Les réseaux ad hoc mobiles Routage

1. Les réseaux ad hoc mobilesRoutage

2. Introduction – Qu’est-ce que les réseaux ad hoc Caractéristiques des MANETs • Autonomes (pas de routeurs dédiés), • Liaisons radios (bande passante limitée, taux d’erreurs élevé), • Topologie dynamique (mouvement des nœud, entrée en sommeil), • Utilisation de batteries pour l’énergie (Problème d’énergie), • …,Sécurité physique limitée (vol), Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

3. Introduction – Qu’est-ce que les réseaux ad hoc Exemple d’application des réseaux ad-hoc : • Recherche d’urgence et opérations de secours, • Meetings (ou conventions) où des personnes veulent s’échanger rapidement des information, • Opérations d'acquisition de données dans des terrains inhospitaliers, • Réseaux locaux dans le future ? Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

4. Introduction – Qu’est-ce que les réseaux ad hoc • Limitations typiques des réseaux ad hoc • consommation d’énergie élevée • Bande passante faible • Taux d’erreur élevé • Mobilité élevée pour chaque nœud du réseau Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

5. Introduction – Qu’est-ce que les réseaux ad hoc Défis de Recherches • Problèmes de la couche MAC • Fiabilité de la couche liaison ? • QoS dans MAC? Économie de l’énergie ? • Problèmes de la couche réseau • Routage ; (QoS?) Économie de l’énergie ? • Multicast ? • Problèmes de la couche transport • Fiabilité de bout-en-bout; Contrôle de congestion? QoS? • Problèmes de la couche application : Sécurité? QoS? • Interactions avec les couches; Interconnexion avec Internet; Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

6. Organismes de recherche • IETF MANET WG • Routage (unicast, multicast, etc.) • Routage avec QoS ? • Sécurité; • http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html • Gouvernements : US, Finlande, Germany, France, … • Universités : CMU, INRIA, UCLA, • Industriels : Nokia, Siemens, Eriksson, etc. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

7. Routage dans le réseau Ethernet • Comment acheminer • Utiliser identificateur => adresse globale unique, ex: IP • Trois types d’acheminement • datagramme (sans connexion), ex: UDP,TCP/IP • circuit virtuel (avec connexion), ex: ATM • routage par source Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

8. 0 0 3 3 1 Routeur 4 Routeur 1 1 2 2 2 3 2 2 1 Routeur 2 1 3 3 0 0 Host A 0 B 3 0 3 Routeur 3 Interface d’entrée, prochain saut, Interface de sortie 1 2 Host B Routage dans le réseau Ethernet : par source Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

9. 0 0 3 3 1 Routeur 4 Routeur 1 1 2 2 2 3 Host C Routeur 2 1 0 Routeur 2 Host D Dest. Inter. de sortie Host A 0 A 3 B 0 3 Routeur 3 3 C 1 D 1 2 Host B Routage dans le réseau Ethernet : sans connexion Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

10. Host 2 Host 1 Host 3 1 (Ethernet) 2 (Ethernet) Routeur 3 Host 7 Host 8 Routeur 1 Routeur2 Routeur 2 Numéro Saut réseau prochain 1 R3 2 R1 3 Interface 1 4 Interface 0 Réseau 4 (point-à-point) 3 (Token-ring) Host 4 Host 5 Host 6 Routage dans le réseau Ethernet : Internet Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

11. Problème principal du Routage • Le standard (Mobile) IP a besoin d’une infrastructure • Home Agent/Foreign Agent dans le réseau fixe. • DNS, routage etc. n’étaient pas conçus pour la mobilité. • Pas d’infrastructure dans les réseaux ad hoc • Aucun routeur par défaut n’est disponible. • Chaque hôte (nœud) doit être capable de router les paquets. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

12. Routage dans le réseau Ethernet : sélection de la route • Vecteur distance (Distance Vector) • Compteur de sauts • Etat de lien (Link state) • Coût de lien Routead hoc Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

13. Algorithmes classiques de routage • Vecteur de distance « Distance Vector »(RIP) • Échange périodique des tables de routage entre tous les voisins physiques  Chaque entrée de la table de routage contient la destination et le prochain routeur à traverser pour l’atteindre. • Choix du plus court chemin dans le cas ou il y a plusieurs chemins disponibles • État de lien « Link State »(OSPF) • Chaque routeur inonde le réseau par l’état courrant de tous lesliens physiques. • Le routeur à une vue complète sur le réseau. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

14. Routage dans les réseaux ad hoc • Les différences entre le routage dans les réseaux Ethernet et dans les réseaux ad-hoc : • Mobilité, • Structure dynamique de topologie de réseau, • IP != localisation physique, • Chaque nœud mobile joue le rôle d’un routeur, • Liens unidirectionnels, • Limitations technologiques Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

15. 12 11 10 5 13 2 6 1 7 4 9 3 8 Routage dans les réseaux ad hoc Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

16. Les algorithmes classiques dans les MANETs • Dynamique de la topologie • Changements fréquents de liens, qualité des liens, • Performances limitées des systèmes mobiles • les mises à jour périodiques des tables de routage ont besoin de l'énergie et parfois inutiles (sans contribuer à la transmission des données d'utilisateur, les modes veille sont difficiles à réaliser). • Les échanges des informations de routage réduisent de plus en plus la bande passante. • Problème: ces protocoles ont été conçus pour les réseaux fixes avec des changements peu fréquents et supposent typiquement des liens symétriques Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

17. Routage dans les MANETs • Solution - Concevoir des algorithmes spécialement pour les réseaux ad hoc  Léger (Énergie)  Optimal (précision des routes)  Scalable (mobilité / nœuds)  Multicast, sécurité, … Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

18. Routage plat Routage hybrides Routage géographique réactif proactif FSR WRP LAR GPSR … OLSR ZRP HSR … AODV DSR ADV TORA ABR Routage Ad Hoc DSDVCGSR Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

19. Routage dans les réseaux ad hoc • Deux types de routage : • Basé-table • Basé-source initialisation (à la demande) = Table-driven / proactif = on-demand / reactif Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

20. Routage dans les réseaux ad hoc • Deux types de routage : • Basé table • Chaque nœud maintient une ou plusieurs tables pour stocker des information de routage • Chaque nœud réagit aux changements de la topologie du réseau en propageant des mises à jour à travers le réseau dans le but de maintenir une vue consistante du réseau • Diffusion de changements • Basé-source initialisation (à la demande) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

21. Routage dans les réseaux ad hoc • Deux types de routage : • Basé-table • Basé-source initialisation (à la demande) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

22. Routage dans les réseaux ad hoc • Deux types de routage : • Basé-table • Basé-source initialisation (à la demande) • Crée les routes à la demande du nœud source • Lorsqu’une route est établie, elle est maintenue par une procédure de maintenance jusqu’à ce que la destination devient inaccessible à travers chaque chemin depuis la source ou lorsque la route n’est plus désirée Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

23. Protocoles de routage basé-table Proactifs • DSDV • (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) • CGSR • ( Clusterhead Gateway Switch Routing) • OLSR • (Optimized Link State Routing) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

24. DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) • Mécanisme de routage classique Bellman-Ford (pas de boucle) • Utilisation d’une table • ( < destination, saut prochain, #sauts, seq°>) • Mises à jour périodiques diffusés dans le réseau • Un paquet de mise à jour contient le nouveau seq° incrémenté du nœud émetteur, • Seq° reçu> seq° : mise à jour de l’entrée dans la table locale • Seq° reçu = seq° : #sauts reçu<#sauts : mise à jour • autres entrées reçues ignorées • Full dump (toute la table), plusieurs NPDU réseau • Incremental (changement), entre full dump Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

25. CGSR(Clusterhead Gateway Switch Routing) • Réseau constitué en clusters • Chaque cluster est contrôlé par un cluster head CH • Tous les nœuds dans la portée de transmission du CH sont dans ce cluster • élection du CH : séparation de codes entre clusters, accès canal, routage et allocation de bande passante. • Pb. Changements fréquents de CH => performances – • LLC (Least Cluster Change) : • deux CH se rencontrent (à la portée l’un de l’autre), • un nœud se déconnecte de tous les CH. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

