CSR : une extension hiérarchique adaptative du protocole de routage ad hoc DSR

La facilité de déploiement des réseaux ad hoc s'avère utile lorsque la mise en place d'une infrastucture est impossible. L'objectif du routage est de trouver les chemins tout en considérant les contraintes de bande passante et de dynamicité de la topologie. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'adaptation du type de routage selon les conditions de mobilité et de densité du réseau. Nous proposons une méthode d'auto-adaptation du mode de routage en fonction de la mobilité et de la densité. Les métriques de mobilité et de densité, les modes de routages ainsi que les transitions entre les modes ont été définis. Nous avons montré la faisabilité de notre méthode en proposant une extension hiérarchique du protocole plat DSR que nous avons nommée CSR. Nous avons spécifié les procédures CSR et les avons implantée sous ns2. Nous avons mené une étude de performances du CSR en le comparant aux protocoles préconisés par l'IETF pour montrer l'intérêt de l'adaptation du mode de routage. ABSTRACT : Ad hoc network are useful when the set up of an architecture is impossible. Routing aims at finding paths while considering the constraints of bandwidth and dynamicity of the topology. In this thesis, we focus on the routing mode adaptation according to mobility and density conditions in the network. We propose a routing auto-adaptation method according to mobility and density conditions. Mobility and density metrics , routing modes and transitions between modes have been defined. We point out the feasibility of our method through the design of an adaptive hierarchical extension of the flat routing protocol DSR we have named CSR. We have specified CSR procedures and fully implemented them under the ns2 environment tool. We have carried out a performace comparison between CSR and the protocols recommended by the IETF to point out the interest of routing adapatatio

SU-OLSR une nouvelle solution pour la sécurité du protocole OLSR

Un réseau Ad-Hoc mobile (Mobile Ad-Hoc NETwork : MANET) est une collection de nœuds sans fil formant un réseau dynamique sans infrastructure préexistante ou une architecture centralisée. Chaque noeud dans ce type de réseau fonctionne comme un routeur et utilise un protocole de routage pour acheminer les messages. OLSR (Optimized Link State Routing) est un protocole de routage proactif pour les réseaux Ad-Hoc présenté par le groupe MANET de l’IETF. Ce protocole utilise des noeuds appelés relais multipoints (MultiPoint Relay : MPR) pour optimiser la diffusion dans le réseau. Chaque MPR doit diffuser les informations sur la topologie et réacheminer les messages aux noeuds destinations. Si l’un de ces MPR est malicieux, il présentera un danger pour la sécurité de tout le réseau. Dans ce travail de recherche, nous avons présenté un nouveau protocole dérivé du protocole OLSR et qui utilise le concept de confiance entre les noeuds. L’objectif est de faire face aux attaques par mystification de lien où un noeud malicieux cherche à forcer ses voisins à le choisir comme MPR. Le nouveau protocole SU-OLSR (SUspicious OLSR) empêche tout noeud qui présente des comportements suspects d’être choisi comme MPR. Grâce à diverses simulations et l’implémentation de SU-OLSR sous ns-2, nous avons montré que SU-OLSR fournit les mêmes performances que le protocole OLSR classique malgré qu’il soit plus sélectif lors du choix des MPR

Évaluation de mécanismes de contrôle d'erreur pour des transmissions multipoints sur des réseaux de mobiles

Cet article présente un ensemble de traces de pertes de paquets recueillies lors de transmissions multipoints 802.11b réalisées dans des conditions de réception variables (récepteurs mobiles et fixes). Une approche originale consistant à "plaquer" a posteriori certains mécanismes de contrôle d'erreur sur ces observations est ensuite présentée. Cette approche permet d'évaluer les performances de ces mécanismes en fonction de leurs paramètres et de certaines propriétés du canal. En particulier, il est montré que des mécanismes relativement simples, basés sur des retransmissions et/ou des codes correcteurs d'erreurs de petite longueur, obtiennent dans ce contexte de très bonnes performances

