Les réseaux ad hoc mobiles Routage

Caractéristiques des MANETs 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), Bsiclly, we mean Mobile Ad Hoc networks when we say ad hoc. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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 ? Bsiclly, we mean Mobile Ad Hoc networks when we say ad hoc. Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 les liens physiques. Le routeur à une vue complète sur le réseau. ds: count-to-infinity problem: react very slow for bad news Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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

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

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 use traditional protocol in ad hoc networks Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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

Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane Routage Ad Hoc Routage géographique Routage plat Routage hybrides proactif réactif OLSR AODV DSR ZRP HSR … LAR GPSR … FSR WRP ADV TORA ABR DSDV: destination-Sequenced Distance-Vector Routing WRP: wireless routing P AODV: Ad-hoc On-Demand Distance Vector routing TORA: Temporally-Ordered Routing Algorithm DSR: Dynamic source routing ABS: Associativity-Based routing SSR: Signal Stability routing DSDV CGSR Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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

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

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

Deux types de routage : Routage dans les réseaux ad hoc 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

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

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

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

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

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 4 C3 Nœud 1 3 3 6 8 Gateway Cluster Head 6 7 7 2 2 Routage du nœud 1 vers le nœud 8 Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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

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

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

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 par chaque 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

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

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

DSR (Dynamic Source Routing) Algorithme : 2 Phases (1/2) Découverte d’une route (route discovery) Si aucune 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

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

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

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

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

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 liens bidirectionnels Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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

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

AODV (Ad hoc On demand-DV) Options de RREQ (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

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 plusieurs RREP  traitement selon la pertinence de ces RREP (hop-cnt2 < hop-cnt1 ou D-seq2 > D-seq1) Hop-cnt DIP@ D-seq# SIP@ lifetime Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

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

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

AODV (Ad hoc On demand-DV) Exemple 1 2 11 12 13 14 15 10 6 5 9 8 7 3 4 RREP acheminement 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

Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane 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

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

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

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

Recherche de route AODV Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

Création de routes dans DSR Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

Création de routes dans DSR (cont.) Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane

Comparaisons de routage ad hoc Protocoles basé-Table Complexité en temps : élevé Philosophie de routage : plat, CGSR est hiérarchique Capacité de Multicast : Non #tables requises : élevé Routage basé-Source Initialisation ou à la demande Philosophie de routage : plat AODV supporte le multicast N’utilisent pas les messages de contrôle périodiques => préservent la bande passante et la puissance Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane