteseau et drsquoautre part agrave traduire ses caracteacute-ristiques au niveau de la couche de transport Ainsi les travaux preacutesenteacutes reposent surdeux eacutetudes de meacutetrologie sur le reacuteseau reacuteunionnais

Le premier examen a pour objectif la caracteacuterisation des deacutelais et des routes emprun-teacutees depuis et en direction de lrsquoicircle Ces travaux reposent sur une plate-forme de mesuresmise en place agrave cet effet Un outil drsquoidentification des routes a eacuteteacute deacuteveloppeacute afin drsquoana-lyser les chemins depuis et vers la Reacuteunion Cet outil utilise une base de donneacutees degeacuteolocalisation construite agrave partir des adresses IP rencontreacutees des deacutelais associeacutes et drsquoin-formations provenant des Registres Internet Reacutegionaux Lrsquoanalyse des reacutesultats montredes caracteacuteristiques propres agrave la reacutegion Reacuteunion

La seconde eacutetude de meacutetrologie vise lrsquoanalyse des flux TCP Des meacutetriques associeacuteesagrave lrsquoobservation des captures de trafic sont identifieacutees afin drsquoeacutetablir les performances deTCP mais eacutegalement les types de trafic entrant et sortant de lrsquoicircle Le volume des eacutecouteseacutetant important un outil drsquoanalyse pour des traitements efficaces et rapides a eacutegalementeacuteteacute deacuteveloppeacute

Les contributions de cette thegravese sont drsquoabord rattacheacutees au contexte reacuteunionnais etsont extrapoleacutees vers lrsquointernet de la Zone Oceacutean Indien Cette thegravese se veut ecirctre un eacuteleacute-ment pour une reacuteflexion avec lrsquoensemble des acteurs de lrsquoInternet agrave la Reacuteunion

Mots cleacutes

Meacutetrologie active Deacutelais Routage Meacutetrologie passive Performance TCP Zone OceacuteanIndien Reacuteunion

V

Abstract

The access to the Internet of the Islands of the Indian Ocean Area has the particularityof using two long submarines cables The routes have in common to go through one ofthese links and introduce a delay component that can be significant The performance ofTCP is linked to the state of the route and the delay In the situation of Reunion Islandhow does a protocol having a dependence on delay such as TCP behaves

In this thesis we propose a study of the Internet in Reunion Island The work aimsto be able to take stock of Internet connectivity They are oriented on the one hand tocharacterize the connectivity at the level of the network and on the other hand to translatethese characteristics at the level of the transport layer Thus the works presented arebased on two metrology studies on the Reunion network

The first review aims to characterize the delays and the routes taken from and to theisland This work is based on a platform of measures put in place for this purpose A roadidentification tool has been developed to analyze roads to and from Reunion Island Thistool uses a geolocation database built from IP addresses encountered associated delaysand information from the Regional Internet Registries The analysis of the results showscharacteristics specific to the Reacuteunion region

The second metrology study aims to analyze TCP flows Metrics associated with theobservation of the catches of traffic are identified in order to establish the performancesof TCP but also the types of traffic entering and leaving the island Since the volume ofthe intercepts is important an analysis tool for efficient and rapid treatments has beendeveloped

The contributions of this thesis are first of all related to the Reunionese context andare extrapolated to the Internet of the Indian Ocean Zone This thesis is meant to be anelement for a reflection with all the actors of the Internet in Reunion Island

Keywords

Active Metrology Delay Routage Passive metrology Performance TCP Indian OceanArea Reunion Island

VI

Table des matiegraveres

Remerciements III

Reacutesumeacute V

Abstract VI

Liste des acronymes IX

Introduction 11 Contexte geacuteneacuteral 12 Contexte reacutegional 1

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion 122 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien 5

3 Probleacutematique 84 Organisation de la thegravese 8

1 Eacutetat de lrsquoart 911 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capaciteacute de stockage 10

111 Controcircle de congestion de TCP 10112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de

stockage 14113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN 17114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs 22115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion 23

12 Meacutetrologie du trafic Internet 25121 Deacutefinition 25122 Meacutetrologie active 26123 Meacutetrologie passive 32124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives 35

13 Synthegravese 36

2 Caracteacuterisation de la connectiviteacute de La Reacuteunion 3921 Objectifs 4022 Cahier des charges 40

221 Evolution 40222 Connectiviteacute 40

23 Protocole de mesure 46231 Eacutechantillon de mesure 46232 Eacutevolution 47233 Connectiviteacute 48

24 Reacutesultats 53241 Eacutevolution 53

VII

242 Connectiviteacute de La Reacuteunion 54243 Connectiviteacute des icircles de la Zone Oceacutean Indien 65244 Synthegravese des reacutesultats 71

25 Conclusion 72

3 Meacutetrologie sur le service de transport agrave La Reacuteunion 7531 Objectifs 75

311 Les objectifs de lrsquoeacutetude 76312 Les meacutetriques de lrsquoeacutetude 76

32 Mise en oeuvre drsquoune plate-forme de meacutetrologie 79321 Pour la capture du trafic 79322 Pour analyser les traces 80

33 Protocole de mesure 8234 Reacutesultats 85

341 Supervision du trafic 86342 Performance de TCP 88343 Synthegravese des reacutesultats 91

35 Conclusion 92

Conclusion amp perspectives 951 Synthegravese des travaux 952 Perspectives 96

Table des figures 100

Liste des tableaux 101

Bibliographie 103

VIII

Liste des acronymes

ACK Acknowledgement

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AIMD Additive Increase and Multiplicative Decrease

API Application Programming Interface

ARCEP Autoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques et des Postes

AS Autonomous System

BDP Bandwidth Delay Product

CAIDA Center for Applied Internet Data Analysis

CDCS Comoros Domestic Cable Sytem

CDF Cumulative Density Function

CIL Correspondant Informatique et Liberteacutes

CWND Congestion Window

CWR Congestion Window Reduce

DNS Domain Name System

DSI Direction des Services Informatiques

DupAck Duplicate Acknowledgement

EASSY Eastern Arfrica Submarine SYstem

ECE ECN Echo

ECN Explicit Congestion Notification

FAI Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

FTTH Fiber To The Home

GIX Global Internet eXchange

GNU GNUrsquos Not Unix

GPL General Public Licence

HTTP HyperText Transfer Protocol

HTTPS HyperText Transfer Protocol Secured

IANA Internet Assigned Numbers Authority

ICMP Internet Control Message Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

IX

IGMP Internet Group Management Protocol

IMAP Internet Message Access Protocol

IP Internet Protocol

IPPM IP Performance Metrics

IW Initial Window

IXP Internet eXchange Point

LAN Local Area Network

LER Label Edge Router

LFN Long Fat Network

LIM Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques

LION Lower Indian Ocean Network

LSP Label Switched Path

LSR Label Switch Router

MAN Metropolitan Area Network

MPLS MultiProtocol Label Switch

MSS Maximun Segment Size

NRA Noeud de Raccordement drsquoAbonneacutes

NS Nonce Sum

OS Operating System

PDF Probability Density Function

POP Post Office Protocol

PSAMP Packet Sampling

RENATER REseau NAtional de communication eacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseigne-ment et la Recherche

RIR Regional Internet Registry

RITE Reducing Internet Transport Latency

RSSI Responsable Seacutecuriteacute et Systegravemes drsquoInformation

RTO Retransmission TimeOut

RTT Round-Trip delay Time

SAFE South-Africa Far East

SAT-3 South Africa Transit-3

SCP Ssh CoPy

SEAS Seychelles to East Africa System

SMTP Simple Mail Transfert Protocol

SSH Secure SHell

ssthresh slow-start threshold

TAI Technologies drsquoAccegraves agrave Internet

X

TCP Transmission Control Protocol

TTL Time-To-Live

UDP User Datagram Protocol

VDSL Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line

VLAN Virtual Local Area Network

VOD Video on demand

VPN Virtal Private Network

WAN Wide Area Network

WASC West Africa Submarine Cable

ZOI Zone Oceacutean Indien

XI

XII

Introduction

1 Contexte geacuteneacuteral

Depuis sa premiegravere deacutemonstration publique en 1972 Internet a fortement eacutevolueacute[Leiner1997] Dans une premiegravere phase nous avons les changements de services Les uti-lisateurs ont basculeacute des services historiques que sont lrsquoeacutechange drsquoe-mail et la navigationweb vers une utilisation interactive de lrsquoInternet Ces nouveaux services tels que la Voixsur IP les Jeux en ligne le Streaming etc sont maintenant possibles peu importe lrsquoendroitougrave lrsquoon se situe Cela gracircce agrave la seconde phase des innovations de lrsquoInternet lrsquoeacutevolu-tion des technologies logicielles et mateacuterielles Les technologies sont devenues de plusen plus mobiles et proposent des deacutebits drsquoaccegraves agrave lrsquoInternet de plus en plus importantsAinsi nous sommes passeacutes drsquoun accegraves physique de chez soi connecteacutes agrave un ordinateurfixe et une liaison 56 kbits (kilo-bitsseconde) agrave des smartphones et des connexions mo-biles avec un deacutebit theacuteorique minimal descendant de 20 Gbits (Giga-bitsseconde) dansun futur proche pour la technologie 5G En parallegravele lrsquoaccegraves agrave Internet srsquoest deacutemocra-tiseacute Drsquoapregraves une eacutetude de lrsquoOrganisation des Nations Unies le nombre de teacuteleacutephonesmobiles est devenu supeacuterieur au nombre drsquohabitants sur la planegravete [ONU2013] Ces eacutevo-lutions parallegraveles ont bouleverseacute lrsquousage de lrsquoInternet Est-ce que ces eacutevolutions ont eu unimpact sur lrsquoInternet reacuteunionnais

2 Contexte reacutegional

21 LrsquoInternet agrave La Reacuteunion

Pour comprendre la situation de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion il est neacutecessaire de relaterlrsquohistoire de la connectiviteacute Internet et de dresser un bilan de lrsquoeacutetat actuel Cet historiqueest effectueacute agrave partir du document [Pretet2000] qui preacutesente lrsquoavancement du projet deconnexion de lrsquoicircle de La Reacuteunion au cacircble sous-marin South-Africa Far East (SAFE)

La premiegravere connexion de La Reacuteunion agrave lrsquoInternet date de 1992 avec la mise en servicedu projet Telecom-2 Agrave cette eacutepoque la seule liaison connectant La Reacuteunion agrave Interneteacutetait une connexion satellitaire Jusqursquoen 2001 et lrsquoarriveacutee du cacircble SAT-3WASCSAFEles deacutebits drsquoaccegraves reacutesidentiels ne deacutepassaient pas les 56 kbits La bande passante totalede lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle par ce canal satellite eacutetait de 400 Mbits (Meacutega-bitsseconde)tous opeacuterateurs confondus Le coucirct drsquoutilisation de la liaison satellite avoisinait les17 000DMbmois et par opeacuterateur La technologie drsquoaccegraves et le tarif eacuteleveacute limitaient lesusages de lrsquoInternet priveacute agrave des services basiques comme lrsquoeacutechange drsquoe-mail Lrsquoarriveacuteedes cacircbles South Africa Transit-3 (SAT-3)West Africa Submarine Cable (WASC)SAFE en2001 visaient agrave deacutesenclaver numeacuteriquement lrsquoicircle

Ce cacircble drsquoune longueur totale de 28 000 Km (Kilo-megravetres) connecte lrsquoEurope (Es-pagne et Portugal) agrave lrsquoAsie (Inde et Malaisie) en longeant la cocircte Ouest africaine telqursquoillustreacutee par la carte figure 1 Le lien est composeacute de deux paires de fibres optiquesavec une capaciteacute globale de 135 Gbits La reacutepartition des capaciteacutes fut faite en fonction

1

du montant investi par les opeacuterateurs France Teacuteleacutecom fut seacutelectionneacutee pour la Franceavec un deacutebit total de 13 6 Gbits dont 155 Mbits furent alloueacutes agrave la connexion de LaReacuteunion Ce deacutebit eacutetait eacutequivalent agrave la capaciteacute maximale theacuteorique du lien satellite deFrance Teacuteleacutecom Outre la seacutecuriteacute apporteacutee par la fibre optique crsquoest la qualiteacute de la trans-mission qui a eacuteteacute ameacutelioreacutee avec ce support Ce cacircble a eacuteteacute une premiegravere eacutetape dans lamise en place drsquoune autoroute de lrsquoinformation entre lrsquoEurope lrsquoAsie et lrsquoAfrique PourLa Reacuteunion cette autoroute a eacuteteacute un facteur pour la baisse des coucircts de communication eten parallegravele le deacuteploiement de la technologie Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)Les tarifs de consommation de la bande passante du lien ont connu une baisse impor-tante suite agrave une deacutecision de lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des Communications Electroniques etdes Postes (ARCEP) en 2004 [ARCEP2004] Les tarifs sont passeacutes de 17 000 DMbmois agrave1 550 DMbmois

FIGURE 1 ndash Carte des points drsquoatterrissement du cacircble SAT-3WASCSAFE (Source [Pretet2000])

Malgreacute la baisse des tarifs lrsquoADSL nrsquoeacutetait preacutesent que dans 6 villes agrave forte densiteacutede population Afin drsquoaugmenter la couverture de lrsquoaccegraves Internet de lrsquoicircle une dorsalefaisant le tour de lrsquoicircle est installeacutee Crsquoest le reacuteseau nommeacute Gazelle dont le deacutebut du deacute-ploiement fut effectueacute dans le courant de lrsquoanneacutee 2003 [SDTAN2013] Cette fibre est ins-talleacutee en hauteur en suivant le reacuteseau Haute Tension drsquoEDF selon le plan de la figure 2(en trait bleu ou fonceacute) Le but de ce reacuteseau est de raccorder lrsquoensemble des Noeud de Rac-cordement drsquoAbonneacutes (NRA) Un NRA est un local heacutebergeant un central teacuteleacutephonique delrsquoopeacuterateur historique France Teacuteleacutecom dans lequel aboutissent les lignes teacuteleacutephoniquesdes abonneacutes communeacutement appeleacutees boucles locales Au delagrave de ces locaux les boucleslocales forment le reacuteseau capillaire Lrsquointerconnexion entre le reacuteseau Gazelle et les NRAest repreacutesenteacutee en vert sur la figure 2

En 2004 La Reacuteunion srsquoest doteacutee drsquoun point drsquoeacutechange (Global Internet eXchange (GIX)ou Internet eXchange Point (IXP)) nommeacute Reunix Il fut pendant pregraves de 10 ans le seul IXPpreacutesent dans la Zone Oceacutean Indien (ZOI) Geacutereacute par le REseau NAtional de communicationeacutelectroniques pour la Technologie lrsquoEnseignement et la Recherche (RENATER) il vise agrave inter-connecter les fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion afin drsquoeacuteviter que le trafic localne sorte de lrsquoicircle et consomme des capaciteacutes sur le cacircble sous-marin En plus de cet eacutequi-pement des technologies de cache ont eacuteteacute deacuteployeacutees sur le territoire LrsquoUniversiteacute de LaReacuteunion a eacuteteacute un des acteurs de ce deacuteploiement

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FIGURE 2 ndash Plan de cacircblage du reacuteseau Gazelle en 2006 (Source [Pretet2000])

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 chaque anneacutee une baisse de 20 agrave 40 duprix du Meacutegabit sur le cacircble sous-marin est enregistreacutee En 2006 pour 50D un abonneacutenrsquoavait droit qursquoagrave la connexion ADSL de 1 Mbits sans aucun service additionnel Lrsquoan-neacutee suivante pour le mecircme tarif la teacuteleacutephonie illimiteacutee vers certains pays a eacuteteacute ajouteacuteeau forfait Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le forfait est resteacute le mecircme mais le deacutebit alloueacuteest augmenteacute pour atteindre 8 Mbits La Reacuteunion nrsquoa vu lrsquoarriveacutee du triple play (Teacuteleacutevi-sion Teacuteleacutephone Internet) qursquoagrave partir des anneacutees 20112012 avec lrsquoarriveacutee drsquoun nouveaucacircble Lower Indian Ocean Network (LION) Le LION est un cacircble sous-marin reliant LaReacuteunion Maurice et Madagascar depuis 2009 En 2012 une extension est rajouteacutee sousle nom de LION-2 connectant le LION agrave Mayotte et au Kenya Ce nouveau cacircble proposedegraves sa mise en service une capaciteacute deacutepassant le 1 Tbs (Teacuterabitseconde)

Lrsquoaugmentation continue des deacutebits et de la capaciteacute disponible sur le cacircble SAT-3WASCSAFE actuellement agrave 900 Gbits a acceacuteleacutereacute le deacuteploiement de nouveaux ser-vices et de nouvelles technologies drsquoaccegraves agrave Internet pour les abonneacutes Lrsquoicircle de La Reacuteuniondispose actuellement en dehors des connexions mobiles de trois Technologies drsquoAccegraves agrave In-ternet (TAI) La premiegravere est la technologie ADSL preacutesente depuis 2001 Elle propose desdeacutebits asymeacutetriques allant jusqursquoagrave 20 Mbitss en descente Crsquoest le deacutebit qursquoaura lrsquoutilisa-teur en teacuteleacutechargement Depuis 2014 lrsquoopeacuterateur historique Orange (ex-France Teacuteleacutecom)propose la technologie Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line (VDSL) 2 avec des deacutebitsallant jusqursquoagrave 100 Mbits descendant La limite physique de cette TAI impose une dis-tance entre lrsquoabonneacute et le distributeur infeacuterieure agrave 1 Km La derniegravere technologie preacutesentesur lrsquoicircle est la fibre optique Deacuteployeacutee depuis 2007 par lrsquoopeacuterateur priveacute ZEOP elle eacutetaitjusqursquoagrave peu principalement deacuteployeacutee dans les villes du Port Sainte Marie et Saint Pierre

Chaque opeacuterateur dispose drsquoune ou plusieurs technologies drsquoaccegraves Chaque technolo-

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gie est associeacutee agrave un deacutebit maximal theacuteorique La carte 3 1 preacutesente les deacutebits theacuteoriquesqui sont preacutesents sur lrsquoicircle [France2017]

Cette carte montre une dispariteacute des deacutebits selon les zones geacuteographiques de lrsquoicircleLe Plan France Tregraves Haut Deacutebit a pour objectif drsquouniformiser sur lrsquoensemble du territoirefranccedilais les deacutebits avec le deacuteploiement de la technologie drsquoaccegraves fibre optique

FIGURE 3 ndash Carte des deacutebits agrave La Reacuteunion

Reacutecapitulatif

La connexion agrave Internet donne agrave La Reacuteunion des capaciteacutes importantes La preacutesencedrsquoun GIX sur le territoire a limiteacute le trafic reacuteunionnais sur les cacircbles sous-marins La figure4 montre lrsquoensemble des eacuteveacutenements qui ont marqueacute le deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave LaReacuteunion jusqursquoagrave nos jours

Depuis la deacutecision de lrsquoARCEP en 2004 [ARCEP2004] et lrsquoarriveacutee du cacircble LION lesopeacuterateurs ont fait le choix drsquoaugmenter les services proposeacutes avec un prix reacutesidentielstable Les derniers services ajouteacutes sont ceux de la Video on demand (VOD) et de la rediffu-sion (Replay) En 2014 le prix moyen du MeacutegabitMois sur le cacircble SAT-3WASCSAFEavoisinait les 25 D En pregraves de 15 ans on note la baisse du coucirct moyen du Meacutegabitmoisde 17 000 D agrave 25 D

Lrsquoeacutevolution de la connectiviteacute Internet agrave La Reacuteunion est lieacutee au deacuteveloppement de laconnectiviteacute des diffeacuterents pays preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien

1 Source Observatoire France Tregraves Haut Deacutebit

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FIGURE 4 ndash Frise chronologique du deacuteveloppement de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion

22 LrsquoInternet dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien

Les acteurs du deacuteveloppement du numeacuterique dans la Zone Oceacutean Indien

Dans le cadre de nos eacutetudes nous restreignons la ZOI agrave 6 icircles ou archipels suivants(rangeacutes par ordre alphabeacutetique) les Comores Madagascar Maurice Mayotte La Reacuteunionet les Seychelles Agrave lrsquoexception de Mayotte et de La Reacuteunion qui sont des reacutegions fran-ccedilaises les autres icircles et archipels citeacutes sont des pays indeacutependants Nous allons dansun premier temps faire une preacutesentation des principaux acteurs du deacuteveloppement nu-meacuterique dans chaque territoire Le deacuteveloppement de lrsquoInternet dans la ZOI se fait encollaboration avec lrsquoensemble des pays Nous poursuivrons avec les futures installationsdes cacircbles sous-marins dans la ZOI