Réseaux de capteurs pour applications de suivi médical

Le maintien des personnes à domicile est une perspective sérieusement envisagée dans le contexte actuel de vieillissement de la population. Selon les statistiques, près d'un habitant sur trois aurait plus de 60 ans en 2050, contre un sur cinq en 2005. Cependant, les solutions actuelles de téléassistance (bouton alarme sur un collier par exemple) ont montré leurs limites. La thèse consiste à étudier des applications du futur permettant de fournir à une personne maintenue à domicile ou à l’hôpital une meilleure solution alternative fondée sur les réseaux de capteurs, capable de mesurer certains de ses paramètres physiologiques et de transmettre des données importantes aux infirmières ou médecins. Ces applications doivent s’adapter aux besoins médicaux et avoir un coût économique faible. Nous nous sommes focalisés sur des solutions de type réseaux de capteurs qui ont un coût de développement et de mise en œuvre faibles. Ce type de réseaux de capteurs offre de nouveaux services tels que la surveillance médicale et l'amélioration de la sécurité par la propagation d'alertes d'urgence. Cependant, la forte mobilité et le changement rapide de la topologie du réseau présentent un verrou scientifique et social. En outre, l'interférence de différents capteurs augmente la difficulté d'implantation de ce genre de réseaux IEEE 802.15.4. Depuis ces dernières années, plusieurs solutions ont été étudiées, comme nous le verrons dans cette thèse. Nous nous intéressons à la fiabilité de transmission dans cette thèse, car un réseau de capteurs est très limité par la capacité de calcul, de stockage et de transfert. Nous nous interrogeons dans un premier temps sur la meilleure méthode pour la livraison des données. Nous avons sélectionné les protocoles unicast et multicast issus du domaine MANET dans le but de comparer leurs avantages et inconvénients dans le contexte des applications de surveillance médicale. Nous nous sommes intéressés aux mécanismes de mise en place et au renforcement de la route dans chacun des protocoles. Les résultats de cette première étude montrent que les protocoles multicast s’adaptent mieux aux applications, car ils permettent de réduire le nombre de paquets transmis dans le réseau. Même si certains protocoles pourraient amener une meilleure performance (en ce qui concerne le débit utile) que d’autres, aucun protocole ne satisfait une application réelle. Nous travaillons sur l’exploitation d'un réseau hétérogène en distinguant les nœuds forts et les nœuds faibles. Dans ce cadre, nous avons proposé une nouvelle approche, HMR, qui permet de mieux assurer la performance du réseau par rapport aux solutions existantes. Une dernière problématique à étudier dans cette thèse est l’agrégation de données, car les données à transmettre dans le réseau sont souvent périodiquement générées avec des tailles très restreintes (quelques octets, par exemple). Nos études montrent que l’agrégation de données est une bonne solution. Cette thèse a donné lieu à deux publications en conférences internationales avec comité de lecture. ABSTRACT : Keeping people at home is a perspective seriously considered in the current context of population aging. According to statistics, nearly one in three would have more than 60 years in 2050, against one in five in 2005. However, current solutions telecare (alarm button on a necklace, for example) have shown their limits. The thesis consists in studying future applications to provide, to a person kept at home or in the hospital, a better alternative solution based on sensor networks. A solution capable of measuring some of its physiological parameters and transmit important data nurses or doctors. These applications must adapt to the medical needs and have a low economic cost. We focused on solutions for sensor networks having a low-cost of development and implementation. This type of sensor networks offer new services such as medical monitoring and improving security by the propagation of emergency alerts. However, the high mobility and rapid change of the network topology present a scientific and social lock. Furthermore, interference of various sensors increases the difficulty of implantation of such networks IEEE 802.15.4. In recent years, several solutions have been studied, as discussed in this thesis. We are interested in the transmission reliability in this thesis, as a sensor network is very limited computing capacity, storage and transfer. We inquire in the first instance on the best method for data delivery. We selected unicast and multicast protocols from the field MANET in order to compare their advantages and disadvantages in the context of medical monitoring applications. We are interested in mechanisms of implementation and strengthening of the route in each of the protocols. The results of this first study show that the multicast protocols are better suited to these applications because they reduce the number of packets transmitted in the network. Although some protocols may lead to better performance (as regards the throughput) than others, no protocol satisfies a real application. We are working on the operation of a heterogeneous network distinguishing between strong and weak nodes. In this context, we proposed a new approach, HMR, to better ensure network performance over existing solutions. A final issue to consider in this thesis is the aggregation of data, because the data to be transmitted in the network are often periodically generated with very small size (a few bytes, for example). Our studies show that data aggregation is a good solution

