Une Auto-Organisation et ses Applications pour les Réseaux Ad-Hoc et Hybrides

1. 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

2. Contexte • Qu’est ce qu’un réseau ad hoc ? • Hybride ? • Défis • Routage, Confidentialité… • Contraintes • Mobilité • Hétérogénéité • Radio

3. 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 • …

4. Plan • Objectif et Définition • Proposition d’auto-organisation • Propriétés • Avantages pour les services réseau • Impact sur la capacité • Expérimentations • Conclusion et Perspectives

5. Objectif • Organiser le réseau avant son utilisation • Et prouver l’efficacité d’une auto-organisation clusterhead dominant dominé Ensemble Connecté Dominant (CDS) Clustering: Diamètre / rayon / cardinalité

6. (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

7. Plan • Objectif et Définition • Proposition d’auto-organisation • Propriétés • Avantages pour les services réseau • Impact sur la capacité • Expérimentations • Conclusion et Perspectives

8. Description générale de CDCL 2. Construction d’une dorsale 3. Construction de grappes 1. Découverte de voisinage Theoleyre, Valois, Structure virtuelle pour une auto-organisation dans les réseaux ad-hoc et hybrides, Annales des Télécommunications, accepté avec révisions mineures Theoleyre, Valois, A Virtual Structure for Mobility Management in Hybrid Network, in IEEE WCNC, USA, 2004

9. 8 4 3 5 2 8 6 7 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 7

10. CDCL – Dorsale - Construction • Initiée par un (ou plusieurs) leader(s) • Poids • énergie, mobilité, degré • k-CDS • Création d’un ensemble dominant • Elections locales • Interconnexion • Invitations avec des inondations locales

11. Dominant Dominé En élection Leader Hello Invitation connexion Lien radio CDCL – Exemple de 2-CDS 10 4 2 4 9 5 8 8 7 5 • Remarque: Construction d’un arbre

12. 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 • Optimisation du nombre de participants • Trafic de contrôle • Auto-organisation intégrée • Clusterhead = dominant • Distance via la dorsale

13. CDCL – Clusters - Construction Distance max = 2 sauts 7 7 4 5 3 5 8 10 10

14. CDCL – Maintenance • Vitale • Mobilité • Robustesse aux fautes • Dorsale • Maintenance événementielle • Dominé isolé • Dominant déconnecté de la dorsale • Dorsale cassée • Dominant superflu • Clusters • Vecteur de distance

15. Vue synthétique

16. Plan • Objectif et Définition • Proposition d’auto-organisation • Propriétés • Avantages pour les services réseau • Impact sur la capacité • Expérimentations • Conclusion et Perspectives

17. Evaluation de performances • Simulations • OPNET Modeler 8.1 • 40 nœuds distribués aléatoirement • Couche MAC (802.11) + radio réaliste • Hellos • toutes les 4 secondes • Mesures : • cardinalité, connexité, persistance • Paramètres • densité, mobilité, nombre de nœuds • Comparaison • CDCL / Wu & Li

18. Convergence 50 nœuds statiques, degré = 10, kcds=1

19. Impact de la mobilité 40 nœuds, degré = 10, modèle de mobilité random waypoint

20. Impact de la mobilité 40 nœuds, degré = 10, modèle de mobilité random waypoint

21. Trafic de contrôle degré = 10, modèle de mobilité random waypoint, vitesse de 5m/s

22. Cardinalité bornée Borne théorique : degré = 10

23. Propriétés - conclusion Quelle(s) conclusion(s) ? • Rapidité de convergence • Robustesse à la mobilité • changements locaux  impact local • Persistance • Cardinalité bornée (et réduite)  Comment l’exploiter efficacement ?

24. Plan • Objectif et Définition • Proposition d’auto-organisation • Propriétés • Avantages pour les services réseau • Impact sur la capacité • Expérimentations • Conclusion et Perspectives

25. 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’énergie 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

26. VSR – Passage à l’échelle degré = 10, modèle de mobilité random waypoint, vitesse de 5m/s

27. Plan • Objectif et Définition • Proposition d’auto-organisation • Propriétés • Avantages pour les services réseau • Impact sur la capacité • Expérimentations • Conclusion et Perspectives

28. 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

29. Travaux existants et Objectif • Etude asymptotique [gupta00,zemlianov05] • Capacité asymptotique • Routage intégré dans la modélisation  ne permet pas une comparaison • But : • Capacité quantitative • Topologie, trafic de contrôle et routes donnés • Débit atteignable avec une couche MAC idéale • ordonnancement parfait, avec équité • Problème de type multi-flots • Programmation linéaire

30. 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

31. Contraintes • Multisauts • Contraintes linéaires : q q q S D Quantité de données = q • Trafic du lien radio e • = • Somme des trafics des flux passant par e

32. a b c d e Contraintes • Partage des ressources radio • Borne inférieure • Seuls les 2-voisins peuvent interférer : • Ex : équité terminaux 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

33. a b c d e Contraintes • Partage des ressources radio • Borne inférieure • Partage entre liens radio 0 1/5 2/5 3/5 4/5 1 a b c d e e Trafic de contrôle de d Trafic de données vers e Trafic de données vers c

34. Contraintes • Partage des ressources radio • Borne supérieure • Autoriser les communications du type : • Référencement des communications possibles :

35. Contraintes • Partage des ressources radio • Borne supérieure : calculer la proportion • Calcul des MIS  NP-Complet  exhaustif • Algorithme de calcul statistique • Ex: équité liens radio

36. Contraintes • Partage des ressources radio • Borne supérieure • Partage entre liens radio • Avec équité liens radio 0 2/3-e 1-e 1 a a IS1 Trafic de contrôle IS2 b b Trafic du lien radio a = Trafic du lien radio c Trafic du lien radio b c c

37. 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

38. Capacité VSR = OLSR : borne > borne < Wu & Li degré = 10, capacité par flux, toutes les routes actives, équité liens radio

39. Conclusion • Réseau ad hoc • pas d’impact de notre auto-organisation • impact possible si mal conçu (exemple : [wu99]) • Réseau hybride • backbone mal équilibré à la racine • goulot d’étranglement

40. Plan • Objectif et Définition • Proposition d’auto-organisation • Propriétés • Avantages pour les services réseau • Impact sur la capacité • Expérimentations • Conclusion et Perspectives

41. Pourquoi des expérimentations ? • Evaluation de l’auto-organisation • Simulations • OPNET • cardinalité, persistance, délai, taux de livraison, etc.… • Analyse théorique • auto-stabilisation • complexité • cardinalité • … • problème : la modélisation radio

42. Evaluation • Problèmes • Liens radio • instabilité • hétérogénéité • unidirectionnels • Performances de 802.11 [dhoutaut03]

43. Débits TCP flux TCP vers Internet

44. Mobilité – Débit TCP débit instantané, flux constant vers Internet

45. Plan • Objectif et Définition • Proposition d’auto-organisation • Propriétés • Avantages pour les services réseau • Impact sur la capacité • Expérimentations • Conclusion et Perspectives

46. 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 »

47. Perspectives • Conception • Plateforme complète • Évaluationde performances • Implémenter de nouveaux testbeds • Scénarios test • Auto-* • réseaux de capteurs ? • auto configuration ? • contrôle de topologie ? • architecture : en couches, modulaire ?

49. 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