LrsquoUnion des Comores est une reacutepublique feacutedeacuterale drsquoAfrique Lrsquoarchipel est connecteacuteagrave Internet depuis le 19 Janvier 1998 via une connexion satellite En 2010 le gouverne-ment deacuteploie le Comoros Domestic Cable Sytem (CDCS) qui relie lrsquoensemble des icircles delrsquoarchipel entre elles avec en parallegravele le raccordement au cacircble Eastern Arfrica SubmarineSYstem (EASSY) [Comores2002] Ce cacircble relie lrsquoAfrique du Sud au Soudan en longeantla cocircte Est du continent En 2009 lrsquoAutoriteacute Nationale de Reacutegulation des TIC (ANRTIC) voitle jour De nombreuses missions sont donneacutees agrave cette autoriteacute comme appliquer et fairerespecter la loi des Technologies de lrsquoInformation et de la Communication (TIC) reacuteguler lesecteur des TIC favoriser la coopeacuteration entre les acteurs et geacuterer les diffeacuterends garan-tir une concurrence saine et loyale entre les opeacuterateurs et de deacutevelopper la recherche laformation et les innovations technologiques [ANRTIC2016] En deacutecembre 2016 un troi-siegraveme cacircble connecte lrsquoarchipel agrave Mayotte Actuellement un Vice-Preacutesident chargeacute desTIC travaille en collaboration avec un Conseiller du preacutesident en matiegravere de transports etteacuteleacutecommunications

La Reacutepublique de Madagascar est relieacutee agrave Internet par deux cacircbles sous-marins Lepremier est lrsquoEASSY Le second cacircble est le LION Au niveau des prises de deacutecisions 3 or-ganismes principaux existent Le plus important est le ministegravere des Teacuteleacutecommunicationset des Nouvelles Technologies Il a mis en place le Projet drsquoInfrastructure de Communicationpour Madagascar (PICOM) Lrsquoobjectif est la reacuteduction des coucircts drsquoaccegraves aux services deteacuteleacutecommunications Le second est lrsquoAutoriteacute de Reacutegulation des TEchnologies de Communica-tion (ARTEC) Cet administration octroie les licences aux proprieacutetaires des reacuteseaux arbitreles diffeacuterends entre opeacuterateurs et assure la gestion des spectres [ARTEC2016] Le dernierorganisme est le Groupement des Opeacuterateurs en Technologies de lrsquoInformation et de la Commu-nication (GOTICOM) Il a pour objectif drsquoaccompagner et drsquoameacuteliorer les infrastructuresde teacuteleacutecommunication et de favoriser lrsquointeacutegration des TIC [GOTICOM2011] Depuis2016 un GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Africaine [MGIX2017]

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La Reacutepublique de Maurice regroupe les icircles Rodrigues et Maurice Sous lrsquoimpulsiondu gouvernement anglais la premiegravere ligne teacuteleacutephonique fut installeacutee en 1883 Actuel-lement en plus drsquoune connexion satellitaire reliant les deux icircles le SAFE et le LIONconnectent Maurice agrave Internet Un ministegravere des Technologies de lrsquoInnovation et desCommunications existe au sein du gouvernement Crsquoest ce mecircme gouvernement quinomme le directeur de lrsquoInformation and Communication Technologies Authority (ICTA) Crsquoestlrsquoautoriteacute de reacutegulation des Teacuteleacutecoms et des Postes Il existe 2 principaux opeacuterateurs quesont Mauritius Telecom et Emtel Une dizaine drsquoopeacuterateurs cohabitent sur lrsquoicircle [ICTA2017]Depuis 2016 un nouveau GIX est preacutesent sur lrsquoicircle gracircce au projet AXIS de lrsquoUnion Afri-caine [MIXP2017]

Mayotte est un deacutepartement franccedilais depuis Mars 2011 Le raccordement au cacircbleLION-2 extension du cacircble LION en avril 2012 rend possible lrsquoarriveacutee du haut deacutebit surce territoire En 2013 un GIX geacutereacute par RENATER est installeacute au sein du Rectorat Il senomme Mayotix

Les Seychelles ont vu leur premiegravere connexion Internet introduite dans lrsquoarchipel parAtlas Seychelles Ltd en septembre 1996 En 2012 les Seychelles sont connecteacutes agrave une fibreen provenance de Tanzanie Crsquoest le cacircble Seychelles to East Africa System (SEAS) Crsquoestlrsquounique cacircble sous-marin connectant lrsquoarchipel Le Ministegravere des Technologie de lrsquoInforma-tion et des Communications (MITC) fait office drsquoautoriteacute de Reacutegulation des Teacuteleacutecommuni-cations dans le pays [DICT2017]

Chaque autoriteacute de reacutegulation agrave un impact sur le deacuteveloppement de lrsquoInternet dansson pays Ce deacuteveloppement se reacutepercute sur lrsquoameacutelioration de lrsquoaccegraves Internet dans laZOI

Deacuteveloppement de lrsquointerconnexion de la Zone Oceacutean Indien

Cette reacutegion a connu un premier bouleversement de sa connectiviteacute agrave Internet avecle deacuteploiement du cacircble sous-marin SAT-3WASCSAFE en 2001 pour La Reacuteunion etMaurice Lrsquoarriveacutee du LION en 2009 a connecteacute Madagascar aux deux icircles En 2010 lesComores et Madagascar se sont ouverts une voie vers lrsquoAfrique avec le cacircble EASSY Lrsquoin-terconnexion du LION 2 a deacuteveloppeacute lrsquoInternet agrave Mayotte tandis que le deacuteploiement ducacircble SEAS a ouvert les Seychelles agrave lrsquoInternet haut deacutebit La carte 5 indique les diffeacuterentscacircbles sous-marins preacutesents dans la ZOI

La ZOI srsquoengage dans le deacuteploiement de nouveaux liensLe cacircble MElting poT Indianoceanic Submarine System (METISS) drsquoune longueur de

3 500 kilomegravetres reliera Madagascar Maurice et La Reacuteunion agrave lrsquoAfrique du Sud La bandepassante du cacircble sera de 24 Tbs Sa mise en service est preacutevue pour le courant de lrsquoan-neacutee 2019 [Lemauricien]

Africa-1 est un cacircble reliant lrsquoAfrique du Sud le Moyen Orient et lrsquoAsie centrale Cecacircble de plus de 12 0000 kilomegravetres passera le long de la cocircte Est africaine avant de relierlrsquoArabie Saoudite lrsquoEacutegypte et le Pakistan La mise en service du cacircble est preacutevue pour lecourant de lrsquoanneacutee 2020 [Africa1]

En 2019 sera mis en service le cacircble IOX IOX est un cacircble sous-marin deacutedieacute agrave lrsquoicircleMaurice Il a pour but drsquooffrir une nouvelle liaison agrave Maurice en reliant lrsquoicircle agrave lrsquoAfrique etau reste du monde Il sera doteacute drsquoune capaciteacute de 54 Tbs [IOX]

La carte 6 repreacutesente lrsquoensemble des IXP preacutesents dans la Zone Oceacutean Indien En vertce sont les points drsquoeacutechanges deacutejagrave en service La France a degraves lrsquoanneacutee 2004 mis en placele point drsquoeacutechange agrave La Reacuteunion et en 2012 celui de Mayotte Ceux de Maurice et de

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FIGURE 5 ndash Cartes des cacircbles sous-marins dans la Zone de lrsquoOceacutean Indien (Source [Cablesmap])

Madagascar ont eacuteteacute mis en service en 2016 avec lrsquoaide de lrsquoUnion Africaine de lrsquoInter-net Society et du projet AXIS [AXIS] Les points bleus repreacutesentent les points drsquoeacutechangequi sont preacutevus drsquoecirctre deacuteployeacutes dans la zone oceacutean indien par le projet AXIS dans le fu-tur Drsquoici quelques anneacutees lrsquoensemble des territoires de la zone sera eacutequipeacute drsquoun pointdrsquoeacutechange Cet eacutequipement vise a maintenir le trafic de type Metropolitan Area Network(MAN) du pays ougrave il est installeacute Il facilite les eacutechanges entre les opeacuterateurs locaux enreacuteduisant la latence et en augmentant la qualiteacute de service

FIGURE 6 ndash Carte des points drsquoeacutechange preacutesents actuellement et dans un futur prochedans la ZOI

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3 Probleacutematique

LrsquoInternet et ses applications ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes dans des territoires ougrave les routes sontnombreuses Lrsquoicircle de La Reacuteunion comme beaucoup de territoires insulaires ne beacuteneacuteficiepas drsquoun nombre de liaisons physiques directes important Lrsquoeacutevolution de lrsquoInternet al-lant des applications toleacuterantes aux deacutelais vers des applications temps-reacuteel neacutecessite unerobustesse et une qualiteacute de service deacutependantes drsquoun maillage fort et de deacutelais courts

Lrsquoeacutetude drsquo[Anelli2012] a deacutemontreacute que les deacutelais agrave destination drsquoadresses aleacuteatoiressont sensiblement plus longs depuis La Reacuteunion que depuis Paris avec un eacutecart drsquoenvi-ron 180 ms Suite agrave ce constat lrsquoauteur a reacutealiseacute des simulations estimant les deacutebits asso-cieacutes avec un taux de pertes de 10 Ces simulations ont mis en avant des deacutebits eacutecouleacutesplus faibles pour un usager situeacute agrave La Reacuteunion qursquoun usager baseacute agrave Paris Une augmen-tation de la bande passante nrsquoentraicircnerait pas une diminution des deacutelais Le groupe detravail europeacuteen Reducing Internet Transport Latency (RITE) a reacutealiseacute une videacuteo explicativede ce pheacutenomegravene [RITE2014-2]

Cette thegravese vise agrave mettre en lumiegravere les principaux freins des deacutebits eacutecouleacutes

Dans une premiegravere eacutetape nous eacutetudierons lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis La Reacuteunionen prenant comme base lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par [Anelli2012]

Dans un second temps nous eacutetudierons les routes logiques de lrsquoInternet reacuteunionnais

Dans un dernier temps nous reacutealiserons une proposition drsquoeacutetude de meacutetrologie Cetteeacutetude vise agrave identifier la correacutelation des eacuteveacutenements de congestion entre les flots lrsquoimpor-tance des anomalies affectant Transmission Control Protocol (TCP) (pertes initiales fauxeacuteveacutenements de congestion) la reacutepartition des flots (en taille en protocole en application)et les paramegravetres de performances (taux de pertesRTT deacutebit eacutecouleacute)

4 Organisation de la thegravese

Suite agrave lrsquoexposition de notre probleacutematique le chapitre 1 preacutesente le contexte scienti-fique de nos travaux Dans un premier temps nous allons preacutesenter les caracteacuteristiquesde TCP et sa probleacutematique lieacutee aux reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage Nous continue-rons avec une preacutesentation de quelques solutions Nous deacuteterminerons si lrsquoaccegraves Internetde La Reacuteunion doit ecirctre consideacutereacute comme un reacuteseau agrave forte capaciteacute de meacutemorisation Lasuite du chapitre inclura la deacutefinition de la meacutetrologie dans les reacuteseaux et une preacutesenta-tion des techniques de mesures active et passive

La premiegravere eacutetude est deacutecrite dans le chapitre 2 et deacutebute par la preacutesentation des ob-jectifs Un cahier des charges permettant de reacutepondre aux objectifs a eacuteteacute reacutedigeacute Ce cahierdes charges a deacuteboucheacute sur le deacuteploiement de la plate-forme de meacutetrologie active RunPLet du deacuteveloppement de deux outils drsquoaide agrave lrsquoanalyse rgeoloc et rtraceroute La preacutesen-tation du protocole de mesure a eacuteteacute reacutealiseacutee dans la partie preacuteceacutedant celle des reacutesultatsLe chapitre se conclut par une synthegravese des reacutesultats qui ont servi agrave nos contributions

La seconde eacutetude est preacutesenteacutee dans le chapitre 3 Les objectifs du chapitre sont preacute-senteacutes dans un premier temps et diviseacutes en deux Ce chapitre preacutesente la mise en oeuvredrsquoune plate-forme de meacutetrologie et du protocole de mesure associeacute Une section reacutesultatassocieacutee agrave une conclusion termine le chapitre Ce chapitre a fait lrsquoobjet drsquoune contributionscientifique

Nous concluons notre thegravese par un reacutesumeacute des diffeacuterentes contributions Un apportsur les perspectives qursquoautorisent nos travaux est proposeacute dans le chapitre 35

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Chapitre 1

Eacutetat de lrsquoart

Transmission Control Protocol (TCP) est le protocole de transport le plus utiliseacute sur lrsquoIn-ternet Lrsquoeacutetude reacutealiseacutee par Center for Applied Internet Data Analysis (CAIDA) sur une du-reacutee de 2 ans du trafic passant par le point drsquoeacutechange (IXP) EQUNIX de Chicago a montreacuteque 90 97 des paquets Internet Protocol (IP) acheminent des segments TCP [EQUINIX]TCP est un protocole de transport qui rend un service de transfert fiable de donneacuteesLorsque la somme du deacutebit des eacutemetteurs TCP partageant une mecircme ressource du reacute-seau excegravede la capaciteacute de cette ressource il se produit de la congestion La congestionest un pheacutenomegravene indeacutesirable qui met le reacuteseau dans un eacutetat ougrave le service rendu est deacute-gradeacute Cette deacutegradation peut ecirctre seacutevegravere en fonction de lrsquointensiteacute du pheacutenomegravene Poureacuteviter que lrsquoeffet de la congestion empire quand elle apparaicirct TCP integravegre une fonctionde reacutesolution connue sous le nom de controcircle de congestion Le principe est que chaqueeacutemetteur deacutetecte la congestion et diminue son deacutebit drsquoeacutemission Pour se faire le controcirclede congestion srsquoappuie sur la boucle de controcircle constitueacutee entre lrsquoeacutemission drsquoun segmentde donneacutees et la reacuteception de lrsquoacquittement correspondant Le controcircle de congestionagit sur le deacutebit drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur avec une latence lieacutee au Round-Trip delay Time(RTT) Lorsque le produit du RTT avec la capaciteacute drsquoeacutecoulement offerte par le reacuteseau estrelativement important le controcircle de congestion de TCP peine agrave utiliser les ressourcesdu reacuteseau efficacement Ce produit du deacutelai et du deacutebit repreacutesente la quantiteacute de donneacuteesnon acquitteacutees qui peut circuler On peut assimiler ce produit agrave la capaciteacute de stockage dedonneacutees dans le reacuteseau

Ces derniegraveres anneacutees lrsquoaugmentation de la bande passante a fait croicirctre significative-ment cette capaciteacute de stockage En effet comme les deacutelais nrsquoont pas diminueacute dans lesmecircmes proportions la capaciteacute de stockage nrsquoa fait que croicirctre Cette eacutevolution pose undeacutefi au controcircle de congestion de TCP pour maintenir ses performances Cette eacutevolutiona entraicircneacute une activiteacute intense de recherche pour traiter ce problegraveme de produit deacutelai-bande passante pour TCP Ainsi de nouvelles versions du controcircle de congestion de TCPont eacuteteacute eacutetudieacutees pour lrsquoadapter aux speacutecificiteacutes des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockageLong Fat Network (LFN)

Si le stockage important de donneacutees dans le reacuteseau pose un problegraveme pour le controcirclede congestion de TCP qursquoen est-il en pratique dans le cas de lrsquoInternet agrave La Reacuteunion Pourreacutepondre agrave cette question il faut pouvoir mesurer lrsquoexistant Depuis quelques anneacutees ily a un inteacuterecirct croissant pour la mesure Une science de la mesure sur lrsquoInternet se deacute-veloppe Il faut chercher dans la croissance continue et soutenue de lrsquoInternet ainsi quedans lrsquoabsence drsquoune exploitation coordonneacutee les motivations agrave deacutevelopper la meacutetrologiesur Internet Cette meacutetrologie vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet

Ce chapitre se compose de deux sections theacutematiques La premiegravere section 11 traitede la probleacutematique du controcircle de congestion de TCP utiliseacute sur les reacuteseaux agrave grande

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capaciteacute de stockage La sous-section 111 rappelle le principe du controcircle de conges-tion et sa mise en œuvre dans TCP Dans la partie 112 les problegravemes speacutecifiques ducontrocircle de congestion de TCP appliqueacute dans le contexte des reacuteseaux agrave forte capaciteacute demeacutemorisation sont indiqueacutes Face agrave ces problegravemes des propositions ont eacuteteacute eacutetudieacutees quenous preacutesenterons dans les parties 113 et 114 Pour conclure cette section nous pose-rons dans la sous-section 115 les arguments qui permettent drsquoavancer que lrsquoicircle de LaReacuteunion a une connectiviteacute qui srsquoapparente agrave celle des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de sto-ckageLa seconde section 12 est consacreacutee agrave la meacutetrologie du trafic Internet La deacutefinition et lesmeacutethodologies de la meacutetrologie sont indiqueacutees dans la partie 121 La preacutesentation de lameacutetrologie active sera reacutealiseacutee dans la section 122 suivie par celle de la meacutetrologie pas-sive dans la section 123 La comparaison entre la meacutetrologie active et passive termineracette preacutesentation et sera faite dans la partie 124 Pour conclure ce chapitre une synthegraveseest reacutealiseacutee par la section 13 dans laquelle nous tirons les enseignements pour mener deseacutetudes depuis et vers La Reacuteunion

11 Le controcircle de congestion TCP et les reacuteseaux agrave grande capa-citeacute de stockage

TCP est un protocole de transport creacuteeacute en 1980 et deacutecrit pour la premiegravere fois dans le[RFC793] il a subi depuis de nombreuses eacutevolutions comme lrsquoindique le [RFC7414] Lesuccegraves de TCP repose sur son service de transmission fiable et ordonneacutee drsquoun flux de don-neacutees asynchrones Crsquoest un protocole fonctionnant de point agrave point et de bout en bout au-trement dit entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur des donneacutees sans concerner les eacutequipementsintermeacutediaires TCP offre un service de communication eacutequivalent agrave un canal virtuel bi-directionnel entre 2 entiteacutes applicatives Le canal de communication se caracteacuterise par satransparence seacutemantique crsquoest-agrave-dire par lrsquoabsence drsquoalteacuteration des donneacutees transfeacutereacuteesPour reacutealiser cette fiabiliteacute de lrsquoeacutechange TCP supervise les eacutechanges de donneacutees par desacquittements (Acknowledgement (ACK)) Cette supervision forme une boucle de controcirclecorrespondant agrave lrsquoeacutemission de donneacutees et agrave la reacuteception de lrsquoacquittement correspondantElle se caracteacuterise par le deacutelai pris nommeacute RTT La correction des donneacutees perdues oualteacutereacutees en cours de transit srsquoeffectue par retransmission de ces donneacutees Si le principe defonctionnement de TCP srsquoeacutenonce facilement sa mise en œuvre est complexe du fait de lanon fiabiliteacute du protocole IP sous-jacent et de la diversiteacute des contextes drsquoutilisation deTCP Lrsquoarticle [Ros2005] deacutetaille les diffeacuterentes caracteacuteristiques du protocole lieacutees agrave lrsquoeacuteta-blissement de connexion la numeacuterotation des donneacutees et agrave la fiabilisation des eacutechanges

Outre lrsquoobjectif de fiabiliteacute TCP a aussi un objectif de performance pour le servicerendu en termes de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capaciteacutes de transmission du reacuteseauPour atteindre cet objectif pour le service TCP integravegre une fonction de controcircle de flux quirepose sur une fenecirctre glissante geacutereacutee par le reacutecepteur Ainsi le deacutebit drsquoeacutemission peut srsquoali-gner sur le deacutebit de reacuteception de sorte qursquoun reacutecepteur lent ne puisse ecirctre satureacute par unexpeacutediteur rapide La speacutecification initiale de TCP a eacuteteacute conccedilue sans prendre en compteles ressources du reacuteseau Cet oubli a eacuteteacute agrave la source de dysfonctionnements seacutevegraveres du reacute-seau comme lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse) [Afanasyev2010] Lafonction de controcircle de congestion vise agrave une prise en compte des ressources disponiblesdu reacuteseau et agrave leurs utilisations efficaces Le controcircle de congestion a susciteacute un travail derecherche intensif et ce sujet reste encore drsquoactualiteacute comme lrsquoindique le [RFC6077]

111 Controcircle de congestion de TCP

Drsquoapregraves [Jain1990] la congestion srsquoexprime par lrsquoeacutequation matheacutematique 11

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sumDemande gt Ressources (11)

Du point de vue drsquoun reacuteseau par commutation de paquets les ressources sont princi-palement les meacutemoires tampon des nœuds de commutation et la capaciteacute de transmissiondes artegraveres de communication La congestion apparaicirct au niveau des nœuds de commu-tation et plus particuliegraverement sur leurs interfaces de sortie La condition pour voir ap-paraicirctre une congestion est laquo si la somme des deacutebits des flux arrivant sur lrsquointerface desortie est supeacuterieure agrave la capaciteacute de transmission du lien en sortie raquo Dans cette situationune file drsquoattente se constitue et quand elle deacuteborde les effets neacutefastes de la congestionse concreacutetisent A savoir que le taux de pertes des paquets augmente dans le reacuteseau cequi se traduit au niveau du service par un deacutebit eacutecouleacute qui chute et un deacutelai de trans-fert qui augmente Dans [Chiu1989] les auteurs montrent que la performance du reacuteseauest lieacutee agrave la charge appliqueacutee au reacuteseau Formellement la charge srsquoexprime comme tauxdrsquoarriveacutee sur le taux de service Informellement la charge repreacutesente la proportion de lademande autrement dit du trafic eacutemis par rapport agrave la capaciteacute de transfert La figure11 illustre lrsquoeacutevolution du deacutebit eacutecouleacute (throughput) et du RTT en fonction de la chargeappliqueacutee au reacuteseau (load) Au deacutebut le deacutebit eacutecouleacute srsquoaccroicirct avec la charge alors queles deacutelais nrsquoaugmentent presque pas On est dans une phase de remplissage des liensLorsque la charge srsquoapproche du taux de remplissage maximum des liens du reacuteseau Ledeacutebit eacutecouleacute nrsquoaugmente presque plus alors que les deacutelais augmentent fortement Crsquoestla phase de remplissage des files drsquoattente Ces deux phases sont seacutepareacutees par un pointcaracteacuteristique qui srsquoappelle le point drsquoinflexion (knee) Lorsque les files drsquoattente sontpleines et que la charge du reacuteseau continue de srsquoaccroicirctre les files drsquoattente vont deacutebor-der Agrave partir de ce point appeleacute le point de retournement (cliff ) le reacuteseau rentre dans lrsquoeacutetatdit drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion (congestion collapse)

FIGURE 11 ndash Performance du reacuteseau en fonction de la charge appliqueacutee (Source [Chiu1989])

Lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion est rapporteacute par [Nagle1984] Dans cet eacutetat le reacute-seau enregistre des retransmissions abusives effectue des transferts avec des deacutelais ten-dant vers lrsquoinfini et rend un service avec un deacutebit eacutecouleacute proche de zeacutero Lrsquoeffondrementducirc agrave la congestion srsquoexplique par le gaspillage des ressources utiliseacutees en amont du point

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de perte du paquet La solution agrave lrsquoeffondrement ducirc agrave la congestion reacuteside en lrsquoalignementdu deacutebit de lrsquoeacutemetteur agrave la capaciteacute drsquoeacutecoulement du canal de communication offert parle reacuteseau afin de ne produire aucune perte Ainsi les objectifs assigneacutes au controcircle decongestion de TCP sont drsquoeacuteviter lrsquoeacutetat drsquoeffondrement ducirc agrave la congestion drsquoallouer eacutequi-tablement les ressources du reacuteseau entres les flux concurrents et drsquooptimiser les perfor-mances obtenues par chaque flux [RFC2914]

Le controcircle de congestion de TCP fonctionne sur le principe de la boucle fermeacutee avecle reacuteseau vu comme une boicircte noire ainsi preacutesenteacute par la figure 12 Apregraves une stimu-lation sous la forme de lrsquoenvoi de paquets lrsquoobservation du comportement de la boicirctenoire agrave ce stimulus sera analyseacute par le controcircleur situeacute dans lrsquoeacutemetteur Le controcircleur rap-proche lrsquoobservation faite en retour du stimulus (feedback) par rapport agrave lrsquoobjectif affecteacuteau controcircleur Celui-ci par reacutetro-action ajustera le nombre des paquets suivants envoyeacutesCet ajustement est le reacutesultat drsquoune fonction de controcircle qui se base sur une perceptionbinaire des retours agrave savoir absence ou preacutesence de congestion

FIGURE 12 ndash Boucle fermeacutee du CC de TCP

Dans [Gevros2001] lrsquoauteur liste les moyens pour effectuer les observations que lrsquoonnomme en fait des notifications dans le contexte des reacuteseaux Les notifications de lacongestion dans le reacuteseau peuvent ecirctre implicites ou explicites Dans le premier caselles sont deacuteduites par lrsquoabsence drsquoACK Lrsquoaugmentation des deacutelais et les pertes des don-neacutees sont des causes possibles pour la non-reacuteception de lrsquoACK A lrsquoinverse lrsquoabsence decongestion est deacuteduite par la reacuteception drsquoun ACK Cette reacuteception autorise lrsquoenvoi drsquounnouveau paquet comme le montre [Jacobson1988-1] Les notifications peuvent ecirctre ex-plicites si les paquets veacutehiculent une marque mise par lrsquoeacuteleacutement congestionneacute commecrsquoest le cas avec la proposition Explicit Congestion Notification (ECN) [RFC3168] Nous re-viendrons sur cette proposition dans la sous-section 113 Lorsque le controcircleur deacuteduitla preacutesence de congestion il reacuteduit le deacutebit drsquoeacutemission de la source Le deacutebit est controcircleacuteagrave lrsquoaide drsquoune fenecirctre appeleacutee la fenecirctre de congestion (Congestion Window (CWND) ω)Elle indique la quantiteacute de donneacutees qui peut ecirctre eacutemise sur un RTT Autrement dit elleindique combien de donneacutees non acquitteacutees peut recevoir le canal de communicationSa taille eacutevolue dans le temps en fonction de lrsquoeacutetat du reacuteseau et selon une fonction decontrocircle Additive Increase and Multiplicative Decrease (AIMD) La fenecirctre drsquoeacutemission uti-liseacutee par un eacutemetteur TCP est le minimum entre la fenecirctre de congestion et la fenecirctreglissante du controcircle de flux Le controcircle de congestion comporte deux phases distinctes[Gevros2001]

mdash La premiegravere phase se nomme eacutevitement de la congestion (congestion avoidance) et sesitue autour du point drsquoinflexion de la figure 11

mdash La seconde phase se nomme reacutesolution de la congestion (congestion recovery) Ellese deacuteclenche quand lrsquoeacutetat du reacuteseau se situe au delagrave du point drsquoinflexion

Dans la phase de congestion avoidance le controcircle de congestion de TCP utilise deux al-gorithmes le deacutemarrage en douceur (slow-start (SS)) et lrsquoeacutevitement de congestion (conges-tion avoidance (CA)) Au deacutebut de la connexion TCP nrsquoa aucune connaissance de lrsquoeacutetat dureacuteseau autrement dit de lrsquoeacutetat du canal de communication entre lrsquoeacutemetteur et le reacutecep-teur TCP utilise lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur pour sonder le canal Lrsquoobjectif

12

est drsquoatteindre le point drsquoinflexion rapidement et sans risquer de congestionner le canalpar des rafales Pour cela lrsquoalgorithme du deacutemarrage en douceur va eacutetaler sur plusieursRTT la croissance de la taille fenecirctre de congestion jusqursquoagrave atteindre une estimation dupoint drsquoinflexion Ainsi lrsquoeacutemetteur commence avec une fenecirctre de congestion assez pe-tite et lrsquoouvre au fur et agrave mesure et de plus en plus vite avec lrsquoarriveacutee des acquittementsPlus preacuteciseacutement le rythme de croissance de la taille de la fenecirctre de congestion est surle doublement tous les RTT Quant la fenecirctre de congestion atteint un certain seuil noteacuteslow-start threshold (ssthresh) le deacutemarrage en douceur srsquoarrecircte et lrsquoalgorithme drsquoeacutevite-ment de congestion est maintenant utiliseacute Cet algorithme augmente lineacuteairement et pluslentement que le deacutemarrage en douceur la taille de la fenecirctre de congestion En lrsquoabsencedrsquoindication explicite par le reacuteseau du deacutebit disponible sur le canal de communicationlrsquoeacutemetteur TCP continue de faire le sondage du canal et veacuterifie si le deacutebit eacutecouleacute peut ecirctreencore augmenteacute Pour lrsquoauteur de [Sallantin2014] lorsque la connexion TCP utilise lrsquoal-gorithme drsquoeacutevitement de congestion elle entre alors dans un eacutetat stable Dans cet eacutetat laconnexion doit se deacuterouler avec un deacutebit eacutecouleacute eacuteleveacute Crsquoest une indication que le pointdrsquoinflexion est atteint

La figure 13 donne une repreacutesentation simplifieacutee des eacutetats du controcircle de congestionde TCP Elle indique que lrsquoeacutetat stable peut ecirctre quitteacute si la connexion est libeacutereacutee ou si ily a un eacuteveacutenement de congestion TCP assimile les pertes implicitement agrave un eacuteveacutenementde congestion Lrsquoeacuteveacutenement de congestion fait basculer le controcircle de congestion de TCPdans la phase de reacutesolution de la congestion Dans cette phase la reprise de la perte oudes pertes est effectueacutee et la taille de la fenecirctre de congestion est diminueacutee et ceci afin dediminuer le deacutebit drsquoeacutemission

On distingue deux faccedilons de deacutetecter un eacuteveacutenement de congestion Une meacutethodesrsquoappuie sur la reprise de perte de TCP par retransmission des donneacutees perdues sur ex-piration drsquoun temporisateur (Retransmission TimeOut (RTO)) Une autre meacutethode utilisela caracteacuteristique de TCP qui consiste agrave ce que le reacutecepteur envoie un acquittement agravechaque segment de donneacutees reccedilu en seacutequence Ce segment porte le numeacutero des derniegraveresdonneacutees reccedilues seacutequentiellement Ainsi la reacuteception de donneacutees entraicircnant une rupturede la numeacuterotation en seacutequence geacutenegravere lrsquoeacutemission drsquoun acquittement dupliqueacute (Dupli-cate Acknowledgement (DupAck)) par le reacutecepteur Agrave la reacuteception de trois DupAck parlrsquoeacutemetteur les donneacutees indiqueacutees par la rupture de seacutequencement sont consideacutereacutees per-dues et retransmises sans attendre lrsquoexpiration du RTO Ce principe de retransmissionrapide porte le nom de fast retransmit (FR) Lrsquoalgorithme de reacutecupeacuteration rapide (fast reco-very (FR)) va maintenir la quantiteacute de donneacutees en transit dans le canal de communicationpour eacuteviter lrsquoeacutemission drsquoune rafale lorsqursquoun nouvel acquittement sera reccedilu En lrsquoabsencedu fast recovery agrave la reacuteception drsquoun nouvel acquittement la fenecirctre pourrait se vider parune rafale correspondant agrave des eacutemissions de paquets de donneacutees dos agrave dos sur un deacute-bit supeacuterieur agrave celui du deacutebit drsquoeacutecoulement du canal Ceci aurait pour effet de saturer lecanal et de renvoyer la connexion TCP dans une phase de reacutesolution de la congestion

Lorsque les eacutemissions de lrsquoeacutemetteur sont bloqueacutees par des donneacutees eacutemises et jamaisacquitteacutees le blocage est rompu par le RTO et ceci quel que soit lrsquoeacutetat Les deacutetails dela mise en œuvre des algorithmes du controcircle de congestion TCP sont deacutecrits par le[RFC5681]

Historiquement la version deacutenommeacutee TCP Tahoe incorporait la fonction de controcirclede congestion deacuteveloppeacutee en 1888 Elle comportait les algorithmes de slow-start conges-tion avoidance et de fast retransmit [Jacobson1988-1] La reprise de perte par fast retransmitsouffrait drsquoinefficaciteacute elle a eacuteteacute corrigeacutee avec lrsquoalgorithme du fast recovery Cette versionagrave quatre algorithmes est la version connue sous le nom de Reno et publieacutee la premiegraverefois en 1997 par le [RFC2001] Le couplage fast retransmit - fast recovery souffrait de deacutefauts

13

Deacutebut13

de13

connexion

Deacutemarrage13

en13

douceur

Etat13

stable

FRFR

Fin13

de13

connexion

3 Dupack

nouvel 13

ack

RTO

RTO

cwnd gt ss

tresh

SYN13

SYNACK

FIN-FINACK

FIGURE 13 ndash Etats du controcircle de congestion de TCP

lorsqursquoun eacuteveacutenement de congestion comportait plusieurs pertes Le [RFC2582] apportaitun correctif en 1999 On parla alors de version NewReno du controcircle de congestion En2005 une eacutetude montra que crsquoeacutetait la version du controcircle de congestion de TCP la plusutiliseacutee sur lrsquoInternet [Medina2005] Depuis de nouvelles versions ont eacuteteacute deacuteployeacutees dansles systegravemes drsquoexploitation tels que Windows et Linux appeleacutes respectivement C-TCP[Tan2006] et CUBIC [Ha2008] Dans la section 112 ces versions seront deacutetailleacutees

Le fonctionnement caracteacuteristique du controcircle de congestion de TCP est illustreacute parla figure 14 extraite de [Huston2000] Elle montre lrsquoeacutevolution de la fenecirctre de conges-tion dans le temps (exprimeacutee en terme de RTT) sur un canal de communication virtuelentre 2 stations Il srsquoagit ici drsquoun sceacutenario ideacutealiseacute dans lequel la connexion TCP nrsquoest pasen concurrence avec drsquoautres connexions La congestion se produit toujours agrave la mecircmevaleur de fenecirctre et pour laquelle la file drsquoattente deacuteborde Cette figure montre les deuxcaracteacuteristiques du controcircle de congestion de TCP qui deacutecoulent de la phase drsquoeacutevitementde congestion et de reacutesolution de la congestion et qui sont

mdash Lrsquoagressiviteacute elle provient du sondage du canal de communication LrsquoeacutemetteurTCP va chercher agrave accroicirctre le deacutebit eacutecouleacute en augmentant graduellement son deacutebitdrsquoeacutemission par lrsquoagrandissement de la taille de la fenecirctre de congestion

mdash La reacuteactiviteacute lorsque le canal de communication est plein et qursquoil deacuteborde quandcette perte est deacutetecteacutee lrsquoeacutemetteur TCP reacuteagit et diminue la taille de sa fenecirctre afinde diminuer son deacutebit drsquoeacutemission

Ces deux caracteacuteristiques donnent cette figure en dents de scie de la fenecirctre de conges-tion

112 La probleacutematique de lrsquoutilisation drsquoun reacuteseau agrave grande capaciteacute de sto-ckage

Un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage est un reacuteseau avec un produit deacutelai-bandepassante (Bandwidth Delay Product (BDP)) eacuteleveacute Dans lrsquoouvrage [Peterson2007] lrsquoauteureffectue une analogie du produit deacutelai-bande passante avec un tuyau Le deacutelai corres-pond agrave la longueur du tuyau et la bande passante au diamegravetre du tube Ainsi le BDPest le volume du tube Dans le cas drsquoun reacuteseau informatique le volume du tuyau srsquoex-prime en bits Ainsi lorsqursquoun canal de communication entre un eacutemetteur et un reacutecepteurpreacutesente un produit deacutelai-bande passante important un volume important de bits (autre-ment dit de donneacutees) peut ecirctre eacutemis avant de recevoir une notification Du point de vue

14

FIGURE 14 ndash Eacutevolution caracteacuteristique de la fenecirctre de congestion de TCP

de lrsquoeacutemetteur TCP ce volume de donneacutees injecteacute dans le reacuteseau sont des donneacutees nonencore acquitteacutees Les reacuteseaux qui offrent des canaux de communication avec un pro-duit deacutelai-bande passante important sont nommeacutes en anglais Long Fat Network (LFN) Le[RFC1072] preacutecise qursquoun LFN agrave un produit deacutelai-bande passante supeacuterieur agrave 12 5 Ko

Sachant que le controcircle de congestion de TCP srsquoappuie sur une reacutetro-action selon unepeacuteriode de RTT et que le deacutebit eacutecouleacute maximal est atteint lorsque la fenecirctre drsquoeacutemissionest au moins supeacuterieure au produit deacutelai(RTT)-bande passante du canal de communica-tion lrsquoutilisation de TCP sur un reacuteseau LFN a des conseacutequences neacutegatives sur la perfor-mance Les causes sont agrave chercher du cocircteacute du RTT et du produit deacutelai-bande passante quiprennent tous les deux des valeurs importantesDans le cas du RTT crsquoest le deacutelai de reacuteactiviteacute de TCP qui est impacteacute En effet quandle RTT est eacuteleveacute la dynamique de TCP est ralentie car lrsquoeacutemetteur TCP doit attendre pluslongtemps pour recevoir un ACK et savoir quoi faire par la suite

Pour ce qui concerne le produit deacutelai-bande passante crsquoest le deacutebit eacutecouleacute qui peutecirctre faible par rapport au deacutebit du canal de communication (sa bande passante) La fe-necirctre drsquoeacutemission de TCP nrsquoatteint pas la valeur du produit deacutelai-bande passante lrsquoeacutemet-teur se trouve alors bloqueacute en attente de lrsquoACK pour eacutemettre de nouvelles donneacutees Cespeacuteriodes de blocage concourent agrave faire chuter le taux drsquoutilisation du canal de communi-cation

Par la suite nous allons deacutetailler les conseacutequences de la faible reacuteactiviteacute et drsquoune fe-necirctre drsquoeacutemission importante agrave atteindre sur lrsquoefficaciteacute de TCP La probleacutematique se poseen terme de deacutemarrage de connexion et son implication pour le transfert des flots courtsde taille maximale possible de la fenecirctre de congestion et de reacutesolution de la congestion

Le deacutemarrage de connexion

Le deacutebut des connexions de TCP se fait agrave lrsquoaide de lrsquoalgorithme du deacutemarrage en dou-ceur Nous avons vu preacuteceacutedemment que ce meacutecanisme double la fenecirctre de congestionen un RTT Lorsque la fenecirctre de congestion atteint la valeur seuil ssthresh lrsquoalgorithmedrsquoeacutevitement de congestion est utiliseacute La valeur initiale du seuil est fixeacutee arbitrairementce qui soumet TCP agrave deux problegravemes Le doublement de la fenecirctre de congestion quandelle atteint des valeurs importantes constitue des increacutements avec une granulariteacute de plusen plus grosse Si la valeur de ssthresh est trop grande par rapport au BDP avec un grosincreacutement le deacutepassement du BDP peut conduire agrave eacutemettre trop de paquets causantdes pertes multiples induisant une augmentation de la latence et une reacuteduction du deacute-bit eacutecouleacute Dans le cas ougrave la valeur du ssthresh est trop basse par rapport au BDP la

15

connexion TCP va utiliser preacutematureacutement lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion avecune increacutementation lineacuteaire Ce changement preacutematureacute aura pour conseacutequence une sous-utilisation de lrsquoalgorithme de deacutemarrage en douceur speacutecialement dans le cas ougrave le BDPest tregraves eacuteleveacute [Wang2004]

Le deacutemarrage de connexion est particuliegraverement important pour les flots courts TCP(short lived TCP flow) Un flot court TCP se deacutefinit comme un flot dont la taille est in-feacuterieure ou eacutegale agrave 10 segments TCP [Sallantin2014] La probleacutematique des flots courtsprovient du fait qursquoils nrsquoont pas assez de donneacutees pour quitter lrsquoeacutetape du deacutemarrage endouceur En effet la taille de la fenecirctre de congestion nrsquoa pas le temps drsquoatteindre la va-leur du produit deacutelai-bande passante que la totaliteacute des donneacutees ont eacuteteacute transmises Laconseacutequence est qursquoils ont fonctionneacute avec une fenecirctre de congestion qui est resteacutee rela-tivement petite Dans le cas drsquoun LFN le rapport de la taille de la fenecirctre de congestionsur le produit deacutelai-bande passante tend vers zeacutero et neacutecessite plusieurs RTT Il srsquoensuitque le deacutebit eacutecouleacute est extrecircmement faible De plus si le flot court souffre drsquoun eacuteveacutene-ment de congestion il sera particuliegraverement peacutenaliseacute Il a de fortes chances que la reprisesrsquoeffectue avec un RTO avec un deacutelai maximum de 1 agrave 3 secondes [RFC6298] Ce genrede flots nrsquoa pas toujours assez de donneacutees eacutemises apregraves la perte pour geacuteneacuterer trois Du-pAck et proceacuteder agrave une reprise par fast retransnmit Comme ces flots repreacutesentent drsquoapregraves[Ciullo2009] 90 des flux preacutesents dans lrsquoInternet leur sous-performance sur les LFN estprobleacutematique

La reacutesolution de la congestion

TCP deacutetecte une perte par lrsquoexpiration du RTO ou par la reacuteception de trois DupAckTCP va reacuteagir en deux temps en renvoyant le paquet perdu et en divisant par deux lafenecirctre de congestion Si la taille de la fenecirctre est importante la division par deux vaentraicircner une chute significative de la capaciteacute drsquoenvoi Par rapport au produit deacutelai-bande passante cette division par deux peut entraicircner une sur-reacuteaction de lrsquoeacutemetteur Ledeacutebit eacutecouleacute apregraves un eacuteveacutenement de congestion peut devenir faible et se pose le problegravemede la dynamique de sondage

Dynamique du sondage

TCP a un objectif de performance en terme de deacutebit eacutecouleacute et drsquoutilisation des capa-citeacutes de transmission du reacuteseau TCP possegravede un comportement conservateur Avec lafonction de controcircle AIMD TCP aura besoin drsquoun cycle eacutegal agrave ω2 RTT pour reacutecupeacutererune taille de fenecirctre eacutegale agrave celle avant reacuteduction Dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage TCP tend agrave ecirctre trop prudent agrave ouvrir sa fenecirctre de congestion trop lentementLa capaciteacute de stockage importante demande un nombre de cycles important pour quela fenecirctre de congestion puisse couvrir le BDP Durant ce temps il est important de nepas avoir de pertes Lrsquoexemple donneacute par le [RFC3649] preacutesente un reacuteseau agrave une capa-citeacute de 10 Gbits un deacutelai de 100 ms et une taille de paquets drsquoun maximum de 1500octets Cela demanderait un eacutechange drsquoune dureacutee de deux heures environ De plus la to-taliteacute des paquets devront ecirctre transmis dans la dureacutee indiqueacutee preacuteceacutedemment Le tauxde perte maximal permettant lrsquousage de la totaliteacute de la bande passante est de lrsquoordrede 10minus10 Crsquoest un taux de perte irreacutealiste Il faut donc appliquer une autre fonction decontrocircle pour utiliser efficacement la capaciteacute des liens et pour reacutepondre rapidement auxchangements drsquoeacutetats du reacuteseau

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113 Un controcircle de congestion de TCP adapteacute aux LFN

Pour rappel dans la partie 111 nous avons vu que le controcircle de congestion de TCPse deacutecoupait en deux phases La premiegravere phase de congestion avoidance comporte les al-gorithmes de sondage alors que la seconde phase dite de congestion recovery comporte lesalgorithmes de reacutesolution de la congestion Nous preacutesentons les propositions qui visentagrave changer le controcircle de congestion de TCP sur ces deux phases pour les adapter auxcontraintes des LFN et donc traiter les problegravemes que nous avons mis en eacutevidence dansla sous-section 112 Lrsquoutilisation de TCP sur des reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage asusciteacute des propositions qui sont classeacutees dans le tableau 11 Ces propositions vont ecirctredeacutetailleacutees dans la suite de ce manuscrit

TABLE 11 ndash Tableau de synthegravese des propositions

Phase Problegraveme SolutionsCongestion avoidance Deacutemarrage de

connexionInitial Spreading Reacuteduc-tion du RTO Quick-startJump Start

Congestion recoveryReacutesolution decongestion

MulTCP

Dynamique dusondage

HighSpeed TCP C-TCPBIC CUBIC

Le deacutemarrage de connexion

Lrsquoideacutee de la premiegravere solution est de reacuteduire le nombre de cycles au deacutemarrage drsquounflot Le doublement de la taille lorsque la fenecirctre de congestion vaut 2 segments parexemple conduit agrave un increacutement qui reste faible sur un RTT Le principe de la premiegraveresolution est drsquoaugmenter la taille initiale de la fenecirctre de congestion (Initial Window (IW))[RFC6928] Avec une taille initiale de fenecirctre de congestion eacutequivalent agrave 10 Maximun Seg-ment Size (MSS) lrsquoeacutemetteur peut transmettre degraves le deacutebut de connexion une rafale de 10segments Parmi les avantages de cette solution on peut citer la reacuteduction de la latencedu transfert de donneacutees en consideacuterant que le canal ne sera pas congestionneacute Un des in-conveacutenients de cette solution est la possibiliteacute de congestionner la file drsquoattente du goulotdrsquoeacutetranglement Afin de reacutesoudre ce problegraveme [Sallantin2014] propose lrsquoInitial SpreadingCette proposition combine lrsquoaugmentation de la fenecirctre drsquoeacutemission et le meacutecanisme drsquoes-pacement meacutecanisme limitant la preacutesence de rafales Ces travaux ont fait lrsquoobjet drsquouneproposition aupregraves de lrsquoInternet Engineering Task Force (IETF) [Arnal2014]

La deacutetection drsquoune perte au deacutepart du deacutemarrage en douceur se fait agrave travers lrsquoex-piration du RTO soit trois secondes Pour ameacuteliorer la reprise sur erreur le [RFC6298]propose de reacuteduire la dureacutee du RTO agrave une seconde Cette reacuteduction du RTO autorise uneretransmission plus rapide des paquets perdus et apporte un gain relativement importantpour des flots qui ont une latence tregraves faible comme celle des flots courts

Une autre solution eacutevalueacutee par [Scharf2008-1] et deacutecrite par le [RFC4782] se nommeQuick-start Lrsquoeacutemetteur eacutemet une requecircte contenant le deacutebit drsquoeacutemission qursquoil souhaite uti-liser Chaque nœud traverseacute peut alors accepter rejeter ignorer ou modifier la requecircteen fonction de son deacutebit disponible Pour bien fonctionner ce meacutecanisme de neacutegociationneacutecessite que lrsquoensemble des routeurs traverseacutes aient reacutepondu agrave la requecircte La figure 15compare les performances du deacutemarrage en douceur (en rouge) et de Quick-start sur unteacuteleacutechargement vu depuis le serveur Le serveur a eacutemis deux requecirctes la premiegravere agrave undeacutebit de 8192 Mbits (en vert) et lrsquoautre pour un deacutebit drsquoune valeur de 512 Mbits (en

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bleu) Lrsquoaxe des abscisses repreacutesente la latence (dureacutee de la connexion) depuis lrsquoeacutemissionde la demande drsquoeacutetablissement de connexion et en ordonneacutee le deacutebit drsquoeacutemission Les deacute-bits ont eacuteteacute calculeacutes agrave partir de la quantiteacute de donneacutees moyenne eacutemises en un RTT Les reacute-sultats montrent des performances supeacuterieures de Quick-start par rapport au deacutemarrageen douceur En effet une requecircte de Quick-start avec un deacutebit suffisamment eacuteleveacute per-met drsquoatteindre rapidement lrsquoutilisation maximale de la bande passante disponible Ledeacutemarrage en douceur limite la croissance du deacutebit drsquoeacutemission On remarque eacutegalementque si la valeur seuil du deacutemarrage est trop basse le deacutebit drsquoeacutemission croicirct beaucoupmoins rapidement (lien en pointilleacute sur la figure 15) Quick-start reste performant sur lesflots courts en appliquant un deacutebit drsquoeacutemission qui sera eacutequivalent agrave un flot long

FIGURE 15 ndash Principe de Quick-Start (Source [Scharf2008-1])

Dans lrsquoarticle [Liu2007] lrsquoauteur preacutesente Jump Start Cette proposition reacutealise uneestimation des donneacutees precirctes agrave ecirctre envoyeacutees ainsi que du RTT Lrsquoobjectif est drsquoeacutemettreles segments de faccedilon reacuteguliegravere en un RTT Ce meacutecanisme srsquoavegravere trop agressif dans lesenvironnements congestionneacutes Le nombre de segments envoyeacutes en un RTT peut ecirctreimportant et ainsi causer de seacutevegraveres deacutegradations de performance

La reacutesolution de la congestion

Quand TCP a atteint lrsquoeacutetat stable et qursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de conges-tion va ecirctre diviseacutee par deux Cette reacuteduction diminuera le deacutebit eacutecouleacute Il est importantpour TCP drsquoecirctre reacuteactif vis agrave vis des pertes Pour cela de nouveaux algorithmes doiventecirctre mis en place dans la phase drsquoeacutevitement de congestion Ces algorithmes devront ecirctrereacuteactifs aux pertes mais sans sur-reacuteagir Ces nouveauteacutes doivent permettre de retrouverrapidement un deacutebit eacutecouleacute important

Lorsque plusieurs flux TCP empruntent une route congestionneacutee ils sont soumis aumecircme taux de pertes Le but eacutetant de reacutepartir eacutequitablement la bande passante dispo-nible Une approche de diminution moins agressive de la fenecirctre de congestion consistea reacutealiser des connexions TCP parallegraveles Lrsquoobjectif est drsquoavoir un flux TCP se comportantcomme lrsquoagreacutegation de plusieurs flux

Dans lrsquoarticle [Crowcroft1998] les auteurs proposent une version du controcircle de conges-tion de TCP qui se comporte drsquoune maniegravere eacutequivalente agrave N sessions TCP parallegraveles Ilsrsquoagit de MulTCP MulTCP geacutenegravere un flux TCP unique ougrave les sessions virtuelles sont reacute-parties uniformeacutement afin drsquoobtenir le reacutesultat maximal en terme de deacutebit Le controcircle decongestion de TCP change lorsqursquoil utilise lrsquoalgorithme drsquoeacutevitement de congestion et qursquoil

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deacutetecte un eacuteveacutenement de congestion (par deacutetection drsquoau moins une perte drsquoun segmentdans une fenecirctre de congestion) Les eacutequations suivantes sont utiliseacutees dans chacun descas MulTCP

ACK ω larr ω +N

ω

DROP ω larr ω times (1minus 1

2N)

(12)

En eacutevitement de congestion lorsqursquoun ACK est reccedilu MulTCP augmente sa fenecirctre decongestion (ω) de N segments par RTT Lors de la perte de segments (DROP) MulTCPreacuteduit sa fenecirctre de ω(2N) plutocirct que la valeur par deacutefaut de ω2 La figure 16 montrelrsquoeacutevolution de la fenecirctre de congestion de MulTCP par rapport agrave TCP On voit sur la fi-gure 16 que MulTCP a de meilleures performances qursquoun flux TCP normal Lorsque lesperformances sont combineacutees le reacutesultat est supeacuterieur agrave un flux unique

FIGURE 16 ndash Simulation de MulTCP avec N=5 (Source [Huston2006])

Dynamique du sondage

Lrsquoobjectif de lrsquoeacutemetteur de TCP est drsquoenvoyer le plus de donneacutees le plus vite possibleMais agrave condition qursquoelles arrivent sans produire de la congestion sinon les donneacutees se-ront perdues et il faudra les reacute-eacutemettre Il faut eacutegalement tenir compte des autres flotsen partageant eacutequitablement les ressources du reacuteseau Une approche pour traiter le pro-blegraveme de la dynamique du sondage consiste agrave changer la fonction de controcircle de TCP

Lrsquoobjectif de HighSpeed-TCP (HS-TCP) est drsquoatteindre les hauts deacutebits en ayant desperformances comparables agrave TCP classique dans les environnements agrave faible BDP [RFC3649]La version du controcircle de congestion HighSpeed-TCP utilise le meacutecanisme drsquoAdditive In-crease and Multiplicative Decrease combineacute agrave un facteur calculeacute en fonction de la taille dela fenecirctre de congestion tel qursquoindiqueacute par les eacutequations 13 En deccedila drsquoun certain seuilde ω la reacuteponse de HighSpeed-TCP est eacutequivalente agrave TCP Reno HS-TCP est limiteacute durantla phase de deacutemarrage en douceur Durant cette phase HS-TCP peut normalement en-voyer un grand nombre de paquets Lrsquoenvoi drsquoun trop grand nombre de donneacutees risquedrsquooccasionner de la congestion Le [RFC3742] propose de limiter agrave 100 paquets la capaciteacutedrsquoenvoi drsquoHS-TCP durant la phase de deacutemarrage en douceur

ACK ω larr ω +α(ω)

ωDROP ω larr (1minus β(ω))times ω

(13)

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La figure 17 illustre le comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCPLorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre est moins importante gracircceau facteur β Le retour a la valeur preacuteceacutedente se fait beaucoup plus rapidement qursquoavecReno ou NewReno (en gris clair sur la figure) gracircce au facteur α Ainsi HS-TCP offre unemeilleure utilisation de la capaciteacute disponible sur le lien

FIGURE 17 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de HighSpeed-TCP (Source [Afanasyev2010])

Dans [Tan2006] lrsquoauteur propose une version de TCP alliant lrsquoapproche pro-activeet reacuteactive Une approche pro-active utilise les variations du RTT pour estimer lrsquoeacutetat dureacuteseau Alors qursquoune approche reacuteactive agit quand lrsquoeacuteveacutenement de congestion srsquoest pro-duit Lrsquoobjectif est de maintenir de bonnes performances sur reacuteseaux avec un haut deacutebitet un grand RTT Compound-TCP (C-TCP) maintient deux fenecirctres de congestion Lrsquounecroicirct de faccedilon lineacuteaire mais deacutecroicirct via un certain coefficient en cas de perte La secondefenecirctre est lieacutee agrave lrsquoapproche pro-active de TCP-Vegas [Brakmo1994] La taille de la fenecirctrede congestion reacuteellement utiliseacutee est la somme des deux fenecirctres Lrsquoeacutequation 14 illustrecette addition

ACK ω larr ωreno + ωfast (14)

Si le RTT est bas alors la fenecirctre ωfast va croicirctre rapidement Si C-TCP rencontre uneperte alors ωreno diminuera rapidement pour compenser lrsquoaugmentation preacuteceacutedente deωfast Ce systegraveme cherche agrave garder une valeur constante de la fenecirctre drsquoeacutemission C-TCPutilise efficacement des liens sur les reacuteseaux agrave forte capaciteacute de stockage C-TCP est sujetau mecircme deacutefaut que TCP-Vegas sur lrsquoexactitude des mesures RTT Si les flux en concur-rence les uns avec les autres dans le reacuteseau observent des valeurs RTT minimales diffeacute-rentes le flux se voyant un RTT plus eacuteleveacute sera beaucoup plus agressif et injuste pourlrsquoautre flux La figure 18 illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion de C-TCPLa partie convexe de la courbe repreacutesente un fonctionnement plus proche de TCP RenoCela indique donc une valeur de ωfast faible Nous remarquons qursquoapregraves une perte TCPessaye de reacutecupeacuterer rapidement la valeur preacuteceacutedente Lors de pertes multiples la fenecirctrede congestion suit une forme proche agrave ce moment de la courbe de HighSpeed-TCP (voirfigure 17) Ce comportement est la conseacutequence drsquoune valeur eacuteleveacutee de ωfast C-TCP per-met ainsi drsquoatteindre le deacutebit maximum disponible sur le lien tout en lissant sa capaciteacutedrsquoenvoi en se basant sur le RTT C-TCP est la version de TCP installeacutee nativement sur lesystegraveme drsquoexploitation Windows de Microsoft

Lrsquoalgorithme de controcircle de congestion de TCP connu sous le nom Binary IncreaseCongestion control (BIC) vise agrave une convergence rapide [Xu2004] La fenecirctre doit atteindrela taille maximale possible sans qursquoil y ait de pertes Pour cela il met en œuvre une nou-velle fonction du controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion La fonction de controcircle

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FIGURE 18 ndash Comportement de la fenecirctre de congestion de Compound-TCP (Source [Afanasyev2010])

de BIC est structureacutee en trois phases (Additive Increase Binary Search Max Probing) tellesqursquoillustreacutees par la figure 19a Au deacutemarrage de la connexion BIC va increacutementer lineacuteai-rement la fenecirctre de congestion Crsquoest la phase drsquoAdditive Increase

Durant la phase Binary Search BIC va essayer de deacutecouvrir la taille optimale de lafenecirctre de congestion La taille optimale est la taille permettant drsquoeacutemettre le maximum dedonneacutees sans essuyer de pertes Elle se base sur lrsquoeacutetude entre la valeur minimale (ωmin)et la valeur maximale (ωmax) de la fenecirctre de congestion Ces variables vont permettredrsquoaffiner la valeur de la fenecirctre de congestion Au deacutebut de la connexion ωmin est mise agrave1 et ωmax est mis arbitrairement agrave une valeur eacuteleveacutee

Lorsqursquoune perte est deacutetecteacutee la fenecirctre de congestion va ecirctre reacuteduite et prendre pourvaleur la moyenne entre ωmin et ωmax ωmin prend alors pour valeur la taille de la fenecirctrede congestion apregraves reacuteduction et ωmax la valeur de la fenecirctre de congestion avant la perteSi lrsquoeacutecart entre la valeur de la fenecirctre de congestion avant et apregraves la perte est supeacuterieuragrave une constante Smax alors la fonction de controcircle de BIC entre en phase dite AdditiveIncrease Durant cette phase Smax va servir de valeur drsquoincreacutementation pour la fenecirctrede congestion agrave chaque RTT Par la suite et si aucune perte nrsquoest de nouveau deacutetecteacuteela fonction de controcircle de BIC retourne en phase de Binary Search Lrsquoobjectif est de stabi-liser la taille de la fenecirctre aux alentours de la valeur de ωmax rencontreacutee avant la pertepreacuteceacutedente

Lorsque cette valeur est deacutepasseacutee BIC entre dans la phase dite Max Probing Lrsquoaug-mentation de la fenecirctre de congestion est alors lineacuteaire Lrsquoobjectif eacutetant la recherche drsquounnouvel ωmax La figure 19b illustre le fonctionnement de la fenecirctre de congestion dansle temps Lors du deacutebut de connexion BIC se comporte comme Reno avec le meacutecanismedu deacutemarrage en douceur Degraves qursquoune perte est deacutetecteacutee la diminution de la fenecirctre estalors moins agressive qursquoavec Reno Au centre de la courbe nous remarquons la fonctiondrsquoaccroissement avec les trois phases

BIC est un controcircle de congestion performant dans les reacuteseaux agrave forte capaciteacute destockage Neacuteanmoins BIC peut ecirctre trop agressif pour les flux qui ont des courts deacutelaisCela a pour conseacutequence un partage ineacutequitable de la bande passante disponible avec lesflux qui ont des longs deacutelais

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquoiniquiteacute lieacute au RTT lrsquoalgorithme CUBIC propose dechanger la fonction de controcircle de la taille de la fenecirctre de congestion pour la rendreplus agressive La fonction retenue est cubique et son eacutevolution est repreacutesenteacutee par la fi-gure 110a Contrairement agrave la figure drsquoaccroissement de BIC (fig 19a) qui comporte troisphases la fonction drsquoaccroissement de CUBIC nrsquoen compte que deux (fig 110a) Sur lafigure 110b on constate que ces deux phases sont preacutesentes tout au long de lrsquoeacutevolutionde la fenecirctre de congestion de CUBIC Ces deux phases ne sont pas forceacutement conseacute-cutives lrsquoune de lrsquoautre Apregraves la deacutetection drsquoune perte CUBIC va essayer de croicirctre le

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(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez BIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 19 ndash Fonctionnement de BIC TCP

plus rapidement possible jusqursquoagrave ωMax Lorsque ωMax est atteint la taille de la fenecirctre vasrsquoincreacutementer lentement Mais plus la valeur drsquoω est eacuteloigneacutee en taille de ωMax plus lacroissance va srsquoacceacuteleacuterer Lrsquoavantage de CUBIC sur BIC est le remplacement la fonction decontrocircle lineacuteaire par une fonction cubique pour plus drsquoagressiviteacute Lrsquoalgorithme CUBICest deacutecrit par le [RFC8312]

(a) Fonction drsquoaccroissement de la fenecirctrede congestion chez CUBIC-TCP (Source [NCSUNRL])

(b) Eacutevolution de la fenecirctre de congestion deCUBIC-TCP (Source [Afanasyev2010])

FIGURE 110 ndash Fonctionnement de CUBIC

114 Controcircle de congestion avec implication des routeurs

Drsquoautres approches ont eacuteteacute eacutetudieacutees pour aider le controcircle de congestion de TCP Cesapproches impliquent les routeurs et ne reposent plus que sur le principe de bout-en-boutpropre agrave TCP

Explicit Congestion Notification (ECN) vise agrave renforcer lrsquoindication drsquoun eacuteveacutenement decongestion [RFC3168] Avec ECN la congestion est signaleacutee avant que la perte drsquoun pa-quet ne se produise Lors de la reacuteception drsquoun paquet indiquant une congestion lrsquoeacutemet-teur va alors reacuteduire sa fenecirctre de congestion et sa fenecirctre drsquoeacutemission La reacuteduction dela capaciteacute drsquoeacutemission de lrsquoeacutemetteur eacutevitera pertes et retransmissions et une reacuteductiondes deacutelais de reprise Lrsquousage de cette option neacutecessite que lrsquoeacutemetteur le reacutecepteur et lesrouteurs du chemin soient capables de geacuterer les notifications explicites Avec ECN lrsquoin-formation de congestion est transmise agrave lrsquoeacutemetteur Aucune indication sur le lieu preacutecisde la congestion est indiqueacutee

eXplicit Control Protocol (XCP) est un protocole de controcircle de congestion utilisantles notifications explicites de deacutebit [Katabi2002] En cela il reprend lrsquoideacutee de Quick-startCependant il se diffeacuterencie par le deacutecouplage opeacutereacute entre la probleacutematique du partageeacutequitable entre les flots et celle de lrsquoefficaciteacute du transfert Dans lrsquoarchitecture de proto-coles XCP se situe entre TCP et IP XCP repose sur un en-tecircte qui va servir aux routeurs

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traverseacutes pour indiquer le deacutebit drsquoeacutemission pour le flot La valeur drsquoadaptation de la fe-necirctre de congestion est calculeacutee agrave partir des informations contenues dans lrsquoen-tecircte XCPXCP propose un controcircle de congestion qui fonctionne sur un reacuteseau 100 XCP Uneseconde limite est lrsquoiniquiteacute avec les autres protocoles de transport Les performancessont fortement deacutegradeacutees si diffeacuterents protocoles de bout en bout sont exeacutecuteacutes dans lemecircme reacuteseau tels que TCP XCP possegravede de mauvaises performances si des routeurs IPclassiques (non-XCP) se trouvent au niveau du goulot drsquoeacutetranglement

Afin de reacutesoudre le problegraveme drsquointeropeacuterabiliteacute Dans [Lopez2006] lrsquoauteur proposeXCP-interoperable (XCP-i) une version XCP qui garde les meacutecanismes de controcircle XCPsans ajouter drsquoeacutetat de flux Lrsquoobjectif drsquoXCP-i est de deacuteployer XCP sur un reacuteseau com-prenant des routeurs XCP et non-XCP Pour cela XCP-i va fonctionner en deux phasesDans une premiegravere phase il va deacutecouvrir les nuages non-XCP Un nuage non-XCP est unensemble de routeurs non capables de traiter XCP En comparant les champs Time-To-Live(TTL) drsquoIP et drsquoXCP le nombre de routeurs non-XCP preacutesents dans le reacuteseau peut ecirctredeacuteduit La seconde phase consiste agrave deacuteterminer les ressources du nuage non-XCP En ra-joutant un champ last_xcp_routeur XCP-i garde en meacutemoire lrsquoadresse du dernier routeurXCP traverseacute Agrave partir drsquoalgorithmes drsquoestimation de bande passante la bande passantedu nuage non-XCP sera estimeacutee entre les deux nœuds XCP La derniegravere phase pour reacutea-liser une inter-opeacuterabiliteacute complegravete entre routeurs classiques et routeurs XCP consiste agraveprendre en consideacuteration la bande passante estimeacutee dans les calculs du feedback de XCPLe protocole XCP-i va creacuteer un routeur XCP virtuel agrave la place du nuage non-XCP Gracirccea ces meacutecanismes un reacuteseau heacuteteacuterogegravene devient virtuellement homogegravene pour XCP Lesperformances de XCP-i sont comparables agrave celle de XCP [Lopez2006] XCP-i reacutesout leproblegraveme drsquointer-opeacuterabiliteacute de XCP sur des reacuteseaux non 100 XCP

Ces solutions preacutesentent le deacutesavantage de devoir ecirctre deacuteployeacutees eacutegalement au seindes routeurs Le principal avantage de ces solutions est une indeacutependance au deacutelai Lesprobleacutematiques lieacutees au deacutelai que lrsquoon a preacutesenteacutees preacuteceacutedemment sont alors inopeacute-rantes Dans le cadre de La Reacuteunion les deacutelais peuvent ecirctre importants

115 Caracteacuterisation de La Reacuteunion

Lrsquoaugmentation des deacutebits drsquoaccegraves srsquoaccompagne de lrsquoaugmentation de la capaciteacute desliens drsquointerconnexion comme celles des cacircbles sous-marins Malgreacute cette augmentationdes deacutebits le temps de propagation reste inchangeacute Dans cette partie nous deacuteterminonsagrave partir de quel deacutebit un accegraves Internet agrave La Reacuteunion peut ecirctre sujet aux problegravemes ren-contreacutes sur les LFN

Dans la section 21 nous avons vu que La Reacuteunion est raccordeacutee agrave Internet par deuxaccegraves reposant sur des cacircbles sous-marins le SAFE et le LION Le cacircble SAFE est prolongeacutepar le cacircble SAT-3WASC Le temps de propagation (tp) sur un cacircble peut ecirctre estimeacutepar la formule matheacutematique 15 dans laquelle d repreacutesente la distance et c la vitesse depropagation du signal sur le support

tp =d

c(15)

Si nous retenons la route directe entre La Reacuteunion et la France hexagonale qui passepar le plus long des accegraves constitueacute par les cacircbles SAFE et SAT-3WASC Sachant que lecacircble SAFE a une longueur totale de 13 500 km pour aller de lrsquoAfrique du Sud agrave lrsquoAsie Sion fait lrsquohypothegravese que lrsquoicircle de La Reacuteunion se situe agrave une distance eacutequivalente agrave la moitieacutedu cacircble SAFE La longueur du cacircble pour La Reacuteunion est de 6 750 Km La vitesse de

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propagation du signal pour une fibre optique est eacutegale agrave la vitesse de la lumiegravere (299 792Kms) Lrsquoapplication de la formule 15 donne tp1 avec

tp1 = 12times dSAFEc = 22 52ms (16)

tp1 approxime le temps de propagation entre La Reacuteunion et le point de sortie du cacircbleSAFE en Afrique du Sud ou en Asie Pour obtenir le RTT ce temps est agrave doubler Onobtient alors la valeur RTT1 = 45 04 ms

La seconde partie du trajet de lrsquoAfrique du Sud jusqursquoen Europe emprunte le cacircbleSAT-3WASC Drsquoapregraves [Cablesmap] la longueur du cacircble est de 14 350 Km Le temps depropagation entre lrsquoAfrique du Sud et lrsquoEurope noteacute tp2 srsquoexprime comme

tp2 = (dSATminus3WASC)c = 47 87ms (17)

Le RTT sur ce cacircble est de RTT2 = 95 74 msAu total le RTT incompressible pour joindre lrsquoEurope en passant par les cacircbles SAFESAT-3WASC consiste agrave additionner le RTT de chaque cacircble agrave savoir RTT1 et RTT2 Le RTTincompressible est donc minimal de 140 78ms Ce deacutelai comme nous venons de le calcu-ler ne prend en compte que la propagation Il neacuteglige le temps de transmission du paquetainsi que les temps drsquoattente avant la transmission

Lrsquoeacutetude preacutesenteacutee dans[Anelli2012] a mesureacute un RTT minimal pour les paquets quit-tant lrsquoicircle de La Reacuteunion de 185 ms Ce reacutesultat a eacuteteacute obtenu par une eacutetude de mesuresdepuis les locaux de lrsquoUniversiteacute de La Reacuteunion La figure 111 repreacutesente la Probabi-lity Density Function (PDF) des RTT mesureacutes Cette fonction est compareacutee agrave celle qui estobtenue depuis la France hexagonale et de Paris en particulier On constate une forte si-militude sur la forme des courbes La courbe de La Reacuteunion enregistre un deacutecalage dansle temps de 185 ms par rapport agrave celle de Paris Ce deacutecalage repreacutesente le RTT minimummesureacute pour rejoindre la meacutetropole et acceacuteder agrave lrsquoInternet

0

0001

0002

0003

0004

0005

0006

0007

0008

0009

001

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1

Pro

b

RTT (in sec)

From Paris

From Reunion

FIGURE 111 ndash Reacutepartition des deacutelais depuis Paris et lrsquoicircle de La Reacuteunion (Source [Anelli2012])

Si lrsquoon considegravere la valeur de BDP de 12 5 Ko indiqueacutee par le [RFC1072] comme lalimite basse drsquoun LFN et si nous reprenons les diffeacuterentes TAI preacutesenteacutees dans la section21 nous pouvons calculer le produit deacutelai-bande passante drsquoun canal de communica-tion entre La Reacuteunion et la meacutetropole Il est fait lrsquohypothegravese pour ce calcul que le goulotdrsquoeacutetranglement est donneacute par lrsquoaccegraves agrave Internet Le tableau 12 preacutesente les reacutesultats ob-tenus

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TABLE 12 ndash Approximation du produit deacutelai bande passante de la connectiviteacute de LaReacuteunion agrave lrsquoInternet

NomhhhhhhhhhhhhhhhhhhhBande passante

RTT (en secondes)Estimeacute 0141

Mesureacute 0185

Modem56 Kbits 987 o 130 Ko128 Kbits 226 Ko 296 Ko512 Kbits 902 Ko 118 Ko

ADSL1 Mbits 176 Ko 231 Ko8 Mbits 141 Ko 185 Ko20 Mbits 353 Ko 463 Ko

VDSL 50 Mbits 881 Ko 116 Mo

Fibre

35 Mbits 617 Ko 809 Ko100 Mbits 176 Mo 231 Mo200 Mbits 353 Mo 463 Mo

1 Gbits 176 Mo 231 Mo

Le tableau preacutesente en gras les produits deacutelai-bande passante deacutepassant la limite des12 5 Ko Ainsi les reacutesultats sont assez eacuteloquents Degraves que lrsquoon arrive sur un accegraves ADSLavec un deacutebit minimal drsquo1 Mbits nous avons un BDP supeacuterieur agrave la limite fixeacutee par le[RFC1072] Ainsi rapidement lrsquoeacutevolution des deacutebits proposeacutes sur lrsquoicircle et les capaciteacutes descacircbles sous-marins associeacutes agrave un deacutelai eacuteleveacute ont fait de lrsquoInternet reacuteunionnais un reacuteseauqui a les caracteacuteristiques drsquoun LFN

Nous avons vu que TCP est un protocole de transport dont la performance est deacutepen-dante du RTT et du BDP Les deacutelais sont une des caracteacuteristiques des LFN La Reacuteunionest un reacuteseau agrave forte capaciteacute de stockage due agrave des deacutelais importants Il est important demesurer pour comprendre lrsquoimpact de cette caracteacuterisation sur les performances de TCP

12 Meacutetrologie du trafic Internet

Avec lrsquoInternet qui devient de plus en plus gros et de plus en plus complexe la meacutetro-logie est une activiteacute qui vise agrave mieux comprendre le fonctionnement de lrsquoInternet Nousallons dans cette partie du manuscrit preacutesenter les techniques de meacutetrologie appliqueacuteesagrave lrsquoInternet

121 Deacutefinition

Meacutetrologie est un mot composeacute de deux termes grecs Le premier metron signifie lamesure tandis que logos fait reacutefeacuterence agrave la science Par deacutefinition la meacutetrologie deacutesignela science de la mesure Par la suite le terme meacutetrologie fera uniquement reacutefeacuterence agrave la meacute-trologie appliqueacutee aux reacuteseaux informatiquesLa meacutetrologie signifie donc la mesure des caracteacuteristiques drsquoun reacuteseau sous de nombreuxaspects Cette science est devenue un outil indispensable pour avoir une compreacutehensionde divers aspects de lrsquoInternet On peut citer la complexiteacute la qualiteacute de service et laqualiteacute utilisateur la performance du reacuteseau la performance des protocoles le fonction-nement ou encore la validation des modegravelesLa meacutetrologie Internet englobe deux types drsquoactiviteacutes La premiegravere est lrsquoeacutetude des para-megravetres physiques de la qualiteacute de service La seconde consiste a mettre en eacutevidence lesproblegravemes lieacutes agrave lrsquoInternet [Larrieu2010]

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Dans [Paxson2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoapproche research driven et lrsquoapproche measure-ment driven pour deacutefinir les objectifs drsquoune eacutetude de meacutetrologie Le choix drsquoune approcheva aider une personne souhaitant faire de la meacutetrologie sur la bonne faccedilon drsquoaborderlrsquoeacutetude qursquoelle veut mettre en place

Lrsquoexpression research driven peut ecirctre traduite par axeacutee sur la recherche Elle consisteagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires de lancer les campagnes de mesures et drsquointerpreacuteter les reacute-sultats Une meacutetrique se deacutefinit comme une grandeur mesurable et speacutecifieacutee de maniegravererigoureuse Une bonne meacutetrique doit pouvoir se mesurer de faccedilon reproductible ecirctreutile en pratique pour les utilisateurs et les administrateurs du reacuteseau [RFC2330] Cetteapproche est celle geacuteneacuteralement utiliseacutee par les opeacuterateurs et les groupes de recherchesElle est deacuteveloppeacutee par le groupe de travail IP Performance Metrics (IPPM) de lrsquoIETF Cegroupe de travail a produit de nombreux documents pour deacutefinir les mesures de per-formances Lrsquoapproche research driven comporte un deacutefaut principal En laissant de cocircteacutecertaines meacutetriques des aspects du comportement du reacuteseau ne sont pas eacutetudieacutes Parexemple une eacutetude restreinte aux deacutelais ne peut indiquer les raisons de la variation desdeacutelais dans le temps

Lrsquoapproche measurement driven peut se traduire en la mesure pour la mesure Cettemeacutethode consiste agrave mettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer lemaximum drsquoinformations puis effectuer toutes les analyses possibles sur les traces col-lecteacutees et interpreacuteter les reacutesultats obtenus Une telle meacutethode peut srsquoutiliser lorsque lrsquoonsouhaite mettre en avant le comportement geacuteneacuteral drsquoun lien Cette approche permet agrave ladiffeacuterence de la preacuteceacutedente drsquoanalyser agrave plusieurs reprises une mecircme source de donneacuteesen fonction des reacutesultats obtenus

Le tableau 13 reacutesume les deux approches de conduite de projet en meacutetrologie

TABLE 13 ndash Comparatif entre les approches de meacutetrologie

Research Driven Measurement Driven1 - Meacutetriques deacutefinies preacutealablement2 - Utilisation drsquoun outil adapteacute

1 - Collecte des donneacutees2 - Analyse exhaustive

Ces deux approches sont compleacutementaires lrsquoune de lrsquoautre et srsquoappliquent dans lesdeux classes de techniques de mesures les techniques de mesures actives et les tech-niques de mesures passives

122 Meacutetrologie active

La meacutetrologie active consiste agrave injecter un trafic speacutecifique et agrave mesurer en reacuteceptionlrsquoeffet sur le reacuteseau agrave eacutetudier Lrsquohypothegravese faite par la meacutetrologie active est que la mesurefaite de bout en bout est reacuteveacutelatrice de la performance du service du reacuteseau telle qursquoellepeut ecirctre perccedilue par une application Les paquets eacutemis sont des sondes qui en emprun-tant la route entre la source et la destination expeacuterimentent la performance du canal decommunication Il convient de limiter le trafic des sondes afin qursquoil ne vienne pas pertur-ber le trafic et donc fausser la mesure Les meacutetriques mesureacutees par les mesures activessont geacuteneacuteralement des meacutetriques associeacutees agrave la topologie du reacuteseau ou au trafic commeles routes ou les deacutelais Dans le cas de la meacutetrologie active il se peut que lrsquoeacutemetteur soiteacutegalement le collecteur La figure 112 illustre ce principe

La meacutetrologie active est opeacutereacutee agrave lrsquoaide drsquooutils speacutecifiques de geacuteneacuteration et de collectede sondes Le tableau 14 indique les meacutetriques obtenues avec les outils de meacutetrologiepreacutesenteacutes par la suite

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FIGURE 112 ndash Principe de la meacutetrologie active

TABLE 14 ndash Classement des outils

XXXXXXXXXXXOutilMeacutetriques

RTT Routes Deacutebits

Ping XTraceroute X XParis Traceroute X XReverse-traceroute X XTraceIXroute X XPathchar XClink XIperf X

La mesure du RTT est geacuteneacuteralement obtenue par lrsquooutil ping (Packet Internet Groper)Cet outil se preacutesente sous la forme drsquoune commande dans un systegraveme de type Unix Ellesert en premier lieu agrave veacuterifier la connectiviteacute agrave Internet et lrsquoaccessibiliteacute drsquoun nœud Ensecond lieu avec cette veacuterification le RTT et la longueur de la route exprimeacutee en nombrede sauts sont deacutetermineacutes Elle utilise le protocole Internet Control Message Protocol (ICMP)pour effectuer la mesure Un message ICMP Echo request est eacutemis Le destinataire renvoieagrave lrsquoeacutemetteur un message ICMP Echo reply La peacuteriode qui seacutepare lrsquoeacutemission de la reacuteceptiondu coteacute eacutemetteur est mesureacutee

Pour en savoir plus sur la connectiviteacute drsquoun nœud et notamment sur la route emprun-teacutee pour atteindre une destination donneacutee lrsquooutil traceroute offre le moyen de cette deacute-couverte [Jacobson1989-1] Cet outil se preacutesente comme pour ping sous la forme drsquounecommande de type Unix Son principe de fonctionnement est baseacute sur un envoi successifde messages avec un champ TTL du paquet IP qui va croissant Le routeur qui reccediloit unmessage dont le TTL du paquet a atteint la valeur zeacutero envoie un message ICMP TimeExceeded pour reporter lrsquoerreur agrave lrsquoeacutemetteur Par ce message il indique en adresse sourcelrsquoadresse IP de son interface qui a rejeteacute le paquet Ainsi si un paquet ayant un TTL posi-tionneacute agrave n est envoyeacute vers une destination donneacutee le routeur situeacute agrave n sauts de la sourceva faire connaicirctre son adresse IP et ceci tant que le chemin vers la destination est supeacute-rieur agrave n sauts [Crovella2006] Le reacutesultat est lrsquoensemble des nœuds traverseacutes reacutepondantau protocole ICMP De nouveaux outils utilisant le principe de traceroute furent deacutevelop-peacutes pour reacutepondre agrave drsquoautres probleacutematiques comme la preacutesence des points drsquoeacutechangeou encore lrsquoasymeacutetrie des liens

La reacuteponse afficheacutee par la commande traceroute nrsquoest pas la seule route existanteEn exeacutecutant agrave plusieurs reprises la mecircme commande traceroute les reacuteponses obtenuespeuvent ecirctre diffeacuterentes A cause de lrsquoeacutequilibrage de charge (load-balancing) la sortie drsquounrouteur ne sera pas toujours la mecircme Lrsquoeacutequilibrage des charges sert agrave reacutepartir le traficsur diffeacuterents liens Ainsi il est possible que deux paquets provenant de la mecircme sourcevers la mecircme destination nrsquoempruntent pas la mecircme route Sur la figure 113 les liensphysiques entre les diffeacuterents nœuds sont indiqueacutes en rouge Les traits en pointilleacute repreacute-sentent le chemin emprunteacute par les messages ICMP envoyeacutes par la source La figure 113amontre le reacutesultat trouveacute par traceroute La route emprunteacutee est SRC A D DST

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Traceroute va envoyer 3 paquets avec un champ TTL eacutegal agrave 2 Dans le cas de cet exemplelrsquoensemble des paquets est dirigeacute vers B Ainsi malgreacute lrsquoabsence de liaison physique di-recte entre les nœuds A et D traceroute nous indique la preacutesence drsquoune route entre ceuxdeux eacutequipements Lrsquooutil Paris-traceroute vise agrave traiter ce problegraveme [Augustin2006]La figure 113b montre la route deacutecouverte par Paris-traceroute La route afficheacutee estSRC A C DST On remarque que la route obtenue existe physiquement Pour obte-nir ce reacutesultat Paris-traceroute change le numeacutero drsquoidentification du flux agrave lrsquoeacutemission despaquets ICMP Cette modification oblige les routeurs agrave suivre une seule et unique routeParis-traceroute autorise eacutegalement lrsquoaffichage des numeacuteros de voies logiques MPLS

(a) Traceroute

(b) Paris-traceroute

FIGURE 113 ndash Illustration du pheacutenomegravene drsquoeacutequilibrage des charges