Construction et maintenance d'une dorsale virtuelle dans les réseaux AD HOC mobiles

Un réseau ad hoc mobile est un réseau complètement distribué ne nécessitant pas d'infrastructure fixe. Les terminaux sont libres de se déplacer n'importe quand et dans n'importe quelle direction. L'absence d'une infrastructure nécessite la collaboration de tous les terminaux pour acheminer le trafic d'une source vers une destination. De nombreux protocoles de routage ont été proposés pour assurer le relayage multi saut, utilisant différentes approches (réactives, proactives et hybrides). Toutefois, les performances de ces protocoles se dégradent en présence de la mobilité. Dans cette thèse, nous proposons d'améliorer la performance des protocoles de routage dans les réseaux ad hoc en construisant une dorsale virtuelle. Une dorsale virtuelle est un sous-ensemble de noeuds sélectionnés de façon à ce que chaque noeud dans le réseau possède au moins un voisin dans la dorsale. L'ensemble des noeuds qui forment la dorsale doit être toujours maintenu connecté même quand les noeuds changent de position. Plus la taille de la dorsale est minimale, plus la maintenance est efficace. Pour construire la dorsale, nous avons proposé un nouvel algorithme basé sur l'approximation de l'ensemble de domination connexe de taille minimale (MCDS). Un réseau ad hoc est généralement modélisé par un graphe à disque unitaire UDG (Unit Disc Graph). Trouver l'ensemble MCDS dans un graphe UDG est un problème NP-Complet. Dans le but de réduire cette complexité, nous avons décomposé le problème en deux étapes: la première étape consiste à déterminer l'ensemble de domination connexe (MDS) au moyen d'une formulation en programmation linéaire et la deuxième étape consiste à trouver l'arbre de recouvrement de l'ensemble MDS et en déduire l'ensemble MCDS. Les résultats de simulations montrent bien que la solution donnée par notre algorithme est très proche de celle fournie par l'analyse théorique. De plus, la taille de la dorsale est nettement inférieure comparée à d'autres algorithmes proposés dans la littérature quand la taille du réseau augmente. Nous avons également proposé une procédure de maintenance distribuée. Cette procédure est basée sur un échange simple des messages de contrôle hello modifiés, ces messages étant utilisés pour la découverte au voisinage. Un noeud qui change de position va alors appliquer cette procédure pour se connecter à la dorsale. Une maintenance locale de la dorsale sera effectuée dans la zone où le noeud va se retrouver dans sa nouvelle position. Les résultats de simulation ont démontré l'efficacité et la fiabilité de cette approche. En effet, plus de 90% des noeuds restent connectés pour une mobilité élevée (vitesse moyenne égale à 30 m/s). De plus, cette procédure est peu sensible au facteur de mise à l'échelle (Scalability). La nature distribuée de la procédure de maintenance s'adapte bien à la dynamique de la structure du réseau engendrée par le mouvement des noeuds. Dans le but de vérifier l'amélioration apportée par la présence d'une dorsale pour les protocoles de routage dans les réseaux ad hoc mobiles, nous avons comparé les performances de certains protocoles de routage, en fonction de la mobilité, en présence de la dorsale avec leurs performances dans leurs versions standards. Les résultats de simulations ont démontré qu'une amélioration de leurs performances peut atteindre 20% pour certains protocoles même pour une mobilité élevée. En conclusion, ce travail de recherche présente de nouvelles solutions pour différents problèmes reliés au routage dans les réseaux ad hoc mobiles

Algorithme d'ordonnancement et d'activation de liens dans les réseaux sans fil maillés basés sur les systèmes MIMO

