Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc David SIMPLOT-RYL IRCICA/LIFL, Univ. Lille 1 CNRS UMR 8022 - INRIA Futurs

Contrôle de topologie et diffusion dans les réseaux ad hoc

David SIMPLOT-RYL

IRCICA/LIFL, Univ. Lille 1CNRS UMR 8022 - INRIA Futurshttp://www.lifl.fr/RD2P

Simplot-Ryl - Contrôle de topologie …2 mars 2004

Plan


1. Introduction et notions de base Types de réseaux ; Familles de protocoles

2. Contrôle de topologie Ajustement de portées ;

Ensembles dominants

3. Diffusion d’information Diminution du nombre

d’émission ; Ajustement

de portées

4. Perspectives derecherche


Familles de réseaux

Réseau centralisé (à la Wi-Fi ou GSM)accès au réseau via des points d’accès (PA)

hybride

Réseau hybride

Réseau avec PA « étendu » par le ad hoc

ad hoc single hop

Communication point à point (mode ad hoc de Wi-Fi)

centralisé

ad hoc

Réseau ad hocChaque POPS est potentiellement un routeur

http://images.google.fr/imgres?imgurl=homepage.mac.com/benvp/.cv/benvp/Sites/.Pictures/PDA/PDA.jpg-thumb_205_273.jpg&imgrefurl=http://homepage.mac.com/benvp/PhotoAlbum11.html&h=273&w=186&prev=/images%3Fq%3Dpda%26start%3D20%26svnum%3D10%26hl%3Dfr%26lr%3D%26ie%3DUTF-8%26sa%3DN





Ad hoc vs centralisé

Bilan énergétiqueEn 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 médiumBande passante/Accès au médium meilleurs en ad hoc

centralisé ad hoc




Ad hoc vs centralisé (suite)

Partage du médium


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 ! »


Connexité du réseau


Connexité du réseau (suite)

Nombre d’objets par zone de communication (densité)

Pro

babi

lité

de c

onne

xité

du

rése

au (

%)


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


Familles de protocoles

CentralisésLe comportement des mobiles est « dirigé » par un objet central

Protocoles locauxLe mobile adapte son comportement en fonction de son environnement localBon comportement face à la mobilité

Protocoles globauxLe mobile est capable de ramener à lui les informations sur le réseauIl est capable d’avoir une vision globale ou quasi-globale du réseauSimilaire au centralisé

Com

plex

ité d

u m

obile

RFID tags

Smart sensor PDALaptop

Protocoles centralisés

Protocoles locaux

Protocoles globaux

http://www.wave-lynk.com/images/CT-5300-Logic%20Link.jpg


Plan




Ensembles dominants



de portées



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 mConnected graph

Range = 44 mNon-connected graph



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…


Utiliser des sous graphes connexes


Graphe RNG (Relative Neighborhood Graph)



Solution triviale :Ajuster la portée de chaque nœud à la distance maximale d’un voisin RNG, LMST (local) ou MST (global)

Algorithme gloutonMTCP [Wieselthier 2000]

IPTCP et ses variantes locales [Simplot-Ryl 2003]

IPTCPMTCP

1-LIPTCP 1-LMTCP


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)


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


Variante appliquée aux réseaux de capteurs

On change la notion de « couverture »On utilise la batterie restante comme prioritéOn obtient un Connected Area Dominating Set


Plan




Ensembles dominants



de portées



2. Diffusion d’information

Objectif de la diffusion (broadcast) Envoyer une information à tous les nœuds du réseaux

ou à une partie du réseauÀ une certaine distance « en sauts » dans le réseau

Utilisation du TTLÀ une zone géographique

Geocasting

Application :« advertising »

i.e. publication de servicesRequêtes de servicesDécouverte de routes

En centralisé : calcul d’un arbre recouvrant diffusionEn local : inondation arbre recouvrant


Blind flooding (1/2)

Inondation aveugleChaque 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


Blind flooding (2/2)

PourAlgorithme simple à implémenter

Sur MAC idéale, 100% des nœuds sont atteints

ContreBeaucoup de messages envoyés

Sur MAC réelle, beaucoup de collisions Nb. en diffusion, pas de RTS/CTS

Les messages peuvent être redondants :

SAB

C

DE

S émet (A, B, C et E reçoivent)

A, B et E réémettent

C aussi

D réémet


Diffusion

Démo


Optimisation de la diffusion

Diminuer le nombre de nœud émettant le message de diffusionCritère SRB = Saved ReBroadcast= % de nœuds ayant reçu le message mais qui n’ont pas réémisPlus le SRB d’un protocole est grand, mieux c’est

Économie d’énergie Pour le blind flooding : SRB = 0%

Garantir la couverture du réseauCritère RE = REachability= % de nœuds atteignables effectivement atteintsPlus le RE d’un protocole est grand, mieux c’estEn 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’informationDistorsion

Nombre de sauts effectué par le message / distance « en sauts » avec la source Peut être important pour la découverte de route


Optimisation

Diminuer le nombre de retransmissionsPar exemple en utilisant les ensembles dominants

Pb. on pénalise toujours les mêmes nœuds…


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


Optimisation basée sur la distance

[Tseng et al. 2002] On fixe un seuil au-delà duquel les nœuds réémettent

InconvénientsLe 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


Optimisation basée sur la distance

Idée : Utiliser un gradient de probabilité plutôt qu’un seuil sur la distance

Inconvénients :Nécessite toujours une mesure de distanceN’empêche pas les retransmissionsinutiles telles que celles de C et E…

Idée : utiliser le voisinage pourcalculer une « distance »


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.

