présentée pour obtenir le grade de docteur de l université paris 12 Val de Marne (Spécialité Informatique et Réseaux) par Saida ZIANE

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1 Thèse présentée pour obtenir le grade de docteur de l université paris 12 Val de Marne (Spécialité Informatique et Réseaux) par Saida ZIANE Une approche inductive dans le routage à optimisation du délai: Application aux réseaux Membres du jury : Rapporteurs : Jalel BenOthmane Université de Versailles-St Q!entin, PRISM Eric Rondeau Université de Henri Poincaré, Nancy1, CRAN Examinateurs : Véronique Vèque Université Paris 11, Orsay, IEF Zoubir Mammeri Université Paul Sabatier, Toulouse, IRIT Yacine Amirat Université Paris 12, Créteil, LISSI Directeur de Thèse : Abdelhamid Mellouk Université Paris 12, Créteil, LISSI. Laboratoire Image, Signal et Systèmes Intelligents EA 3956

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3 Remerciements Je suis très reconnaissante envers Jalel Ben Othmane et Eric Rondeau d avoir accepté de rapporter mes travaux. Je les remercie d'avoir apporté tant de soins à la relecture de ce mémoire et d'avoir accepté de figurer dans mon jury. Mes sincères remerciements à Abdelhamid Mellouk qui a accepté de m encadrer et a compris et a soutenu mes efforts pour mener à bien ce travail de thèse. Je remercie également Pr Véronique Vèque, Pr Zoubir Mammeri et Pr Yacine Amirat pour avoir accepter de faire partie de mon jury. J'exprime ma plus profonde reconnaissance à tous les collègues au sein de l école ESLSCA pour leur support et pour les moments de joies que nous avons partagés lors des quelques années que j'ai passé parmi eux. Je remercie en particulier Meraihi Naimi Amina pour toute son aide sur tous les plans, je la remercie pour son temps qu elle m a accordé dans les moments les plus durs, merci pour ses encouragements. Merci à mon frère qui sans lui je n aurai jamais pu tenir jusqu au bout. Merci, pour sa présence, ses conseils, sa patience et sa confiance. Merci à tous les membres du laboratoire LISSI, pour les moments partagés et leur soutien quotidien. Merci à ma chère famille sans que j oublie de remercier particulièrement Smail pour m'avoir apporté support et soutien, tant psychologique que financier, pendant toute la durée de ma thèse Je ne me permettrais surtout pas d'oublier les collègues au sein de Glaizer Group et mes amis sans qui rien de ce que je n'ai accomplit n'aurait été possible. En particulier, merci à Naima, Itheri, Souheila, Mouloud Wafa, Fatima, Géraldine, Martine, Jeannine pour être les meilleurs amis du monde, sur qui on peut compter quelle que soit la situation. 3

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5 Dédicaces À mes chers parents, mes frères, mes sœurs, mes neveux et nièces Particulièrement à toi Nabil A ma princesse Inès À mon pays l Algérie. 5

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7 Abstract With the emergence of multimedia applications in the mobile ad hoc networks, several QoS guarantees are increasingly required. Mobile ad hoc networks are infrastructure-less networks consisting of wireless, possibly mobile nodes that are organized in peer-to-peer and autonomous fashion. The highly dynamic topology, limited bandwidth availability and energy constraints make the routing problem a challenging one. Substantial research effort has gone into the development of routing algorithms for MANETs. In the few last years, the swarm intelligence paradigm has been used in solving the routing problem in static computer networks with encouraging results. These algorithms have been proven to be robust and resilient to topology changes. We propose in this thesis a new swarm intelligence routing protocol, called AMDR (Adaptive Mean Delay Routing). AMDR is composed of two parts: the first part has the task of delay estimation at each mobile node. Such estimation is realized locally and does not require any special packet exchange. On the other hand, using local delay estimation means that synchronization problem is solved without any additional overhead. The second part of AMDR consists of the routing function realized around an exploration process. This part is built on two kinds of exploring agents having the task of collecting information on the network state in term of delay. We implemented AMDR under NS-2 simulator and studied its performances in term of delay, and loss rate. We compare AMDR performances with two different oriented delay routing protocols: QAODV and DOLSR. Simulations showed that AMDR is more scalable and reacts better to the changes of topology. Key words: Adaptive routing for MANETs, Reinforcement learning, delay optimization. 7

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9 Résumé Avec l émergence des applications multimédia dans les réseaux ad hoc, des garanties de la qualité de service QoS (Quality of service) sont de plus en plus exigées. Durant ces dernières années, plusieurs travaux portant sur l étude de la QoS dans les réseaux ad hoc ont été menés. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l étude du routage adaptatif avec délai dans les réseaux sans fil ad hoc, les réseaux Nous avons proposé un nouveau protocole de routage, appelé AMDR (Adaptive Mean Delay Routing), basé sur des agents explorateurs qui se chargent de collecter des informations sur l état du réseau en termes de délai par le biais d un mécanisme d apprentissage en continu des paramètres du réseau. Ces derniers mettent à jour les tables de routage maintenues au niveau de chaque nœud du réseau. L exploration des routes a été optimisée en proposant un nouvel algorithme de relais multipoints basé sur le délai réduisant ainsi l overhead généré pour l exploration. Par ailleurs, comme le calcul du délai dans un réseau mobile ad hoc est en étroite dépendance avec le mécanisme d accès au médium, la modélisation au niveau de la couche MAC du mécanisme d accès au canal nous permet d obtenir l information sur le délai moyen des liens. Dans ce cadre, nous avons proposé une modélisation du mécanisme d accès au canal qui nous a permis d estimer localement le délai des liens radio sans aucune génération de trafic supplémentaire. Le protocole AMDR calcule les routes qui minimisent le délai moyen de bout en bout en se basant sur l évaluation périodique locale du délai à un saut de manière continue. Nous avons implémenté AMDR sous ns-2 et étudié ses performances en termes de délai, de taux de perte et d overhead généré. Nous avons ensuite comparé AMDR en termes de performance avec le protocole réactif QAODV et le protocole proactif DOLSR, tous deux orienté délai. Les simulations ont montré que AMDR réagit mieux aux changements de la topologie et au passage à l échelle grâce aux capacités d adaptation et de réactivité de son algorithme d apprentissage. Mots Clés: Routage Adaptatif dans les réseaux MANET, Apprentissage par renforcement, Optimisation du délai. 9

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11 Table des matières ABSTRACT... 5 RESUME... 9 LISTE DES FIGURES LISTE DES TABLEAUX INTRODUCTION CHAPITRE 1: RESEAUX MOBILES AD HOC ET QUALITE DE SERVICE RESEAUX MOBILE AD HOC : MANETS HISTORIQUE ET GENERALITES CARACTERISTIQUES DES RESEAUX MOBILES AD HOC DOMAINES D APPLICATIONS DES RESEAUX MOBILES AD HOC COUCHE MAC DANS LES RESEAUX MOBILES AD HOC Description de la couche MAC IEEE ROUTAGE DANS LES RESEAUX MOBILES AD HOC Protocoles réactifs Protocoles proactifs Protocoles hybrides Discussion QUALITE DE SERVICE DANS LES RESEAUX MOBILES AD HOC APERÇU SUR LA QUALITE DE SERVICE DIFFERENCIATION DE SERVICES AU NIVEAU MAC Différenciation de service basée sur la fonction DCF du protocole IEEE e PROTOCOLES DE RESERVATION Protocole INSIGNIA BRuIT (Bandwidth Reservation under InTerference influence) AQOR (Ad hoc QoS On demand Routing) MODELE DE QUALITE DE SERVICE POUR LES RESEAUX AD HOC Flexible Quality of service Model for MANETs (FQMM) Service differentiation in wireless ad hoc networks (SWAN) Modèle imaq ROUTAGE ORIENTE QUALITE DE SERVICE Extension QoS du protocole OLSR (QOLSR) CEDAR (Core Extraction Distributed Ad hoc Routing algorithm) TBP (Ticket Based Probing) Routage OLSR orienté délai (DOLSR)

12 Routage adaptatif CONCLUSION CHAPITRE 2: ROUTAGE ADAPTATIF : DES RESEAUX FILAIRES AUX RESEAUX MOBILES AD HOC INTRODUCTION METHODES D APPRENTISSAGE APPRENTISSAGE SUPERVISE APPRENTISSAGE NON SUPERVISE APPRENTISSAGE PAR RENFORCEMENT Modèle formel Q-ROUTING APPROCHE K SP Q-ROUTING ROUTAGE AVEC LES RESEAUX CPN (COGNITIVE PACKET NETWORK) MISE A JOUR DES POIDS DES CONNEXIONS ROUTAGE AVEC COLONIES DE FOURMIS DANS UN RESEAU FILAIRE REAJUSTEMENT DES COUTS ROUTAGE AVEC COLONIES DE FOURMIS DANS UN RESEAU MOBILE AD HOC ALGORITHME UNICAST Mobilité ALGORITHME BROADCAST DISCUSSION CONCLUSION CHAPITRE 3: ROUTAGE ADAPTATIF AVEC DELAI MOYEN INTRODUCTION PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ESTIMATION LOCALE DU DELAI MOYEN MODELISATION DU PROTOCOLE MODELE LOCAL D ESTIMATION DE DELAI DECOUVERTE DU VOISINAGE DECOUVERTE DES ROUTES A LA DEMANDE INITIALISATION DE LA TABLE DE ROUTAGE ENVOI DES PAQUETS FEP RELAIS DES PAQUETS FEP Optimisation de l inondation des paquets d exploration Répondre à tous les paquets FEP : Reply to all Répondre au premier paquet FEP : Reply to first Répondre au meilleur délai moyen : Reply to best Répondre aux N premiers paquets FEP : Reply to N first Répondre selon une contrainte de délai : Reply to delay constraint IMPACT DE LA MOBILITE ALGORITHME DE ROUTAGE CHAPITRE 4: IMPLEMENTATION ET SIMULATION INTRODUCTION

13 2. IMPLEMENTATION DU MECANISME D ESTIMATION DE DELAI SOUS NETWORK SIMULATOR 2 (NS-2) SIMULATIONS ET RESULTATS COMPARAISON AMDR, QAODV ET DOLSR DOLSR (Delay Oriented OLSR) QAODV (QoS AODV) Premier scénario Second scénario Impact de la mobilité ETUDES DES OPTIONS D AMDR Mobilité moyenne Mobilité forte CONCLUSION CONCLUSION ET PERSPECTIVES LISTE DE PUBLICATIONS BIBLIOGRAPHIE

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15 Liste des figures Figure 1.1. Problème du nœud caché.26 Figure 1.2. Applications diverses des réseaux ad hoc.28 Figure 1.3. Méthode d accès DCF avec RTS/CTS.29 Figure 1.4. Backoff exponentiel..30 Figure1. 5. Modèle FQMM.44 Figure 1.6. Modèle SWAN.45 Figure 1.7. Modèle imaq Figure 2.1. Modèle décisionnel d un acteur 53 Figure 2.2 Mise à jour des Q-Valeurs dans l algorithme Q-Routing..57 Figure 2.3. Réseau de neurones aléatoire 58 Figure 2.4. Poids des connexions entre deux neurones i et j...59 Figure 2.5. Comparaison entre une entrée dans une table de routage classique et un RNN...61 Figure Comportement d une colonie de fourmis en présence d un obstacle..62 Figure 2.8. Exemple d un comportement AntNet...63 Figure 3.1. Exemple de table de routage dans AMDR 71 Figure 3.2 : Différents modules d AMDR..72 Figure 3.3. Impact de la distance sur le taux de collision, p1! p2.76 Figure 3.4. Impact des interférences sur le taux de collision, p1! p2 77 Figure 3.5. Découverte de route dans AODV