Les réseaux sans fil maillés (Wireless Mesh Networks) sont considérés comme l'une des solutions les plus prometteuses pour améliorer la couverture réseau et accroître le nombre de clients partageant un accès sans fil à large bande (Wireless broadband access). L'introduction des systèmes de communication sans fil à antennes multiples appelés communément MIMO au niveau de la couche physique des réseaux WMNs permet d'élever les performances en termes de débit maximal et ainsi supporter un plus grand nombre de clients. Ceci dit, l'absence d'un algorithme ordonnancement et d'activation de liens au niveau de la couche d'accès au support partagé (MAC) pour un réseau sans fil maillé basé sur des liens MIMO résulte en des inégalités entre les clients en termes de débit de transmission et conduit par conséquent à des faibles performances du système. Dans le but d'éviter cela, ce travail propose un algorithme d'ordonnancement et d'activation de liens pour les réseaux sans fil maillés basé sur des liens MIMO. L'ordonnanceur assure une équité entre les noeuds du réseau, améliore l'efficacité spectrale et le débit maximal atteint par le réseau. Les simulations présentées démontrent que l'algorithme proposé permet de réaliser un débit plus élevé qu'une solution d'ordonnancement opportuniste basé sur une méthode d'accès par multiplexage temporel (TDMA). En le comparant à la recherche exhaustive qui constitue la solution théorique (non pratique) et optimale au problème d'ordonnancement considéré, il s'est avéré que notre algorithme d'ordonnancement permet d'atteindre un débit proche du débit réalisé par la recherche exhaustive malgré que la complexité algorithmique de cette dernière soit beaucoup plus élevée que celle de notre solution. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Algorithmes d'ordonnancement, Réseaux sans fil maillés, Systèmes de communication sans fil MIMO, Capacité de Shannon, Simulation des réseaux

Adaptation à la mobilité dans les réseaux ad hoc

Les études protocolaires sur les réseaux multi-sauts mobiles proposent d’améliorer la performance du réseau en liant le comportement des protocoles à sa dynamique d’évolution. Le protocole s’adapte à l’état du réseau grâce à un ensemble de métriques. Ainsi pour les protocoles de routage il s’agit de trouver des chemins tout en considérant l’état énergétique des nœuds, la bande passante des liens, la qualité de service, ou encore la dynamique de la topologie qui est liée à la qualité des liens sans fil et à la mobilité des éléments du réseau. Le travail présenté traite de l’adaptation à la mobilité dans les protocoles de routage et s’intéresse aux métriques de mobilité. Dans une première étape nous analysons le processus d’adaptation en en dégageant les caractéristiques, les contraintes et l’intérêt, et étudions qualitativement les métriques de mobilité. Nous examinons différents travaux de recherche ayant pour objet la mobilité et ses métriques dont nous proposons une taxinomie originale. Nous mettons en évidence l’intérêt des métriques obtenues par mesure locale et de voisinage. Dans une deuxième étape, nous évaluons par simulation les métriques. L’objectif est de déterminer une "meilleure" métrique de mobilité, c'est-à-dire celle qui apportera le plus de gain de performance à une adaptation protocolaire. Le postulat est que plus la métrique influe sur les performances d'un protocole, plus il est intéressant que le protocole adapte son comportement en fonction de sa valeur. L’analyse de corrélation entre performances et métriques, sur plusieurs protocoles de routage, ne permet pas de mettre en avant une meilleure métrique qui soit indépendante du contexte, à savoir de la densité ou du modèle de mobilité. Nous montrons néanmoins l’intérêt de la métrique durée de liaison. Finalement, nous développons deux applications à partir des métriques sélectionnées par l’analyse. Ce sont la densité, exprimée par le nombre de voisins, ainsi que la mobilité, exprimée par la durée de liaison pour la première application, et par le nombre d’erreurs de route pour la seconde application. La première application met en place un choix adaptatif des éléments MPR (Multi-Point Relay) dans le protocole de routage Optimized Link State Routing (OLSR), la deuxième développe une élection adaptative des chefs de clusters et un changement de mode adaptatif (avec ou sans structure) pour le protocole Cluster Source Routing (CSR). Pour les deux applications plusieurs stratégies d’adaptations sont considérées ; le meilleur résultat est obtenu dans les deux cas par la stratégie d'adaptation à la mobilité en plus de la densité. Ce travail se prolonge par l’étude de validation des résultats en rapport au modèle de mobilité. Nous en déduisons une méthode pour appliquer, selon les conditions de mobilité et de densité, des adaptations

