Université de Rennes 1 Master Recherche en Informatique. Étude bibliographique Évaluation des performances des réseaux WLAN maillés

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1 Uversté de Rees 1 Master Recherche e Iformatque Étude bblographque Évaluato des performaces des réseau WLAN mallés Ecadrat : Ndh Hegde (FT/CORE/CPN/TRM Etudat : Al Ibrahm

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3 Table de matères Table des matères 1. Itroducto Archtecture géérale d u réseau Les composats d u LAN Format de la trame : Algorthme MAC Le mode DCF Problème de la stato cachée et les trames RTS/CTS : Wreless Meshed Network (WMN Itroducto Archtecture SEEMesh s Archtecture géérale : Tables de commutato MP: Foctoemet : Découverte de vosage : Etablssemet des les : Le routage : Archtecture W-Mesh s Archtecture géérale : Foctoemet: Algorthme MAC : Routage Modèles pour les réseau WLAN : Modèle pour le calcul du débt utle TCP et CSMA/CA : Aalyse au veau paquet : Cocluso Bblographe Glossare I

4 Table des fgures Tables des fgures Fgure 1 : Archtecture géérale... 2 Fgure 2 : Format géérale d ue trame Fgure 3 : Le mode DCF... 4 Fgure 4 : Problème de la stato cachée... 4 Fgure 5 : Mécasme RTS/CTS... 5 Fgure 6 : Archtecture géérale SEEMesh s... 6 Fgure 7 : Archtecture géérale : WLAN Mesh, Mesh Portal... 6 Fgure 8 : Meshed WLAN multcaau... 7 Fgure 9 : Archtecture géérale W-Mesh s... 8 Fgure 10 : Durée moyee d ue émsso correcte (sas RTS/CTS Fgure 11 : Durée moyee d'ue collso (sas RTS/CTS Fgure 12 : Durée moyee d'ue émsso correcte (avec RTS/CTS Fgure 13 : Durée moyee d'ue collso (avec RTS/CTS Fgure 14 : Dgramme de trasto de la chaîe (s(t, b(t Fgure 15 : Dagramme de trasto de la chaîe y(t Fgure 16 : Les dfférets évéemets II

5 Itroducto 1. Itroducto Les réseau sas fls ot cou u essor mportat ces derères aées. Ces réseau sot souvet stallés comme des réseau famlau ou professoels, ou comme des hotspots gérés par les opérateurs de télécommucatos. Das toutes ces stallatos le pot d accès est relé au système de dstrbuto par des lasos flares, ce qu lmte la zoe de couverture des ces réseau tout e augmetat leur coût d stallato. Alors pourquo e pas tercoecter les pots d accès par des lasos sas fl? D ou l dée de base des réseau WLAN mallés, qu sot smplemet formés d u esemble de pots d accès relés par des lasos sas fl. De cette faço o augmete la couverture du réseau mas auss sa robustesse, sa dspoblté, sa résstace au paes et évetuellemet sa capacté. Mas derrère cette smplcté apparete se cache u certa ombre de problèmes qu l faudrat surmoter pour costrure u réseau mallé performat, résstat au facteur d échelle, et dot la couverture vare d u smple hotspot usqu à u échelle métropolta. Ces problèmes estet au dfférets veau des couches réseau otammet : la couche MAC pour le partage effcace des ressources rado, la couche réseau qu gère le routage das ces réseau mutl-bod à lasos rado et à topologe dyamque et au veau de la couche trasport surtout les performaces du TCP au dessus de CSMA/CA das cet evroemet mutl-bod. Evdemmet des telles archtectures mallées sot d ue grade mportace pour les opérateurs de télécommucatos surtout s o compare leur débt potetel (11/54 Mb/s e a/g avec celu d u réseau cellulare de 2/3 ème géérato (débt usqu à 384 Kbts/s. Et l évaluato des performaces de ces réseau permettra de savor les dmesoer, de détermer les débts offerts et le type des applcatos supportées (servces temps réel ou o, servces multméda..., leurs capactés e ombre d utlsateurs, les paramètres QoS... La répose à toutes ces questos s obtet gééralemet e établssat des modèles mathématques approprés, le plus souvet des modèles stochastques, et par smulato. L état actuelle du stadard e prévot pas l tercoeo e sas fl etre les pots d accès. Récemmet u groupe de traval ommé s a été formé à l IEEE et dot le but est de proposer u stadard pour les réseau WLAN mallés. Ce groupe a reçu deu propostos d archtecture de la part de deu groupemets dustrels maeures : L archtecture SEEMesh (Smple, Effcet ad Etesble Mesh de Noka, Itel et Motorola, Semes, Teas Istrumet... L archtecture W-Mesh de Nortel, Phlps, Thomso, ComNets... La premère parte de cette étude bblographque compred les chaptres 2 et 3. Das cette parte, o présete ue descrpto rapde de l archtecture , pus ue descrpto géérale de chacue de deu archtectures s proposées. Das la deuème parte (chaptre 4, o présete deu modèles mathématques utlsés pour évaluer les performaces des réseau WLAN, le premer modèle cocere le protocole CSMA/CA et le deuème l teracto etre TCP et CSMA/CA. 1

6 Archtecture géérale d u réseau Archtecture géérale d u réseau Les composats d u LAN L élémet de base d u réseau est la stato que l o ote STA. Ue stato est tout équpemet qu possède ue terface compatble U BSS (Basc Servce Set est u esemble de deu ou pluseurs statos pouvat se commuquer etre eu. Lorsque ces statos s assocet etre eu e établssat u réseau sas aucue frastructure préalable, elles formet u IBSS (Idepedet Basc Servce Set qu o appelle auss réseau adhoc. Souvet o utlse le mot BSS pour désger u IBSS Fgure 1 : Archtecture géérale Le DS (Dstrbuto System est le système qu rele deu ou pluseurs BSS. Le rôle de DS est d achemer les trames etre les BSS. U AP (Access Pot est ue stato partculère qu coecte u BSS au DS, l possède deu terfaces : l ue sur le BSS et l autre sur le DS. Le réseau formé par u DS et pluseurs BSS s appelle ESS (Eteded Servce Set. La orme e précse re sur l emplacemet physques des BSS et ESS, tous les scéaros sot perms : pluseurs BSS (et ESS sot dsots, se chevauchet où se cofodet. L élémet logque permettat de coecter le réseau (ESS au réseau flare est appelé u portal. Ce portal est u élémet logque cela veut dre qu l peut être tégré das u AP Format de la trame : Il este tros types de trames a- Trame de Maagemet : pour la gesto de l assocato et l authetfcato etre les statos et le pot d accès b- Trame de Cotrôle : utlsé par la couche MAC pour gérer l accès au médum (RTS/CTS c- Trame de Doées : pour trasporter les doées des couches supéreures. Le format gééral d ue trame est llustré sur la fgure suvate : Fgure 2 : Format géérale d ue trame

7 Archtecture géérale d u réseau Algorthme MAC Les réseau étaet destés à foctoer sot comme réseau ad hoc ou comme réseau à frastructure pour cela deu modes de foctoemet pour le MAC ot été proposés : 1- U mode totalemet dstrbué DCF (valable e IBSS ou ESS. 2- U mode cetralsé PCF (valable seulemet e ESS où u pot de coordato appelé CP mplémeté l AP va attrbuer des tervalles des temps à chacu des statos e utlsat u vecteur d allocato du caal appelé NAV. Le mode DCF est le mode d accès de base, l est oblgatore pour toute stato , tads que le mode PCF est optoel. Das la sute o va préseter seulemet le mode DCF Le mode DCF Le mode DCF est le mode d accès de base pour les réseau , l est auss appelé CSMA/CA (Carrer Sese Multple Access wth Collso Avodace. Le prcpe géérale de foctoemet est le suvat : avat de trasmette, la stato écoute le caal, s l est lbre la trasmsso peut commecer, s o la stato dffère usqu à la f de l émsso, lace ue durée aléatore pus commece l émsso après l écoulemet de cette durée. Plus précsémet ue etté MAC reçot de la couche LLC u MSDU et ue dcato d émettre cette trame à ue destato doée défe par so adresse MAC. Deu comportemet dfférets de la couche MAC sot observés suvat que la stato est déà das le mode de coteto (appelé mode de backoff ou o. S la stato est déà das le mode backoff alors elle atted la f de ce mode pus commece l émsso mmédatemet sas aucu autre cotrôle d accès au caal. Par cotre s elle état pas das le mode backoff, la stato écoute le caal pedat ue certae durée prédéfe DIFS. S le caal état lbre pedat toute cette durée, la stato commece l émsso mmédatemet, s o elle atted ue autre pérode DIFS après la lbérato du caal pus elle etre das le mode backoff. Le mode backoff : Lorsque ue stato etre das le mode de backoff, elle géère ue valeur aléatore etre 0 et la valeur courate de CW (Coteto Wdows pour talser u compteur appelé compteur de coteto. Cette valeur aléatore représete le ombre de tme slots lbres durat lesquels la stato dot rester das le mode de backoff. U tme slot est ue valeur prédéfe das la orme et qu déped de la couche physque utlsée. Tous les tme slots sot comptés après ue pérode de slece égale à DIFS. Le compteur de coteto est décrémeté chaque fos que le caal est lbre pedat la durée d u tme slot. Lorsque la valeur du compteur attet le zéro la stato qutte le mode de backoff et commece l émsso. S pedat le tme slot le caal état occupé, le compteur est bloqué, la stato reste das le mode backoff, et elle écoute le caal e attedat la f de l émsso pour repredre la procédure du backoff. La largeur de la feêtre CW est varable. Le but état de dmuer le ombre de collsos lorsque le réseau est surchargé, et de e pas retarder l émsso lorsque le réseau est sous chargé. 3

8 Archtecture géérale d u réseau Gesto de la feêtre de coteto CW : La feêtre de coteto vare d ue faço epoetelle suvat le ombre de retrasmsso. As durat la premère tetatve de trasmsso la valeur de CW sera CW m, et à chaque retrasmsso cette valeur sera multplé par deu, la logueur de la feêtre après retrasmssos sera : CW 2 CW m. La multplcato par deu de la talle de la feêtre s arrête après u ombre m de retrasmsso où elle reste costate et égale à ue valeur mamale CW ma 2 m CW m usqu à qu elle se rétalse à CW m lorsque la trame sera correctemet trasmse. Fgure 3 : Le mode DCF L acquttemet : u mécasme d acquttemet postve est utlsé, c est à dre seul les trames reçues correctemet sot acquttées. Lorsque ue stato reçot correctemet ue trame, elle evoe après ue pérode SIFS au stato émettrce ue trame d acquttemet. Le fat d utlser le SIFS comme tervalle de séparato etre l evoe d ue trame et so acquttemet de d empêcher les autres statos de gager l accès au médum Problème de la stato cachée et les trames RTS/CTS : Fgure 4 : Problème de la stato cachée. Preos la cas de tros statos A, B et C comme llustré sur la fgure 6. Lorsque la stato A trasmet à la stato B cette trasmsso est pas détectée par la stato C qu peut alors trasmettre e même temps ue trame vers B, e provoquat ue collso. Pour résoudre ce problème l faut trouver u mécasme de réservato de caal. 4

9 Archtecture géérale d u réseau Pour cela le mécasme RTS/CTS état proposé, le foctoemet est le suvat : lorsque la stato émettrce gage l accès au médum, elle evoe à la stato réceptrce ue trame courte RTS (Request To Sed dquat à tous les voss das le champ ID/Durée la durée de trasmsso. La stato réceptrce répod à cette trame après u pérode SIFS e evoyat u CTS (Clear To Sed aoçat à toutes les statos voses que le medum va être réservé pedat la durée dquée. Lorsque la stato émettrce reçot correctemet cette répose la trasmsso commece après u SIFS. La séquece de messages échagés est alors la suvate : Fgure 5 : Mécasme RTS/CTS 3. Wreless Meshed Network (WMN 3.1. Itroducto L état actuel du stadard e déft pas ue archtecture pour les réseau mallés, mas récemmet u groupe de traval ommé s a été costtué, ayat pour but de proposer u stadard pour les WMN. Ce groupe a eu pluseurs propostos d archtecture de la part des groupes dustrelles, otammet W-Mesh de W-Mesh Allace (Nortel, Phlps, Thomso, ComNets et SEEMesh (Smple, Effcet ad Etesble Mesh de Noka, Itel et Motorola, Semes, Teas Istrumet Archtecture SEEMesh s Archtecture géérale : Das cette parte o va préseter d ue faço géérale les élémets essetels de l archtecture SEEMesh comme proposé das u draft [ 2] qu est e cours de stadardsato das le groupe de traval s. Das cette archtecture les oeuds du réseau sot dvsés e deu classes : les oeuds possédat des servces de mallage, et ceu qu e les possèdet pas. Ces servces de mallage serot mplémetés sous la forme d ue couche MAC logque dépedate de la couche MAC orgale, cette couche peut être mplémeté das les équpemets des utlsateurs et das les équpemets de l frastructure réseau. Les élémets prcpau de cette archtecture sot : Mesh Pot (MP : tout équpemet qu possède ces servces de mallage U pot d accès qu possède les servces de mallage sera appelé MAP (Mesh Access Pot. Pour se coecter au réseau mallé, les statos s assocet seulemet avec les MAP. 5

10 Wreless Meshed etwork WMN Fgure 6 : Archtecture géérale SEEMesh s WDS (Wreless Dstrbuto System : c est la parte sas fl basée du système de dstrbuto. Le WDS est formé des Mesh Pot (MP qu sot tercoecté etre eu à travers le WDS pour former u Meshed WLAN. Doc u MAP est ue «passerelle» etre le WM et WDS. Mesh Pot Portal (MPP : permet d tercoecter le Meshed WLAN à u autre réseau (802.11, ou o. Les dfférets MP apparteat à u même Meshed WLAN sot detfé par u ID commu appelé Mesh ID. Fgure 7 : Archtecture géérale : WLAN Mesh, Mesh Portal SEEMesh permet auss d utlser pluseurs caau fréquetels pour la commucato etre les dfféretes MP. Pour cela les MPs dovet être équpés avec pluseurs terfaces ou dovet posséder la capacté à chager dyamquemet leur fréquece d opérato. La possblté d utlser pluseurs caau fréquetels trodut de la fleblté au veau de l archtecture, et permet de l adapter suvat les besos et les applcatos. L esemble des MPs coectés sur u même caal fréquetel formet u UCG (Ufed Chael Graph. U MP peut apparter à pluseurs UCGs. 6

11 Wreless Meshed etwork WMN Fgure 8 : Meshed WLAN multcaau Au veau du format de trame u champ supplémetare a été raouté, ce champ s appelle «Mesh Forwardg Cotrol». C est u champ à 24 bts qu cotet u TTL (Tme To Lve pour élmer les boucles de routage, et u champ uméro de séquece pour réordoer les trames pusque o sera das u réseau de commutato de paquets à chems multples Tables de commutato : Chaque MP dot mater deu tables, la premère s appelle tables de voss, elle cotet des formatos cocerat les MPs voss. La deuème table s appelle table de regstrato, et sert à commuter les paquets comme les tables de routage das les routeurs Foctoemet : U MP dot effectuer les opératos suvates : Découverte de vosage : Pour costrure le réseau mallé, u MP dot découvrr les MPs qu se trouvet das so vosage, pour cela l utlse u mécasme de découvert de topologe. Ce derer peut être passf (écoute des trames balses ou actve («Probe Request» et «Probe Respose» Etablssemet des les : A l ssue de la phase de découverte, u MP va établr des les avec d autres MPs (authetfcato et assocato, le cho de ces MPs déped de la qualté du sgal reçu. U MP dot être au mos relé à l u des MPs du Meshed WLAN Le routage : La métrque de routage : L archtecture proposée permet d utlser ue parm pluseurs métrques de routage, évdemmet u routage performat dot utlser ue métrque qu pred e compte l état rado des lasos. La métrque proposée das ce draft est : Bt 1 ca Oca + O p + r 1 e pt Où O ca, O p et B t sot des costates, r est le débt physque du le et e pt est le tau d erreur bare pour ue trame de logueur B t. Cette métrque de routage est utlsée par les protocoles 7

