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1 Support de la qualité de service et contrôle de topologie dans les réseaux mobiles ad hoc Rabah Meraihi GET / Télécom Paris Rabah Meraihi 1

2 Plan 1. Introduction et contexte 2. Qualité de service dans les réseaux ad hoc 3. Combinaison de la QoS IP et MAC 4. Routage avec différenciation de terminaux 5. Contrôle de topologie orienté stratégie et routeurs dédiés 6. Démonstrateur M1 (projet ITEA Ambience) 7. Conclusion Rabah Meraihi 2

3 . Réseaux ad hoc (spécificités et propriétés) Pas de contrainte de mobilité, facile à déployer et peu coûteux Auto organisation Canal radio partagé et limité Hétérogénéité des nœuds Applications: Extension, et densification d un réseau cellulaire de 3éme génération (UMTS Civiles ou Militaires Rabah Meraihi 3

4 2. QoS dans les réseaux ad hoc FQMM: Flexible QoS Model for Mobile Ad Hoc Networks - Architecture plate - Schéma d approvisionnement hybride - Nœuds à rôle dynamique - Un réseau Ad Hoc représente un domaine DIFFSERV Rabah Meraihi 4

5 INSIGNIA:In Band Signaling Support For Providing QoS in MANETs - Réservation et restauration de connexion rapide - Mécanisme de FeedBack (QoS reporting) (rapport d état) - Prise en charge des changements de topologie. M M 2 S M M D 1 M 3 M 4 Rabah Meraihi 5

6 QoS Routing Principe: (1) Si la route existe, trouver un chemin ayant des ressources pour satisfaire les exigences de QoS (2) Tout en optimisant l utilisation des ressources réseau (3) Adapté au variation et congestion du réseau Exemples: - CEDAR, - QoS pour AODV, - Ticket Based Probing et d autres Rabah Meraihi 6

7 QoS MAC Ajouter des fonctionnalités au niveau MAC afin d offrir des garanties de QoS. Exemple: MACA/PR : Multiple Access Collision Avoidance with Piggyback Reservation Différenciation de service pour Rabah Meraihi 7

8 Gestion multi-couches de la QoS Pourquoi une gestion de qualité de service multi-couches? Contexte ad hoc: ressources partagées, rares et chères Application Besoins à satisfaire Réseau Gestion de la mobilité Connectivité et routage MAC Accès multiple Radio Transmission sans fil Rabah Meraihi 8

9 Contexte et contributions Notre objectif : support d applications multimédias dans un tel environnement Notre solution Différenciation multi-couches : Combinaison de la QoS IP et MAC Routage avec différenciation de terminaux --> des liens sans fil de bonne qualité Contrôler la topologie du réseau en utilisant un ensemble limité de routeurs dédiés dans le but d assurer la connectivité globale et offrir des liens stable de bonne qualité Un diamètre de backbone limité Rabah Meraihi 9

10 3. Combinaison de la QoS IP + MAC Deux classes de service: 1. Temps réel : exigences en terme de délai, gigue et débit 2. Best effort: sans aucune exigence de QoS Priorité au niveau IP : classification et ordonnancement (DiffServ-like) Priorité locale File à priorité stricte (2 niveaux de priorité) Priorité au niveau MAC: fonction DCF modifiée Priorité pour l accès au médium Priorité basée sur le paramètre DIFS Combinaison + mapping des classes de service de chaque couche Nécessité de liens sans fil stables de bonne qualité Rabah Meraihi 10

11 4. Routage à différenciation de terminaux Pourquoi? Liens longs avec des débits inférieurs Instabilité des chemins les plus courts Nœuds hétérogènes en terme de débit d émission Influence des bas débits sur les voisins et sur la performance du réseau de manière générale Rabah Meraihi 11

12 Routage à différenciation de terminaux Basé sur les routeurs mobiles autonomes Pas de contraintes de batterie (grande capacité) Formation d un cœur de réseau ad hoc stable Liens sans fil de bonne qualité, où la QoS peut être garantie Rabah Meraihi 12

13 Simulations Network Simulator (NS-2) Surface :1000x1000 m2 Trafics Prioritaires & trafics Best effort 11Mb/s 11Mb/s 11Mb/s 11Mb/s 11Mb/s 1Mb/s 1Mb/s Topologie hiérarchique du réseau ad hoc Rabah Meraihi 13

14 Résultats (1): Débits Débits avec différenciation de service IP et/ou MAC Débit avec et sans différenciation de terminal Débits avec QoS IP et MAC + différenciation de terminal Rabah Meraihi 14

15 Résultats (2): Délais Délais avec différenciation de service IP et MAC Délai avec et sans différenciation de terminal Délais avec QoS IP&MAC + différenciation de terminal Rabah Meraihi 15

16 Discussion La combinaison d un protocole de routage avec différenciatio de terminaux & une QoS IP+MAC: Offrir des liens sans fil stables de bonne qualité Support de trafics multimédia en réduisant le délai et la gigue des paquet Mobilité des nœuds et changement des capacités des routes Nécessité d un contrôle sur la topologie du réseau Adapter la topologie du réseau pour offrir des liens stables Rabah Meraihi 16

17 Contrôle de topologie dans MANET Le contrôle de topologie permet de maintenir une topologie spécifique, en contrôlant les liens du réseau pour avoir un ensemble d objectifs: Réduire les interférences Réduire la consommation d énergie Augmenter la capacité du réseau Réduire le délai bout en bout Etc Rabah Meraihi 17