Réseaux de capteurs pour applications de suivi médical

Le maintien des personnes à domicile est une perspective sérieusement envisagée dans le contexte actuel de vieillissement de la population. Selon les statistiques, près d'un habitant sur trois aurait plus de 60 ans en 2050, contre un sur cinq en 2005. Cependant, les solutions actuelles de téléassistance (bouton alarme sur un collier par exemple) ont montré leurs limites. La thèse consiste à étudier des applications du futur permettant de fournir à une personne maintenue à domicile ou à l’hôpital une meilleure solution alternative fondée sur les réseaux de capteurs, capable de mesurer certains de ses paramètres physiologiques et de transmettre des données importantes aux infirmières ou médecins. Ces applications doivent s’adapter aux besoins médicaux et avoir un coût économique faible. Nous nous sommes focalisés sur des solutions de type réseaux de capteurs qui ont un coût de développement et de mise en œuvre faibles. Ce type de réseaux de capteurs offre de nouveaux services tels que la surveillance médicale et l'amélioration de la sécurité par la propagation d'alertes d'urgence. Cependant, la forte mobilité et le changement rapide de la topologie du réseau présentent un verrou scientifique et social. En outre, l'interférence de différents capteurs augmente la difficulté d'implantation de ce genre de réseaux IEEE 802.15.4. Depuis ces dernières années, plusieurs solutions ont été étudiées, comme nous le verrons dans cette thèse. Nous nous intéressons à la fiabilité de transmission dans cette thèse, car un réseau de capteurs est très limité par la capacité de calcul, de stockage et de transfert. Nous nous interrogeons dans un premier temps sur la meilleure méthode pour la livraison des données. Nous avons sélectionné les protocoles unicast et multicast issus du domaine MANET dans le but de comparer leurs avantages et inconvénients dans le contexte des applications de surveillance médicale. Nous nous sommes intéressés aux mécanismes de mise en place et au renforcement de la route dans chacun des protocoles. Les résultats de cette première étude montrent que les protocoles multicast s’adaptent mieux aux applications, car ils permettent de réduire le nombre de paquets transmis dans le réseau. Même si certains protocoles pourraient amener une meilleure performance (en ce qui concerne le débit utile) que d’autres, aucun protocole ne satisfait une application réelle. Nous travaillons sur l’exploitation d'un réseau hétérogène en distinguant les nœuds forts et les nœuds faibles. Dans ce cadre, nous avons proposé une nouvelle approche, HMR, qui permet de mieux assurer la performance du réseau par rapport aux solutions existantes. Une dernière problématique à étudier dans cette thèse est l’agrégation de données, car les données à transmettre dans le réseau sont souvent périodiquement générées avec des tailles très restreintes (quelques octets, par exemple). Nos études montrent que l’agrégation de données est une bonne solution. Cette thèse a donné lieu à deux publications en conférences internationales avec comité de lecture