12 Wreless Meshed etwork WMN de routage (vor paragraphe suvat pour calculer les chems optmau que dovet suvre les trames. Le protocole de routage : HWMP (Hybrd Wreless Mesh Protocol : Comme so om l dque, le protocole HWMP combe deu modes de routage, tous les deu de type vecteur de dstace : le premer mode est u routage à la demade (O-Demad Routg, le deuème u routage à base d arbre. Cette combaso red le protocole performat suvat que le réseau mallé est coecté à u réseau fe ou o. O Demad Routg : ce protocole cosste à utlser u mécasme de RREQ (Route REQuest et RREP (Route REPly comme das AODV (Ad hoc O Demad Dstace Vector. Quad u MP S veut savor la route vers u MP D l evoe e dffuso u message de demade de route RREQ, ce message sera redffusé de près e près par les MP termédares (o suppose qu l este u mécasme d élmato des boucles usqu à le MP D. U champ partculer das ce message dque le coût du chem traversé du MP S usqu à le MP courat. A la récepto de PREQ, le MP D revoe vers S u message RREP. Le routage à base d arbre cosste à cofgurer u MP partculer comme état la race de l arbre. Le protocole se déroule e deu phases, ue premère phase de costructo d arbre : la race dffuse pérodquemet u message «Root Aoucemets» avec u champ dstace de valeur zéro. Les MPs esute redffuset ce message (auss problème de boucles tout e mettat à our la dstace vers la race. A la f de la premère phase chaque MP a chos u MP père, ce MP père se stue sur le plus cours chem vers la race. La deuème phase cosste à eregstrer les MPs et leurs statos chez la race e evoyat u message «Gratutous RREP». Mateat lorsque u MP S veut evoyer ue trame vers u MP D, l l evoe vers la race qu la relae vers D Archtecture W-Mesh s Archtecture géérale : L archtecture géérale W-Mesh [ 3] ressemble fortemet à celle de SEEMesh o retrouve les mêmes élémets : MP, MAP etc Foctoemet: Algorthme MAC : Fgure 9 : Archtecture géérale W-Mesh s 8

13 Wreless Meshed etwork WMN L troducto de la QoS das les réseau est fate das le stadard e. Cette verso déft ue ouvelle focto d accès au médum appelée HCF (Hybrd Coordato Fucto qu combe u mode dstrbué à base de coteto appelé EDCA (Ehaced Dstrbuted Chael Access et u mode cetralsé appelé HCCF (HCF Cotrolled Chael Access cotrôlé par u HC (Hybrd Coordator qu assge des tervalles temporelles à chaque QSTA (QoS Stato. L archtecture W-Mesh propose d utlser ue ouvelle focto d accès au Medum appelé MCF (Mesh Coordato Fucto. Ce MCF est auss u protocole hybrde qu utlse le EDCA comme mode dstrbué et u autre mode appelé DCCA (Dstrbuted Cotrolled Chael Access pour l accès cetralsé Routage La métrque de routage : La métrque de routage (le coût d u le proposée permet de predre e compte l état rado du le et sa charge de trafc, cette métrque est otée WRALA et sa valeur pour chaque le est : L W W Er WRALA Toh + 1( ρ 2 ( R 1 ρ 1 Er T oh : temps de trasmettre les etêtes des couches MAC et physque L : logueur d ue trame de test R : le débt d u le. ρ : la charge du le, 0 ρ 1 E r : le tau d erreur bare correspodat à la trame de test, 0 E r 1 La charge de le et le tau d erreur bare sot des facteurs dyamques qu chaget fréquemmet au cours du temps, l utlsato drecte de la métrque WRALA aboutra à ue topologe stable. Pour mater la stablté des routes, o utlse ue verso quatfée WRALA QWRALA de la métrque WRALA, QWRALA M. M est le ombre de veau Q de quatfcato M, et Q est le facteur de quatfcato. Les protocoles de routage : Les réseau s devrot supporter des applcatos dverses. Chaque applcato possède des crtères dfféretes e termes de routage : par eemple la covergece rapde des routes est crucale pour les applcatos de type VoIP. Pour cela ue archtecture de routage fleble dot être cosdérée. L archtecture W-Mesh propose deu protocoles de routage : 1 U protocole hybrde basé sur l'état des les : ce protocole répod au besos des applcatos temps réel comme VoIP, l se déroule e tros phases : ue premère phase de découverte de vosages au moye d u sous protocole de type «hello», ue deuème phase d échage d formato pour costrure la topologe logque du réseau et ue derère phase du calcul de l arbre du plus court chem e utlsat les métrques des routage. Ce protocole est hybrde parce que l compred des optmsatos écessares à l evroemet rado que les protocoles classques d état de les e possèdet pas. 2- U protocole hybrde de type vecteur de dstace basé sur le protocole AODV : ce protocole est hybrde par ce que l combe deu modes d établssemet des routes : u mode 9

14 Wreless Meshed etwork WMN à la demade (AODV où les routes vers ue destato doée sot costrutes lorsque le MP reçot ue trame vers cette destato. Ce mode permet de rédure la talle des tables de routage das les MP, mas l augmete les délas d achememet, et mpose d avor de la mémore au veau des MPs pour mémorser les trames e attedat l établssemet des les. Le deuème mode est dt proactf parce que les routes sot préétables, ces routes ot comme destato des MPs spécau comme les portals de coeo avec le réseau flare pusque ue grade parte du trafc crcule à travers ces MPs. L covéet d u mode proactf est qu e géérale l mpose ue talle mportate de mémore au veau des MP pour mémorser les routes vers toutes les destatos. 4. Modèles pour les réseau WLAN : Pour compredre le foctoemet de certas systèmes d ue faço quattatve, o est souvet ameé à costrure des modèles mathématques. Das la plupart des cas, le modèle costrut e capte qu u aspect partculer du système qu o tete de modélser, parce que l est dffcle de costrure u modèle qu représete tous les aspects. L obteto d u tel modèle, écesste souvet de fare u esemble de smplfcatos et d appromatos, des hypothèses plus ou mos ustfables. Depus so apparto comme stadard pour les réseau WLAN, pluseurs modèles du protocole CSMA/CA ot été proposés. Chacu de ces modèles permet de calculer u aspect partculer du protocole : le débt effectf, l teracto avec TCP, le support du vo Das les paragraphes suvats, o présete deu modèles stochastques et u modèle détermste. Le premer modèle a été proposé das [ 6] et calcule le débt utle d u réseau utlsat le CSMA/CA comme protocole MAC. Le deuème modèle [ 7] trate l teracto etre TCP et CSMA/CA. Le derer proposé das [ 10] caractérse la capacté des réseau WLAN mallés Modèle pour le calcul du débt utle Ce modèle a été proposé das [ 6]. Le débt utle offert par la couche MAC mesure la fracto du temps utlsé pour trasmettre les doées des couches supéreures à la couche MAC. Ce débt est u paramètre mportat pour caractérser les performaces du protocole MAC. Das le cas des réseau ce problème peut être formulé de la faço suvate : état doé u esemble de statos, tel que deu statos quelcoques de cet esemble peuvet commuquer etre eu e utlsat le protocole CSMA/CA, quel est alors le débt utle? Pour calculer la fracto du temps utle o va aalyser les dfférets évéemets qu pourrot se produre durat u tervalle temporel. Cette aalyse cosste à detfer ces évéemets, calculer leurs probabltés d occurrece et leurs durées moyees. Das le cas gééral, la couche MAC d ue stato reçot de la part des couches supéreures et à des stats aléatores des trames à émettre. La stato accède au médum e attedat sa lbérato, etre e coteto «aléatore» avec les autres statos pus émet ue trame de talle aléatore. Après elle atted l acquttemet de la trame émse, e cas d échec la stato rétère les étapes précédetes u certa ombre de fos usqu à ue émsso correcte de la trame. 10