26. CGSR(Clusterhead Gateway Switch Routing) heuristique • Au début, utiliser l’algorithme de priorité p pour créer les clusters initiaux. • Un nœud non CH dans cluster i se déplace vers un cluster j : aucun CH ne change ni dans i ni dans j. • Un nœud non CH se déplace en dehors de son cluster et ne rentre dans aucun cluster, il devient nouveau CH. • Un CH(i) se déplace vers un autre cluster j ayant CH(j) : CH(i) ou CH(j) doit renoncer à sa position de cluster head selon p. • Nœuds qui se séparent d’un cluster doivent recalculer le groupement (clustering) selon p. p = plus petite identité, connectivité élevée, etc. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

27. CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing) • CGSR = DSDV + routage hiérarchique • (depuis le cluster head vers la passerelle (gateway GW) pour router le trafic depuis la source vers la destination ) • nœuds GW sont des nœuds dans la portée de communication de deux ou plusieurs CH • paquet envoyé par un nœud est d’abord acheminé à son CH, ensuite acheminé vers un GW, ensuite vers un autre CH et ainsi de suite jusqu’au CH du nœud destination. C2 5 C1 4 C3 4 Nœud 1 3 6 8 3 Gateway Cluster Head 7 7 6 2 2 • Routage du nœud 1 vers le nœud 8 Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

28. OLSR (Optimized-LS-Routing)INRIA • Proactif • Calcul périodique des routes vers toutes les destinations  Routes prêtes à la demande. (QoS)  Diminue la charge supplémentaire en réaction aux changements de topologie.  Très performant dans le cas de communications fréquentes entre plusieurs nœuds. • L’information sur l’état des liens est diffusée périodiquement dans tous le réseau.  Utilisation des MPR (Optimisation) • Utilisation des liens bidirectionnels!! Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

29. OLSR (Optimized-LS-Routing)NRIA MPR (MultiPoint Relay) • Sous ensemble des voisins d’un nœud. • Se charge de l’acheminement du trafic et la rediffusion des messages de contrôle.  Plus la taille de l’ensemble MPR est petite plus OLSR est optimal. • Tous les voisins de degrés 2 doivent être atteints seulement avec les rediffusion des MPR. • Un nœud calculant le plus court chemin vers une destination ne se base que sur ses voisins et tous les MPR des autres nœuds  OLSR est optimisé pour les réseaux denses  Sinon tous les nœuds deviennent des MPR et OLSR devient l’algorithme état de liens classique. • Le calcul de l’ensemble MPR est NP-Complet  Utilisation d’heuristiques efficaces Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

30. OLSR (Optimized-LS-Routing)RIA Calcul des MPR : heuristique • Pour chaque nœud x, N1(x) voisins (bidirectionnels) de degré 1, N2(x) voisins (bidirectionnel) de degrés 2, • MPR(x) est sous ensemble de N(x).  Chaque nœuds envoie la liste de ses voisins (Messages Hello). • Commencer par MPR(x) vide, • Ajouter à MPR (x) les nœuds de N1(x) qui sont les seuls voisins des nœuds de N2(x) /*Optimisation*/ • Tant que il existe des nœuds dans N2(x) non couverts par MPR(x) faire a) Pour chaque nœud dans N1(x)-MPR(x) calculer le nombre de nœuds qu’il couvre parmi ceux de N2(x) non encore couverts; b) Ajouter le nœud qui couvre le maximum de voisins N2(x) à MPR(x). Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

31. OLSR (Optimized-LS-Routing) Algorithme • Chaque nœud calcule son ensemble MPR  Envoi un message Hello à ses voisins contenant son ensemble MPR, • Chaque voisins recevant Hello, met à jour l’ensemble des nœuds qui l’ont choisi comme MPR (MS : MPR selectors),  Chaque message Hello à un Numéro de Séquence (âge). • La mise à jour des états de liens d’un nœud x est réduite aux MPR selectors MS de x (MS(x)).  Le nœud x ne peut être joint que par ses MPR • Le routage n’est rien d’autre que l’inondation périodique avec des messages TC (Topology Control) envoyé parchaque nœud pour déclarer son ensemble MS (avec TTL=255).  Tous les nœuds qui reçoivent cette information mettent à jour leurs tables de topologie et ensuite leur table de routage.  Un numéro de Séquence MSSN pour les MS est attaché à TC pour permettre les mises à jours. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