16 Figure 3.6. Exemple d exploration..81 Figure 3.7. Sélection des relais multipoints MPR par le nœud 0 83 Figure Sélection des relais multipoints MPR selon le délai par le nœud 0.84 Figure 4.1. Architecture de mise en œuvre..98 Figure 4.2. Topologie du premier scénario..101 Figure 4.3 Choix entre les deux chemins par les trois protocoles (premier scénario) Figure 4.4. Comparaison du délai moyen entre DOLSR, QAODV et AMDR (premier scénario).103 Figure 4.5. Topologie du second scénario Figure 4.6 : Choix entre les deux chemins par les trois protocoles (second scénario) Figure 4.7. Comparaison du délai moyen entre AMDR, QAODV et DOLSR (second scénario).105 Figure 4.8. Comparaison du taux de perte entre AMDR, QAODV et DOLSR Figure 4.9. : Topologie à 50 noeuds, scénario aléatoire 107 Figure 4.10 : Délais moyens de bout en bout pour AMDR, QAODV et DOLSR dans le cas d une mobilité moyenne.108 Figure 4.11 : Délais moyens de bout en bout pour AMDR, QAODV et DOLSR dans le cas d une forte mobilité 109 Figure 4.12 : Taux de perte moyens entre AMDR, QAODV et DOLSR dans le cas d une mobilité moyenne Figure 4.13 : Taux de perte moyens entre AMDR, QAODV et DOLSR dans le cas d une forte mobilité Figure Comparaison du délai moyen de bout en bout issue des quatre options de AMDR : cas de la mobilité moyenne Figure Comparaison de taux de perte issue des quatre options de AMDR : cas de la mobilité moyenne Figure Comparaison du délai moyen de bout en bout issue des quatre options de AMDR : cas de la forte mobilité

17 Figure Comparaison de taux de perte issue des quatre options de AMDR : cas de la forte mobilité

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19 Liste des tableaux Tableau 1.1. : Comparaison entre AODV, OLSR et ZRP. 35 Tableau 1.2. Exigences typiques des applications réseaux 37 Tableau 1.3. Tableau récapitulatif des solutions de routage orienté QoS.49 Tableau 4.1. Paramètres de simulation Tableau 4.2. Paramètres de simulation mobilité

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21 Introduction Depuis quelques années, les technologies de communication sans fil, notamment les technologies mobiles, connaissent un essor spectaculaire. Les réseaux mobiles sans fil doivent leur succès à la vulgarisation des équipements mobiles, à la fois, à faible coût et à une forte capacité de traitement et de stockage. Grâce à leur convergence avec les réseaux filaires et particulièrement Internet, les réseaux mobiles ad hoc, ne cessent de prendre de l ampleur. Par ailleurs, l émergence des applications multimédia dans ce nouveau type de réseaux requiert des exigences en terme de qualité de service. Le problème de qualité de service dans les réseaux filaires a été largement étudié et différentes solutions ont été proposées voire standardisées. Néanmoins, ces dernières ne sont pas adaptées aux caractéristiques particulières des réseaux mobiles ad hoc. De nouvelles solutions, de qualité de service, dédiées au contexte particulier des réseaux mobiles ad hoc doivent donc voir le jour. En effet, un foisonnement de travaux de recherche est mené ces dernières années portant sur l étude de la qualité de service dans les réseaux mobiles ad hoc, sans toutefois aucune des solutions proposées ne puisse faire l objet d une normalisation. L enjeu des travaux autour de la qualité de service dans les réseaux mobiles ad hoc est de garantir aux trafics une ou plusieurs métriques de la qualité de service, à savoir : la bande passante, le délai, la gigue, ou encore le taux de perte. Ainsi, un protocole de qualité de service doit se charger d assurer ou d améliorer l une des métriques de qualité de service précédemment citées. Il ne s agit pas d une tâche triviale car ceci requiert une connaissance de l état du réseau par rapport à la métrique en question. Le sujet de ma thèse s inscrit dans cette problématique. En d autres termes, il s agit d étudier le routage orienté qualité de service et particulièrement celui orienté délai dans les réseaux mobiles ad hoc. Nous nous sommes intéressés à l étude du routage adaptatif qui est par nature orienté qualité de service. Le calcul de la table de routage dans ce type de routage est en effet basé sur des agents explorateurs chargés de rassembler de l information sur l état des liens et procéder ensuite à des mises à jour au niveau des nœuds du réseau. Le routage adaptatif est dit

22 Introduction aussi probabiliste, il se base sur une fonction de renforcement qui permet la mise à jour des entrées de la table de routage et ainsi la construction de routes. Par ailleurs, il est très important de souligner l avantage des protocoles de routage adaptatif qui permettent d apprendre par leur principe de pénalité/récompense le comportement optimal à avoir dans un environnement dont on ne connaît pas le modèle a priori. Nous proposons dans cette thèse la mise en œuvre d un protocole de routage adaptatif orienté délai basé sur une approche inductive permettant une meilleure prise en compte des paramètres dynamiques dans un réseau mobile. Le protocole que nous avons élaboré est de nature hybride combinant à la fois le routage réactif et le routage proactif. Comme le délai dans un réseau mobile ad hoc est en étroite corrélation avec le mécanisme d accès au médium, la modélisation au niveau de la couche MAC du mécanisme d accès au canal nous permet d obtenir l information sur le délai moyen des liens. Plusieurs travaux ont porté récemment sur l étude de la couche MAC, notamment le Nous proposons dans le cadre de cette thèse une modélisation du mécanisme d accès au canal qui nous permet d estimer localement le délai des liens radio réduisant ainsi la génération de tout trafic supplémentaire pouvant augmenter la charge du réseau et par conséquence chuter les performances. Organisation du document Dans le premier chapitre, nous présentons une étude bibliographique sur les réseaux mobiles ad hoc tout en se focalisant sur les aspects liés à la qualité de service et particulièrement ceux liés à la fonction du routage. Nous abordons ensuite une étude sur les protocoles de routage adaptatif les plus représentatifs, proposés dans la littérature. Nous nous sommes intéressés à leur différent mode de fonctionnement et avons dressé une synthèse pour chaque protocole. Le chapitre trois est consacré au protocole que nous proposons. Après avoir présenté nos motivations, nous décrivons l ensemble des modules qui définissent le fonctionnement de ce dernier. Ce chapitre est scindé principalement en deux parties : l estimation du délai et le routage probabiliste. Dans un premier temps, nous proposons un modèle d estimation du délai nous permettant de nous affranchir de la synchronisation des nœuds. Le modèle proposé repose sur un mécanisme qui permet aux nœuds du réseau de calculer localement, de façon proactive, le délai moyen par lien. Pour ce faire, nous nous basons sur un modèle multicouches (crosslayer) dans lequel un échange d informations entre la couche MAC et la couche réseau permet au nœud d estimer son délai moyen. La seconde partie du chapitre est dédiée à la description de la spécification du protocole de routage. Nous y décrivons les trois modules principaux concernant chaque fonction du protocole : la découverte du voisinage, l exploration des routes et la fonction de routage. Pour des raisons d optimisation par rapport aux flux de contrôle générés (overhead), nous décrivons aussi un algorithme de sélection de relais multipoints basé sur le délai moyen estimé. 22

