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1 Qualité de Service dans les Réseaux Mobiles Ad Hoc Nadir BOUCHAMA Division Théorie & Ingénierie des Systèmes Informatiques (DTISI)

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1 1 Qualité de Service dans les Réseaux Mobiles Ad Hoc Nadir BOUCHAMA Division Théorie & Ingénierie des Systèmes Informatiques (DTISI) Centre de Recherche sur lInformation Scientifique & Technique

2 2 25 ieme Anniversaire du CERIST Plan de lExposé.. Réseaux Mobiles Ad Hoc : Définition, Applications Qualité de Service dans les Réseaux Mobiles Ad Hoc Approches pour offrir la QoS: Taxonomie et Critiques Notions de soft QoS, hard QoS, pseudo-hard QoS Routage avec QoS dans les MANETs Routage avec contrainte de délai dans AODV Modèles de QoS dans les MANETs Conclusion générale

3 3 25 ieme Anniversaire du CERIST Réseaux mobiles ad hoc (MANET) GW Internet Réseaux Mobiles Ad hoc Réseaux MESH Réseaux de capteurs Réseaux ad hoc Ad hoc : locution latine Pour cela (LAROUSSE) Formé dans un but précis (WIKIPEDIA).

4 4 25 ieme Anniversaire du CERIST Liens sans fils Canal sujet aux interférences et aux erreurs Une topologie dynamique Ressources limitées et volatiles Ex: bande passante, énergie, mémoire, CPU Vulnérabilité aux attaques Caractéristiques des réseaux mobiles ad hoc

5 5 25 ieme Anniversaire du CERIST Domaines dapplication Militaire Gestion de catastrophes Accès Internet (backhauling) VANETS (Vehicular Ad hoc Networks)

6 6 25 ieme Anniversaire du CERIST Internet Centre de Commande CERIST Scénario dapplication dans le cas de catastrophes

7 7 25 ieme Anniversaire du CERIST Revers de la médaille: plus de défis … Routage efficace Gestion de la mobilité Contrôle de flux Scalabilité Équité Sécurité Économie dénergie Qualité de Service (Quality of Service) Auto-configuration

8 8 25 ieme Anniversaire du CERIST Qualité de Service ? Le terme Qualité de Service est souvent ambigu Plusieurs définitions existent dans la littérature Le sens de chaque définition dépend de façon très étroite du contexte dutilisation Cependant, deux définitions sont largement Définition donnée dans le RFC 2386 de lIETF (Internet engineering Task Force) Définition donnée dans la recommandation E.800 de lITU (International Telecommunications Union)

9 9 25 ieme Anniversaire du CERIST Qualité de Service ? Comme définie dans le RFC 2386, « Ensemble de besoins à assurer par le réseau pour le transport dun trafic dune source à une destination. Ces besoins peuvent être traduits en un ensemble dattributs pré-spécifiés et mesurables en terme de : Délai de bout en bout Variance de délai (gigue) Bande passante :. Taux de Perte de paquets » Ces deux définitions ne sont pas adéquates pour les réseaux mobiles ad hoc La Qualité de Service dans les réseaux mobiles ad hoc veut dire fournir des paramètres afin dadapter les applications à la qualité du réseau. Objectif principal: OPTIMISER lutilisation des ressources Recommandation E.800 du CCITT : « Effet global des performances du service qui détermine le degré de satisfaction dun utilisateur du service. »

10 10 25 ieme Anniversaire du CERIST Motivation Au début des réseaux sans fils : Le premier souci est de permettre la connectivité Le principe utilisé est le BEST EFFORT cest-à-dire « AU MIEUX» Aucune garantie de livraison des données SEND AND PRAY Mais…. pour certains applications ce service nest pas du tout suffisant Exemple: Applications multimédias, téléphonie, jeux, applications critiques, communications dans un champs de bataille, etc. La QoS nest pas une OPTION mais une NECESSITÉ pour permettre dattirer surtout lattention des INDUSTRIELS

