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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.

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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 2/47 Contexte Quest ce quun réseau ad hoc ? Hybride ? Défis Routage, Confidentialité… Contraintes Mobilité Hétérogénéité Radio

3 3/47 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 4/47 Plan Objectif et Définition Proposition dauto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives

5 5/47 Objectif Organiser le réseau avant son utilisation Et prouver lefficacité dune auto- organisation dominant Ensemble Connecté Dominant (CDS) Clustering: Diamètre / rayon / cardinalité dominé clusterhead

6 6/47 (ma) définition Introduit une vue hiérarchique Vue logique topologie radio Un ou plusieurs niveaux de hiérarchie Localisé (auto) Couche dauto-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,

7 7/47 Plan Objectif et Définition Proposition dauto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives

8 8/47 Description générale de CDCL 1. Découverte de voisinage 2. Construction dune 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

9 9/47 Carences des dorsales existantes Algorithmes localisés [wu99, stojmenovic01] Règle : je suis redondant Pas conçus pour la persistance Pas darbre Algorithmes distribués [butenko03] Borne de cardinalité Pas de maintenance Dorsale non flexible k-CDS

10 10/47 CDCL – Dorsale - Construction Initiée par un (ou plusieurs) leader(s) Poids o énergie, mobilité, degré k-CDS 1. Création dun ensemble dominant o Elections locales 2. Interconnexion o Invitations avec des inondations locales

11 11/47 4 CDCL – Exemple de 2-CDS 10 5 Remarque : Construction dun arbre Dominant Dominé En élection Hello Invitation Lien radio connexion Leader

12 12/47 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 participants o Trafic de contrôle Auto-organisation intégrée o Clusterhead = dominant o Distance via la dorsale

13 13/47 CDCL – Clusters - Construction Distance max = 2 sauts

14 14/47 CDCL – Maintenance Vitale Mobilité Robustesse aux fautes Dorsale Maintenance événementielle 1. Dominé isolé 2. Dominant déconnecté de la dorsale 3. Dorsale cassée 4. Dominant superflu Clusters Vecteur de distance

15 15/47 Vue synthétique

16 16/47 Plan Objectif et Définition Proposition dauto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives

17 17/47 Evaluation de performances Simulations OPNET Modeler nœuds distribués aléatoirement Couche MAC (802.11) + radio réaliste Hellos o toutes les 4 secondes Mesures : o cardinalité, connexité, persistance Paramètres o densité, mobilité, nombre de nœuds Comparaison o CDCL / Wu & Li

18 18/47 Convergence 50 nœuds statiques, degré = 10, k cds =1

19 19/47 Impact de la mobilité 40 nœuds, degré = 10, modèle de mobilité random waypoint

20 20/47 Impact de la mobilité 40 nœuds, degré = 10, modèle de mobilité random waypoint

21 21/47 Trafic de contrôle degré = 10, modèle de mobilité random waypoint, vitesse de 5m/s

22 22/47 Cardinalité bornée degré = 10 Borne théorique :

23 23/47 Propriétés - conclusion Quelle(s) conclusion(s) ? 1. Rapidité de convergence 2. Robustesse à la mobilité changements locaux impact local 3. Persistance 4. Cardinalité bornée (et réduite) Comment lexploiter efficacement ?

24 24/47 Plan Objectif et Définition Proposition dauto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives

25 25/47 Bénéfices dune 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 dénergie 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

26 26/47 VSR – Passage à léchelle degré = 10, modèle de mobilité random waypoint, vitesse de 5m/s

27 27/47 Plan Objectif et Définition Proposition dauto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives

28 28/47 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 29/47 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 donnés o Débit atteignable avec une couche MAC idéale ordonnancement parfait, avec équité Problème de type multi-flots o Programmation linéaire

30 30/47 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 31/47 Contraintes Multisauts Contraintes linéaires : SD Quantité de données = q qqq Trafic du lien radio e = Somme des trafics des flux passant par e

32 32/47 Contraintes Partage des ressources radio Borne inférieure o Seuls les 2-voisins peuvent interférer : o Ex : équité terminaux a b d c e 0 1/52/53/54/51 abcde Rivano, Theoleyre, Valois, Capacity Evaluation Framework and Validation of Self-Organized Routing Schemes, in IEEE IWWAN, USA, 2006

33 33/47 Contraintes Partage des ressources radio Borne inférieure o Partage entre liens radio 01/52/53/54/51 abcde Trafic de contrôle de d Trafic de données vers c Trafic de données vers e a b d c e

34 34/47 Contraintes Partage des ressources radio Borne supérieure o Autoriser les communications du type : o Référencement des communications possibles :

35 35/47 Contraintes Partage des ressources radio Borne supérieure : calculer la proportion o Calcul des MIS NP-Complet exhaustif o Algorithme de calcul statistique Ex: équité liens radio

36 36/47 Contraintes Partage des ressources radio Borne supérieure o Partage entre liens radio o Avec équité liens radio 0 2/3- 1- IS 1 IS 2 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

37 37/47 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 38/47 Capacité degré = 10, capacité par flux, toutes les routes actives, équité liens radio Wu & Li VSR = OLSR : borne > borne <

39 39/47 Conclusion Réseau ad hoc o pas dimpact de notre auto-organisation o impact possible si mal conçu (exemple : [wu99]) Réseau hybride o backbone mal équilibré à la racine o goulot détranglement

40 40/47 Plan Objectif et Définition Proposition dauto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives

41 41/47 Pourquoi des expérimentations ? Evaluation de lauto-organisation Simulations o OPNET o cardinalité, persistance, délai, taux de livraison, etc.… Analyse théorique o auto-stabilisation o complexité o cardinalité o…o… problème : la modélisation radio

42 42/47 Evaluation Problèmes Liens radio o instabilité o hétérogénéité o unidirectionnels Performances de [dhoutaut03]

43 43/47 Débits TCP flux TCP vers Internet

44 44/47 Mobilité – Débit TCP débit instantané, flux constant vers Internet

45 45/47 Plan Objectif et Définition Proposition dauto-organisation Propriétés Avantages pour les services réseau Impact sur la capacité Expérimentations Conclusion et Perspectives

46 46/47 Conclusion Proposition dune structure dauto organisation Robustesse Stabilité Rapidité de convergence Avantages pour les services réseau Routage Internet sans-fil multisauts Peu dimpact sur la capacité Évaluation Simulations Analyse théorique Expérimentations réelles « Une auto-organisation améliore les performances dun réseau ad hoc ou hybride »

47 47/47 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 ?

48 48/47

49 49/47 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, 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


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