23 Introduction Dans le quatrième chapitre, nous abordons l implémentation et l analyse des performances de notre protocole. La validation et l évaluation des performances de l algorithme proposé ont été réalisées sur différentes topologies en utilisant l outil de simulation Network Simulator 2 (NS-2). L analyse des performances montre clairement l efficacité d AMDR et son intérêt des points de vue du temps moyen d acheminement pour des réseaux à forte charge ou soumis à une mobilité forte des nœuds du réseau. Nous nous sommes ensuite focalisés sur la pertinence des différents mécanismes mis en œuvre dans la recherche de routes et la génération des paquets explorateurs dans AMDR. Les résultats obtenus ont montré que le taux de collision et la dynamique du réseau issu des changements de topologie sont deux facteurs déterminants dans le calcul des délais de bout en bout. Enfin, le chapitre 5 conclut nos travaux et propose quelques perspectives de recherche. 23

24 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service 1. Réseaux mobile Ad hoc : MANETs 1.1. Historique et généralités Nous assistons, depuis quelques années, à un développement spectaculaire d un nouveau type de réseaux locaux sans fils appelés réseaux mobiles ad hoc. Il s agit des réseaux sans fil, mobiles, spontanés, qui ne nécessitent la présence d aucune infrastructure fixe et capables de s organiser dynamiquement sans l intervention de l utilisateur. Leur succès phénoménal est dû essentiellement au développement continu des technologies sans fil qui deviennent de plus en plus populaires et de moins en moins coûteuses. Les équipements mobiles deviennent donc, de plus en plus petits et puissants en termes de capacité de traitement et de stockage de données.

25 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service De plus, ils sont dotés d une multitude de fonctionnalités qui permettent d assurer différents types d applications et de services. Parmi les applications et services offerts via un équipement mobile, figurent les services de connexions et les services de données correspondants. Ces derniers représentent le service le plus demandé par les utilisateurs mobiles. Par exemple, les connexions entre deux téléphones mobiles cellulaires sont assurées par les BSC et les MSC, les ordinateurs portables sont connectés à Internet via des points d accès fixes, etc. Par ailleurs, il existe des situations spécifiques où les besoins de connexions des utilisateurs ne sont pas assurés par le réseau dans une zone géographique donnée. Dans de telles situations, fournir la connectivité est un réel défi. Récemment, de nouvelles alternatives pour fournir les services ont été proposées. Elles sont basées sur le déploiement des stations mobiles interconnectées les unes aux autres grâce à une configuration autonome, créant ainsi un réseau ad hoc flexible et performant. En outre, le réseau ad hoc peut être utilisé pour l extension d un réseau filaire tel que l Internet. Dans ce cas, les noeuds mobiles peuvent avoir accès à l Internet à travers une passerelle, pour étendre les services de l Internet au-delà de l infrastructure filaire. Historiquement, le premier domaine d'application des réseaux ad hoc fut le domaine militaire. Dans les années 70, la DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency) propose le protocole PRNet (Packet Radio Network) [KAH 77]. Ce protocole permet de déployer un mécanisme de communication entre les différents groupes d'unités par l'intermédiaire de véhicules qui communiquent ensemble par liaison radio. RPNet a été inspiré par l efficacité de la technologie par commutation de paquet, le partage de la bande passante, le routage store-and-forward, et ses applications dans l environnement mobile sans fil. Pour dresser les principaux problèmes du projet PRNet en terme de passage à l échelle, de sécurité, de capacité de traitement et de gestion de l énergie, la DARPA a proposé, en 1983, le protocole SURAN (Survivable Radio Networks) [WES 84]. Son objectif était de proposer un protocole capable de supporter jusqu à une dizaine de milliers de noeuds, tout en utilisant des mécanismes radio simples, avec une faible consommation d énergie, et un faible coût. Suite à ce projet, une nouvelle technologie appelée LPR (Low-cost Packet Radio) [FIF 87] a vu le jour en 1987, dotée d une couche radio DSSS (Direct Sequence Spread- Spectrum) avec un processeur intégré pour la commutation de paquets (Intel 8086). Parallèlement, une famille de protocoles pour la gestion du réseau a été développée, et une topologie hiérarchique du réseau basée sur un clustering dynamique est utilisée pour remédier au problème de passage à l échelle. La révolution de la micro informatique et l évolution des infrastructures du réseau Internet sont deux facteurs qui ont permis de rendre applicable les idées initiales des réseaux radio de paquets. En 1994, le programme GloMo (Global Mobile) [LEI 96] a été initié par la DARPA, et avait comme objectif de supporter les communications multimédia, n importe quand et n importe où, à travers des équipements sans fil. En 1997, l armée américaine a développé une implémentation des réseaux sans fil ad hoc, grandeur nature, appelée Tactical Internet (IT) [FRE 01]. Cette implémentation utilise des débits de plusieurs dizaines de kilobits par seconde. Un autre déploiement a été réalisé en 1999, avec ELB ACTD (Extending the Littoral Battle-space Advanced Concept Technology Demonstration) [ALT 99]. Ce dernier a démontré la faisabilité des concepts militaires pour les 25

