Les réseaux ad hoc mobiles Routage

Les réseaux ad hoc mobilesRoutage

Les réseaux ad hoc mobiles : Routage - A. Benslimane 2

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),

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 ?


Limitations typiques des réseaux ad hoc• consommation d’énergie élevée• Bande passante faible• Taux d’erreur élevé• Mobilité élevée pour chaque nœud du réseau



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;



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.


Comment acheminer• Utiliser identificateur => adresse globale uniqu

e, ex: IP• Trois types d’acheminement

• datagramme (sans connexion), ex: UDP,TCP/IP

• circuit virtuel (avec connexion), ex: ATM

• routage par source

Routage dans le réseau Ethernet


Routage dans le réseau Ethernet : par source

Routeur 1 Routeur 4

Routeur 3

Routeur 2

Host A

Host B

2

1

0

3

2

1

0

1

2

3

3

0

1

2

3

122

0

033

3B0

•Interface d’entrée, prochain saut, Interface de sortie


Routeur 1 Routeur 4

Routeur 3

Routeur 2

Host A

Host B

2

1

0

3

2

1

0

1

2

3

3

0

1

2

3

0

Host C

Host D

30

3

1

B

C

D

A

Dest. Inter. de sortie

Routeur 2

Routage dans le réseau Ethernet : sans connexion


3 (Token-ring)

1 (Ethernet)

2 (Ethernet)

Routeur 1

Routeur 2

Routeur 3

Host 1

Host 7

Host 3Host 2

Host 8

Host 4

Host 5 Host 6

Réseau 4 (point-à-point)Numéro Saut réseau prochain

1 R32 R13 Interface 14 Interface 0

Routeur2

Routage dans le réseau Ethernet : Internet


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.


Vecteur distance (Distance Vector)• Compteur de sauts

Etat de lien (Link state)• Coût de lien

Route ad hoc

Routage dans le réseau Ethernet : sélection de la route


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.


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



6

1

2

12

4

10

8

7

93

5

11

13


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


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, …


Routage Ad Hoc

DSDV CGSR

Routage géographiqueRoutage plat Routage hybrides

proactif réactif

OLSR AODV

DSR

ZRP HSR … LAR GPSR …FSR

WRPADV

TORA

ABR


Deux types de routage :• Basé-table • Basé-source initialisation (à la demande)


= Table-driven / proactif

= on-demand / reactif


• 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

Deux types de routage :• 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




Protocoles de routage basé-table

DSDV• (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)

CGSR • ( Clusterhead Gateway Switch Routing)

OLSR • (Optimized Link State Routing)

Proactifs


DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)

Mécanisme de routage classique Bellman-Ford (pas de boucle)

Utilisation d’une table ( < destination, saut prochain, #sauts, seqN°>)

Mises à jour périodiques diffusés dans le réseau Un paquet de mise à jour contient le nouveau seqN°

incrémenté du nœud émetteur, SeqN° reçu> seqN° : mise à jour de l’entrée dans la table locale SeqN° reçu = seqN° : #sauts reçu<#sauts : mise à jour autres entrées reçues ignorées

Full dump (toute la table), plusieurs NPDU réseau Incremental (changement), entre full dump


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.


CGSR(Clusterhead Gateway Switch Routing )

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.

heuristique


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.

Nœud Gateway Cluster Head

1

2

34

5

6

7

8

C1

C2

C3

Routage du nœud 1 vers le nœud 8

2

4

7

3

6


OLSR (Optimized-LS-Routing)

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!!


• 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 (Optimized-LS-Routing)MPR (MultiPoint Relay)


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

OLSR (Optimized-LS-Routing)Algorithme


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.

OLSR (Optimized-LS-Routing)Algorithme


OLSR (Optimized-LS-Routing)Formats des messages

Tout Message OLSR Le format de base de tout paquet OLSR est comme suit (sans les entêtes IP et UDP) : 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Packet Length | Packet Sequence Number | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Message Type| Vtime | Message Size | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Originator Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Time To Live | Hop Count |Message Sequence Number| +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | | : MESSAGE : | |

: :

(etc.)



0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Reserved | Htime | Willingness | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Link Code | Reserved | Link Message Size | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Neighbor Interface Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Neighbor Interface Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ : . . . : : : +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Link Code | Reserved | Link Message Size | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Neighbor Interface Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Neighbor Interface Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ : : : : (etc.)

Message HELLO



Message HELLO

Reserved : 0000000000000

Htime : intervalle d’émission des messages HELLO utilisé par le nœud sur cette interface particulière

= C*(1+a/16)*2^b [en seconds] où a est l’entier représenté par les 4 bits de poids fort et b est l’entier représenté par les 4 bits de poids faible du champ Htime et C est un facteur d’échelle (C = 1/16 sec (= 0.0625 sec) )

Willingness : {WILL_NEVER, WILL_ALWAYS, WILL_DEFAULT }jamais sélectionné comme MPR, toujours, par défaut.

Link Code : spécifie l’information sur le lien entre le nœud émetteur et la liste suivante des interfaces des voisins

Link Message size : longueur du message du lien

Neighbor Interface Address : l’adresse de l’interface du nœud voisin



Message TC (Topology Control) 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | ANSN | Reserved | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Advertised Neighbor Main Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | ... | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+


Protocoles de routage basé-source initialisation

DSR • (Dynamic Source Routing)

AODV • ( Ad Hoc On demand Distance Vector Routing)


DSR (Dynamic Source Routing)

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


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.



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



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.



AODV (Ad hoc On demand-DV)

WG-MANET de IETF : RFC et Draft 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 SeqN° pour chaque nœud. Chaque nœud incrémente son SeqN° quand la topologie change (changement de ses voisins)

Utilisation des liens bidirectionnels


Chaque nœud incrémente son SeqN° 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

Format de la table de routage- DIP@, D-SeqN°,- Next Hop IP@, Hop count D,- Last Hop Count, - List of Precursors (Pour envoyer RERR quand une route expire)- Life time,-Routing Flags- Interfaces



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 diamètre est gardé dans Last Hop Count



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-seqN° SIP@ lifetime



Maintenance des routes RERR Gestion de connectivité localement

(optionnel)

- Messages • hello,

• hello_interval,

• allowed_hello_loss



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 ?!


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 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


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)


Recherche de route AODV


Création de routes dans DSR


Création de routes dans DSR (cont.)


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

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Les réseaux ad hoc mobiles Routage