MultiProtocol Label Switch (MPLS) est un meacutecanisme de commutation rapide de pa-quets fondeacute sur des adresses de format fixe et sans structure hieacuterarchique [RFC3031]Ces adresses sont des numeacuteros de voies logiques appeleacutees des eacutetiquettes ou labels (paranglicisme) Dans le cas de lrsquoutilisation de traceroute avec MPLS il faut que le routeurMPLS puisse envoyer un message ICMP Le [RFC4950] documente une simple extensionagrave ICMP pour retourner de lrsquoinformation speacutecifique agrave MPLS autrement dit pour qursquounrouteur MPLS puisse indiquer des informations speacutecifiques agrave MPLS dans le paquet ICMPeacutemis en cas de problegraveme [Donnet2012] a eacutetudieacute les possibiliteacutes offertes par des routeursMPLS

Dans les explicit tunnels la structure interne du tunnel est entiegraverement visible et chaquenœud dans le Label Switched Path (LSP) est marqueacute comme nœud MPLS Dans ce type detunnel le champ ttl-propagate qui est dans lrsquoen-tecircte MPLS des paquets et le [RFC4950] sontappliqueacutes Cela signifie que le champ TTL du datagramme IP est deacutecreacutementeacute agrave chaquerouteur rencontreacuteDans les implicit tunnels le LER drsquoentreacutee active lrsquooption ttl-propagate mais les LSR nrsquoim-pleacutementent pas le [RFC4950] La deacutecreacutementation du TTL est effective mais aucune infor-mation de routeur MPLS nrsquoest visibleDans les opaque tunnels crsquoest lrsquoinverse de lrsquoimplicit tunnels Les routeurs impleacutementent le[RFC4950] Le nœud drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Le TTL est alors deacutecreacute-menteacute agrave la sortie du tunnel MPLS Le paquet ICMP-reply indique quand mecircme lrsquoexistencedrsquoun tunnel MPLSPour les invisible tunnels le LER drsquoentreacutee nrsquoactive pas lrsquooption ttl-propagate Dans ce casle TTL est deacutecreacutementeacute uniquement lors du dernier routeur du tunnel Le [RFC4950] nrsquoestpas impleacutementeacute par le dernier routeur du LSP Cela implique lrsquoabsence drsquoinformation

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sur le meacutecanisme MPLS au sein des paquets ICMP On nrsquoa alors pas drsquoinformations surlrsquoexistence drsquoun tunnel ICMP sur la route emprunteacutee

Avec lrsquoacheminement avec MPLS des mauvaises valeurs de TTL peuvent ecirctre obte-nues agrave cause du type de tunnel mis en œuvre Il est donc important que le [RFC4950] soitimpleacutementeacute dans les routeurs

FIGURE 114 ndash Taxonomie des configurations de tunnels MPLS et des comportements detraceroute correspondants (Source [Donnet2012] )

Paris-traceroute propose lrsquoaffichage des informations MPLS lorsque celles-ci sont dis-ponibles [Augustin2007] La texte ci-dessous illustre les reacutesultats obtenus par Paris-traceroutesur un Explicit tunnel On y voit lrsquoaffichage des marques MPLS avec le TTL associeacute agravechaque nœud

traceroute [(412131413533456) -gt (818216615733457)]protocol icmp algo hopbyhop duration 3 s1 4121314133 23266 ms 2542 ms 3696 ms2 4121313397 6811 ms 5613 ms 4635 ms3 10322161 5779 ms 6841 ms 4073 msMPLS Label 16445 TTL=1 | 2129964 1032237 2223 ms 2249 ms 2264 msMPLS Label 16386 TTL=2 | 2129965 4121312850 2185 ms 2245 ms 2097 msMPLS Label 16442 TTL=3 | 2129966 10322193 3551 ms 9330 ms 7775 ms7 41213133158 2337 ms 3088 ms 2250 ms8 4121312854 195439 ms 195555 ms 195512 ms9 213242121233 211737 ms 211724 ms 212013 ms10 469148181 234190 ms 234271 ms 234323 ms11 4687222 236854 ms 236798 ms 237063 ms12 213224250110 237108 ms T0 236580 ms T0 236570 msT013 2132242502 237213 ms 236631 ms 236694 ms14 213224201252 239100 ms 239461 ms 238680 ms15 8182166157 250874 ms 249608 ms 248057 ms

Avec traIXroute lrsquoobjectif est de deacutecouvrir les diffeacuterents points de peering (IXP) sur unchemin vers une destination [Nomikos2016] Pour lrsquoidentification des nœuds drsquoeacutechangecette version de traceroute combine deux bases de donneacutees compleacutementaires qui sontPeeringDB [PeeringDB] et Packet Clearing House [PCH] Avec une geacuteolocalisation desadresses retourneacutees la liste des pays traverseacutes peut ecirctre eacutetablie

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Drsquoapregraves [Steenbergen2009] laquo lrsquooutil de deacutepannage numeacutero 1 pour veacuterifier la connec-tiviteacute drsquoun nœud reste traceroute raquo pour les administrateurs reacuteseaux mais laquo les liens asy-meacutetriques sont les fleacuteaux numeacutero un de lrsquooutil raquo car laquo le chemin de retour est entiegraverementmasqueacute raquo Afin de corriger cela lrsquooutil reverse-traceroute propose drsquoobtenir une routenon pas entre la source et la destination mais entre la destination et la source [Katz2010]pour cela lrsquooutil va utiliser lrsquoenregistrement des adresses IP des routeurs sur le chemindu retour agrave lrsquoaide des options drsquoen-tecircte Record-Route et Timestamp drsquoIP

Pour deacuteterminer le deacutebit pathchar [Jacobson1997] vise agrave donner le deacutebit saut par sautvers une destination Aussi il reprend le principe de traceroute en eacutemettant des sondesavec le champ TTL avec une valeur croissante Lorsqursquoil injecte le trafic de sondes vers unnœud du chemin il le fait avec des paquets de taille variable Ainsi pathchar deacuteterminela bande passante disponible entre chaque nœud rencontreacute

Lrsquooutil Clink [Downey1999] est similaire agrave pathchar La diffeacuterence se fait au niveausur le nombre de paquets envoyeacutes Clink envoie un nombre de paquets plus importantque Pathchar Ainsi les mesures reacutealiseacutees par Clink auront une meilleure preacutecision

Iperf [Tirumala2005] est un outil pour mesurer la bande passante et la qualiteacute drsquounlien reacuteseau Ce dernier est deacutelimiteacute par deux machines sur lesquelles est installeacute IperfUne machine tient le rocircle de serveur tandis que la seconde machine sera parameacutetreacuteecomme client

Pour des mesures plus repreacutesentatives il est neacutecessaire drsquoaugmenter les points decollectes Des outils de meacutetrologie active ont eacuteteacute conccedilus pour ecirctre reacutepartis sur plusieursnœuds Ces outils se preacutesentent sous la forme de plates-formes de meacutetrologie active deacute-ployeacutees agrave travers le monde De nos jours on compte de nombreuses plates-formes demeacutetrologie active Comme chaque plate-forme a un objectif preacutecis et pour identifier laplate-forme approprieacutee pour reacutealiser une eacutetude preacutecise lrsquoauteur de [Bajpai2015-1] effec-tue une comparaison des diffeacuterentes plates-formes selon 5 critegraveres qui sont

1 lrsquoeacutechelle la couverture et la dureacutee de vie de la plate-forme

2 le mateacuteriel physique utiliseacute pour la sonde

3 les meacutetriques disponibles

4 lrsquoarchitecture de mesure de la plate-forme

5 lrsquoimpact de son utilisation pour la recherche

De cette comparaison nous avons gardeacute 4 plates-formes que sont Atlas RIPE NCC BIS-Mark DASU SamKnows Ces plates-formes ont eacuteteacute gardeacutees car elles autorisent lrsquoeacutetudedes performances des reacuteseaux drsquoaccegraves Nous y avons ajouteacute les plates-formes Archipe-lago et Planet-Lab Ces deux plates-formes ne font pas partie du document drsquoorigine maisfont lrsquoobjet drsquoune utilisation par de nombreux participants tel que lrsquoindique le nombrede sondes actives de ces deux plates-formes

En 2007 le CAIDA a deacuteployeacute sa propre plate-forme de mesures [Archipelago] Atravers le deployement de nœuds (des sondes dans le vocabulaire de Archipelago) surlrsquoensemble de la planegravete lrsquoobjectif est drsquooffrir des accegraves pour effectuer des mesures avecdes outils tels que ping et traceroute Archipelago est composeacutee agrave la date du 1er Mars2017 de 170 sondes reacuteparties dans 59 pays et sur tous les continents

Dans le courant de lrsquoanneacutee 2010 le Regional Internet Registry (RIR) europeacuteen RIPENCC a deacutemarreacute la distribution de sondes pour la creacuteation de la plate-forme Atlas [Ripe2010]Cette plate-forme vise agrave creacuteer un reacuteseau de sondes pour lrsquoeacutetude de la connectiviteacute de lrsquoIn-ternet Composeacutee actuellement de pregraves de 10 000 sondes reacuteparties agrave travers le monde elleest capable drsquoeffectuer des tests de meacutetrologie active autour des commandes ping DNSHTTP NTP traceroute et Paris-traceroute

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Agrave lrsquoinitiative de Georgia Tech la plate-forme Broadband Internet Service Benchmark (BIS-Mark) a vu le jour en 2010 Lrsquoobjectif est la reacutealisation drsquoun eacutetat des lieux des performancesdes accegraves Internet [Sundaresan2011] La plate-forme est composeacutee de 405 routeurs instru-menteacutes avec OpenWrt laquo Le projet OpenWrt est un systegraveme drsquoexploitation Linux ciblantles appareils embarqueacutes OpenWrt fournit un systegraveme de fichiers entiegraverement inscriptibleavec gestion des modules drsquoinstallation de logiciels Cela libegravere la seacutelection et la configu-ration des applications fournies par le fournisseur et permet de personnaliser lrsquoappareilgracircce agrave lrsquoutilisation de progiciels adapteacutes agrave nrsquoimporte quelle application raquo [OpenWrt] Lessondes sont distribueacutees dans 34 pays agrave travers le monde

DASU est un utilitaire deacuteveloppeacute en 2010 agrave lrsquoUniversiteacute de Northwestern Le logicielcouple meacutetrologie active et passive avec pour objectif de caracteacuteriser les performancesdes utilisateurs Lrsquooutil fut deacuteveloppeacute comme une extension drsquoun logiciel peer-to-peer Bit-Torrent [Sanchez2013] Depuis Juillet 2010 plus de 90 000 personnes reacuteparties agrave travers147 pays utilisent DASU

En 2003 des chercheurs ameacutericains ont deacuteployeacute une plate-forme de test Planet-Lab[Chun2003] En 2008 une extension europeacuteenne [PlanetLabEurope] a vu le jour Planet-Lab deacutepasse le seul objectif de meacutetrologie elle vise aussi de tester des nouveaux servicesde communication en situation reacuteelle Les nœuds Planet-Lab ont pour Operating System(OS) Fedora Il est possible drsquoinstaller nrsquoimporte quel logiciel du moment qursquoil est com-patible avec cet OS Avec une certaine liberteacute il est possible drsquoeffectuer des tests et desmesures depuis 425 sites reacutepartis sur tous les continents

La plate-forme SamKnows a vu le jour en 2008 [SamKnows] SamKnows sert agrave lrsquoeacutetudedes performances des connexions des particuliers et des entreprises Elle est composeacuteede pregraves de 440 000 sondes Cette infrastructure est partenaire de 36 Fournisseurs drsquoAccegravesInternet (FAI) de tous les continents

Le tableau 15 reacutesume les possibiliteacutes offertes par les plates-formes La colonne Impactsur la recherche est deacutetermineacutee agrave partir du nombre de citations par des articles scientifiquessuivis par le site Google Scholar

La plate-forme de mesures Atlas RIPE NCC [Ripe2010] a eacuteteacute utiliseacutee dans le contexteinsulaire de Cuba Dans lrsquoarticle [Bischof2015] lrsquoauteur cherche agrave caracteacuteriser lrsquoaccegraves In-ternet cubain Dans ses reacutesultats lrsquoauteur a montreacute une forte asymeacutetrie des routes in-ternationales pour le trafic cubain Drsquoun point de vue de la topologie physique cette icirclepossegravede une connectiviteacute qui peut par certains aspects ressembler agrave de celle de lrsquoicircle de LaReacuteunion

Lrsquoicircle de La Reacuteunion bien que Franccedilaise est rattacheacutee administrativement au RIR dela zone Afrique (AfriNIC) LrsquoAfriNIC est le dernier RIR creacuteeacute et les eacutetudes de meacutetrolo-gie concernant cette zone sont peu nombreuses Nous pouvons citer [Gupta2014] qui sepenche sur lrsquointerconnexion des FAI sur le continent africain Cette eacutetude montre que leseacutechanges de paquets ne se font pas au sein du continent africain mais en Europe La rai-son avanceacutee par lrsquoauteur est un coucirct drsquointer-connexion infeacuterieur en Europe Ces regravegles deroutage on des conseacutequences sur les deacutelais et donc sur les performances sur le servicede transport rendu par TCP Ces reacutesultats ont eacuteteacute confirmeacutes par [Fanou2015] Cette eacutetudesrsquointeacuteresse en plus agrave la stabiliteacute des routes Les reacutesultats ont montreacute que les chemins afri-cains restent stables sur une longue dureacutee Pour les auteurs lrsquoeacutemergence de nouveauxpoints drsquoeacutechanges sur le continent doit aider agrave la reacuteduction des deacutelais agrave conditions queles coucircts drsquointerconnexion soient proches de ceux pratiqueacutes en Europe

Enfin lrsquoarticle [Chavula2017] publieacute en 2017 preacutesente la latence pour les transferts defichiers agrave partir de 53 pays africains diffeacuterents Ces mesures srsquoappuient sur la plate-formeRIPE Atlas [Ripe2010] et Speedchecker [Speechecker] Agrave partir des mesures reacutealiseacutees les

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TABLE 15 ndash Tableau des plates-formes de mesures de meacutetrologie active

Nom Nombre desondes deacuteployeacutees

Meacutetriques dispo-nibles

Impact sur la re-cherche

Archipelago ~200 Longueur duchemin RTTDNS Autono-mous System(AS)

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Atlas RIPE NCC ~12 000 RTT RouteHTTP GET etrequecirctes SSL

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BISMark ~420 RTT taux depertes deacutebiteacutecouleacute tempsde chargementdrsquoune page web

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DASU ~100 000 Informations surles flux TCP RTTroutes emprun-teacutees reacutesolutionDNS HTTP GETdeacutebit eacutecouleacute

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PlanetLab ~400 1218SamKnows ~70 000 RTT deacutebit

eacutecouleacute deacutebitutile giguetaux de perteperformance decertains services

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auteurs avancent que lrsquoAfrique est un continent ineacutegalitaire en terme de latence intra etinter pays Ils ont conclu que lrsquoexistence drsquoune faible latence entre deux FAI drsquoun mecircmepays provient drsquoaccord de peering au sein drsquoun IXP heacutebergeacute soit par le pays concerneacutesoit par un pays voisin

123 Meacutetrologie passive

La meacutetrologie passive a pour objectif la mesure des flots de paquets agrave partir drsquounpoint particulier du reacuteseau appeleacute le point de collecte Elle consiste agrave eacutecouter captureret analyser les paquets IP La figure 115 illustre le principe de la meacutetrologie passiveElle montre que le point de collecte nrsquoest pas forceacutement localiseacute du coteacute eacutemetteur oureacutecepteur Les paquets IP transitant par le point de collecte sont captureacutes et sauvegardeacutesOn appelle alors les fichiers contenant les paquets IP collecteacutes des traces Les mesurespassives peuvent ecirctre effectueacutees agrave diffeacuterents niveaux de granulariteacute

Au niveau microscopique les mesures passives tendent agrave eacutetudier les flots au niveaude la connexion de transport On peut par exemple eacutetudier le nombre de paquets per-dus durant une connexion TCP Au niveau macroscopique les mesures passives sonteffectueacutees sur des meacutetriques agreacutegeacutees comme le deacutebit eacutecouleacute total ou le nombre total deconnexions

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FIGURE 115 ndash Principe de la meacutetrologie passive

La meilleure faccedilon de reacutealiser des mesures passives au niveau microscopique est decapturer tous les paquets traversant le point de collecte Mais comme il est difficile decapturer tous les paquets lorsque le deacutebit du lien est eacuteleveacute il faut avoir recours agrave lrsquoeacutechan-tillonnage du trafic Dans ce cas les mesures ne sont pas faites sur la totaliteacute des pa-quets traversant le point de collecte mais sur un sous-ensemble bien speacutecifique de cespaquets Le groupe de travail Packet Sampling (PSAMP) de lrsquoIETF travaille sur un algo-rithme drsquoeacutechantillonnage adapteacute au trafic Internet [PSAMP]

Une combinaison entre lrsquoanalyse des deux granulariteacutes est capable de donner uneeacutevaluation reacuteelle du trafic Les informations que lrsquoon peut obtenir par la meacutetrologie pas-sive sont nombreuses Elles reposent sur lrsquoeacutetude des informations contenues dans le da-tagramme IP que ccedila soit dans lrsquoen-tecircte du datagramme IP ou dans celle du message duprotocole de transport Les meacutetriques sont eacutegalement deacutependantes des outils utiliseacutes Onpeut classer les meacutetriques en deux cateacutegories que sont la supervision et la performance

La supervision donne des informations sur le fonctionnement du reacuteseau et la carac-teacuterisation du trafic On peut ainsi eacutetudier les diffeacuterents services et protocole de transportutiliseacutesLa performance se rapporte agrave celle du protocole de transport crsquoest-agrave-dire son fonction-nement ou sur lrsquoanalyse des flots par rapport soit agrave la composante temporelle ou soit agravela composante seacutemantique On peut alors comparer le deacutebit drsquoaccegraves theacuteorique et le deacutebitmesureacute Pour cela on va eacutetudier le taux de perte le RTT et la MSS

La meacutethode de capture peut reposer sur des eacutequipements mateacuteriels deacutedieacutes ou par unsystegraveme logiciel fonctionnant sur un eacutequipement standard Le logiciel srsquoappuie majori-tairement sur la bibliothegraveque Libpcap [Jacobson1989-2] Cette bibliothegraveque capture lespaquets reccedilus mais elle srsquoutilise eacutegalement en lisant des traces de paquets preacutealablementcaptureacutes Le problegraveme principal des solutions logicielles viennent de la vitesse des liensPlus le lien a un deacutebit eacuteleveacute plus la capture au niveau logiciel devient difficile Il fautalors se tourner vers des solutions de mateacuteriels deacutedieacutes La carte DAG [Graham1997] deacute-veloppeacutee par lrsquoeacutequipe [WAND] de lrsquoUniversiteacute de Waikato en Nouvelle Zeacutelande en est unparfait exemple Cette carte de capture est capable de capter les paquets sur des liens detregraves haut deacutebit Ce mateacuteriel se charge drsquoextraire les entecirctes des paquets de les estampillersuivant une horloge synchroniseacutee et de les stocker sur un disque dur

Lrsquoanalyse des donneacutees est reacutealiseacutee selon deux techniques temps reacuteels ou Batch Leprincipe du temps reacuteel est de pouvoir reacutecupeacuterer extraire et restituer de lrsquoinformation entemps reacuteel sur des flux continus de donneacutees Le mode Batch va englober tous les traite-ments de donneacutees neacutecessitant un temps de calcul plus conseacutequent Le premier proceacutedeacutese propose drsquoanalyser agrave la voleacutee ce qui se passe dans le reacuteseau par le branchement drsquouneacutequipement drsquoeacutecoute sur le reacuteseau On se concentre alors sur la performance du lien Desoutils comme Tstat [Mellia2005] ou Netflow [Claise2004] reacutealisent ce genre drsquoanalyse La

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seconde technique se deacutecompose en deux phases distinctes que sont la capture et lrsquoana-lyse La premiegravere eacutetape est de reacutealiser la capture du trafic appeleacutee des traces Des outilscomme TCPDump [Jacobson1989-1] ou Wireshark [Chappell2010] peuvent enregistrerdes traces sous format DUMP ou PCAP La seconde phase consiste agrave analyser les tracescollecteacutees Les formats de sortie des donneacutees analyseacutees sont deacutependants des outils Lesinformations peuvent ecirctre retranscrites au format texte ou graphique Des outils commeTCPTrace [Ostermann2000] ou TCPStat [Herman2001] peuvent effectuer ce genre drsquoana-lyse de donneacutees Crsquoest avec cette technique qursquoil est possible drsquoeacutetudier les performancesdrsquoun protocole

Il nrsquoexiste pas de plate-forme drsquoaccegraves publique reacutealisant des captures de trafic au ni-veau international Malgreacute cela des traces collecteacutees sont disponibles sur Internet agrave desfins de recherche Dans [Allman2007] les auteurs preacutesentent les regravegles agrave respecter avantde publier des traces Un point est agrave souligner et concerne les adresses IP des paquets Lanon-anonymisation des adresses IP constitue une violation de la vie priveacutee de plus ellepreacutesente un risque drsquoinseacutecuriteacute pour les machines impliqueacutees par les paquets captureacutesCAIDA gegravere un deacutepocirct de partage et propose drsquoacceacuteder agrave des traces collecteacutees agrave traversplusieurs points drsquoeacutechange ameacutericains Pour y acceacuteder il faut indiquer la finaliteacute de lrsquouti-lisation des traces demandeacutees Drsquoautres plates-formes deacutedieacutees agrave des projets ont eacuteteacute misesen place agrave travers le monde

Le projet IPMon de lrsquoopeacuterateur ameacutericain SPRINT consiste agrave identifier les problegravemesdrsquoun reacuteseau deacutejagrave deacuteployeacute afin de pouvoir anticiper son eacutevolution future[IPMon] Danslrsquoarticle [Fraleigh2001] lrsquoauteur preacutesente lrsquoinfrastructure de mesure qui est deacuteployeacutee endivers points du reacuteseau de lrsquoopeacuterateur Les premiers reacutesultats publieacutes dans [Fraleigh2003]ont montreacute une utilisation de plus en plus importante par du trafic multimeacutedia sur le pro-tocole TCP De plus les flots TCP preacutesentent des performances eacuteleveacutees avec des taux dedeacute-seacutequencement faibles et un deacutelai minimal proche du temps de propagation

Le projet METROPOLIS srsquoest inspireacute du projet IPMon Il srsquoagit drsquoun projet franccedilaisavec des points de mesures sur deux types de reacuteseaux Internet diffeacuterents RENATER etle reacuteseau ADSL de France Teacuteleacutecom laquo Lrsquoobjectif de METROPOLIS eacutetait de concevoir denouvelles meacutethodologies pour la meacutetrologie des reacuteseaux IP raquo [METROPOLIS] Dans lecadre de ce projet un outil de caracteacuterisation et drsquoanalyse des traces fut deacuteveloppeacute Cenouvel outil srsquointitule ZOO Une preacutesentation de lrsquooutil sera reacutealiseacutee dans la sous-section322 Les reacutesultats ont mis une eacutevidence lrsquousage preacutedominant du protocole de transportTCP Les applications de type peer-to-peer repreacutesentaient plus de 80 du trafic eacutetudieacute

La position geacuteographique de La Reacuteunion et son rattachement au RIR AfriNIC attirentnotre attention sur les travaux de meacutetrologie passive africains La carte [AfterFibre] preacute-sente les reacuteseaux fibres terrestres et maritimes lieacutes au continent africain On voit ainsi queles reacuteseaux sont ineacutegalement reacutepartis sur le territoire La grandeur du continent et les in-terconnections preacutesentes font du territoire un espace drsquoeacutetude inteacuteressant Crsquoest pourquoide nombreux chercheurs privileacutegient lrsquoeacutetude de la connectiviteacute et des performances delrsquoInternet africain

Dans lrsquoarticle [Johnson2011] une eacutetude sur une zone rurale connecteacutee par satelliteest reacutealiseacutee Les reacutesultats ont montreacute que le trafic est principalement composeacute de fluxweb dont une forte proportion pourrait ecirctre mise en cache Au niveau des deacutelais le RTTmoyen sur la peacuteriode de mesure varie entre 3 et 10 secondes Ce deacutelai rend lrsquoutilisationdes applications temps-reacuteel difficile Le dernier reacutesultat notable de cette analyse est lapreacutesence de trafic geacuteneacutereacute par des logiciels malveillants (malware) Des attaques pour listerles ports UDP et TCP ouverts ont eacuteteacute remarqueacutees

En 2015 les auteurs de [Zheleva2015] ont eacutetudieacute les performances du reacuteseau et le com-portement des usagers apregraves une augmentation de la bande passante en Zambie Lrsquoun des

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premiers reacutesultats indique une augmentation de plus de 58 de la quantiteacute des donneacuteeseacutechangeacutees Au niveau des performances ils ont pu eacutegalement remarquer une tregraves leacutegegraveredeacutegradation du canal de communication avec un taux de retransmission en hausse Cepourcentage est passeacute de 1 12 agrave 1 16 Le dernier reacutesultat noteacute porte sur lrsquoaugmenta-tion du RTT moyen de plus de 100 passant de 0 1436 s agrave 0 3190 s Lrsquoaugmentation dela bande passante a permis lrsquoaccegraves agrave de nouveaux services entraicircnant des changementspour les usagers

Dans [Fanou2016] lrsquoauteur srsquointeacuteresse aux services proposeacutes et compare la localisa-tion des serveurs Le premier reacutesultat montre lrsquoexternalisation continentale de nombreuxserveurs Ceci a pour conseacutequence drsquoaugmenter les deacutelais et de deacutegrader la performancedu service de communication Il faut pour lrsquoauteur arrecircter de raisonner en terme drsquoin-frastructure mais plus en terme de service et mettre lrsquoutilisateur au centre du systegravemePour cela il propose de rapatrier les services sur le territoire et drsquoaugmenter les accordsdrsquoeacutechanges entre les opeacuterateurs continentaux

Enfin dans [Johnson2016] les auteurs srsquointerrogent sur les faibles performances deTCP en Afrique La preacutesence de zone reculeacutees avec des accegraves satellitaires poussent lesdeacutelais vers des valeurs allant au delagrave des 400 ms Ces longs deacutelais sont agrave rapprocher desdeacutebits faibles De plus une expeacuterimentation sur les performances de TCP en fonction dusystegraveme drsquoexploitation a eacuteteacute meneacutee Les reacutesultats ont mis en eacutevidence que le systegraveme Li-nux avec la version TCP CUBIC est moins sensible au long deacutelais La solution proposeacutee auproblegraveme de la diffeacuterence de connectiviteacute agrave travers le continent est la creacuteation drsquoune ingeacute-nierie reacuteseau (liaison physique protocole de transport nouveau service) tenant comptedu contexte Africain

124 Comparatif entre mesures actives et mesures passives

La meacutetrologie active et la meacutetrologie passive preacutesentent des points communs et despoints de divergences Une fois des objectifs fixeacutes et au moment du choix de la meacutethodeil est important de connaicirctre les avantages et les inconveacutenients lieacutes agrave chaque type demesure Le tableau 16 reacutecapitule syntheacutetiquement ce qui vient drsquoecirctre preacutesenteacute

TABLE 16 ndash Comparatif entre mesures actives et mesures passives

Meacutetrologie Active Meacutetrologie Passive

Avantages

1 - Pour la mesure directe des pa-ramegravetres de QoS principalementle deacutelai le taux de pertes et lagigue

1 - Non intrusives2 - Permettent une mesure directedes paramegravetres utiliseacutes dans lrsquoin-geacutenierie des reacuteseaux

Inconveacutenients

1 - Intrusives le trafic de mesurepeut dans certains cas fausser lesmesures elles-mecircmes2 - Le fait que certains adminis-trateurs et entreprises bloquentou limitent le trafic ICMP peutfausser les reacutesultats obtenus parles techniques actives car ces der-niegraveres font souvent usage de ceprotocole

1 - Elles sont locales (relatives agraveun lien) et il est difficile de leseacutetendre agrave la globaliteacute du reacuteseau2 - Elles ne permettent pas la me-sure directe des paramegravetres deQoS3 - Elles neacutecessitent des ressourcesdisque et meacutemoire vive impor-tantes

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13 Synthegravese

Ce chapitre a rappeleacute le fonctionnement du controcircle de congestion de TCP Le controcirclede congestion de TCP vise agrave maximiser lrsquoutilisation des ressources et agrave maximiser le deacute-bit utile eacutecouleacute de la connexion Ce controcircle est reacutegi par une boucle fermeacutee caracteacuteriseacuteepar un RTT Plus le deacutelai est eacuteleveacute moins TCP est susceptible de reacuteagir dynamiquementaux eacuteveacutenements de congestion Lorsque le produit du RTT et de la capaciteacute du canalde communication est trop important TCP peine agrave atteindre les objectifs preacuteceacutedemmentpreacutesenteacutes Lrsquoaugmentation progressive de la bande passante sans diminution des deacutelais apour effet lrsquoaugmentation de la capaciteacute de stockage des liens Cet accroissement a uneffet neacutegatif sur les performances de TCP Cet effet neacutegatif impacte le deacutemarrage deconnexion les flots courts la reacutesolution de la congestion et la dynamique du sondagePour diminuer lrsquoeffet de la capaciteacute de stockage des liens sur les performances de TCPde nouveaux controcircles de congestion furent deacuteveloppeacutes Chaque nouvelle version ducontrocircle de congestion ambitionne de reacutesoudre une agrave plusieurs probleacutematiques des reacute-seaux agrave forte capaciteacute de stockage Le deacutemarrage de connexion et les flots courts ont dessolutions communes comme une augmentation de la capaciteacute drsquoeacutemission de TCP agrave lrsquoini-tialisation de la connexion ou la reacuteduction du RTO Les probleacutematiques de reacutesolution decongestion et de dynamique de sondage ont permis la creacuteation de nouvelles versions ducontrocircle de congestion de TCP Ces versions de TCP sont des solutions de bout-en-boutDrsquoautres solutions neacutecessitent un changement de paradigme et lrsquointeraction avec les rou-teurs Ces solutions ont lrsquoavantage drsquoecirctre reacuteactives mais neacutecessitent la mise agrave jour deseacutequipements intermeacutediaires du reacuteseau

Le localisation geacuteographique de La Reacuteunion au milieu de lrsquooceacutean indien place lrsquoicircledans une situation ougrave la capaciteacute de stockage du reacuteseau peut ecirctre importante Nous avonsainsi estimeacute cette capaciteacute agrave lrsquoaide des deacutebits theacuteoriques des accegraves et les deacutelais de propa-gation estimeacutes et mesureacutes Les reacutesultats obtenus ont mis en eacutevidence une capaciteacute destockage autorisant la caracteacuterisation de lrsquoInternet reacuteunionnais comme un reacuteseau agrave fortecapaciteacute de stockage Lrsquoimpact de cette capaciteacute de meacutemorisation nrsquoa pas encore eacuteteacute me-sureacute Crsquoest pourquoi nous nous sommes concentreacutes sur la meacutetrologie Internet

La meacutetrologie active est une science invasive en injectant des paquets dans le reacuteseauLa meacutetrologie active mesure directement des paramegravetres de qualiteacute de service comme lesdeacutelais les routes le taux perte et la gigue Nous avons vu que des outils sont en capa-citeacute de mesurer deux meacutetriques simultaneacutement Certains outils peuvent ecirctre distribueacuteset ainsi former des plates-formes de mesure Ces plates-formes offrent la possibiliteacute auxpersonnes inteacuteresseacutees du monde entier de geacuteneacuterer des donneacutees de mesure agrave travers lemonde Les performances de TCP sont deacutependantes du deacutelai Les deacutelais sont eux-mecircmedeacutependants des routes physiques et logiques emprunteacutees Il est donc important drsquoeacutetudierces deux paramegravetres Connaissant nos besoins nous utiliserons lrsquoapproche research drivenpour lrsquoeacutetude de meacutetrologie active Lrsquoapproche research driven est une approche consistantagrave deacutefinir en premier lieu les meacutetriques rechercheacutees avant de mettre en place lrsquoinfrastruc-ture et les outils neacutecessaires agrave lrsquoeacutetude Notre eacutetude de meacutetrologie active est preacutesenteacutee dansle chapitre 2

La meacutetrologie passive permet une mesure directe des paramegravetres utiliseacutes Cette classede meacutetrologie est centreacutee sur un lien de mesure Elle utilise lrsquoeacutecoute et la capture desdatagrammes IP La meacutetrologie passive eacutetudie la caracteacuterisation du trafic et la perfor-mance des protocoles Nous avons vu que des outils sont en capaciteacute de reacutealiser les deuxeacutetudes en parallegravele Ne pouvant reacutealiser des eacutetudes de meacutetrologie passive agrave distance denombreux chercheurs ont mis agrave disposition de la communauteacute scientifique des donneacuteespubliques La litteacuterature scientifique propose un grand nombre de meacutetriques pour lrsquoeacutetudedes performances du protocole de transport TCP et de la supervision du trafic Afin de

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ne pas nous concentrer sur une meacutetrique en particulier nous faisons le choix de ne pasdresser une liste de meacutetriques Notre eacutetude de meacutetrologie passive que nous preacutesente-rons dans le chapitre 3 utilisera lrsquoapproche measurement driven Cette approche consiste agravemettre en place une infrastructure de mesures afin de reacutecupeacuterer le maximum drsquoinforma-tions puis drsquoeffectuer toutes les analyses possibles sur les donneacutees collecteacutees Neacuteanmoinsla meacutetrologie passive souffre de deux faiblesses essentielles (1) elle reste locale et il estdifficile drsquoeacutetendre les reacutesultats agrave la globaliteacute du reacuteseau (2) au niveau microscopique lescaptures aboutissent tregraves rapidement agrave des volumes de traces colossaux

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Chapitre 2

Caracteacuterisation de la connectiviteacute deLa Reacuteunion

Le rapport [Mediametrie2018-2] sur lrsquoaccegraves Internet agrave La Reacuteunion a montreacute que 856de la population reacuteunionnaise de plus de 13 ans srsquoest deacutejagrave connecteacutee agrave Internet 747 deces personnes sont des usagers reacuteguliers En comparaison le rapport [Mediametrie2018-1]montre qursquoaux alentours de 68 de la population franccedilaise meacutetropolitaine se connectequotidiennement Ces sondages montrent lrsquointeacuterecirct pris par lrsquoInternet pour la populationreacuteunionnaise

En 2013 une eacutetude de meacutetrologie reacutealiseacutee par BinarySec vise a effectuer un classementdes fournisseurs drsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion Dans le rapport associeacute [Vergoz2013] 9meacutetriques sont preacutesenteacutees Parmi elles le deacutebit descendant moyen est mesureacute agrave 9 36MbsEn comparaison le deacutebit descendant moyen en France meacutetropolitaine mesureacute par[Akamai2015] srsquoeacutelegraveve agrave 8 2 Mbits Akamai utilise la plate-forme Intelligent PlatformTM

pour reacutecolter des donneacutees dont le deacutebit reacuteel La Reacuteunion posseacutedait ainsi un meilleurdeacutebit descendant que la France meacutetropolitaine Le deacutebit moyen franccedilais preacutesenteacute par[Akamai2017] est de 10 75 Mbits Le deacutebit descendant minimum reacuteunionnais mesureacutepar [nPerf2017] est de 18 63 Mbits Ainsi lrsquoeacutecart entre les deacutebits franccedilais et reacuteunionnaissrsquoest accentueacute Malgreacute un deacutebit plus eacuteleveacute La Reacuteunion preacutesente des deacutelais plus eacuteleveacutesque la France

Lrsquoeacutevolution des deacutebits pose la question sur lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis la derniegraverecampagne de mesure La figure 111 montre des deacutelais plus importants agrave La Reacuteunion qursquoagraveParis Lrsquoobjectif de ce chapitre est drsquoeacutetudier lrsquoeacutevolution des deacutelais depuis 2012 On srsquointeacute-resse eacutegalement agrave la connectiviteacute de La Reacuteunion en terme de deacutelai et de routes Lrsquoasymeacute-trie des liens est une chose courante dans lrsquoInternet Les questions que lrsquoon se pose de-puis La Reacuteunion doivent eacutegalement ecirctre poseacutees lorsque lrsquoon essaye de joindre lrsquoicircle Dansce chapitre nous allons explorer la connectiviteacute de La Reacuteunion Pour cela nous avonsmis en place un protocole de mesures se basant sur notre propre plate-forme de mesuresrespectant la reacutepartition des destinations Notre plate-forme a pour objectif lrsquoeacutetude desroutes et des deacutelais speacutecifiques de lrsquoicircle par rapport agrave son accegraves Internet via les cacircblessous-marins

Une seconde question est alors apparue Est-ce que ces speacutecificiteacutes sont uniquementcelles de La Reacuteunion ou alors communes aux icircles de la Zone Oceacutean Indien

Dans la section 21 nous preacutesentons les objectifs de notre eacutetude de meacutetrologie et lescontraintes associeacutees Afin de reacutepondre agrave ces contraintes un cahier des charges est preacute-senteacute dans la section 22 Le protocole drsquoeacutetude est deacutecrit dans la section 23 Les reacutesultatsobtenus pour La Reacuteunion suivis de ceux des icircles de lrsquoOceacutean Indien sont preacutesenteacutes dansla section 24

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21 Objectifs

En 2012 [Anelli2012] a reacutealiseacute une campagne de mesure des deacutelais depuis La Reacuteunionet Paris Cette campagne de meacutetrologie active baseacutee sur la commande ping a pour ob-jectif de deacutemontrer la diffeacuterence de deacutelai et de deacutebit entre La Reacuteunion et Paris Le premierobjectif de nos travaux consiste agrave la mise jour des donneacutees par une nouvelle eacutetude desdeacutelais Nous ferons par la suite reacutefeacuterence agrave cet objectif par le titre Evolution

Le second objectif est lrsquoanalyse de la connectiviteacute Internet de La Reacuteunion Pour arri-ver agrave obtenir une analyse preacutecise de la connectiviteacute Internet reacuteunionnaise une eacutetude surles routes emprunteacutees par les paquets IP en provenance et agrave destination de La Reacuteunionsera reacutealiseacutee Pour cela on utilisera un outil de type traceroute On utilisera les donneacuteesreacutecolteacutees pour lrsquoidentification des portes de lrsquoInternet reacuteunionnais La reacutefeacuterence utiliseacuteepour cet objectif dans le suite du manuscrit est Connectiviteacute

Ayant cibleacute les meacutetriques nous avons fait le choix de la meacutethode research-driven Cettemeacutethode preacutesenteacutee dans la section 121 a lrsquoavantage de se concentrer uniquement surdes meacutetriques deacutecideacutees preacutealablement Dans le cas de notre eacutetude ce sont les deacutelais et lesroutes

22 Cahier des charges

Deux paramegravetres doivent ecirctre pris en consideacuteration lors de la reacutedaction du cahier descharges lrsquooutil de mesure et lrsquooutil drsquoanalyse

221 Evolution

Pour reacutepondre agrave lrsquoobjectif nous allons effectuer une reprise de lrsquoexistant Lrsquooutil demesure sera la commande ping associeacutee agrave la plate-forme Planet-Lab [PlanetLabEurope]Lrsquooutil drsquoanalyse sera identique agrave celui utiliseacute par [Anelli2012]

222 Connectiviteacute

Identification des besoins

Dans le tableau 14 nous avons vu que diffeacuterents outils sont capables de mesurer lesroutes et les deacutelais Lrsquooutil retenu devra limiter les erreurs lieacutees aux meacutecanismes de lrsquoeacutequi-librage de charge et de MPLS Cet outil devra reacutealiser des mesures depuis des nœudsreacutepartis sur lrsquoensemble de lrsquoicircle Pour cela il est neacutecessaire drsquoeffectuer un choix de plate-forme de meacutetrologie active Ce choix se fera sur 2 points la distribution geacuteographiquedes nœuds de mesure et la couverture des diffeacuterents fournisseurs drsquoaccegraves internet

Lrsquooutil drsquoanalyse devra ecirctre en capaciteacute drsquoidentifier les portes de lrsquoInternet reacuteunion-nais agrave travers la geacuteolocalisation des adresses IP drsquoidentifier les marques MPLS preacutesentesdans les donneacutees pour une meilleure compreacutehension des regravegles de routage geacuteneacuterer unecarte des relations entre pays agrave travers les eacutechanges de paquets envoyeacutes et reacutealiser desstatistiques sur les diffeacuterents nœuds emprunteacutes

Mise en œuvre drsquoune infrastructure de meacutetrologie active

Dans la section preacuteceacutedente nous avons vu que notre cahier des charges devra respec-ter 3 principaux critegraveres outil de mesure plate-forme de mesure et outil drsquoanalyse

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Paris-traceroute

Nous avons vu dans la partie 122 que lrsquoeacutetude des routes et des deacutelais peut se faire agravelrsquoaide drsquoun seul outil traceroute Or cet outil est sujet agrave des impreacutecisions lieacutees agrave lrsquoeacutequili-brage des charges par exemple Souhaitant limiter lrsquoimpact de ces aleacuteas dans nos donneacuteesnous faisons le choix de Paris-traceroute Pour rappel une preacutesentation de lrsquooutil et deses meacutecanismes est faite agrave la section 122