26 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service communications des bateaux, en mer, aux soldats sur la terre par l intermédiaire d un relais aérien. Le nombre de noeuds dans le réseau avoisinait la vingtaine. Ces dernières années, les réseaux mobiles ad hoc connaissent un succès phénoménal, dû essentiellement au développement continu des technologies sans fil qui deviennent de plus en plus populaires et de moins en moins coûteuses. Ces réseaux suscitent, donc, un intérêt particulier grâce à leur dynamisme, leur facilité et leur rapidité de déploiement, notamment dans des situations où les connexions ne peuvent guère être assurées, comme dans le cas dans certaines zones géographique où l installation d une infrastructure est très coûteuse. C est aussi le cas dans quelques sites considérés comme monuments historiques où l installation d une infrastructure fixe n est pas souhaitable. Les réseaux mobiles ad hoc, appelés aussi MANETs (Mobile Ad hoc NETwork), représentent aujourd hui un domaine de recherche très actif qui a fait l objet de nombreux travaux scientifiques menées à la fois par les académiques et les industriels Caractéristiques des réseaux mobiles ad hoc Un réseau mobile ad hoc (MANET) est considéré comme un système autonome dynamique composé de noeuds mobiles interconnectés par des liens sans fil, sans l utilisation d une infrastructure fixe et sans administration centralisée. Dans une telle configuration, les noeuds sont libres de se déplacer aléatoirement et s organisent arbitrairement. Par conséquent, la topologie du réseau peut changer de façon rapide et surtout imprévisible. Un réseau ad hoc peut être autonome ou connecté à une infrastructure fixe. La route entre un noeud source et un noeud destination peut impliquer plusieurs sauts sans fil, d où l appellation de «réseaux sans fil multi-sauts». La communication est directe lorsque les nœuds communicants se trouvent dans le même rang de transmission. En d autres termes, un noeud mobile peut communiquer directement avec un autre noeud s il est dans sa portée de transmission. Au delà de cette portée, les noeuds intermédiaires jouent le rôle de routeurs (relayeurs) pour relayer les messages saut par saut. La nature très dynamique des réseaux ad hoc, due à la mobilité, l autonomie des nœuds et principalement à l utilisation des transmissions radios, a fait que ces réseaux sont particulièrement difficiles à manier. Je vais dresser ci-dessous les caractéristiques spécifiques aux réseaux ad hoc qui doivent être prises en compte lors de la conception des algorithmes et des protocoles réseaux, à savoir : Absence d une infrastructure centralisée : chaque noeud opère dans un environnement pair à pair distribué. Par conséquent, tous les nœuds agissent en tant que routeurs pour relayer des communications, ou génèrent leurs propres données. La gestion du réseau est ainsi distribuée sur l ensemble des éléments du réseau sans aucune administration centralisée. Mobilité des noeuds et maintenance des routes : un noeud peut joindre un réseau, changer de position ou quitter le réseau à tout moment. Ce déplacement a naturellement un impact sur la topologie du réseau et peut modifier le comportement du canal de 26

27 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service communication. Ajoutons à cela la nature des communications (longues et synchrones, courtes et asynchrones,....). Les algorithmes de routage doivent ainsi résoudre ces problèmes et supporter la maintenance et prendre en charge en un temps limité la reconstruction des routes tout en minimisant la charge supplémentaire (overhead) générée par les messages de contrôle. Hétérogénéité des noeuds : un noeud mobile peut être équipé d une ou plusieurs interfaces radio ayant des capacités de transmission variées et opérant dans des plages de fréquences différentes. Cette hétérogénéité de capacité peut engendrer des liens asymétriques dans le réseau. De plus, les noeuds peuvent avoir des différences en termes de capacité de traitement (CPU, mémoire), de logiciel, de taille (petit, grand) et de mobilité (lent, rapide). Dans ce cas, une adaptation dynamique des protocoles s avère nécessaire pour supporter de telles situations. Contrainte d énergie : les équipements mobiles disposent de batteries limitées, parfois très limitées tels que les PDA, et par conséquent d une durée de traitement réduite. Sachant, par ailleurs, qu une partie de l énergie est déjà consommée par la fonctionnalité du routage limitant ainsi les services et les applications supportées par chaque noeud. Taille des réseaux ad hoc : elle est souvent de petite ou moyenne taille (une centaine de noeuds), le réseau est utilisé pour étendre temporairement un réseau filaire, comme pour une conférence ou des situations où le déploiement du réseau fixe n est pas approprié (ex : catastrophes naturelles). Cependant, quelques applications des réseaux ad hoc nécessitent une utilisation allant jusqu à des dizaines de milliers de noeuds, comme dans les réseaux de capteurs. Des problèmes liés au passage à l échelle tels que : l adressage, le routage, la gestion de la localisation des capteurs et la configuration du réseau, la sécurité,... etc., doivent être résolus pour une meilleure gestion du réseau. Nœud caché : un exemple de nœud caché est illustré sur la figure 1.1. Le nœud B et le nœud C ne s écoutent pas (séparés par un obstacle) alors des transmissions simultanées de B et C, sont possibles lorsque le mécanisme d accès au canal est basé sur l écoute. De telles transmissions peuvent engendrer des collisions de paquets, ainsi le taux de collision devient un paramètre déterminant dans l étude des performances des réseaux ad hoc. 27

28 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service Figure 1.1. Problème du nœud caché 1.3. Domaines d applications des réseaux mobiles ad hoc Les premières applications des réseaux mobiles ad hoc concernaient les communications et les opérations dans le domaine militaire. Très vite, plusieurs domaines, comme l illustre la figure 1.2 [BOU 06], ont été conquis par cette technologie. Nous abordons dans ce qui suit les principales applications où des réseaux mobiles ad hoc ont été déployés avec succès [BOU 06] : Conférences et enseignements : les participants à une réunion ou à un cours peuvent se partager des documents ou des présentations, en utilisant leurs ordinateurs portables, assistants personnels, ordinateurs de poche,... etc. Les réseaux sans fil conviennent particulièrement pour ce type d applications, spécialement en configuration ad hoc. Opérations militaires : l'intérêt des militaires pour cette technologie s'explique par le caractère particulièrement adapté des réseaux ad hoc aux situations hostiles. En effet, comme le réseau est auto organisé et qu'il ne nécessite pas d'infrastructure, il peut être déployé rapidement, sans difficulté et offrir une bonne tolérance aux pannes. Situations d urgence : les réseaux mobiles ad hoc peuvent également servir dans le cadre d un désastre ou en cas d urgence. Par exemple pour une coopération coordonnée, les véhicules de police, les ambulances et les pompiers peuvent rester en contact et fournir instantanément des informations via un réseau mobile ad hoc. A l hôpital, le service des urgences médicochirurgicales est aussi un domaine où l utilisation des réseaux mobiles ad hoc peut être très pratique. Nous pouvons citer l exemple des notes des médecins prises sur des tablettes électroniques en consultation ou au lit du malade. Réseaux domestiques : les appareils électroménagers intègrent de plus en plus de composants électroniques, ce qui fait des réseaux domestiques un domaine de choix 28

29 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service pour les réseaux mobiles ad hoc. Ce type de réseaux est appelé «domotique». Les évolutions futures de la domotique comprennent les appareils électroniques classiques, tel que les téléviseurs et les lecteurs CD, mais aussi les appareils traditionnels tels que les réfrigérateurs, les fours à micro-ondes, les machines à laver, les radiateurs et les climatiseurs, ainsi que les systèmes de sécurité. Réseaux Personnels : le principe des réseaux personnels appelés PANs (Personal Area Networks) consiste à établir un réseau très localisé dont les noeuds sont très proches les uns des autres, tels qu un réseau établi entre un kit microphone/écouteurs sans fil et un téléphone portable pour dialoguer tout en se déplaçant dans une pièce ou en conduisant un véhicule ; ou aussi pour le transfert du code PIN d une carte téléphonique prépayée, se trouvant dans la poche de l utilisateur, juste en appuyant sur une touche du téléphone qui permet de le lire ; ou encore deux collaborateurs qui s échangent leurs emplois du temps entre PDAs ou téléphones portables. Réseaux de capteurs : les chercheurs se sont récemment intéressés à la possibilité de coordonner une large collection de petits dispositifs de détection. De tels dispositifs, peu chers à fabriquer et faciles à produire en quantité industrielle, peuvent fournir des données précises sur des terrains ou environnements hostiles. À titre d illustration, nous pouvons supposer que des produits chimiques aient été dispersés suite à une explosion ou tout autre accident. Au lieu d envoyer du personnel, qui peut être exposé à un danger certain (toxicité, très hautes températures,..), des détecteurs contenant des transmetteurs sans fil sont largués dans la zone à risque pour remonter l information après création d un réseau. 29

30 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service Figure 1.2. Applications diverses des réseaux ad hoc On constate alors que les réseaux mobiles ad hoc ont un très large potentiel dans un futur proche et l'intérêt que porte la recherche pour ce domaine s'en explique donc très largement. De nombreux défis se posent avant de pouvoir utiliser ce type de réseaux dans toutes les applications citées plus haut. La nature du medium de transmission représente une des difficultés majeures rencontrées. Nous abordons dans la section suivante, la gestion de l accès au médium radio dans un réseau mobile ad hoc en étudiant la couche MAC Couche MAC dans les réseaux mobiles ad hoc La norme IEEE appelée aussi Wi-Fi, réfère à une famille de spécifications développées pour les réseaux locaux sans fil. Le protocole IEEE peut opérer selon deux configurations du réseau sans fil local : réseau avec ou sans infrastructure. Dans la première configuration, au niveau de chaque cellule, un contrôleur centralisé est utilisé. Il s agit généralement d un Point d Accès (AP). Ce dernier est connecté au réseau filaire et peut ainsi fournir aux stations mobiles l accès au réseau Internet entre autres. Les stations mobiles peuvent en l occurrence changer de point d accès lors de leurs déplacements, ceci s appelle le «handover». Dans la seconde configuration, il s agit d un 30

31 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service réseau, pair à pair, constitué de stations qui s écoutent directement et s autoconfigurent pour former un réseau temporaire. Aujourd hui, le standard IEEE est principalement utilisé dans les réseaux ad hoc pour le support des communications sans fil. Nous décrivons brièvement l accès au médium utilisé dans le standard IEEE Description de la couche MAC IEEE Le protocole MAC définit deux modes d accès au canal : le mode d accès de base DCF (Distributed Coordination Function) et le mode optionnel PCF (Point Coordination Function). Le mode DCF est basé sur le mécanisme CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), conçu initialement pour supporter des transmissions asynchrones. Le mode PCF, basé sur le polling des stations de façon centralisée, ne fonctionne que dans une configuration avec infrastructure. De son coté, le mode DCF peut fonctionner avec les deux configurations : avec et sans infrastructure. PCF a été principalement conçu pour des transmissions synchrones sans toutefois être implémenté. Le mode DCF devient donc le seul utilisé quelque soit le type du trafic. Figure 1.3. Méthode d accès DCF avec RTS/CTS Le principe du DCF est simple. Avant d émettre une trame, la station émettrice doit s assurer que le canal est libre en écoutant la porteuse. Le canal est considéré comme libre s il l est pour une période au moins égale à DIFS (DCF InterFrame Space). La figure 1.3 illustre le 31

32 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service mécanisme DCF. Si le canal de transmission se trouve occupé lorsqu une station désire émettre, cette dernière doit différer son émission jusqu à ce que le canal soit de nouveau libre pour une période au moins égale à DIFS. Si toutefois, plusieurs stations diffèrent leurs transmissions jusqu à ce que le canal soit de nouveau libre, elles risquent de tenter d accéder au canal exactement au même moment. Leur donner la main simultanément provoque des collisions inévitables. Pour remédier à ce problème, les stations désirant émettre doivent attendre, à la libération du canal, un temps aléatoire avant de procéder à la transmission. Ceci permet de différencier les temps d attente entre les stations. Une fois le canal est libre, chaque station, en compétition pour l émission, sélectionne un intervalle aléatoire, appelé backoff. Tant que le canal est libre, chaque station décrémente le compteur de son backoff. Une station est en droit de transmettre, une fois que son compteur atteint la valeur «0». Les stations émettrices ne sont pas en mesure d écouter leurs propres transmissions, les stations réceptrices doivent, alors, acquitter la réception des trames en envoyant pour chaque trame reçue une trame dite d acquittement (Acknowledgement). Cette trame doit être prioritaire par rapport aux autres trames, ainsi elle est envoyée sans écoute du canal au bout d un temps fixe SIFS (Short InterFrame Space). SIFS est sensiblement plus petit que DIFS afin que les trames d acquittement soient plus prioritaires lors de l accès au canal. Figure 1.4. Backoff exponentiel 32