15 Modèles pour les réseau WLAN Pour smplfer la modélsato, o va supposer que les statos sot saturées, c'est-à-dre chaque stato possède à chaque stat ue trame à émettre, ou e d autre mots, à tout stat, la fle démsso de chaque stato est o vde. Cette hypothèse permet de supprmer u premer aspect aléatore du système, c est la récepto à des stats aléatores des messages de la part des couches supéreures. L aalyse du foctoemet du protocole ous permet de dvser l ae du temps e slots temporels, u slot correspod sot à ue émsso (correcte ou o d ue trame sot à u slot vde où aucue émsso a eu leu, das ce derer cas o dt que le slot est vde et l correspod à ue décrémetato d u compteur de backoff. Cette observato ous permet de cosdérer tros types d évéemets pouvat se produre das u slot : a- ue trasmsso correcte d ue trame b- ue trasmsso o correcte (collso c- aucue trasmsso Notos P tr la probablté qu au mos ue de statos émet ue trame durat u tme slot, et P s le probablté codtoelle que l émsso sot correcte sachat que la trame a été effectvemet éms sur le medum physque, alors les probabltés des évéemets a, b, c précédets sot : P[a] P tr P s P[b] P tr (1 P s P[c] 1 P tr L epresso du débt utle s eprme : S [ arg e utle trasmse das u slot] E[ durée d' u slot] E ch tr tr s [ P] Ps Ptr E ( 1 P σ + P P T + P (1 P T s tr s c (1 Où : E[P] : la logueur moyee de la charge utle d ue trame T s : la durée moyee d ue émsso correcte T c : la durée moyee d ue émsso o correcte σ : la durée d u slot vde Les epressos de T s et T c dépedet du mécasme utlsé : mécasme de base ou avec RTS/CTS. Das le cas du mécasme de base (sas RTS/CTS, ue émsso correcte est représetée sur la fgure suvate : Fgure 10 : Durée moyee d ue émsso correcte (sas RTS/CTS La durée moyee T s (E[P] H + E[P] + SIFS + ACK + DIFS tel que H PHY hdr + MAC hdr 11

16 Modèles pour les réseau WLAN Ue émsso o correcte est représetée par : Fgure 11 : Durée moyee d'ue collso (sas RTS/CTS Sa durée moyee est : T c (E[P*] H + E[P*]+ DIFS Où E[P*] représete la valeur moyee de la logueur mamale des trames partcpat das ue collso. La durée d ue collso déped du ombre des statos partcpat das cette collso, pour cela l epresso de E[P*] déped de la probablté qu ue stato accède au médum. Das le cas du mécasme RTS/CTS, ue émsso correcte est représetée sur la fgure suvate : Fgure 12 : Durée moyee d'ue émsso correcte (avec RTS/CTS T s (E[P] RTS+ SIFS + CTS + SIFS + H + E[P] + SIFS+ ACK + DIFS et ue collso par : T c RTS + DIFS Fgure 13 : Durée moyee d'ue collso (avec RTS/CTS Le calcul des probabltés P tr et P s peut se fare e supposat ue deuème hypothèse smplfcatrce, c est de découpler l teracto etre les dfféretes statos, c est à dre que la probablté d accès au medum d ue stato est dépedate de l état (ombre de retrasmsso des autres statos. Cette hypothèse est beaucoup mos évdete que la premère, mas les smplfcatos qu elle etraîe das les calculs sot éormes. Grâce a cette appromato o peut défr la probablté τ qu ue stato partculère parm les autres statos émette ue trame durat u tme slot, alors P 1 (1 τ. Sachat que la probablté qu ue seule stato émette ue trame das u tme slot est : τ (1 τ Ps 1 (1 τ 1 Avec ces hypothèse E[P*] se calcule e utlsat l équato suvate : tr 1 τ (1 τ alors : 12

