Qualité de Service dans les Réseaux Mobiles Ad Hoc Centre de Recherche sur l’Information Scientifique & Technique Qualité de Service dans les Réseaux Mobiles Ad Hoc Nadir BOUCHAMA Division Théorie & Ingénierie des Systèmes Informatiques (DTISI) nbouchama@cerist.dz 08/06/2010 25ième Anniversaire du CERIST

Plan de l’Exposé.. 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 25 ieme Anniversaire du CERIST

Réseaux mobiles ad hoc (MANET) Ad hoc :  locution latine Pour cela (LAROUSSE)  Formé dans un but précis (WIKIPEDIA). «Un système autonome de plates-formes mobiles appelées nœuds qui sont libres de se déplacer aléatoirement et sans contrainte. Ce système peut fonctionner d’une manière isolée ou s’interfacer à des réseaux fixes au travers de passerelles. Dans ce dernier cas, un réseau ad hoc est un réseau d’extrémité". RFC 2501 IETF GW Réseaux ad hoc Internet Réseaux de capteurs Réseaux MESH Réseaux Mobiles Ad hoc 25 ieme Anniversaire du CERIST

Caractéristiques des réseaux mobiles ad hoc 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 25 ieme Anniversaire du CERIST

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

Scénario d’application dans le cas de catastrophes Internet Centre de Commande CERIST Si on fait une projection cette architecture dans un scénario des opérations de secours menés par les services de protection civile nous pouvons équipé les camions par des routeurs sans fil et des personnels de secours par des PDA ou PC portable assurant la fonctionnalité de routage ad hoc. 25 ieme Anniversaire du CERIST

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

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 d’utilisation Cependant, deux définitions sont largement  Définition donnée dans le RFC 2386 de l’IETF (Internet engineering Task Force) Définition donnée dans la recommandation E.800 de l’ITU (International Telecommunications Union) 25 ieme Anniversaire du CERIST

Qualité de Service ?  Recommandation E.800 du CCITT : « Effet global des performances du service qui détermine le degré de satisfaction d’un utilisateur du service. » Comme définie dans le RFC 2386, « Ensemble de besoins à assurer par le réseau pour le transport d’un trafic d’une source à une destination. Ces besoins peuvent être traduits en un ensemble d’attributs 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 d’adapter les applications à la “qualité “ du réseau.  Objectif principal: OPTIMISER l’utilisation des ressources 25 ieme Anniversaire du CERIST

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

Exemple d’exigences en QoS Source: 25 ieme Anniversaire du CERIST

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

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

Sur-Dimensionnement (over-dimensioning) Principe : Agir sur les RESSOURCES (solution matérielle) Approvisionner le réseau avec « suffisamment » de ressources si besoin est Avantages: Facile et peut se faire de façon graduelle; Aucun mécanisme de QoS n’est 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 s’agit d’un 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 PROHIBITIF 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 Avantages: Non coûteuse; Utilisation rationnelle des ressources; Inconvénients: Complexe à implémenter Problème de passage à l’échelle (scalability) 25 ieme Anniversaire du CERIST

Protocoles de signalisation Taxonomies….. Classification la plus connue et la plus citée: [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 92- 106. Novembre 2001 Qualité de Service dans les Réseaux Ad Hoc Protocoles de signalisation Routage avec QoS Couche MAC Modèles de QoS 25 ieme Anniversaire du CERIST

Critiques Raisons ? 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 2006 - Tozeur, Tunisia. Raisons ? Impossible de classifier les solutions existantes selon cette taxonomie; Pourquoi séparer la signalisation et le QoS routing alors qu’ils sont souvent complémentaires; Un bon modèle de QoS est souvent construit à partir de plusieurs blocs de base 25 ieme Anniversaire du CERIST

Taxonomie selon le niveau de QoS Définition Autres noms Example d’applications Difficulté Best Effort (BE) le réseau envoie les paquets sans aucune garantie. send and pray courrier 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 n’est pas 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 n’est pas du tout fourni TOUT ou RIEN QoS déterministe, service garanti, QoS quantitative, QoS absolue contrôle de trafic aérien, chirurgie à distance, contrôle d’un réacteur nucléaire, etc. impossible Niveau de QoS 25 ieme Anniversaire du CERIST

Routage avec QoS dans Les MANETs 25 ieme Anniversaire du CERIST

Objectifs du Routage avec QoS Les TROIS objectifs principaux du routage avec QoS sont les suivants: Déterminer dynamiquement un chemin répondant aux exigences de QoS entre une source et une destination ; Optimiser les ressources du réseau (load balancing); Permettre une dégradation gracieuse (graceful degradation) des performances du réseau http://www.ietf.org/rfc/rfc2386.txt 25 ieme Anniversaire du CERIST

Exemple de Routage avec QoS Une source S veut communiquer avec une destination D et demande une QoS en bande passante de Bw=4 5 Besoin en QoS: BW≥4 4 B C S 4 4 S Source 2 3 E F D Destination 3 D 2 6 Plus court chemin D Chemin satisfaisant la QoS 25 ieme Anniversaire du CERIST