32. Protocoles de routage basé-source initialisation • DSR • (Dynamic Source Routing) • AODV • ( Ad Hoc On demand Distance Vector Routing) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

33. DSR (Dynamic Source Routing)MU • Réactif • Calcul des routes à la demande  Phase de route discovery dans le cas ou aucune route n’est disponible  « Délai » • Garder la trace de tous les nœuds intermédiaires pour atteindre la destination (Source Routing) • Routage Multi-chemins (Multipath) grâce à l’utilisation de source routing • Tampon mémoire « Agressif » de plusieurs routes pour les utiliser en cas de panne de route. • Pas de boucles de routage (Loopfree) grâce à source routing • Utilisation de « Promiscuous mode »  N’envoyer les route_request que s’ils n’ont pas été déjà vus Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

34. DSR (Dynamic Source Routing) • Algorithme : 2 Phases (1/2) • Découverte d’une route (route discovery) • Siaucune route n’est disponible d’un nœud S vers un autre nœud D alors S inonde le réseau par route_request  Utilisation de route_record pour enregistrer les nœuds intermédiaires de S à D.  Les tables de routage contiennent des route_record • Chaque nœud maintient une liste de couples (initiator_adr,request_id)  Éviter de traiter plusieurs fois le même message. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

35. DSR (Dynamic Source Routing) • Algorithme : 2 Phases (2/2) • Répondre à une requête de routage(route reply) • Quand un nœud reçoit un message route_request, il vérifie 1. Le couple (initiator_adr,request_id), 2. Si c’est lui la destination, 3. S’il connaît une route vers la destination Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

36. DSR (Dynamic Source Routing) 1. S’il a déjà traité le message  il ignore ce message 2. Sinon 2.1 S’il ne connaît pas une route vers la destination  Met son ID dans le route_record et retransmet le message 2.2 Sinon /*il connaît la destination ou une route vers la destination*/  Répond par un message route_reply 2.2.1. Si les liens sont bidirectionnels alors  Il utilise probablement le chemin inverse de route_request 2.2.2. Sinon  Il commence un route_request vers le nœud S pour répondre par route_reply Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

37. DSR (Dynamic Source Routing) • Maintenance des routes(Route Maintenance) • Maintenance des routes par l’envoi de paquets route_error quand la couche liaison de donnée (DLL) rencontre un problème de transmission.  A la réception d’un paquet route_error, le nœud qui a causé l’erreur est supprimé du cache et toutes les routes qui contiennent ce nœud sont tronqués à cet endroit. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

38. [1,11,12,13] 14 [1,11,12] [1,11,12,13,14] 12 13 [1,11] 15 [1,2,10,9] 11 [1,2,10] 9 [1] [1,2] [1,2,10,9,8] 10 [1] [1,2,10,9] [1,2] [1,2,10] 8 1 2 [1,2,6,5] 6 [1,2] 5 [1,2,6] [1,2,6,5] 3 [1,2,3] 4 7 [1,2,3,4] DSR (Dynamic Source Routing) Exemple Un exemple de propagation du paquet RREP depuis la destination 15 vers la source 1 avec le protcole DSR. RREP RREQ Un exemple de propagation du paquet RREQ depuis la source 1 vers la destination 15 avec le protcole DSR. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

39. AODV (Ad hoc On demand-DV) • Plusieurs chances d’être standardisé par (WG-MANET de IETF) • Établissement des routes à la demande  Phase (RREQ/RREP) pour la recherche d’une nouvelle route • Gestion des pannes de route (RRER) • Pas de boucle (Loop-free)  Utilisation des numéros de séquence Seq# pour chaque nœud.  Chaque nœud incrémente son Seq# quand la topologie change (changement de ses voisins) • Utilisation des liensbidirectionnels Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

40. AODV (Ad hoc On demand-DV)A • Phase RREQ • S nœud source, D nœud destination. • S inonde (selon TTL) un message RREQ et active un timer pour contrôler la durée de recherche • Chaque nœud recevant RREQ - Répondre par RREP (connaît route vers D) ou - Rediffuser le message * Garder trace du chemin inverse (vers S) * Éventuellement, mise à jour des seq# (pourS) Garder le seq# le plus grand pour la destination S - Détruire le message (D-Seq#(RREQ) >D-Seq#(Nœud)) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