17 Modèles pour les réseau WLAN E k P k ma τ (1 (1 ( 2 τ F k 0 [ *] [ [ ma( 1, 2... ] k P E E P P P k k 1 k d 1 (1 τ τ (1 τ Où F est la focto de répartto de la varable aléatore P représetat la logueur de la parte utle d ue trame. Pour calculer la probablté τ o va utlser les chaîes de Markov. L dée prcpale est de modélser le couple (ombre de retrasmsso, compteur de backoff par ue chaîe de Markov à temps dscrète. Sot b(t le processus aléatore représetat la valeur du compteur de backoff pour ue stato partculère au début du t ème slot. b(t est u processus aléatore à temps dscrète mas o Markove parce que b(t e déped pas seulemet de b(t-1 mas auss du ombre de retrasmsso. Sot s(t le processus aléatore qu représete le ombre de la retrasmsso courate, alors le processus (s(t, b(t est Markove. E supposat qu l a au mamum m retrasmssos, la logueur des feêtres de backoff sera otée CW 2 W 0 pour 0 m, avec CW m W 0 et CW ma 2 m W 0 L appromato clé de ce modèle est que chaque trame émse etre e collso avec ue probablté p dépedate du ombre de retrasmsso de la stato courate et de celle des autres statos. p P[collso /la trame est émse] Alors le dagramme de trasto de la chaîe (s(t, b(t est : Fgure 14 : Dgramme de trasto de la chaîe (s(t, b(t Les états (,0 0 m représetet u slot durat lequel la stato accède au medum e émsso, das le cas de réusste, la stato etre e mode de backoff, e trat uformémet 13

18 Modèles pour les réseau WLAN u ombre aléatore comprs etre 0 et CW m -1. Cette réusste se produt avec ue probablté de 1-p, doc la probablté de passer d u état (, 0 0 m et de tomber das u état (0, k 1 p 1 p 0 k CW m est : CWm W0 Das le cas de collso, la stato passe de la ème retrasmsso à la (+1 ème e trat uformémet u ombre aléatore comprs etre 0 et W - 1. La probablté de cette collso p est p, alors la probablté de tomber das l u des états (+1, 0 k CW est 2 W 0 Les probabltés de trastos s écrvet alors : P[,k,k+1] 1 0 k W 2 et 0 m (décrémetato du compteur du backoff 1 p P[0,k,0] W0 de backoff p P[,k -1,0] P[,k,k+1] W p W m 0 k W 1 et m 0 0 (émsso réusste, retour au stade 0 e mode 0 k W 1 et 1 m (collso, passage du stade -1 au stade 0 k W 1 (collso durat le stade m, retour au stade m m Notos b,k les probabltés des états e régme statoare. C'est-à-dre b, k lm t b, k ( t lm P[ s( t, b( t k], t Das le cas d ue chaîe de Markov à temps dscrets, les équatos des états e régme statoare s écrvet : Somme du flu etrat somme du flu sortat Ces équatos sot : m p b 1,0 p b,0 b,0 p b0,0 0 < < m et bm 1,0 p ( 1 p bm,0 bm,0 b0, 0 1 p W k m W k b, k (1 p b 0 0, 0 et b, k pb 1,0 0 < < m W W b W k p( bm 1,0 + bm, 0 W, k m W 1 E écrvat : b, k 1 alors o e dédut l epresso de b 0, 0 : b 0 k 0 m 2(1 2 p(1 p (1 2 p( W pw (1 (2 p 0,0 m 0 0 Pusque τ correspod à la probablté que la stato se trouvet e état d émsso durat la pérode du tme slot alors : m b0,0 2(1 2 p τ b,0 (2 m p (1 2 p( W pw (1 (2 p

19 Modèles pour les réseau WLAN Mas p est la probablté de collso sachat que la stato est e tra d émettre, cec est équvalet à dre qu l y a au mos ue autre stato parm les -1 restat qu e tra 1 d émettre. Doc p 1 (1 τ (3 Les deu équatos (2 et (3 costtuet u système o lare à deu équatos et deu cous. O peut faclemet démotrer e utlsat les proprétés de cotuté des foctos que ce système admet ue soluto uque τ comprs etre 0 et 1. τ ( p m W0 pw0 (2 p TCP et CSMA/CA : Ce modèle a été proposé das [ 7]. TCP état le protocole de trasport de base pour le trafc Iteret (trafc web. So teracto avec le CSMA/CA est d ue grade mportace pour le dmesoemet des hotspots et pour l évaluato de performace des réseau WLAN. L étude du TCP e tat qu ue etté protocolare dépedate est ue tache délcate, cec est dû au grad ombre de paramètres qu cotrôlet le foctoemet du TCP. Cette tache devet souvet de plus e plus complee e cosdérat so teracto avec ue autre etté protocolare (IP, MAC... Alors le seul moye de modélser cette teracto est de fare des smplfcatos. Essayos d mager le foctoemet de TCP avec CSMA/CA. Avat de commecer la modélsato, l faut précser la topologe du réseau, et celles des coectos TCP. Le cas le plus téressat c est de cosdérer u hotspot formé d u seul AP, et de statos. Das ce réseau o peut mager pluseurs faço d établr des coectos TCP : etre les statos du hotspot, etre ue stato du hotspot et ue autre à l etéreur..., o pourrat même mager des coectos multples partat d ue même stato. Das la lttérature cocerat les performaces du TCP, o utlse souvet la oto du flu TCP au leu d ue coeo TCP. O peut mager u flu TCP comme état u bloc d Octets trasms au même stat de la couche applcatve vers la couche trasport. Doc u flu TCP est udrectoel (sas cosdérer les acquttemets et ue coeo TCP est ue sute bdrectoelle des flu TCP. Das la sute o va cosdérer seulemet les flu TCP, ces flu sot supposés udrectoels, établs etre l AP et les statos, et o suppose qu l y a au plus u flu par stato. Les doées so trasportées de l AP vers les statos, les ack TCP das le ses verse. Pour modélser que les statos foctoet das des codtos rados dfféretes o va cosdérer J classes de débt, das le cas du les débts alloués sot : 1, 2, 5.5 et 11 Mbts/s. Ces classes sot otées : R 1, R 2,...R J. Pour chaque classe o cosdère que le ombre des flu TCP de classe sut est u processus de Posso de tau ρ et que sa talle sut ue lo géérale de moye m Octets. L aalyse se décompose e deu partes : Ue premère aalyse au veau paquet : o fe le ombre des flu TCP, et o étude les performaces du CSMA/CA, et plus précsémet le débt utle c est à dre la fracto du temps utlsée pour le trasfert des doées utles. 15