33 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service Seules les trames unicast seront acquittées dans la norme IEEE En effet, acquitter les paquets broadcast engendre l envoi de trames d acquittement multiple sans aucune écoute du canal conduisant ainsi à des collisions entre ces trames d acquittement conduisant ainsi à ce qu un émetteur ne reçoive probablement pas un acquittement annonçant la bonne réception de sa transmission. Si toutefois, malgré l usage d une attente aléatoire, la transmission échoue par cause de collision, une retransmission devrait alors avoir lieu. Si, au bout d un certain temps appelé AckTimeout, la station émettrice ne reçoit pas un acquittement pour sa transmission, elle déduit que cette dernière a échoué. En cas de collision, il est quasi certain que deux ou plusieurs stations sont en compétition pour accéder au canal. Dès lors, chaque retransmission sera précédée par la procédure de backoff dont nous détaillons le principe ci-dessous. Le temps du backoff représente l élément aléatoire principal de l accès au canal. Lorsque le canal est considéré comme occupé, la procédure du backoff est invoquée. Les stations en compétition initialisent alors leurs compteurs de backoff à une valeur aléatoire tirée de façon uniforme dans un intervalle appelé fenêtre de contention (CW : Contention Window). Cette valeur est calculée selon l équation 1.1: BackoffTime = Random() * aslottime. (1.1) Dans l équation ci dessus, aslottime représente la valeur d un slot physique. Random() est un pseudo entier aléatoire tiré de façon uniforme sur l intervalle [0, CW], avec CW compris entre la valeur minimale CW min et la valeur maximale CW max de la fenêtre de contention. La valeur initiale de la fenêtre de contention est fixée à CW min. Comme le montre la figure 1.4, la fenêtre de contention sera doublée en cas de collision ou de retransmission via une fonction appelée fonction exponentielle du backoff. Ainsi la fenêtre de contention, à la k ieme retransmission, sera comprise dans l intervalle [0, 2 k CW min ]. Une fois que la valeur CW max, soit atteinte, la variable CW garde cette valeur jusqu à ce qu elle soit réinitialisée à nouveau. Dans ce cas, la trame est reçue avec succès ou bien le nombre de retransmission maximal est atteint et la retransmission sera abandonnée après la suppression de la trame en question. En outre, dans le but d éviter qu une station monopolise l accès au canal, la norme exige l invocation de la procédure du backoff après chaque transmission même si la file d attente est vide. Actuellement, dans les nouvelles évolutions du standard IEEE orientées qualité de service, notamment le e, la procédure du backoff est désormais adaptée pour garantir une différenciation de service. Par ailleurs, afin de remédier au problème du nœud caché, DCF propose d introduire un mécanisme de réservation du canal. Ce mécanisme, appelé RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send), consiste à réserver le canal, grâce à l envoi de deux trames RTS et CTS, avant l envoi des paquets de données. Le principe est simple, une station désirant émettre un paquet de données, envoi d abord une trame RTS qui contient l adresse de la destination et la taille du paquet à envoyer. Arrivant à sa destination (RTS), le nœud destinataire répond par l envoi d une trame CTS qui spécifie la durée du transfert du paquet de données. Ainsi, les nœuds intermédiaires qui reçoivent la trame CTS s abstiennent d émettre tant que la durée spécifiée n est pas écoulée. 33

34 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service A l instar des paquets d acquittement, les trames RTS et CTS sont prioritaires à l accès au canal. Elles disposent d un temps d attente IFS (Inter Frame Space) inférieur à celui des paquets de données. Cependant, la norme IEEE a maintenu le mode DCF basique et propose le mécanisme RTS/CTS en option, celui-ci génère un overhead et des délais additionnels importants Routage dans les réseaux mobiles ad hoc Dans un réseau ad hoc, les nœuds intermédiaires, entre une source et une destination, jouent un rôle de relais pour acheminer les paquets. En l absence d entités fixes, les protocoles de routages ad hoc sont dits de nature distribuée. Les protocoles de routages filaires, aujourd hui largement matures, ne pouvaient pas être utilisés en l état dans les réseaux sans fil [NAI 05]. En effet, le routage filaire est à la base conçu pour des réseaux stables, où les changements de topologie, causés par la panne d un routeur par exemple, sont peu fréquents et pour lesquels des techniques de routage dynamique ont été développées. La mobilité dans un réseau ad hoc signifie que les informations sur le voisinage ou sur la topologie ont une durée de vie limitée et deviennent invalides si toutefois elles ne sont pas mises à jour régulièrement. D autre part, la nature sans fil du canal et le partage de la bande passante font que cette dernière soit considérée comme une ressource rare. Par conséquent, un protocole de routage optimal doit minimiser autant que possible la consommation de la bande passante pour ses paquets de contrôle permettant ainsi des débits maximaux pour les échanges de données. Il s agit donc de trouver un compromis pour maintenir les routes tout en utilisant un minimum de trafic de contrôle. Ce dernier devient donc un paramètre crucial qui détermine les performances d un protocole de routage ad hoc. Un autre problème, ajoutant une complexité supplémentaire au routage sans fil, est l existence de liens unidirectionnels qu il est préférable d éviter durant le calcul des routes puisqu il s agit de liens instables. Aussi, la rapidité de convergence du protocole de routage après une période d instabilité est nécessaire [NAI 05]. L environnement sans fil présente toutefois l avantage de la transmission radio en mode broadcast. Ceci facilite la diffusion des paquets de routage, l envoi d un paquet à tous les voisins ne nécessite qu une seule émission alors que, dans un réseau filaire, la même opération doit être répétée autant de fois qu il y a de voisins. Les protocoles de routage sont scindés principalement en trois catégories sur la base de leur comportement dans le contrôle du réseau : les protocoles réactifs, proactifs et hybrides. Nous allons maintenant décrire ces trois familles en évoquant quelques uns des protocoles les plus connus. 34

