Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc

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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 Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc
Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants Diffusion d’information Diminution du nombre d’émission ; Ajustement de portées Perspectives de recherche 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

4 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
Ad hoc vs centralisé centralisé ad hoc Bilan énergétique En centralisé Chaque mobile ne communique qu’avec un point d’accès fixe En ad hoc On communique moins loin (10 fois moins) et on doit également relayer les messages des autres mobiles 90% des communications d’un 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

6 Ad-hoc vs centralisé (suite)
Connectivité au « réseau » En centralisé Infrastructure « point d’accès » 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 ! » 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

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

9 Ad-hoc vs centralisé (suite)
Connectivité au « réseau » En centralisé Infrastructure « point d’accès » 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

10 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 d’avoir une vision globale ou quasi-globale du réseau Similaire au centralisé Protocoles centralisés Protocoles globaux Protocoles locaux Complexité du mobile RFID tags PDA Smart sensor Laptop 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

11 Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc
Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants Diffusion d’information Diminution du nombre d’émission ; Ajustement de portées Perspectives de recherche 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

12 Ajustement de portées Modèle énergétique :
Pour émettre à une distance d E(d) = d 2, le facteur d’atténuation du signal Diviser la portée de chaque mobile par 2, c’est 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

14 Utiliser des sous graphes connexes
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15 Graphe RNG (Relative Neighborhood Graph)
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Ajustement de portées Solution triviale : Ajuster la portée de chaque nœud à la distance maximale d’un voisin RNG, LMST (local) ou MST (global) Algorithme glouton MTCP [Wieselthier 2000] IPTCP et ses variantes locales [Simplot-Ryl 2003] 1-LIPTCP 1-LMTCP IPTCP MTCP 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

17 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
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 d’un nœud de E On cherche généralement des ensembles dominants connexes (CDS pour Connected Dominating Sets) 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

19 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

20 Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc
Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants Diffusion d’information Diminution du nombre d’émission ; Ajustement de portées Perspectives de recherche 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

21 2. Diffusion d’information
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 d’un arbre recouvrant  diffusion En local : inondation  arbre recouvrant 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

22 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
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 n’est 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

23 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
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 : S A B C D E S émet (A, B, C et E reçoivent) A, B et E réémettent C aussi D réémet 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

25 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 n’ont pas réémis Plus le SRB d’un protocole est grand, mieux c’est Économie d’énergie Pour le blind flooding : SRB = 0% Garantir la couverture du réseau Critère RE = REachability = % de nœuds atteignables effectivement atteints Plus le RE d’un protocole est grand, mieux c’est 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 l’information Distorsion Nombre de sauts effectué par le message / distance « en sauts » avec la source Peut être important pour la découverte de route 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

27 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

28 Optimisation basée sur la distance
[Tseng et al. 2002] On fixe un seuil au-delà duquel les nœuds réémettent Inconvénients Le nœud B n’est pas considéré comme un relais alors qu’il 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 définit => fixe 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

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

31 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

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

34 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
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 : 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

36 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 : 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

37 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
Couche physique (5/7) D’après 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=108 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

38 Consommation énergétique
Avec une antenne directionnelle, on dépense moins d’énergie Proportionnelle à la surface couverte =angle d’ouverture du faisceau d=distance à laquelle on désire émettre c1 et c2 sont des constantes supposées connues c1 prise en compte du coût de la couche MAC c2 prise en compte du coût d’orientation du faisceau, signal processing L’omnidirectionnelle est un cas particulier du directionnel 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

39 Broadcast Incremental Power (BIP)
Caractéristiques de BIP: Wieselthier et al. (2000) Construction d’un 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 Arbre depuis un mobile particulier, contrairement à d’autres protocoles qui créent une structure permettant de broadcaster depuis n’importe où BIP 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

40 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
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 : 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

41 Target Radius Based Protocol (TRBP)
Choix du rayon d’émission - 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 n’est pas toujours la meilleure solution → Il existe un rayon cible Rt optimal pour chaque nœud Notre protocole : Adapter la topologie pour se rapprocher de ce rayon optimal, sélectionner des relais dans le réseau, attacher chaque nœud passif à un relais. 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

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

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

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

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

47 Localized BIP - Principe
Exemple d’application S applique BIP dans son voisinage à deux sauts et transmet ses choix E fait de même en tenant compte des instructions reçues 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

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

50 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
Performances Comparaison avec d’autres protocoles de diffusion BIP (Algorithme centralisé d’origine) Wielselthier et al. 2000 LBOP (NES sur les voisins LMST avec ajustement de portée) Ingelrest et al. 2003 TR-LBOP (LBOP avec utilisation d’un rayon cible) Ingelrest et al. 2004 Observation de divers paramètres Diffusion (taux de couverture) SRB (Saved Rebroadcast) EER (Expanded Energy Ratio) Latence 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

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

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

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

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

56 Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc
Plan Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles Contrôle de topologie Ajustement de portées ; Ensembles dominants Diffusion d’information Diminution du nombre d’émission ; Ajustement de portées Perspectives de recherche 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

57 4. 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 d’arbres recouvrants (spanning trees) Interrogation de population de tags, de capteurs Pour la dissémination d’information… Lecteur 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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

59 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 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

60 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …
Bibliographie Etat de l’Art 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 (ICC’2004), (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. 2 mars 2004 Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …

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