)(

)(\)(),(

uN

uNvNvu

u vN(u)

N(v)\N(u)


Changement de distances (suite)

RésultatsSuivant différentes formes de gradientsSRB ~ 50 %RE > 95 %

Comparable à MPR [Qayyum et al. 2002]

LocalitéMPR = 2BRP = 1 (…)

Décision de forwardMPR = émetteurBRP = récepteur


Neighbour Elimination Scheme

[Peng, Lu][Stojmenović]Ne pas émettre immédiatementFaire la liste des voisins non couvertsAu 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 AOn 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 »


RNG Relay Subset flooding protocol

On fait un NES limité aux voisins RNG


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 :

)()(

)(\)()(\)(),(

vNuN

uNvNvNuNvu


RRS (suite)

Une bonne résistance à la charge(donc à la mobilité)

Au prix d’une latence plus élevée en raison du NESCes algorithmes ne requièrent ni positionnement ni contrôle de puissance…


Diminution de la portée

Atténuation du signalPour 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.)( dkdPC

2.)( dkdPC


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

0,2)( ccddPC


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

21)(2

),( ccddPC


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

DS

A

B

C

DSBIP


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 :


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 grandC 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 :1. Adapter la topologie pour se rapprocher de ce rayon optimal,2. sélectionner des relais dans le réseau,3. attacher chaque nœud passif à un relais.



1. Contrôle de topologie Calcul d’un sous-graphe connexe G’=(V,E’) e.g. RNG ou LMST Chaque nœud adapte son rayon

2. Choix de relais : Calcul d’un ensemble dominant

3. Attachement de chaque nœud passif au relais le plus proche

Rayon cible = 65Rayon unitaire = 100

Nœud dominant

Nœud passif



Résultats expérimentaux – Contrôle de topologie

Il est possible de contrôler la distance entre voisins dominants.



Résultats expérimentaux – Economie d’énergie (Densité de 50)

RBOP (2003)

BIP (2000)

LBOP (2003)

Minima de TRBP



Résultats expérimentaux – Economie d’énergie

Surcoût de RBOP 121%

Surcoût de TRBP avec le LMST29%


Localized BIP - Principe

Principe de fonctionnement

1. Le nœud source applique BIP dans son voisinage à deux sauts,

2. Le paquet est émis avec les instructions pour chaque voisin,

3. Les voisins appliquent le même schéma en tenant compte des instructions reçues.

L’arbre obtenu est différent de celui de BIP, mais suffisamment proche



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

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



A

D

C

S

B

Graphe de base

A

D

C

S

B

Arbre de diffusion

Pourquoi le voisinage à deux sauts? S ne prend pas D en compte C ne doit pas relayer

→ D n’est pas atteint



Problèmes de couverture A choisit F pour toucher G B choisit E pour toucher G

BA

CE

G

FD

Graphe de base

BA

E

G

FD

Arbre de A

BA

CE

G

F

Arbre de B

→ Ajout du NES sur un sous-ensemble de voisins

(LMST ou RNG)


Performances

Comparaison avec d’autres protocoles de diffusionBIP (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 paramètresDiffusion (taux de couverture)

SRB (Saved Rebroadcast)

EER (Expanded Energy Ratio)

Latence


PerformancesTaux de couverture

A partir d’une densité de 40, la diffusion devient totale sans NES


PerformancesEnergie dépensée

BIP

LBIP sans NES

Densités faibles


PerformancesEnergie dépensée

BIP et LBIP

TR-LBOP

LBOP

Réseaux denses


PerformancesTaux de nœuds inactifs

LBOP


PerformancesLatence

LBIP possède une latence plus faible que les autres

TR-LBOP

LBOP


Plan




Ensembles dominants



de portées



4. Perspectives de recherche

Protocoles de diffusion spécialisésPour 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


Dissémination d’informations

réplica dans le cache

Information source


Perspectives de recherche (suite)

Contrôle de topologieÉviter 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















Bibliographie

Etat de l’Art sur la diffusionF. 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 broadcastingF. 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), 40-46.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 hybridesF. Ingelrest, D. Simplot-Ryl, and I. Stojmenovic. Routing and broadcasting in hybrid ad hoc multi-hop cellular and wireless internet networks. submitted.


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