35 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service Protocoles réactifs Appelés aussi protocoles «à la demande», les protocoles de routage réactifs ne lancent aucune recherche d un chemin vers une destination avant qu une route ne soit sollicitée. A l arrivée d un trafic, le protocole de routage lance une requête de recherche d un chemin vers la destination du trafic, et ce en diffusant des paquets de contrôle dans le réseau. La charge générée par les paquets de contrôle ainsi que la latence de découverte d une nouvelle route représentent le coût de cette approche. Les protocoles AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) [LIN 00], DSR (Dynamic Source Routing) [JOH 04] et DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) [PER 06] sont des exemples de protocoles réactifs. Dans le cas du protocole AODV, lorsqu un noeud désire envoyer un flux de paquets à une destination donnée et qu il ne dispose d aucune route pour la joindre, il diffuse un paquet de requête de route (RREQ). Ce paquet se propage par inondation à travers tout le réseau. Lorsque la destination est atteinte, elle envoie un paquet de réponse (RREP) qui suivra le chemin inverse de la requête correspondante, provoquant l activation de la route dans les noeuds intermédiaires. Lorsque ce paquet arrive à la source du trafic, le transfert peut commencer. Pour remédier au problème de la mobilité des noeuds intermédiaires, un mécanisme de reconstruction locale des routes est mis en place. Le protocole DSR effectue, quant à lui est un routage par la source. La recherche de routes est effectuée de la même manière qu avec AODV, par inondation du réseau. Cependant, aucune information n est stockée dans les routeurs intermédiaires. Les paquets de requête sont modifiés de saut en saut et contiennent la liste intégrale des routeurs qu ils ont traversé. Pour chaque requête de route reçue, la destination envoie une réponse. Ces réponses décrivent l intégralité du chemin emprunté par la requête correspondante. Lors de la communication, la route que chaque paquet de données doit emprunter est contenue dans l en-tête du paquet, permettant ainsi à la source de disposer d autant de routes qu elle a reçu de réponses et d effectuer ainsi un équilibrage de charge ou encore de disposer de routes de secours pour palier au problème de la mobilité. L'avantage principal de DSR est qu'il y a peu ou pas de messages de contrôle quand peu de sources communiquent avec les destinations rarement accédées. Néanmoins, le problème de passage à l échelle peut se poser. Lorsque la taille du réseau devient plus grande, les paquets de commande et les paquets de messages deviennent également plus grands en volume. Ils doivent en effet porter des adresses pour chaque noeud dans le chemin. Le protocole de routage de vecteurs de distances ordonnancé par destination est dérivé d'un algorithme classique de vecteurs de distances, l'algorithme distribué de Bellman-Ford (DBF). Des améliorations sont effectuées afin d'éviter le problème des boucles présentes dans DBF en étiquetant chaque entrée de la table de routage avec un numéro de séquence pour commander l'information de routage. Dans DSDV, chaque noeud maintient une table de routage qui dispose d une entrée pour chaque destination dans le réseau. Les attributs pour chaque destination sont le prochain saut, le nombre de sauts, et un numéro de séquence qui est envoyé par le nœud destinataire. Pour maintenir l'uniformité des tables de routage, DSDV utilise deux types de mise à jour : des mises 35

36 Chapitre 1 Réseaux mobiles ad hoc et qualité de service à jour périodiques et d autres basées sur les évènements afin de propager l'information de routage aussi vite que possible par rapport à tout changement de topologie. Un des avantages principaux de DSDV est qu'il fournisse à tout instant les routes sans boucles. Cependant, plusieurs problèmes demeurent. Le plus important est qu il est difficile de déterminer des valeurs optimales pour les paramètres comme le temps de stabilisation maximum pour une destination particulière. Ceci pourrait conduire à des fluctuations et de fausses annonces ayant pour résultat le gaspillage de la bande passante. DSDV emploie également des mises à jour périodiques et évènementielles, générant des messages de contrôle excessifs de communication. Par ailleurs, un noeud doit attendre jusqu'à ce qu'il reçoive la prochaine mise à jour de route lancée par la destination avant qu'il puisse mettre à jour son entrée de la table de routage pour cette destination Protocoles proactifs Ces protocoles sont conçus de sorte que les routes soient immédiatement disponibles. Les protocoles proactifs sont basés sur des tables de topologie qui permettent de calculer les routes vers toutes les destinations. Afin d y parvenir, un maintien permanent d information rafraîchie sur la topologie, assuré par un envoi périodique de messages de contrôle, est nécessaire. Une fois l information collectée pour chaque destination, le nœud procède à un calcul du chemin optimal selon des critères bien définis. Le nombre de sauts constitue souvent le critère le plus utilisé pour calculer le chemin optimal. Cependant, pour les protocoles de routage orienté qualité de service, d autres critères sont considérés, comme le délai de bout en bout ou le taux de perte pour des applications temps réel. Le coût de l approche proactive est l overhead généré par l envoi périodique des paquets de contrôle. Quelques protocoles proactifs ont été standardisés par l IETF, entre autres, OLSR (Optimized Link State Routing) [CLA 03] et TBRPF (Topology Broadcast based on Resverse- Path Forwarding) [OGI 04]. Le protocole OLSR adapte le concept du routage à état de liens aux réseaux ad hoc. Il repose sur un principe simple qui consiste à l élection d un sous-ensemble des noeuds, appelés Multipoints Relais (MPR), formant un ensemble dominant du graphe formé par les nœuds de ce dernier. Afin de limiter le coût des diffusions périodiques dans le réseau, chaque noeud sélectionne son ensemble de MPR parmi ses voisins directs de sorte qu un message diffusé retransmis par ces noeuds atteint tout voisin à une distance de deux sauts de l origine. La diffusion des informations topologiques permettant le routage est effectuée par seulement les Multipoints Relais et la fréquence de diffusion des informations de voisinage et de routage est adaptée à la dynamique des réseaux mobiles ad hoc. Le protocole TBRPF maintient pour sa part un arbre de routage pour chaque noeud du réseau ad hoc. Les arbres des plus courts chemins sont déterminés au moyen de l algorithme de Dijkstra adapté, en se basant sur les informations topologiques transmises par les noeuds du réseau. Chaque noeud transmet périodiquement à tous ses voisins directs, la liste de ces voisins directs d une part et l arbre de routage qu il a construit d autre part. À partir de ces informations, chaque mobile peut construire de façon itérative la topologie à une distance de deux sauts de lui ainsi qu un arbre des plus courts chemins. 36