18 Méthodes de clustering dans les réseaux ad ho Objectifs Maintenance des informations de topologie Minimiser les diffusions de messages de découverte de route et de mise à jour Election de Cluster-heads Former des petits clusters stables (à 2 sauts) Rabah Meraihi 18

19 5. Notre approche Basé sur les routeurs mobiles dédiés Contrôle de la morphologie du réseau par la mobilité Pas de contraintes de batterie Disposent d un débit élevé Cœur de réseau ad hoc stable et connecté liens de haute qualité gateway to the Internet Ad hoc network Rabah Meraihi 19

20 a) Contrôle de topologie orienté connectivité Objectif: déploiement d un ensemble de routeurs dédiés pour assurer un backbone connecté Formulation: Integer Linear Programming Définition des données, variables, contraintes Fonction objectif: maximiser le nombre de nœuds couverts tout en gardant le backbone de routeurs connecté Trouver les positions des routeurs mobiles Rabah Meraihi 20

21 Cas d un réseau ad hoc interconnecté à une infrastructure Contrainte additionnelle a b 1 1 = = x y gateway gateway PDA Dedicated mobile routers Ad hoc network gateway AP PDA La position d un routeur dédié est connue Les contraintes restent les même Rabah Meraihi 21

22 b) Contrôle de topologie orienté QoS Objectif: Limiter le diamètre du backbone Définir le valeur du diamètre H Ajout de la contrainte de diamètre: 1 H s z i, j s = 1,..., M 2 i, j M Rabah Meraihi 22

23 Simulations et résultats Position des nœuds Surface de simulation CPLEX Solver Position des routeurs Network Simulator 2 Paramètres étudiés: Modèle de trafics Connectivité: plus de 95% des nœuds couverts Nombre de routeurs dédiés nécessaire pour assurer la connectivité Performance : débit, délai et perte Rabah Meraihi 23

24 Résultats Réseau ad hoc autonome N= 100 nœuds Rm=150 m Surface: 1000x1000 m2 M= 11 routeurs mobiles Rr= 210 m Objectif: Connectivité Rabah Meraihi 24

25 Résultats Réseau ad hoc interconnecté une infrastructure N= 50 nœuds Rm= 150m Surface: 800x800 m2 M= 7 routeurs mobiles Rr= 200m QoS oriented deployment Rabah Meraihi 25

26 Nombre de routeurs N= 30 nœuds Rm= 150m, fixe Surface: variable M, routeurs mobiles: variable Rr: variable Rabah Meraihi 26

27 Étude des performances Tous les routeurs mobiles ont un débit de 11 Mb/s 7 flux CBR, débit = 64kbps, taille paquets = 360 bytes, Comparaison des performances : a) Sans utilisation des routeurs mobiles b) Avec une approche de clustering c) Avec notre modèle de déploiement orienté QoS d) Distribution uniforme des routeurs Rabah Meraihi 27

28 Analyse des résultats Average end to end delay Average delivery ratio Average lossratio a) classical ad hoc network 672ms 83% 16% b) cluster based approach 434ms 92% 8% c)our approach: QoS oriented deployment 80,42ms 97,85% 2,15% d)uniform deployment of mobile routers 73,14ms 98,28% 1,72% Traffic performance comparison Rabah Meraihi 28

29 La suite Étude d un déploiement dynamique des routeurs mobiles: Minimiser les déplacements des routeurs Minimiser les changements de route des communications en cours, du à la mobilité, dans le réseau Contrôle de topologie orienté équilibrage de charge Améliorer la position des routeurs mobiles suivant une métrique (la puissance du signal par exemple) Rabah Meraihi 29

30 6. Démonstrateur M1 Rabah Meraihi 30

31 7. Conclusions L intérêt d une gestion multi-couches de la QoS Un routage à différenciation de terminaux routes avec des liens de haute qualité (scénario choisi par un opérateur réseau) Contrôle de la topologie en utilisant un ensemble réduit de routeurs dédiés sans contraintes de ressources: Pour assurer un bonne connectivité Un coeur de réseau stable et contrôlé Rabah Meraihi 31

32 Références R. Meraihi, G. Le Grand, S. Tohmé and M. Riguidel, Real time application support in an ambient network using intelligent mobile robots, European Symposium on Ambient Intelligence, LNCS 2875, 2003 Eindhoven, The Netherlands G. Le Grand, R. Meraihi, S. Tohmé and M. Riguidel, Intelligent ad hoc networking to support real time services, IEEE VTC Fall, Orlando, USA, 2003 R. Meraihi, G. Le Grand, S. Tohmé et M. Riguidel, Gestion multicouches de la qualité de service dans un réseau ad hoc à coeur stable, CFIP 2003, Paris, 2003 G. Le Grand, R. Meraihi, S. Tohmé and M. Riguidel, Cross-layer QoS and terminal differentiation in ad hoc networks for real-time service support, (MedHOC NET 2003), Mahdia, Tunisia, 2003 R. Meraihi, G. Le Grand, N. Puech, S. Tohmé, M. Riguidel, Improving ad hoc network performance with backbone topology control, IEEE VTC Fall 2004, Los Angeles, USA 2004 Rabah Meraihi 32

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