Modèles et mécanismes multiniveaux pour les réseaux sans fil

Les réseaux ad–hoc sont une particularité de réseaux informatiques, constitués de noeuds mobiles qui utilisent un mode de communication sans infrastructure et des liaisons radios. Chaque noeud mobile communique dans son rayon de portée d'émission/réception, et est totalement autonome quant à son déplacement, son fonctionnement et sa participation à l'acheminement des informations du réseau. L'utilisation des réseaux ad–hoc présente de nouveaux enjeux de part les problèmes cruciaux qu'ils posent, notamment les problèmes liés au support de communication qui est hertzien et donc de qualité variable dans l'espace et dans le temps. Les enjeux s'étendent également à la couche d'accès au support (par exemple Wi-Fi), à la couche réseau (en particulier aux algorithmes de routage) et à la couche transport (le comportement de TCP est sensible aux variations de délai). L'utilisation des liaisons radios introduit des différences notoires et de nouvelles problématiques par rapport aux communications filaires telles que la limitation physique ou réglementaire de la capacité disponible pour l'accès radio, la qualité fluctuante des liens radios (influence des obstacles, du mouvement, des interférences, …), la position des points d'accès inconnue à l'avance et variable dans le temps … De part ces limitations qui font que les réseaux sans fil sont moins performants que les réseaux câblés, les protocoles du modèle en couches du réseau câblé ne peuvent être transférés dans l'environnement sans fil sans adaptation. Un des enjeux en terme de recherche qui est apparu, est d'optimiser le fonctionnement des réseaux ad–hoc à travers l'utilisation de techniques innovantes qui permettent d'améliorer leurs performances. Les techniques multi-niveaux appelées "cross–layer" sont ainsi apparues pour faciliter le partage d'information entre les couches du modèle OSI et s'appliquent à tous les protocoles de divers niveaux, tant qu'il existe des interactions pour lesquelles les performances globales du système peuvent être améliorées. Cette thèse traite des multiples aspects de la mise en place de modèles et mécanismes cross–layer dans le réseau ad–hoc. Elle permet de régler les premiers problèmes liés à l'introduction d'un nouveau mode de communication des protocoles de la pile du modèle OSI. En effet, la proposition de la méthode de conception RCL (Reverse Cross–Layer) de modèles cross–layer permet de conserver les acquis de cette architecture, à savoir, l'aisance de la conception modulaire, la définition systématique des interactions entre les composants, la poursuite des objectifs à long terme quant à l'utilisation des réseaux. La temporisation persistante proposée au niveau des protocoles fiables de la couche transport lorsque le canal sans fil à état variable est mauvais, vise à améliorer la latence, le débit de transmission et le taux de tentatives infructueuses coûteuses en terme de consommation d'énergie qui sont des caractéristiques du traditionnel back–off exponentiel. Les simulations effectuées dans l'environnement ns-2 ont permis d'évaluer les gains de performance obtenus par usage de la temporisation persistante. De même, cette thèse consacre la proposition de mécanismes cross–layer complémentaires tel que le mécanisme cross–layer d'évaluation continue de l'état du canal en fonction de l'activité ambiante et des protocoles de routage utilisés. La standardisation des informations cross–layer fournies par les protocoles de routage a été proposée pour répondre à la nécessité de fonctionnement des modèles cross–layer indépendamment de la nature proactive ou réactive des protocoles de routage. La proposition du mécanisme cross–layer de temporisation unifiée vise à optimiser la consommation d'énergie dans le cas de duplication de la temporisation d'attente d'envoi à des échelles de temps différentes, qui survient lorsque la couche transport fiable est associée à un protocole de routage ré–actif

Routage multi-chemin basé sur la fiabilité des routes dans les réseaux mobiles Ad Hoc

La prolifération des unités mobiles de calcul et de communication (comme: les téléphones cellulaires et les assistants PDA) et l'accroissement de la popularité des applications multimédia rendent le support de la qualité de service (QoS) dans les réseaux sans fil en général et les MANET en particulier une tâche incontournable. C'est pourquoi, différents protocoles de QoS ont été développés dans la littérature pour les réseaux ad hoc, permettant de garantir les ressources réseaux comme la bande passante et le délai de transfert. Par ailleurs, assurer la QoS dans un environnement mobile comme celui des réseaux ad hoc est très délicat. Cependant, la mobilité aléatoire et imprévue peut nuire la continuité de service et la rendre extrêmement difficile voir même impossible. Il est légitime donc, de considérer la fiabilité des routes comme étant la contrainte de QoS principale à prendre en compte. C'est dans ce contexte qu'une nouvelle métrique de QoS a été développée qui est basée sur le concept de confiance (Trust). Cette métrique est nommée la stabilité bout en bout. Dans cet ouvrage, un nouveau protocole de routage multi-chemin basé essentiellement sur la fiabilité des routes sera présenté. Il s'agit du protocole MSBR (Multipath Stability Based Routing). Ce protocole de QoS a pour but de rechercher et maintenir les routes disjointes qui satisfont le degré de stabilité et la bande passante exigés par l'application. L'étude de simulation menée a démontré la fiabilité et la stabilité des routes découvertes par MSBR par rapport à d'autre protocole au mieux comme ABR. L'étude a prouvé également l'efficacité du protocole MSBR tant au niveau taux de réception de donnée que de délai de transfert bout en bout, spécialement dans les conditions de trafics denses et de débits élevés