20 Modèles pour les réseau WLAN Ue deuème aalyse au veau flu : das cette parte le ombre des flu TCP vare selo le processus de Posso correspodat. Seulemet l aalyse au veau paquet est tratée das cette étude bblographque Aalyse au veau paquet : Le but de l aalyse au veau paquet est d étuder les performaces de TCP lorsque le ombre de coectos est costat. Cette étude se fat comme das le cas de la modélsato du CSMA/CA : o va «slotter» l ae du temps, detfer les dfférets évéemets qu peuvet se produre das chaque slot, calculer leurs probabltés et leurs durées moyees. Comme o l a déà metoé, l est etrêmemet dffcle de modélser TCP sas fare des smplfcatos, pour cela o suppose que la talle de la feêtre reste costate et égale à 1 c est-à-dre o smule TCP comme état u protocole de type «Sed ad Wat». Supposos que le ombre fe des coectos TCP est, et otos τ (vor la probablté qu ue source CSMA/CA émet ue trame lorsque sources sot e tra de compéter pour accéder au médum. Sot y(t le processus aléatore représetat le ombre des statos ayat u ack TCP à trasmettre au pot d accès. Alors y(t peut être modélser par ue chaîe de Markov à temps dscrète dot le dgramme de trasto est : Fgure 15 : Dagramme de trasto de la chaîe y(t Lorsque y(t pour 0 < <, statos possèdet u ack TCP ; avec l AP ls formet +1 sources CSMA/CA qu cotetet pour accéder au médum. L émsso d u ouveau segmet TCP correspod au passage de l état à l état +1 doc P[,+1] τ +1 (1-τ +1. L émsso d u ack TCP par l ue des statos correspod au passage de l état à l état -1 doc P[,-1] τ +1 (1-τ +1 et par sute : P[,] 1 (+1τ +1 (1-τ +1. Lorsque 0, l peut y avor seulemet ue émsso d u segmet TCP, doc P[0,1] τ 1 et P[0,0] 1-τ 1. Lorsque, l AP e se compète plus pour accéder au médum, doc P[,-1] τ (1- τ -1 et P[,] 1- τ (1- τ -1 E otat π les probabltés statoares des états, alors les équatos d équlbre s écrvet : P π P + 1, + 1, + 1π 0 < Ces équatos permettet de détermer les probabltés statoares. La fgure suvate résume les dfférets évéemets qu peuvet avor leu das u slot temporel : 16

21 Modèles pour les réseau WLAN Fos y(t Fgure 16 : Les dfférets évéemets 1- collso TCP : (Evéemet e 1 Pusque le Pot d accès est la seule stato qu evoe des segmets TCP, alors ue collso TCP se produt lorsque le Pot d accès trasmet u segmet TCP e même temps qu ue stato trasmet u ack TCP. P [e 1 ] P [le pot d accès émet le segmet TCP, et que l ue des statos émet auss u ack TCP] P [le pot d accès émet le segmet TCP] P [au mos ue des statos émet u ack TCP] τ +1.[1- (1- τ +1 ] La durée d ue collso TCP déped seulemet de la classe du segmet TCP, e supposat la que quelque sot la classe, la talle d u acquttemet TCP est touours féreure à celle d u, alors la durée moyee segmet. La probablté que le segmet TCP sot de classe est d ue collso TCP est : E[e 1 ] 2- TCP correct : (Evéemet e 2 TCP, col T J avec T TCP, col Tc ( m (vor fgure 22 R P[e 2 ] P [le pot d accès émet le segmet TCP, et qu aucu des statos émet u ack TCP] P [le pot d accès émet le segmet TCP] P [aucue des statos émet u ack TCP] τ +1 (1- τ +1. De même o calcule la durée moyee d ue émsso correcte d u segmet TCP : E[e 2 ] J T TCP avec T TCP Ts ( m (vor fgure 21 R 3- Collso ack TCP : (Evéemet e 3 P[e 3 ] P[le pot d accès émet pas u segmet TCP et que au mos deu statos émettet u TCP ack ] P[le pot d accès émet pas u segmet TCP] P[au mos deu statos émettet u TCP ack ] (1- τ +1 (1-τ +1 (1-τ (1-τ +1 La durée d ue collso TCP est égale à la durée de l acquttemet de la plus pette classe. Doc pour calculer la valeur moyee de cette durée o a beso de calculer la probablté que ack, col Tc ( ack TCP la durée d ue collso sot T pus de fare la moyee sur. Sachat R qu ue collso peut etraîer deu à statos. Sot le ombre des statos partcpates das ue collso, alors l y a scéaros dfférets de collso. Essayos de compter, 2 ack parm ces scéaros, ceu où la durée de collso est : T,, cec est équvalet à dre qu l y a au mos ue stato qu appartet à la classe R, et les autres statos apparteet au classes : R +1,..., R J. Pour u ombre 2 des statos e collso, l y a col 17