La plate-forme RunPL

Les plates-formes disponibles Similairement dans la section 122 nous avons preacute-senteacute des plates-formes de meacutetrologie active La plate-forme seacutelectionneacutee devra respecterles critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment

Parmi les plates-formes seules Atlas et Planet-Lab ont des sondes preacutesentes sur lrsquoicirclerespectivement 21 et 2 Ces sondes sont reacuteparties de maniegravere ineacutequitable sur lrsquoicircle Lareacutegion Est de lrsquoicircle ne compte qursquoune sonde quand le minimum est de 6 dans les autresreacutegions De plus certains des Fournisseurs drsquoAccegraves Internet (FAI) nrsquoheacutebergent pas de sondede mesure Le reacutesumeacute de notre comparaison est indiqueacute dans le tableau 21

TABLE 21 ndash Reacutepartitions des sondes chez les Fournisseurs drsquoAccegraves Internet

Archipelago Atlas BISMark DASU Planet-Lab SamKnowsParis-traceroute

Oui Oui Oui Non Oui Non

Disponibiliteacutesur lrsquoicircle

Non Oui Non Non Oui Non

Couverturede lrsquoicircle

Non Oui Non Non Non Non

Reacutepartitionfournis-seurs

Non Non Non Non Non Non

On constate ainsi qursquoaucune des plates-formes preacutesenteacutees ne remplit la totaliteacute descritegraveres de seacutelection Nous avons souhaiteacute deacuteployer notre propre infrastructure Cettenouvelle plate-forme reacutepondra agrave nos critegraveres en offrant une meilleure couverture de lrsquoicirclesur les aspects geacuteographiques FAI et Technologies drsquoAccegraves agrave Internet (TAI) Lrsquoeacutechantillon depopulation est repreacutesenteacute par un ensemble drsquoeacutetudiants Notre plate-forme nous autoriseeacutegalement agrave ecirctre maicirctre de lrsquoinfrastructure de mesures que lrsquoon souhaite mettre en placeAfin de seacutelectionner les outils (physiques et logiciels) les plus adapteacutes agrave nos objectifsnous avons deacutecideacute des speacutecificiteacutes de notre plate-forme

Creacuteation et deacuteploiement de la plate-forme RunPL La plate-forme que lrsquoon souhaitedeacuteployer devra respecter un scheacutema de connectiviteacute bien preacutecis repreacutesenteacute par la figure21 La Sonde de mesure est le cœur de la plate-forme La Destination correspond agrave uneadresse IP ou un nom de domaine agrave joindre pour obtenir des informations sur les routesemprunteacutees et les deacutelais associeacutes Le Serveur de stockage est preacutesent pour deacutelester la sondede mesure LrsquoOrdinateur distant repreacutesente lrsquoadministrateur de la plate-forme Ne pouvantse deacuteplacer pour configurer la sonde un accegraves distant doit ecirctre reacutealiseacute Il est illustreacute parle train en pointilleacute sur la figure Le trait plein entre la sonde et la destination correspondagrave lrsquointeraction entre la sonde et la destination Cette interaction repreacutesente les mesuresque lrsquoon obtiendra sur les performances des liens Les sondes de mesure devront pou-voir effectuer les mesures sans limitation de destinations Elles devront afin de limiter

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le stockage effectuer un deacutelestage des mesures collecteacutees sur un serveur de stockage Ceserveur de stockage tout comme la sonde de mesure devra pouvoir ecirctre joint par lrsquoordi-nateur distant Cette communication a un double objectif Le premier est la reacutecupeacuterationdes donneacutees pour les analyses Le second est la mise agrave jour du protocole de mesure sineacutecessaire Une interaction seacutecuriseacutee est eacutetablie entre lrsquoordinateur distant la sonde et leserveur de stockage Cette liaison est caracteacuteriseacutee par les pointilleacutes sur la figure 21

FIGURE 21 ndash Scheacutema drsquointerconnexion de la plate-forme

Les speacutecificiteacutes de notre plate-forme se deacutecomposent en deux grandes parties quesont la partie mateacuterielle et la partie systegraveme

Mateacuterielle Un cahier des charges speacutecifique agrave notre plate-forme de mesure doit ecirctrereacutealiseacute La premiegravere partie concerne le choix du mateacuteriel physique

La partie mateacuterielle de la plate-forme de mesure est formeacutee de deux composants lasonde de mesure et le serveur de stockage des donneacutees Le serveur de stockage serafourni par le Laboratoire drsquoInformatique et de Matheacutematiques (LIM) Seule la sonde de me-sure sera indiqueacutee dans le cahier des charges Le mateacuteriel seacutelectionneacute devra respecter lescritegraveres preacutecis Ces critegraveres ont eacuteteacute deacutecideacutes en eacutetudiant les solutions proposeacutees par lesplates-formes preacuteceacutedemment eacutetudieacutees

mdash Peu encombrant de nombreuses sondes proposeacutees par les diffeacuterentes plates-formessont tregraves discregravetes Notre sonde devra eacutegalement ecirctre peu visible Nous souhaitonsque la sonde soit directement connecteacutee sur le routeur de lrsquousager

mdash Peu coucircteux le coucirct unitaire de chaque kit ne devait pas deacutepasser 50D afin que lrsquoonpuisse avoir un nombre de nœuds conseacutequent Un kit sera composeacute de la sonde deson cacircble alimentation drsquoune carte meacutemoire et drsquoun cacircble reacuteseau

mdash Peu eacutenergivore la facture drsquoeacutelectriciteacute eacutetant agrave la charge de lrsquousager nous souhai-tions une solution agrave faible consommation drsquoeacutenergie

mdash Diversiteacute du systegraveme drsquoexploitation (OS) Le systegraveme drsquoexploitation choisi devrasupporter lrsquoinstallation de Paris-traceroute

La seconde partie du cahier des charges de notre plate-forme se concentre sur le choixdu systegraveme drsquoexploitation

Pour rappel sur la figure 21 nous avons repreacutesenteacute en pointilleacute des interactions seacute-curiseacutees Ces eacutechanges concernent lrsquoaccegraves distant agrave la sonde au serveur de stockage et agravela sauvegarde des donneacutees de mesures sur le serveur Le systegraveme drsquoexploitation devracorrespondre aux critegraveres de seacutelection suivants

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mdash Paris-traceroute Le systegraveme drsquoexploitation devra inteacutegrer Paris-traceroute dans seslibrairies drsquoinstallations ou supporter lrsquoinstallation du code source

mdash Licence GNU-GPL Des modifications du systegraveme seront potentiellement neacuteces-saires

mdash Accegraves distant Le mateacuteriel devant ecirctre geacutereacute agrave distance Un accegraves Secure SHell (SSH)devra donc ecirctre configureacute Le protocole SSH [RFC4250] fut deacuteveloppeacute pour per-mettre lrsquoaccegraves agrave distance de terminaux

mdash Transmission seacutecuriseacutee Lrsquoaccegraves au diffeacuterents composants de la plate-forme devrase faire drsquoune faccedilon seacutecuriseacutee La restriction se fera agrave travers un systegraveme drsquoidentifi-cation

Seacutelection du mateacuteriel [Maksimovic2014] reacutealise une comparaison de diffeacuterents micro-ordinateurs tels que Arduino [Arduino] BeagleBone [Beaglebone] Phidgets [Phidgets]Udoo [Udoo] et RaspberryPi [RaspberryPi] Dans ce comparatif les critegraveres utiliseacutes sontproches de ceux que lrsquoon a seacutelectionneacutes Le tableau 22 reacutesume lrsquoensemble des critegraveres deseacutelection du mateacuteriel Il provient directement de lrsquoarticle [Maksimovic2014]

TABLE 22 ndash Tableau de comparaison des micro-ordinateurs (source [Maksimovic2014])

Critegraveres Arduino BeagleBone Phidegts Raspberry Pi UdooEncombrement(en mm)

7553 863533 813533 8565398 11085

Coucirct (en $ parnœud

30 45 50-200 25-35 99-135

Eacutenergie (en V) 7-12 5 6-15 5 6-15

Systegraveme

drsquoexploitation

Linux ang-strom

Linux

RaspbianUbuntuAndroidArchLinuxFreeBSDFedoraRISC OS

UbuntuAn-droidLinuxArchLi-nux

Nous avons mis en eacutevidence les valeurs respectant les critegraveres Nous faisons le choixdu Raspberry Pi car il possegravede le plus de critegraveres respecteacutes

Seacutelection du systegraveme drsquoexploitation Le premier critegravere de seacutelection est lrsquoinstalla-tion de Paris-traceroute Drsquoapregraves [Paris-traceroute] lrsquooutil est disponible sur les systegravemesRaspbian Ubuntu ArchLinux et FreeBSDConcernant les licences lrsquoensemble des OS ne sont pas eacutequivalents Ainsi seul RaspbianUbuntu et ArchLinux proposent une licence General Public Licence (GPL) RISC OS est as-socieacute agrave une licence proprieacutetaire Android FreeBSD et Fedora sont sous licence de logiciellibre et open source Les licences de distribution open source vont nous autoriser agrave ajou-ter modifier voire supprimer des parties du code pour qursquoil corresponde plus facilementagrave nos besoinsDe nombreux OS proposent nativement la version cliente du protocole SSH La versionserveur peut ecirctre activeacutee lors de lrsquoinstallation du systegraveme drsquoexploitation Lrsquoaccegraves distantnous permettra eacutegalement la mise agrave jour des outils et des OS pour des raisons de seacutecu-riteacuteLa seacutecurisation des eacutechanges se fera au travers drsquoun Virtal Private Network (VPN) Un

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VPN est un systegraveme permettant de creacuteer un lien direct entre des ordinateurs distants[Coonjah2015] reacutealise une comparaison entre deux outils permettant la creacuteation de VPNOpenSSH et OpenVPN OpenSSH propose de meilleures performances qursquoOpenVPN auniveau de lrsquoutilisation de la bande passante et des temps de transferts de fichiers Malgreacutecela nous avons pris le parti drsquoutiliser OpenVPN car crsquoest un outil majoritairement uti-liseacute par les entreprises [Coonjah2015] Cet utilitaire nous propose la mise en place drsquouneconnexion seacutecuriseacutee baseacutee sur lrsquoidentification agrave travers un certificat drsquoauthentificationLe VPN permet de joindre agrave travers un adressage priveacute les diffeacuterentes sondes qui se-ront distribueacutees sur lrsquoicircle de La Reacuteunion Drsquoapregraves le site officiel drsquo[OpenVPN] lrsquooutil peutsrsquoinstaller facilement sur les distributions Rapsbian Ubuntu et Fedora

Le choix du systegraveme drsquoexploitation va deacutependre des critegraveres de seacutelection Nous reacuteca-pitulons les critegraveres preacutesenteacutes preacuteceacutedemment dans le tableau 23

TABLE 23 ndash Reacutecapitulatif de la comparaison des Systegravemes drsquoexploitation sur RaspberryPi

Critegraveres Raspbian Ubuntu Android ArchLinux FreeBSD Fedora RISC OSParis-traceroute

Oui Oui Non Oui Oui Non Non

Licence GPL GPL ASL GNULinux

BSD CreativeCom-mons

CastleTechno-logiesLtdLicence

Accegraves dis-tant (SSH)

Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

OpenVPN Oui Oui Non Non Non Oui Non

Deux systegravemes disponibles pour Raspberry Pi reacutepondent agrave nos critegraveres Raspbian etUbuntu Nous faisons le choix du systegraveme Raspbian Cet OS est une distribution Linuxentiegraverement revue pour des performances optimales sur la carte Raspberry Pi Fortementinspireacutee par la distribution Linux Debian elle propose les mecircmes caracteacuteristiques que ladistribution dite de Bureau Les sondes nrsquoeacutetant pas eacutequipeacutees drsquoun systegraveme drsquoaffichagenous optons pour lrsquoinstallation la plus leacutegegravere possible avec uniquement les paquets neacute-cessaires agrave notre eacutetude

Lrsquooutil drsquoanalyse rTraceroute

Dans la section 21 nous avons preacutesenteacute les contraintes lieacutees agrave la seacutelection drsquoun outildrsquoanalyse des donneacutees de type traceroute Pour rappel ces contraintes sont les suivantes la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoidentification des liens MPLS la geacuteneacuteration drsquounecarte des liens logiques et la geacuteneacuteration drsquoun fichier comportant des statistiques sur lesdiffeacuterents nœuds rencontreacutes

Les outils disponibles Il existe diffeacuterents outils drsquoanalyse des routes que lrsquoon peut ran-ger en trois cateacutegories les geacuteneacuterateurs de donneacutees brutes les plates-formes de mesures etles outils drsquoanalyse graphiques Lrsquooutil que lrsquoon souhaite utiliser entre dans la troisiegravemecateacutegorie La litteacuterature autour drsquooutils graphiques pour lrsquoanalyse des routes nrsquoest pasaussi complegravete que lrsquoon pourrait croire

Gtrace est un outil creacuteeacute par [Periakaruppan1999] Cet outil reproduit graphiquementles reacutesultats obtenus par Traceroute Le logiciel geacutenegravere ses propres donneacutees avant de les

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repreacutesenter sous forme graphique La geacuteolocalisation ne se fait pas sur les adresses IPmais sur le nom Domain Name System (DNS) des nœuds rencontreacutes La localisation drsquounnœud nrsquoest valideacutee qursquoapregraves croisement des informations entre les abreacuteviations des villeset aeacuteroports drsquoinformations contenues dans deux bases de donneacutees Une derniegravere veacuteri-fication est reacutealiseacutee agrave lrsquoaide de la commande nslookup Actuellement cet outil nrsquoest plusmaintenu Il nrsquoimpleacutemente pas le [RFC4950] permettant lrsquoidentification des nœuds MPLSdans les routes

[Aben2015] preacutesente un outil drsquoanalyse des routes inteacutegreacute agrave Atlas RIPE NCC Cet outildrsquoanalyse se nomme OpenIPMap Il utilise la base de donneacutees de RIPE pour effectuer lageacuteolocalisation des donneacutees Les routes sont ensuite traceacutees sur une carte interactive Lesmesures geacuteneacutereacutees par Atlas sont directement visibles et peuvent srsquointeacutegrer dans OpenIP-Map Lrsquoidentification des nœuds MPLS ainsi que la partie statistique ne sont pas inclusesdans les sorties proposeacutees par OpenIPMap

Dans [Yang2016] lrsquoauteur preacutesente un outil drsquoanalyse des routes centreacute sur le conti-nent africain African Visual Route Le design de lrsquooutil srsquoinspire largement du projetOpenIPMap [Aben2015] Lrsquooutil possegravede un deacutefaut important Il lit uniquement les fi-chiers provenant de la plate-forme Atlas

Le tableau 24 preacutesente les possibiliteacutes offertes par chaque outil preacutesenteacute preacuteceacutedem-ment

TABLE 24 ndash Fonctions disponibles dans les outils graphiques drsquoanalyse des routes

African Visual Route Gtrace OpenIPMapGeacuteolocalisation Oui Oui OuiIdentificationdes liens MPLS

Non Non Non

Cartographie Oui Oui OuiStatistiques Non Non Non

On peut constater que par rapport agrave nos besoins les outils listeacutes preacutesentent des la-cunes Les critegraveres drsquoaffichage des liens MPLS et la partie statistique sur les nœuds inter-meacutediaires nrsquoont pu ecirctre remplis Pour ces raisons nous avons deacuteveloppeacute un outil drsquoana-lyse rTraceroute

Deacuteveloppement de rTraceroute

Geacuteolocalisation Dans le cadre de nos travaux la geacuteolocalisation drsquoadresse IP consi-degravere la position geacuteographique de lrsquoadresse les informations sur le deacutetenteur de lrsquoadresseet lrsquoAutonomous System (AS) associeacutes Un AS est un ensemble drsquoeacutequipements et de reacuteseauxsous une mecircme autoriteacute rTraceroute geacuteolocalise les adresses IP rencontreacutees agrave travers unebase de donneacutees impleacutementeacutee au sein du LIM Cette base de donneacutees est remplie au furet agrave mesure que de nouvelles adresses IP sont remonteacutees par les mesures Lrsquoidentificationdes nouvelles adresses se fait par un script deacuteveloppeacute en python sous ma direction parun eacutetudiant de Licence 3eme anneacutee [LanYanFock2015] Cet outil nommeacute rgeoloc utiliseles commandes de lrsquoApplication Programming Interface (API) de RIPE NCC En interro-geant une base de donneacutees drsquoun RIR nous espeacuterons limiter les erreurs lieacutees agrave la geacuteoloca-lisation Pour nos besoins nous limitons les informations lieacutees agrave la localisation et au FAICes informations sont Pays Latitude Longitude Nom du FAI Numeacutero de lrsquoASLes informations (pays longitude latitude) seront utiliseacutees par la suite pour effectuer

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des calculs de distance entre deux adresses IP Le nom du FAI autorise le suivi des ac-cords drsquoeacutechanges de paquets sur les routes Le numeacutero de lrsquoAS nous offre la possibiliteacutede suivre les diffeacuterents chemins emprunteacutes en termes drsquoAS diffeacuterents

rgeoloc est capable drsquoextraire les informations de deacutelais et de longueurs de routesdrsquoun fichier traceroute Il peut eacutegalement deacutecouper un fichier contenant plusieurs don-neacutees traceroute en fichier unitaire

La geacuteolocalisation des adresses associeacutees agrave lrsquoidentification des liens MPLS va aider agravela compreacutehension des routes de lrsquoInternet dans le monde

Identification des liens MPLS Paris-traceroute indique dans ses sorties les liensMPLS rencontreacutes [Augustin2007] indique que lrsquoidentification des liens se fait par la lec-ture des informations contenues dans les paquets reccedilus par lrsquooutil rTraceroute va identi-fier les marques MPLS et les repreacutesenter en un coloris diffeacuterent sur les cartes

Cartographie Lors de la geacuteolocalisation des adresses IP lrsquoinformation neacutecessaire agravela cartographie est le pays Lors de cette identification deux nouvelles informations sontassocieacutees agrave lrsquoIP Ce sont les coordonneacutees du pays pour la carte passeacutee en paramegravetre Agravepartir de ces nouvelles coordonneacutees rTraceroute va geacuteneacuterer une nouvelle carte affichantlrsquoensemble des liens logiques (entre pays) preacutesents dans les traces analyseacutees

Statistique rTraceroute geacutenegravere des statistiques sur chaque nœud rencontreacute La cleacutedrsquoidentification drsquoun nœud est son adresse IP et sa position sur la route analyseacutee Les sta-tistiques geacuteneacutereacutees sont lrsquooccurrence de la paire drsquoidentification le deacutelai minimal obtenupour joindre ce nœud agrave cette position et le pays rattacheacute agrave lrsquoadresse IP

Notre outil est actuellement disponible sur le site du laboratoire agrave lrsquoadresse suivante httplimuniv-reunionfrrtraceroute [rtraceroute] Cet outil est distribueacute sous licencelibre pour une large diffusion dans la communauteacute scientifique

23 Protocole de mesure

La connectiviteacute particuliegravere de lrsquoicircle par les deux cacircbles sous-marins provoque un in-teacuterecirct de lrsquoeacutetude des routes emprunteacutees Lrsquoun des objectifs de nos mesures est drsquoeacutetudierlrsquoeacutevolution des deacutelais et de la longueur des routes entre 2012 et 2016 Le second objec-tif est lrsquoeacutetude de la connectiviteacute en terme de routes de deacutelais et des accegraves logiques delrsquoInternet reacuteunionnais

Notre protocole de mesure se divise en 3 parties La premiegravere partie preacutesente lespoints communs entre les deux objectifs La seconde consiste agrave effectuer une comparai-son de lrsquoeacutetat actuel avec le travail effectueacute preacuteceacutedemment par [Anelli2012] Le troisiegravemepoint concerne les mesures drsquoidentification des portes de lrsquoaccegraves Internet de La Reacuteunion

231 Eacutechantillon de mesure

Lrsquoeacutechantillon drsquoadresses IP que lrsquoon va utiliser dans nos eacutetudes se doit drsquoecirctre repreacute-sentatif et preacutecis La preacutecision srsquoobtient par la taille drsquoun eacutechantillon La repreacutesentativiteacutepar le respect de la distribution des adresses IP dans lrsquoInternet

Il existe 232 adresses IPv4 avec une reacutepartition bien speacutecifique Drsquoapregraves les [RFC3232RFC5735 RFC6761] 592 708 865 adresses sont reacuteserveacutees On peut citer en exemple lesadresses de type 1921680016 Ce bloc est reacuteserveacute aux reacuteseaux priveacutes Son utilisationpreacutevue est documenteacutee dans le [RFC1918] Telles que deacutecrites dans ce standard les adresses

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