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Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc David SIMPLOT-RYL IRCICA/LIFL, Univ. Lille 1 CNRS UMR 8022 - INRIA Futurs

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1 Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc David SIMPLOT-RYL IRCICA/LIFL, Univ. Lille 1 CNRS UMR INRIA Futurs

2 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc 1.Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles 2.Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants 3.Diffusion dinformation Diminution du nombre démission ; Ajustement de portées 4.Perspectives de recherche

3 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Familles de réseaux Réseau centralisé (à la Wi-Fi ou GSM) accès au réseau via des points daccès (PA) hybride Réseau hybride Réseau avec PA « étendu » par le ad hoc ad hoc single hop Communication point à point (mode ad hoc de Wi-Fi) centralisé ad hoc Réseau ad hoc Chaque POPS est potentiellement un routeur

4 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ad hoc vs centralisé Bilan énergétique En centralisé Chaque mobile ne communique quavec un point daccès fixe En ad hoc On communique moins loin (10 fois moins) et on doit également relayer les messages des autres mobiles 90% des communications dun mobile sont pour les autres ou pour les messages de maintenance du réseau ! On consomme donc au moins 10 fois moins en ad hoc Partage spatial du médium Bande passante/Accès au médium meilleurs en ad hoc centralisé ad hoc

5 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ad hoc vs centralisé (suite) Partage du médium

6 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ad-hoc vs centralisé (suite) Connectivité au « réseau » En centralisé Infrastructure « point daccès » recouvrante Coûteux mais connexion au réseau assurée dans la couverture En ad hoc La connexion au réseau est trop aléatoire ? « Il faut une densité monstrueuse ! »

7 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Connexité du réseau

8 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Connexité du réseau (suite) Nombre dobjets par zone de communication (densité) Probabilité de connexité du réseau (%)

9 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ad-hoc vs centralisé (suite) Connectivité au « réseau » En centralisé Infrastructure « point daccès » recouvrante Coûteux mais connexion au réseau assurée dans la couverture En ad hoc La connexion au réseau est trop aléatoire ? « Il faut une densité monstrueuse ! » Pour une portée de 10 m : Seulement un objet tous les 21 m²

10 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Familles de protocoles Centralisés Le comportement des mobiles est « dirigé » par un objet central Protocoles locaux Le mobile adapte son comportement en fonction de son environnement local Bon comportement face à la mobilité Protocoles globaux Le mobile est capable de ramener à lui les informations sur le réseau Il est capable davoir une vision globale ou quasi-globale du réseau Similaire au centralisé Complexité du mobile RFID tags Smart sensor PDA Laptop Protocoles centralisés Protocoles locaux Protocoles globaux

11 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc 1.Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles 2.Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants 3.Diffusion dinformation Diminution du nombre démission ; Ajustement de portées 4.Perspectives de recherche

12 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ajustement de portées Modèle énergétique : Pour émettre à une distance d E(d) = d 2, le facteur datténuation du signal Diviser la portée de chaque mobile par 2, cest au moins 4 la durée de vie du réseau… Uniform transmission range = 100 m Connected graph Range = 67 m Connected graph Range = 44 m Non-connected graph

13 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ajustement de portées Cest le problème de lassignement de portée : Il faut définir une fonction r: V [0,R] telle que le graphe induit par r est connexe Cest un problème NP-Complet [Clementi, Ferreira] Exemple de protocole probabiliste : Chaque nœud u choisit la plus petite portée p telle que N p (u) k avec k=14 par exemple Pb. la connexité nest pas garantie et il est facile de construire un contre-exemple Il y a tout aussi simple et plus sûr…

14 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Utiliser des sous graphes connexes

15 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Graphe RNG (Relative Neighborhood Graph)

16 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ajustement de portées Solution triviale : Ajuster la portée de chaque nœud à la distance maximale dun voisin RNG, LMST (local) ou MST (global) Algorithme glouton MTCP [Wieselthier 2000] IPTCP et ses variantes locales [Simplot-Ryl 2003] IPTCP MTCP 1-LIPTCP 1-LMTCP

17 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ensembles dominants Objectifs : Désigner un sous-ensemble des nœuds qui serve de « backbone » pour les autres nœuds Applications : Mettre inactifs ou en semi-veille le plus de nœuds possible dans un réseau de capteurs Définition : Un ensemble E est dominant ssi tout nœud est soit membre de E voisin dun nœud de E On cherche généralement des ensembles dominants connexes (CDS pour Connected Dominating Sets)

18 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Ensemble dominants Wu & Dai (Version simplifiée) Chaque nœud possède une priorité (e.g. son ID) Un nœud nest pas dominant ssi Lensemble de ses voisins de plus haute priorité est connexe et « couvre » tous ses voisins

19 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Variante appliquée aux réseaux de capteurs On change la notion de « couverture » On utilise la batterie restante comme priorité On obtient un Connected Area Dominating Set

20 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc 1.Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles 2.Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants 3.Diffusion dinformation Diminution du nombre démission ; Ajustement de portées 4.Perspectives de recherche

21 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars Diffusion dinformation Objectif de la diffusion (broadcast) Envoyer une information à tous les nœuds du réseaux ou à une partie du réseau À une certaine distance « en sauts » dans le réseau Utilisation du TTL À une zone géographique Geocasting Application : « advertising » i.e. publication de services Requêtes de services Découverte de routes En centralisé : calcul dun arbre recouvrant diffusion En local : inondation arbre recouvrant

22 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Blind flooding (1/2) Inondation aveugle Chaque message de broadcast émis possède un numéro de séquence unique pour chaque diffusion (SN pour sequence number) Chaque nœud possède une table de broadcast (BT) pour stocker les SN déjà rencontrés Protocole : Un nœud désirant initier le broadcast : génère un SN (généralement ID+cpt) Envoie le message à ses voisins avec ce SN (+ éventuellement un TTL) Enregistre dans sa BT ce SN Un nœud recevant un message avec un SN donné Vérifie que ce SN nest pas dans sa BT sinon paquet droppé Vérifie éventuellement que la TTL != 0 sinon paquet droppé Envoie ce message à ses voisins Enregistre ce SN dans sa BT

23 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Blind flooding (2/2) Pour Algorithme simple à implémenter Sur MAC idéale, 100% des nœuds sont atteints Contre Beaucoup de messages envoyés Sur MAC réelle, beaucoup de collisions Nb. en diffusion, pas de RTS/CTS Les messages peuvent être redondants : SA B C D E S émet (A, B, C et E reçoivent) A, B et E réémettent C aussi D réémet

24 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Diffusion Démo

25 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Optimisation de la diffusion Diminuer le nombre de nœud émettant le message de diffusion Critère SRB = Saved ReBroadcast = % de nœuds ayant reçu le message mais qui nont pas réémis Plus le SRB dun protocole est grand, mieux cest Économie dénergie Pour le blind flooding : SRB = 0% Garantir la couverture du réseau Critère RE = REachability = % de nœuds atteignables effectivement atteints Plus le RE dun protocole est grand, mieux cest En dessous de 90%, le protocole est considéré comme défaillant Pour le blind flooding avec MAC idéale : RE = 100% Autres critères : Connaissances requises par le protocole Localité, système de positionnement, distance entre les nœuds, etc. Latence de la diffusion Temps moyen pour que chaque nœud obtienne linformation Distorsion Nombre de sauts effectué par le message / distance « en sauts » avec la source Peut être important pour la découverte de route

26 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Optimisation Diminuer le nombre de retransmissions Par exemple en utilisant les ensembles dominants Pb. on pénalise toujours les mêmes nœuds…

27 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Optimisation de la diffusion (suite) MPR : Multipoint Relay Flooding Protocol [Qayyum et al. 2002] SRB ~ 50 %, RE > 95 % (densité moyenne aux alentours de 15) Courtesy to Laurent Viennot

28 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Optimisation basée sur la distance [Tseng et al. 2002] On fixe un seuil au-delà duquel les nœuds réémettent Inconvénients Le nœud B nest pas considéré comme un relais alors quil est le seul voisin de A à pouvoir contacter G Les nœuds C et E eux vont réémettre pour rien… Il faut une mesure de la distance entre les nœuds

29 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Optimisation basée sur la distance Idée : Utiliser un gradient de probabilité plutôt quun seuil sur la distance Inconvénients : Nécessite toujours une mesure de distance Nempêche pas les retransmissions inutiles telles que celles de C et E… Idée : utiliser le voisinage pour calculer une « distance »

30 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Changement de distance On définit la « distance » Pour deux nœuds u et v : Nb. Ce nest pas une vraie distance : (u,v) (v,u) Dans un réseau dense, est linéaire avec la distance. uv N(u)N(u) N(v)\N(u)

31 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Changement de distances (suite) Résultats Suivant différentes formes de gradients SRB ~ 50 % RE > 95 % Comparable à MPR [Qayyum et al. 2002] Localité MPR = 2 BRP = 1 (…) Décision de forward MPR = émetteur BRP = récepteur

32 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Neighbour Elimination Scheme [Peng, Lu][Stojmenović] Ne pas é mettre imm é diatement Faire la liste des voisins non couverts Au bout d un timeout, r éé mettre le message si la liste est non vide Ce protocole é limine d office les n œ uds E et C qui n ont pas de voisins non couverts par A On ne retient que les n œ uds qui ont un arc « sortant » de la zone de communication de A Idée : diminuer le nombre de nœuds en « diminuant le nombre darcs »

33 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 RNG Relay Subset flooding protocol On fait un NES limité aux voisins RNG

34 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 RRS (suite) Inconvénient : Il faut la distance entre les nœuds (pour le RNG) Idée : on remplace la distance par une distance reposant sur les voisins :

35 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 RRS (suite) Une bonne résistance à la charge (donc à la mobilité) Au prix dune latence plus élevée en raison du NES Ces algorithmes ne requièrent ni positionnement ni contrôle de puissance…

36 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Diminution de la portée Atténuation du signal Pour de petites distances, la puissance reçue diminue avec le carré de la distance Proposition duale : La puissance nécessaire pour être reçu à une distance d augmente avec le carré de la distance… PC = Power Consumption En fait, en raison du multi-chemins (des ondes réfléchies, de la diffraction, etc.) on a plutôt :

37 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Couche physique (5/7) Daprès Pythagore :-), toutes ces configurations utilisent la même puissance… Physiquement impossible (couche MAC, génération du signal, etc.) On utilise le modèle (validé par expérimentation [Feeney 2002]) Par exemple, on utilisera les modèles =2, c=0 (classique) et =4, c=10 8

38 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Consommation énergétique Avec une antenne directionnelle, on dépense moins dénergie Proportionnelle à la surface couverte =angle douverture du faisceau d=distance à laquelle on désire émettre c 1 et c 2 sont des constantes supposées connues c 1 prise en compte du coût de la couche MAC c 2 prise en compte du coût dorientation du faisceau, signal processing Lomnidirectionnelle est un cas particulier du directionnel

39 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Broadcast Incremental Power (BIP) Caractéristiques de BIP: Wieselthier et al. (2000) Construction dun arbre de diffusion depuis un mobile Prend en compte le fait que les antennes sont omnidirectionnelles Meilleur algorithme connu Centralisé ! A B C D S A B C D S BIP

40 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Algorithmes locaux RBOP (LBOP) [Cartigny et al. 2003] Neighbour Elimination Scheme limité aux voisins RNG (LMST) comme pour RRS avec ajustement de portée au voisin RNG le plus éloigné Pb. on a tendance à toujours minimiser la portée de retransmission La constante c dans le modèle énergétique peut être pénalisante… En fait, il existe un rayon de retransmission optimal :

41 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Target Radius Based Protocol (TRBP) Choix du rayon démission - E( r ) = r α + c (α 2, c 0) α est pénalisant avec un r trop grand C est pénalisant avec un r trop petit Minimiser le rayon nest pas toujours la meilleure solution Il existe un rayon cible R t optimal pour chaque nœud Notre protocole : 1.Adapter la topologie pour se rapprocher de ce rayon optimal, 2.sélectionner des relais dans le réseau, 3.attacher chaque nœud passif à un relais.

42 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Target Radius Based Protocol (TRBP) 1.Contrôle de topologie Calcul dun sous-graphe connexe G=(V,E) e.g. RNG ou LMST Chaque nœud adapte son rayon 2.Choix de relais : Calcul dun ensemble dominant 3.Attachement de chaque nœud passif au relais le plus proche Rayon cible = 65 Rayon unitaire = 100 Nœud dominant Nœud passif

43 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Target Radius Based Protocol (TRBP) Résultats expérimentaux – Contrôle de topologie Il est possible de contrôler la distance entre voisins dominants.

44 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Target Radius Based Protocol (TRBP) Résultats expérimentaux – Economie dénergie (Densité de 50) RBOP (2003) BIP (2000) LBOP (2003) Minima de TRBP

45 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Target Radius Based Protocol (TRBP) Résultats expérimentaux – Economie dénergie Surcoût de RBOP 121% Surcoût de TRBP avec le LMST 29%

46 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Localized BIP - Principe Principe de fonctionnement 1.Le nœud source applique BIP dans son voisinage à deux sauts, 2.Le paquet est émis avec les instructions pour chaque voisin, 3.Les voisins appliquent le même schéma en tenant compte des instructions reçues. Larbre obtenu est différent de celui de BIP, mais suffisamment proche

47 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Localized BIP - Principe S A B C E D F G Graphe de base S A B C E D F Arbre de S E D F G Arbre de E Exemple dapplication S applique BIP dans son voisinage à deux sauts et transmet ses choix E fait de même en tenant compte des instructions reçues

48 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Localized BIP - Principe A D C S B Graphe de base A D C S B Arbre de diffusion Pourquoi le voisinage à deux sauts? S ne prend pas D en compte C ne doit pas relayer D n est pas atteint

49 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Localized BIP - Principe Problèmes de couverture A choisit F pour toucher G B choisit E pour toucher G B A C E G F D Graphe de base B A E G F D Arbre de A B A C E G F Arbre de B Ajout du NES sur un sous- ensemble de voisins (LMST ou RNG)

50 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Performances Comparaison avec dautres protocoles de diffusion BIP (Algorithme centralisé dorigine) Wielselthier et al LBOP (NES sur les voisins LMST avec ajustement de portée) Ingelrest et al TR-LBOP (LBOP avec utilisation dun rayon cible) Ingelrest et al Observation de divers paramètres Diffusion (taux de couverture) SRB (Saved Rebroadcast) EER (Expanded Energy Ratio) Latence

51 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Performances Taux de couverture A partir dune densité de 40, la diffusion devient totale sans NES

52 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Performances Energie dépensée BIP LBIP sans NES Densités faibles

53 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Performances Energie dépensée BIP et LBIP TR-LBOP LBOP Réseaux denses

54 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Performances Taux de nœuds inactifs LBOP

55 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Performances Latence LBIP possède une latence plus faible que les autres TR-LBOP LBOP

56 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc 1.Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles 2.Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants 3.Diffusion dinformation Diminution du nombre démission ; Ajustement de portées 4.Perspectives de recherche

57 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars Perspectives de recherche Protocoles de diffusion spécialisés Pour la découverte de routes Équité entre les nœuds (dominating sets ) Durée de vie des routes (BRP, RRS ) Pour la construction darbres recouvrants (spanning trees) Interrogation de population de tags, de capteurs Pour la dissémination dinformation… Lecteur

58 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Dissémination dinformations réplica dans le cache Information source

59 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Perspectives de recherche (suite) Contrôle de topologie Éviter la création de liens critiques Facteur important pour la robustesse des liens entre deux nœuds Réseaux hybrides Équité/activity scheduling pour les nœuds prêts des AP hybride

60 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie … 2 mars 2004 Bibliographie Etat de lArt sur la diffusion F. Ingelrest, D. Simplot-Ryl, and I. Stojmenovic. Energy-efficient broadcasting in wireless mobile ad hoc network. Chapter in Ressource Management in Wireless Networking. M. Cardei, I. Cardei, and D.-Z. Du. Kluwer. to appear. Dernière avancée broadcasting F. Ingelrest, D. Simplot-Ryl, and I. Stojmenovic. Target radius over LMST for energy-efficient broadcast protocol in ad hoc networks. In Proc. IEEE Int. Conf. On Communications (ICC2004), (Paris, France, 2004). to appear. F. Ingelrest, and D. Simplot-Ryl. Localized broadcast incremental power for wireless ad hoc network. submitted. Contrôle de topologie et broadcasting pour les réseaux de capteurs J. Carle, and D. Simplot-Ryl. Energy efficient area monitoring by sensor networks. IEEE Computer Magazine 37, 2 (2004), F. Ingelrest, D. Simplot-Ryl, and I. Stojmenovic. A dominating sets and target radius based localized activity scheduling and minimum energy broadcast protocol for ad hoc and sensor networks. submitted. Diffusion et routage dans les réseaux hybrides F. Ingelrest, D. Simplot-Ryl, and I. Stojmenovic. Routing and broadcasting in hybrid ad hoc multi-hop cellular and wireless internet networks. submitted.

61 Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc David SIMPLOT-RYL IRCICA/LIFL, Univ. Lille 1 CNRS UMR INRIA Futurs


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