22 Modèles pour les réseau WLAN 18 +, m( 1 1, ( k J l l k k α faços de le fare, e effet o peut chosr ue seule stato de classe, et -1 statos de classe +1,+2... ou 2 statos de classe et les autres -2 de classe +1,... Doc la probabltés que la durée d ue collso sot col ack T, est : + J l l k k k 2 1 m( 1 2 ( β La durée moyee d ue collso ack TCP est : E[e 3 ] col ack J T, 1 ( β 4- ack TCP correct : (Evéemet e 4 P[e 4 ] P[le pot d accès émet pas u segmet TCP et qu ue des statos émet u TCP ack ] P[le pot d accès émet pas u segmet TCP] P[qu ue des statos émet u TCP ack ] (1-τ +1.[ τ +1 (1- τ +1-1 ] Das le cas d u ack TCP éms correctemet, la durée moyee est : E[e 4 ] J ack T 1 avec : s ack R TCP ack T T ( 5 Slot vde : (Evéemet e 5 P[e 5 ] P[aucue émsso] (1-τ La durée d u slot vde est σ Le débt effcace totale das le cas des statos est : [ ] [ ] [ ] [ ] ( l l l E e P e E TCP correct P TCP correct π π ϕ

23 Cocluso 5. Cocluso Les deu archtectures Mesh présetées das cette étude sot ecore e cours de stadardsato à l IEEE. Be qu l y a pas ecore u algorthme MAC déftf pour les Meshed WLAN, mas o peut remarquer à partr des archtectures proposées qu l y a ue forte tedace à réutlser le MAC orgal ou l ue des ses versos pour les applcatos multméda comme le e. L utlsato de pluseurs caau fréquetels et l applcato du prcpe de réutlsato des fréqueces comme das les réseau cellulares semblerat auss u cho cotourable. Au veau de routage o a pu remarqué ue tedace à réutlser les protocoles de l IETF comme AODV. Les deu modèles stochastques étudés pourrot servr comme ue base drecte, par eemple ou pourrat réutlser les probabltés d accès au caal mas avec u cotete plus géérale du e supposat que le réseau est u graphe quelcoque et o pas seulemet u réseau complètemet mallé, ou e trodusat pluseurs caau fréquetels. Esute le modèle pourrat être raffé pour predre e compte des effets rado dyamques. Le deuème modèle du TCP/CSMA pourrat être étedu pour predre e compte l effet mult bods des réseau Mesh ou be l effet d u protocole de routage partculer. Falemet pour résumer, l térêt de cette étude bblographque état : Premèremet : detfer les grades lges des archtectures Mesh , qu est la premère étape pour évaluer les performaces de ces réseau sot par des modèles mathématques sot par smulato. Deuèmemet : étuder quelques modèles mathématques pour l évaluato des performaces des réseau WLAN. 19

24 Bblographe 6. Bblographe 1. IEEE stadard for Wreless LAN Medum Access Protocol ad Physcal Layer Specfcatos, IEEE Std., s SEEMesh proposal, Draft verso, November s W-Mesh proposal, Draft verso, November B. O Hara, A. Petrck, IEEE Hadbook A Desger Compao, IEEE Press, A. Géro, WF déplomet et sécurté, DUNOD, G. Bach, Performaces Aalyss of the IEEE Dstrbuted Coordato Fucto, IEEE Joural o Selected Areas Commucatos, Vol. 18, No. 3, pp , F. Lebeugle, A. Proutere, User-Level performace WLAN hotspots, pp N. Hegde, A. Proutere, J. Roberts, Evaluatg the voce capacty of WLAN uder dstrbuted cotrol. 9. S. Xu, T. Saadaw, Does the IEEE MAC Protocol Work Well Mult hop Wreless Ad Hoc Networks?, IEEE Commucatos Magaze, pp , Jue M. Kodalam, T. Nadagopal, Characterzg achevable rates Mult-hop Wreless Mesh Networks Wth Orthogoal Chaels, IEEE/ACM trasactos O Networkg, Vol. 18, No. 4, pp , August I. Akyldz, A Survey o Wreless Mesh Networks, IEEE Rado Magaze, pp 23-30, September T. Tsa, J. Che, IEEE MAC Protocol over Wreless Mesh Networks: Problems ad Perspectves, Proceedgs of the 19 th Iteratoal Coferece o Advaced Iformato Networkg ad Applcatos, B. Haek, C. Sasak, Lk Schedulg Polyomal Tme, IEEE trasactos o Iformato Theory, Vol. 34, No. 5, September E. Arka, Some Complety Result about Packet Rado Networks, IEEE trasactos o Iformato Theory, July A. Yamada, A. Fuwara, Y. Matsumoto, «Ehacemet of Mesh Network oreted IEEE MAC Protocol», 1àth Asa-Pacfc Coferece ON Commucato ad 5th Iteratoal Symposum o Mult-Dmesoal Moble Commucato, pp ,

25 Glossare 7. Glossare AODV: Ad-hoc O-Demad Dstace Vector AP: Access Pot BSS: Basc Servce Set CTS: Clear To Sed DCCA: Dstrbuted Cotrolled Chael Access DCF: Dstrbuted Coordato Fucto DIFS: Dstrbuted Iter Frame Sequece DS: Dstrbuto System EDCA: Ehaced Dstrbuted Chael Access EIFS: Eteded Iter Frame Sequece ESS: Eteded Servce Set HC: Hybrd Coordator HCCF: HCF Cotrolled Chael Access HCF: Hybrd Coordato Fucto HWMP: Hybrd Wreless Mesh Protocol IBSS: Idepedet Basc Servce Set MAP: Mesh Access Pot MCF: Mesh Coordato Fucto MP: Mesh Pot MPP: Mesh Pot Portal MSDU: MAC Servce Data Ut NAV: Network Allocato vector PCF: pot Coordato Fucto PIFS: Pot Iter frame Sequece QSTA: QoS Stato RTS: Request To Sed SIFS: Short Iter Frame Sequece UCG: Ufed Chael Graph WDS: Wreless Dstrbuto System WM: Wreless Medum WMN: Wreless Meshed Network 21