11 11 25 ieme Anniversaire du CERIST Exemple dexigences en QoS Source:

12 12 25 ieme Anniversaire du CERIST Obstacles dans les réseaux ad hoc La topologie du réseau change de façon dynamique Information détat souvent imprécise Ressources dispersées et limitées (Ex: mémoire) Ressources dénergie épuisables (batterie ou cellules solaires) Nœuds des fois hétérogènes Médium non sécurisé (des intrus peuvent violer les garanties en QoS) Erreurs du canal

13 13 25 ieme Anniversaire du CERIST Complexité Qualité de service dans les MANETs = Fournir une fonctionnalité complexe dans un environnement très dynamique où les ressources sont rares. Solution: Deux approches classiques: Sur-dimensionnement Ingénierie de trafic

14 14 25 ieme Anniversaire du CERIST Analogie avec le trafic routier Ingénierie de trafic surdimensionnement

15 15 25 ieme Anniversaire du CERIST Sur-Dimensionnement (over-dimensioning) Avantages: Facile et peut se faire de façon graduelle; Aucun mécanisme de QoS nest nécessaire; Inconvénients: Peut être très coûteux pour le déploiement et la mise à jour; Difficile à prédire les besoins futurs du trafic; Ne peut pas offrir des garanties sur le délais; Dans la plupart des cas, il sagit dun déplacement du problème; Perte de ressources (réseau sous-utilisé); Pour un réseau mobile ad hoc les ressources sont rares et volatiles; La bande de fréquence est très limitée Principe : Agir sur les RESSOURCES (solution matérielle) Approvisionner le réseau avec « suffisamment » de ressources si besoin est Principe : Agir sur les RESSOURCES (solution matérielle) Approvisionner le réseau avec « suffisamment » de ressources si besoin est PROHIBITIF

16 16 25 ieme Anniversaire du CERIST Ingénierie de trafic (Traffic engineering ) Principe Agir sur le TRAFIC (solution logicielle) Utiliser des mécanismes de contrôle et de priorité pour le trafic Principe Agir sur le TRAFIC (solution logicielle) Utiliser des mécanismes de contrôle et de priorité pour le trafic Avantages: Non coûteuse; Utilisation rationnelle des ressources ; Inconvénients: Complexe à implémenter Problème de passage à léchelle (scalability)

17 17 25 ieme Anniversaire du CERIST Taxonomies….. Couche MAC Protocoles de signalisation Routage avec QoS [WuH99] K. Wu and J. Harms, QoS Support in Mobile Ad Hoc Networks. Crossing Boundaries- the GSA Journal of University of Alberta, Volume 1, n° 1. pages Novembre 2001 Classification la plus connue et la plus citée: Modèles de QoS Qualité de Service dans les Réseaux Ad Hoc

18 18 25 ieme Anniversaire du CERIST Critiques Taxonomie critiquée notamment dans: [Chaudet2006] Claude Chaudet, Isabelle Guérin Lassous, - État des lieux sur la qualité de service dans les réseaux ad hoc - Invited paper, in 'Colloque Francophone sur l'Ingénierie des Protocoles'' - November Tozeur, Tunisia. Raisons ? Impossible de classifier les solutions existantes selon cette taxonomie; Pourquoi séparer la signalisation et le QoS routing alors quils sont souvent complémentaires; Un bon modèle de QoS est souvent construit à partir de plusieurs blocs de base

19 19 25 ieme Anniversaire du CERIST Taxonomie selon le niveau de QoS NiveauDéfinitionAutres nomsExample dapplications Difficulté Best Effort (BE) le réseau envoie les paquets sans aucune garantie. send and praycourrier électronique, transfert de fichiers, + QoS relâchée (soft QoS) la garantie de service est offerte avec une probabilité. Il peut y avoir des périodes transitoires où la QoS nest pas garantie. QoS statistique, Mieux que le best effort, QoS qualitative, QoS relative voix sur IP,++ QoS pseudo ferme (Pseudo Hard QoS) les garanties de QoS sont de type ferme, sauf en cas de fluctuations du canal radio ou de changement de topologie. communications militaires; +++ QoS ferme (hard QoS) si les exigences ne sont pas satisfaites, le service nest pas du tout fourni TOUT ou RIEN QoS déterministe, service garanti, QoS quantitative, QoS absolue -contrôle de trafic aérien, - chirurgie à distance, -contrôle dun réacteur nucléaire, etc. impossible Niveau de QoS

20 20 25 ieme Anniversaire du CERIST Routage avec QoS dans Les MANETs

21 21 25 ieme Anniversaire du CERIST Objectifs du Routage avec QoS Les TROIS objectifs principaux du routage avec QoS sont les suivants: 1.Déterminer dynamiquement un chemin répondant aux exigences de QoS entre une source et une destination ; 2.Optimiser les ressources du réseau (load balancing); 3.Permettre une dégradation gracieuse (graceful degradation) des performances du réseau

22 22 25 ieme Anniversaire du CERIST Exemple de Routage avec QoS Chemin satisfaisant la QoS S B C D EF D Plus court chemin D S Source Destination Exemple: Une source S veut communiquer avec une destination D et demande une QoS en bande passante de Bw=4 Besoin en QoS: BW4

23 23 25 ieme Anniversaire du CERIST Positionnement Network requirements Application requirements

24 24 25 ieme Anniversaire du CERIST Composantes du routage avec QoS ? Le routage avec QoS nécessite deux entités: Protocole de routage (algorithme distribué): récolte et distribution des information sur les ressources; Algorithme de routage (algorithme local) qui sintéresse à la recherche dun chemin faisable qui vérifie la QoS NP-Complet si le nombre de métriques additives 2 Utiliser heuristiques

25 25 25 ieme Anniversaire du CERIST Comment concevoir un nouveau protocole de routage avec QoS Deux approches principales: Concevoir le nouveau from scratch Prendre un protocole existant (ex: AODV, OLSR) et ajouter des briques de bases pour le rendre sensible à la QoS selon la m é trique choisie Avantage majeur: facilit é Exemple: AODV-D (AODV with delay constraints) (Travail avec un é tudiant en PFE (UMMTO)) Extension du protocole AODV M é trique: d é lai Estimation du d é lai local à chaque n œ ud Le d é lai est une m é trique ADDITIVE : D é lai de bout en bout = D é lais à un saut S D

26 26 25 ieme Anniversaire du CERIST 20/04/ Principe du protocole AODV AODV: Ad hoc On Demand Vector Distance Routing protocol Protocol réactif IETF RFC Juillet 2003

27 27 25 ieme Anniversaire du CERIST MAC Architecture synoptique de AODV-D Estimation du délai MAC LLC Physique Présentation Session Transport Réseau AODV Routage avec QoS Besoins en QoS Application CA C

28 28 25 ieme Anniversaire du CERIST Estimation du délai de mise en file au niveau MAC Question principale: Quel modèle de files dattente utiliser pour estimer le délai au niveau du ? Recherche Bibliographique: M/MMGI/1/K Ozdemir et al 2004 M/G/1 Meraihi et al, 2004 Ph.D Thesis M/G/1/K Ozdemir et al 2004 M/M/1/K Chikh Sarr, 2007 Ph.D Thesis G/G/1 Bisnik et al 2009

29 29 25 ieme Anniversaire du CERIST File M/M/1/K Nombre de clients dans la file Taux dutilisation du serveur Temps de séjour dans le système L'arrivée de paquet suit une loi exponentielle de paramètre λ Le taux de service suit également une loi exponentielle de paramètre µ La taille de la file d'attente est limitée par la valeur K. La politique dordonnancement est FIFO (Premier Arrivé Premier Servi)

30 30 25 ieme Anniversaire du CERIST File M/M/1/K (suite) Nombre moyen de clients dans le système Comme la somme est égale au temps de service alors: Doù: ? (Loi de Little)

31 31 25 ieme Anniversaire du CERIST Estimation du délai moyen de transmission Soit p la probabilité de collision sur un lien. La probabilité de réussite de transmission au premier envoi est donc 1-p La probabilité de réussite de transmission au 2ième envoi est p.(1-p) Après C tentatives de transmission échouées, la trame est éliminée (Pour le C =7 ) Soit X la variable aléatoire qui compte le nombre de tentatives pour une transmission réussie dune trame Nombre moyen de retransmissions pour une trame donnée:

32 32 25 ieme Anniversaire du CERIST Délai moyen de transmission (suite et fin) Sarr a également calculé le backoff moyen: Enfin, on obtient: Où: Temps consommé dans une collision Temps de transmission réussie dun paquet de taille m à laide du

33 33 25 ieme Anniversaire du CERIST 20/04/ TYPE J | R | G | D |U RESERVEDHOP COUNT Bande passante désiréeDélai max demandéDélai un saut calculé RREQ ID Destination IP Address Destination Sequence Number Originator IP Address Originator Sequence Number TYPE R | A PREFIX SZHOP COUNT Destination IP Address Destination Sequence Number Originator IP Address Lifetime Probabilité de collision Extension des paquets de contrôle

34 34 25 ieme Anniversaire du CERIST Echange dinformation Les nœuds échangent des messages HELLO chaque intervalle de temps Δ secondes Ces messages HELLO contient un information supplémentaire: me taux doccupation du canal La valeur du paramètre Δ est cruciale: grande: stabilité des résultats mais mauvais résultats en cas de mobilité petite : trop doverhead et de calcul mais bonne réaction à la mobilité Les auteurs proposent: Δ = 1 seconde Chaque nœud estime le taux doccupation du canal à son niveau et envoie linformation dans le paquet HELLO La taux doccupation du canal au niveau dun nœud est donné par: (Ts + Tr ) / Δ

35 35 25 ieme Anniversaire du CERIST 20/04/ AODV-D Délai 150 AODV-D Délai 150 AODV Plus court chemin AODV Plus court chemin Scénario de simulation

36 36 25 ieme Anniversaire du CERIST 20/04/ Résultats de simulation (NS-2) Délai de bout en bout

37 37 25 ieme Anniversaire du CERIST Modèles de QoS dans Les MANETs

38 38 25 ieme Anniversaire du CERIST Modèles de QoS Modèle de QoS Un modèle définit généralement les blocs de base dune solution donnée : Contrôle dadmission politique dordonnancement contrôle de congestion, signalisation, routage avec QoS Lissage de trafic, etc Définir QUI FAIT QUOI? Interaction ? Aspect architectural

39 39 25 ieme Anniversaire du CERIST Question Principale Les deux modèles classiques IntServ et DiffServ sont-ils applicables aux réseaux mobiles ad hoc ? MOTIVATION: Pourquoi réinventer la roue et inventer des modèles ex nihilo alors que deux modèles existent déjà ? Prendre en considération la possibilité de connexion à Internet Interopérabilité avec IntServ et DiffServ classiques Faut-il une évolution ou une révolution ? INTERNET Passerelle (gateway)

40 40 25 ieme Anniversaire du CERIST IntServ (Integrated services) Emulation de circuits; Mécanisme de bout en bout; mécanisme de QoS par flux; Utilise le protocole de signalisation RSVP

41 41 25 ieme Anniversaire du CERIST Pour MANETS ? AVANTAGES: Fournit une bonne QoS; Zéro paquets perdus INCONVENIENTS: Nécessite des informations exactes sur létat des liens, chose qui est difficile dans le contexte des réseaux mobiles ad hoc; Génère beaucoup doverhead; Complexité au niveau du cœur du réseau ; Nest pas pratique pour les flux de courte durée; Scalabilité

42 42 25 ieme Anniversaire du CERIST DiffServ (Differentiated Services) Résoudre le problème de scalabilité par deux façons: Remplacer le principe par flux par un principe par agrégats; La complexité dans les nœuds du coeur est déplacée vers les équipements aux extrémités; Nœud interne Nœud dentrée Nœud de sortie

43 43 25 ieme Anniversaire du CERIST AVANTAGES Plus scalable que IntServ Modèle léger dans les nœuds du réseau plus facile à déployer Peut fournir des fois une bonne QoS INCONVENIENTS: Ne signale pas à la congestion de façon explicite Quand la topologie du réseaux change les rôles des noeuds changent également Difficile de négocier dynamiquement un profil de trafic Pour MANETS ?

44 44 25 ieme Anniversaire du CERIST INSIGNIA Idées principales de INSIGNIA: Premier protocole de signalisation pour MANETS Inspiré de IntServ fournir un modèle de QoS de bout en bout Un modèle de QoS adaptif

45 45 25 ieme Anniversaire du CERIST SWAN (Stateless Wireless Ad hoc Networks) Soft QoS Inspiré de DiffServ Ne pas garder les informations sur létat 2 classe de trafic: best effort et real time Définit un contrôle dadmission pour accepter/rejeter une nouvelle connexion

46 46 25 ieme Anniversaire du CERIST FQMM (Flexible QoS Model for MANETs) Modèle hybride: IntServ + DiffServ Conçu pour les MANETS de taille moyenne (jusquà 50 noeuds) Flexible

47 47 25 ieme Anniversaire du CERIST Références bibliographiques pertinentes G-S. Ahn, L-H. Sun, A. Veres, and A. T. Campbell, SWAN: Service Differentiation in stateless wireless Ad hoc Networks, INFOCOM, D. Awduche, A. Elwalid A. Chiu, I. Widjaja, and X. Xiao, RFC3272: Overview and Principles of Internet Traffic Engineering, C. Chaudet and I. Guérin-Lassous, Etat des lieux sur la Qualité de Service dans les Réseaux Ad hoc, Colloque Francophone sur lIngénierie des Protocoles (CFIP), Tozeur. Tunisia, L. Chen and W. Heinzelman, A survey of routing protocols that support QoS in mobile ad hoc networks, IEEE Network 21 (2007), no.6, 30–38. I. Chlamtac, M. Conti, and J. J.-N. Liu, Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges, Ad Hoc Networks 1 (2003), no. 1, 13–64. L. Hanzo and R. Tafazolli, A survey of QOS Routing Solutions for Mobile Ad hoc Networks, IEEE Communications Surveys and Tutorials 9 (2007), no. 1- 4, 50–70. P. Mohapatra, P. J.Li, and C.Gui, QoS in Mobile Ad hoc Networks, IEEE Wireless Communications 10 (2003), no. 3, 44 – 52. T. Reddy, I. Karthigeyan, B. S. Manoj, and C. Siva Ram Murthy, Quality of service Provisioning in Ad hoc Wireless Networks: a Survey of Issues and Solutions., Ad Hoc Networks 4 (2006), no. 1, 83–124.

48 48 25 ieme Anniversaire du CERIST Conclusion générale La flexibilité des réseaux mobiles ad hoc les rend très utiles dans plusieurs domaines Les caractéristiques inhérentes au réseaux mobiles ad hoc rendent lapprovisionnement de la QoS très complexe Vu la volatilité des ressources, on ne peut pas offrir une hard QoS dans les réseaux ad hoc La soft QoS (mieux que le best effort) peut être suffisante dans certains cas Un exemple dun protocole de routage à soft QoS a été présenté (Lestimation du délai est basé sur le modèle M/M/1/K) IntServ et DiffServ ne sont pas directement applicables pour les réseaux mobiles ad hoc DiffServ est mieux adapté aux réseaux mobiles ad hoc que IntServ

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