Application requirements Positionnement Network requirements Application requirements 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 s’intéresse à la recherche d’un chemin faisable qui vérifie la QoS NP-Complet si le nombre de métriques additives 2 Utiliser heuristiques 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 métrique choisie Avantage majeur: facilité Exemple: AODV-D (AODV with delay constraints) (Travail avec un étudiant en PFE (UMMTO))  Extension du protocole AODV Métrique: délai Estimation du délai local à chaque nœud Le délai est une métrique ADDITIVE : Délai de bout en bout = Délais à un saut D S 25 ieme Anniversaire du CERIST

Principe du protocole AODV 30/03/2017 Principe du protocole AODV AODV: Ad hoc On Demand Vector Distance Routing protocol Protocol réactif IETF RFC 3561. Juillet 2003 30/03/2017 26 25 ieme Anniversaire du CERIST Houari MAOUCHI 26

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

Estimation du délai de mise en file au niveau MAC Question principale: Quel modèle de files d’attente utiliser pour estimer le délai au niveau du 802.11 ? Recherche Bibliographique: M/MMGI/1/K Ozdemir et al 2004 M/G/1 Meraihi et al, 2004 Ph.D Thesis M/G/1/K M/M/1/K Chikh Sarr, 2007 Ph.D Thesis G/G/1 Bisnik et al 2009 25 ieme Anniversaire du CERIST

File M/M/1/K Nombre de clients dans la file 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 d’ordonnancement est FIFO (Premier Arrivé Premier Servi) Nombre de clients dans la file Taux d’utilisation du serveur Temps de séjour dans le système 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: (Loi de Little) D’où: ? 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 802.11 C =7 ) Soit X la variable aléatoire qui compte le nombre de tentatives pour une transmission réussie d’une trame Nombre moyen de retransmissions pour une trame donnée: 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 d’un paquet de taille m à l’aide du 802.11 25 ieme Anniversaire du CERIST

Extension des messages HELLO Extension des paquets de contrôle TYPE J | R | G | D |U RESERVED HOP COUNT Bande passante désirée Délai max demandé Délai un saut calculé RREQ ID Destination IP Address Destination Sequence Number Originator IP Address Originator Sequence Number TYPE R | A PREFIX SZ HOP COUNT Destination IP Address Destination Sequence Number Originator IP Address Lifetime Probabilité de collision Extension des messages HELLO 25 ieme Anniversaire du CERIST 30/03/2017 33

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

Scénario de simulation AODV-D Délai ≤ 150 AODV Plus court chemin 30/03/2017 35 25 ieme Anniversaire du CERIST

Résultats de simulation (NS-2) Délai de bout en bout 30/03/2017 36 25 ieme Anniversaire du CERIST

Modèles de QoS dans Les MANETs 25 ieme Anniversaire du CERIST

Modèles de QoS Modèle de QoS Un modèle définit généralement les blocs de base d’une solution donnée : Contrôle d’admission politique d’ordonnancement contrôle de congestion, signalisation, routage avec QoS Lissage de trafic, etc Définir QUI FAIT QUOI?  Interaction ? Aspect architectural 25 ieme Anniversaire du CERIST

Faut-il une évolution ou une révolution ? 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 INTERNET Passerelle (gateway) Faut-il une évolution ou une révolution ? 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 25 ieme Anniversaire du CERIST

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

DiffServ (Differentiated Services) Nœud d’entrée Nœud interne Nœud de sortie 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; 25 ieme Anniversaire du CERIST

Plus scalable que IntServ Pour MANETS ? 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 25 ieme Anniversaire du CERIST

INSIGNIA http://comet.columbia.edu/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 25 ieme Anniversaire du CERIST

Ne pas garder les informations sur l’état SWAN (Stateless Wireless Ad hoc Networks) http://comet.columbia.edu/swan/overview.html Soft QoS Inspiré de DiffServ Ne pas garder les informations sur l’état 2 classe de trafic: best effort et real time Définit un contrôle d’admission pour accepter/rejeter une nouvelle connexion 25 ieme Anniversaire du CERIST

FQMM (Flexible QoS Model for MANETs) Modèle hybride: IntServ + DiffServ Conçu pour les MANETS de taille moyenne (jusqu’à 50 noeuds) Flexible 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, 2002. D. Awduche, A. Elwalid A. Chiu, I. Widjaja, and X. Xiao, RFC3272: Overview and Principles of Internet Traffic Engineering, 2002. C. Chaudet and I. Guérin-Lassous, Etat des lieux sur la Qualité de Service dans les Réseaux Ad hoc, Colloque Francophone sur l’Ingénierie des Protocoles (CFIP), Tozeur. Tunisia, 2006. 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. 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 l’approvisionnement 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 d’un protocole de routage à soft QoS a été présenté (L’estimation 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 25 ieme Anniversaire du CERIST

Merci pour votre attention ! QUESTIONS ? 25 ieme Anniversaire du CERIST