41. AODV (Ad hoc On demand-DV)A • Chaque nœud incrémente son Seq# dès qu’il découvre un changement de topologie. (Le nombre de messages Hello est optimisé) - Assurer des routes fraîches - Éviter les boucles dans les chemins - Preuve « théorique » de loop-freedom • Format de la table de routage - DIP@, D-Seq#, - Next Hop IP@, Hop count D, - Last Hop Count, - List of Precursors (Pour envoyer RRER quand une route expire) - Life time, -Routing Flags - Interfaces Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

42. AODV (Ad hoc On demand-DV) • Options deRREQ(Expanding Ring Search) - Utilisation du diamètre de la requête (TTL), ttl_start.. ttl_start+threshold - Nombre de retransmissions rreq_retries - Garder le diamètre de la route, pour l’utiliser en cas de perte (pannes des routes).  Le diametre est gardé dans Last Hop Count Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

43. AODV (Ad hoc On demand-DV) • RREP - Établissement du chemin - D ou autre nœud intermédiaire répond à RREQ par - Si intermédiaire répond  garde chemin inverse vers S à utiliser pour répondre à d’autres RREQ vers S. - Si S ou intermédiaire reçoivent plusieursRREP  traitement selon la pertinence de ces RREP (hop-cnt2 < hop-cnt1 ou D-seq2 > D-seq1) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

44. AODV (Ad hoc On demand-DV) • Maintenance des routes RERR • Gestion de connectivité local - Messages hello, hello_interval,allowed_hello_loss • Action après rebootage (Loop-free)  Attendre pendant delete_period, ne répond à aucune requête de routage, répond aux paquets de données par des RRER  Il ne devient pas routeur active • Il saura son seq# quand il recevera des RREQ dont il est destination. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

45. [1,11,12,13] 14 [1,11,12] [1,11,12,13,14] 12 13 [1,11] 15 [1,2,10,9] 11 [1,2,10] 9 [1] [1,2] [1,2,10,9,8] 10 [1] [1,2,10,9] [1,2] [1,2,10] 8 1 2 [1,2,6,5] 6 chemin inverse [1,2] 5 [1,2,6] [1,2,6,5] 3 [1,2,3] 4 7 [1,2,3,4] Réponses des nœuds depuis la destination jusqu’à la source : établissement du chemin inverse. AODV (Ad hoc On demand-DV) Exemple Un exemple de création de route depuis le nœud source 1 vers le nœud destination 15. Acheminement par diffusion des messages RREQ jusqu’à la destination. RREQ Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

46. RREP 14 acheminement 12 13 15 11 9 10 8 1 2 6 5 3 4 7 AODV (Ad hoc On demand-DV) Exemple Acheminement des réponses RREP depuis la destination en retour à la source et établissement de la route pour l’acheminement des paquets de données. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

47. Routage (Multicast) • Le multicast est toujours sujet chaud même dans l'Internet; • Dans les réseaux ad hoc,sans compter les problèmes traditionnels dans l’Internet, tels que le contrôle de congestion, le routage multicast lui même est un autre grand problème; • Quelques protocoles de routage multicast: AMroute, ODMRP, AMRIS, CAMP, etc. • La maille est meilleure que l’arbre!? Diffusion directe meilleure que l’arbre et la maille ?! Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

48. D’autres recherches dans le routage • Routage supportant la QoS; • Routage économisant la consommation d’énergie; • Routage Intelligent • Routage Scalable (mobilité/taille) • Sécurité • Méthodes d’accès au canal. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

49. Les domaines qui nous intéressent (pour l’instant) • Diffusion pour le transport routier (Diffusion scalable et fiable); • Interconnexion avec l’Internet, • Nouvelle architecture pour les réseaux ad hoc, • Multicast et Qualité de service Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

50. Quelques bonnes références • MANET homepage : http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html • Site du gouvernement américain : http://w3.antd.nist.gov/wctg/manet/index.html, http://protean.itd.nrl.navy.mil/manet/manet_home.html • Les universités : http://menetou.inria.fr/olsr/ (olsr) http://www.monarch.cs.rice.edu/ (dsr) http://moment.cs.ucsb.edu/AODV/aodv.html (aodv) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane