une auto-organisation et ses applications pour les réseaux ad-hoc et hybrides thèse de doctorat de...
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Une Auto-Organisation et ses Applications pour les Réseaux Ad-Hoc et Hybrides
Thèse de doctorat de
Fabrice THEOLEYRE
CITI – INRIA ARES – INSA Lyon
Directeurs de thèse :
Fabrice Valois
Eric Fleury
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Contexte Qu’est ce qu’un réseau ad
hoc ? Hybride ?
Défis Routage, Confidentialité…
Contraintes Mobilité Hétérogénéité Radio
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Motivations Approche classique en ad hoc
Vision à plat Égalité et solidarité Ensemble déstructuré … à utiliser tel quel Tout refaire … à chaque fois
Exemple Diffusion Routage …
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Plan Objectif et Définition Proposition d’auto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives
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Objectif
Organiser le réseau avant son utilisation Et prouver l’efficacité d’une auto-
organisation
dominant
Ensemble Connecté Dominant
(CDS)
Clustering: Diamètre / rayon /
cardinalité
dominé
clusterhead
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(ma) définition Introduit une vue hiérarchique
Vue logique ≠ topologie radio Un ou plusieurs niveaux de hiérarchie
Localisé (auto)
Couche d’auto-organisation Couche fédératrice Mutualisation Un moyen et non une fin
Theoleyre, Valois, Auto-organisation de réseaux ad hoc : concepts et impacts, chap. 5 de Réseaux mobiles ad hoc et réseaux de capteurs, Hermès, 2006, 101-128
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Plan Objectif et Définition Proposition d’auto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives
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Description générale de CDCL
1. Découverte de voisinage
2. Construction d’une dorsale
3. Construction de grappes
Theoleyre, Valois, A Virtual Structure for Mobility Management in Hybrid Network, in IEEE WCNC, USA, 2004
Theoleyre, Valois, Structure virtuelle pour une auto-organisation dans les réseaux ad-hoc et hybrides, Annales des Télécommunications, accepté avec révisions mineures
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Carences des dorsales existantes Algorithmes localisés [wu99, stojmenovic01]
Règle : je suis redondant Pas conçus pour la persistance Pas d’arbre
Algorithmes distribués [butenko03] Borne de cardinalité Pas de maintenance
Dorsale non flexible k-CDS
5
68
3
2
7
5
7
4
8
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CDCL – Dorsale - Construction Initiée par un (ou plusieurs) leader(s) Poids
o énergie, mobilité, degré k-CDS
1. Création d’un ensemble dominanto Elections locales
2. Interconnexiono Invitations avec des inondations locales
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CDCL – Exemple de 2-CDS
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5 Remarque :Construction
d’un arbre
4
7
5
2
98
8
Dominant
Dominé
En élection
Hello
Invitation
Lien radio
connexion
Leader
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CDCL – Clusters - Construction Algorithme classique [lin97]
Le nœud a plus fort poids clusterhead Puis ralliement des voisins
Modifications Rayon flexible Tire parti de la dorsale
o Optimisation du nombre de participantso Trafic de contrôle
Auto-organisation intégréeo Clusterhead = dominanto Distance via la dorsale
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CDCL – Clusters - Construction
5
8
4
3
7
10
5
7
10
Distance max = 2 sauts
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CDCL – Maintenance Vitale
Mobilité Robustesse aux fautes
Dorsale Maintenance événementielle1. Dominé isolé2. Dominant déconnecté de la dorsale3. Dorsale cassée4. Dominant superflu
Clusters Vecteur de distance
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Vue synthétique
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Plan Objectif et Définition Proposition d’auto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives
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Evaluation de performances Simulations
OPNET Modeler 8.1 40 nœuds distribués aléatoirement Couche MAC (802.11) + radio réaliste Hellos
o toutes les 4 secondes
Mesures :o cardinalité, connexité, persistance
Paramètreso densité, mobilité, nombre de nœuds
Comparaisono CDCL / Wu & Li
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Convergence
50 nœuds statiques, degré = 10, kcds=1
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Impact de la mobilité
40 nœuds, degré = 10, modèle de mobilité random waypoint
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Impact de la mobilité
40 nœuds, degré = 10, modèle de mobilité random waypoint
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Trafic de contrôle
degré = 10, modèle de mobilité random waypoint, vitesse de 5m/s
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Cardinalité bornée
degré = 10
Borne théorique :
MCDSkCDCL .=
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Propriétés - conclusionQuelle(s) conclusion(s) ?
1. Rapidité de convergence2. Robustesse à la mobilité
changements locaux impact local
3. Persistance4. Cardinalité bornée (et réduite)
Comment l’exploiter efficacement ?
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Plan Objectif et Définition Proposition d’auto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives
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Bénéfices d’une auto-organisation Routage ad hoc
Virtual Structure Routing (VSR) Adapte les protocoles existants Dorsale pour la diffusion Double hiérarchie
Internet sans-fil multisauts Self-Organized Mobility Management (SOMoM) Dorsale = arbre proactif de routage
Économie d’énergieS
D
Theoleyre, Valois, Virtual Structure Routing in Ad Hoc Networks, in IEEE ICC, Corée du Sud, 2005
Theoleyre, Valois, Mobility management in multihops wireless access networks, in IFIP PWC, France, 2005
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VSR – Passage à l’échelle
degré = 10, modèle de mobilité random waypoint, vitesse de 5m/s
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Plan Objectif et Définition Proposition d’auto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives
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Problématique Capacité
Débit atteignable par le réseau
Dimensionne les applications
Auto Organisation Supprime certains liens Surcharge certains
nœuds Pas le plus court chemin
Quel impact sur la capacité ?
Comparaison à plat / auto organisé
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Travaux existants et Objectif Etude asymptotique [gupta00,zemlianov05]
Capacité asymptotique Routage intégré dans la modélisation ne permet pas une comparaison
But : Capacité quantitative
o Topologie, trafic de contrôle et routes donnéso Débit atteignable avec une couche MAC idéale
ordonnancement parfait, avec équité
Problème de type multi-flotso Programmation linéaire
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Capacité : problème(s) Comment est
impactée la capacité ? Interférences radio Multisauts
Hypothèses de modélisation
Liens bidirectionnels
Broadcast de C
Unicast de C à D
Contraintes locales
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Contraintes
Multisauts
Contraintes linéaires :
S D
Quantité de données = q
q q q
Trafic du lien radio e =
Somme des trafics des flux passant par e
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Contraintes
Partage des ressources radio Borne inférieure
o Seuls les 2-voisins peuvent interférer :o Ex : équité terminaux
ab
d
c
e
0 1/5 2/5 3/5 4/5 1
a b c d e
Rivano, Theoleyre, Valois, Capacity Evaluation Framework and Validation of Self-Organized Routing Schemes, in IEEE IWWAN, USA, 2006
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Contraintes
Partage des ressources radio Borne inférieure
o Partage entre liens radio
0 1/5 2/5 3/5 4/5 1
a b c d e
Trafic de contrôle
de dTrafic de
données vers c
Trafic de données vers e
2
1 −2
1 −
ab
d
c
e
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Contraintes
Partage des ressources radio Borne supérieure
o Autoriser les communications du type :
o Référencement des communications possibles :
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Contraintes
Partage des ressources radio Borne supérieure : calculer la proportion
o Calcul des MIS NP-Complet exhaustifo Algorithme de calcul statistique
Ex: équité liens radio
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Contraintes
Partage des ressources radio Borne supérieure
o Partage entre liens radioo Avec équité liens radio
02/3- 1-
IS1 IS2
Trafic du lien radio a = Trafic
du lien radio c
1
Trafic de contrôle
Trafic du lien radio b
a
b
c
a
b
c
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Démarche adoptée Données
Topologie, routes, trafic de contrôle
Contraintes de flux sur chaque lien radio traversé
Contraintes de partage radio Borne inférieure Borne supérieure
Programmation linéaire Capacité
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Capacité
degré = 10, capacité par flux, toutes les routes actives, équité liens radio
Wu & Li
VSR = OLSR :borne >
borne <
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Conclusion
Réseau ad hoco pas d’impact de notre auto-organisation o impact possible si mal conçu (exemple : [wu99])
Réseau hybrideo backbone mal équilibré à la racineo goulot d’étranglement
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Plan Objectif et Définition Proposition d’auto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives
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Pourquoi des expérimentations ? Evaluation de l’auto-organisation
Simulationso OPNETo cardinalité, persistance, délai, taux de livraison, etc.
… Analyse théorique
o auto-stabilisationo complexitéo cardinalitéo …
problème : la modélisation radio
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Evaluation
Problèmes Liens radio
o instabilitéo hétérogénéitéo unidirectionnels
Performances de 802.11 [dhoutaut03]
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Débits TCP
flux TCP vers Internet
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Mobilité – Débit TCP
débit instantané, flux constant vers Internet
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Plan Objectif et Définition Proposition d’auto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives
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Conclusion Proposition d’une structure d’auto organisation
Robustesse Stabilité Rapidité de convergence
Avantages pour les services réseau Routage Internet sans-fil multisauts Peu d’impact sur la capacité
Évaluation Simulations Analyse théorique Expérimentations réelles
« Une auto-organisation améliore les performances d’un réseau ad hoc ou hybride »
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Perspectives Conception
Plateforme complète
Évaluation de performances Implémenter de nouveaux testbeds Scénarios test
Auto-* réseaux de capteurs ? auto configuration ? contrôle de topologie ? architecture : en couches, modulaire ?
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Chapitres de livre Theoleyre, Valois, Auto-organisation de réseaux ad hoc :
concepts et impacts, chap. 5 de Réseaux mobiles ad hoc et réseaux de capteurs, Hermès, 2006, 101-128
Conférences Internationales Theoleyre, Valois, On the Performances of the Routing
Protocols in MANET: Classical versus Self-Organized Approaches, in IFIP Networking, Portugal, 2006
Rivano, Theoleyre, Valois, Capacity Evaluation Framework and Validation of Self-Organized Routing Schemes, in IEEE IWWAN, USA, 2006
Theoleyre, Valois, About the self-stabilization of a virtual topology for self-organization in ad hoc networks, in IEEE SSS, Espagne, 2005
Theoleyre, Valois, Mobility management in multihops wireless access networks, in IFIP PWC, France, 2005
Theoleyre, Valois, Virtual Structure Routing in Ad Hoc Networks, in IEEE ICC, Corée du Sud, 2005
Theoleyre, Valois, A Virtual Structure for Mobility Management in Hybrid Network, in IEEE WCNC, USA, 2004