Soutenance mémoire
WiFi
WiFi est un ensemble de protocoles de communication sans fil régis par les normes du groupe IEEE 802.11 qui décrit les caractéristiques d’un réseau local sans fil très utilisée de nos jours. Dans la pratique, le WiFi permet de relier des ordinateurs portables, des ordinateurs de bureau, des assistants personnels (PDA) ou tout type de périphérique à une liaison sans fil haut débit (11 Mbit/s (802.11b), 54 Mbits/s (802.11g), et même entre 100 et 300 Mbits/s avec la norme 802.11n) sur un rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres), à plusieurs centaines de mètres en environnement ouvert. Dans les réseaux radio maillés, la norme 802.11 est la technologie la plus frequente. Ceci due à l’autorisation d’utiliser sa bande de fréquence sans licence. En Janvier 2004, le groupe IEEE 802.11s a crée le standard IEEE 802.11s pour offrir les fonctionnalités du maillage aux architectures et protocoles de la famille IEEE 802.11. Plus précisément, pour définir les amendements nécessaires au niveau des couches MAC et physique pour la création d’un système de distribution sans fil à base de la technologie IEEE 802.11. Un réseau maillé WiFi est constitue de plusieurs de Points d’Accès (APs) 802.11 ou de mesh client interconnectés par des liaisons sans fil. Chaque AP agit comme un routeur et accepte les connexions des utilisateurs dans sa localité et accepter de router leurs données en plusieurs sauts vers les destinataires et vice versa.
Les systèmes à antennes multiples MIMO (Multiple Input- Multiple Output)
Vu le déploiement et le succès des réseaux sans fil en général, l’appétit de consommation de ses ressources est augmentée. Les systèmes MIMO sont apparus pour pouvoir fournir des capacités dans le coté transmissions, ils permettent d’offrir des débits importants par rapport au mode de transmission classique, et proportionnel au nombre d’antennes utilisées. Le principe des systèmes MIMO est de doter les nœuds du réseau par plusieurs antennes, ces antennes sont utilisées lors de l’émission et la réception de données. Comme il est montré dans la figure 1.07, l’émetteur transmet simultanément plusieurs flux de données par le biais de ses antennes (un flux par antenne). Le récepteur capte par ses antennes des versions transformées et indépendantes du même signale émis, puis il combine ces signaux pour que le signale résultant a une variabilité d’amplitude plus faible que le signale capté par une antenne. Les WMNs ont exploité cette nouvelle technologie afin de satisfaire les besoins de ses clients dans les meilleures conditions (débit et délai de transmission). Puisque le BackBone sans fil du WMN est utilisé comme dorsale sans fil, chargé d’assurer la communication entre les clients, et aussi la connexion des clients à l’Internet, les systèmes MIMO sont implémentés au niveau de la couche physique de ces Nœuds.
Problèmes liés à l’utilisation des technologies sans fil
Le canal radio est le moyen qui permet d’envoyer et de recevoir des données à travers les ondes. Plusieurs problèmes sont liés à la nature même du canal radio. En particuliers, il faut prendre en compte: L’atténuation du signal due à la distance entre les nœuds. L’environnement peut contribuer à l’atténuation du signal avec la présence d’immeubles, de collines etc. Le partage du canal avec les nœuds interférents : Le rayon de transmission est la zone dans laquelle tout nœud récepteur est capable de recevoir correctement les données envoyées par la source, tandis que le rayon d’interférence est la zone dans laquelle le nœud détecte une activité du médium mais ne peut pas décoder correctement les signaux reçus (Figure 1.08). Tout nœud dans le rayon d’interférence ne peut émettre en même temps que l’émetteur. Le partage du médium se fait aussi bien avec les nœuds se trouvant dans le rayon de transmission que dans le rayon d’interférence. Les interférences : en télécommunication lorsque plusieurs communications ont lieu sur le même canal, ils se partagent la bande passante disponible du canal radio. Ces communications peuvent interagir les unes sur les autres et ainsi dégrader le signal : c’est le phénomène des interférences. Les interférences constituent une limite importante dans les communications sans fil qui peut fortement dégrader la qualité des transmissions. Ainsi la recherche se penche justement sur cette problématique en essayant de trouver des architectures qui minimisent l’interférence ou, comme dans notre travail, proposer des protocoles de routage capables d’éviter les routes à forte interférence. On distingue principalement deux types d’interférence (1) l’interférence inter-flux qui a lieu quand deux nœuds dans le même rayon d’interférence opèrent sur le même canal de communication tel qu’illustré sur la Figure 1.09 en (a) pour les nœuds B et D; (2) l’interférence intra-flux se produit lorsque deux ou plusieurs liens sur la même route dans un même rayon d’interférence opèrent sur le même canal. Seul un des liens peut être actif à la fois en (b). Les nœuds A et B ne peuvent pas émettre en même temps, il a été démontré par les auteurs que ce phénomène réduit de moitié la bande passante disponible sur le chemin A-B-C. La diversité des canaux consiste à utiliser différents canaux sur un même chemin et permet d’éviter l’interférence intra-flux. Pour éviter les interférences, une solution serait d’équiper les routeurs de plusieurs interfaces radios et des canaux différents pour des liens qui sont dans le même rayon d’interférence. Cette solution ne résout pas entièrement le problème des interférences car le nombre d’interfaces radio par routeur est limité et le nombre de canaux orthogonaux disponibles dépend de la technologie sans fil utilisée. Liens bidirectionnels : les liens radio ne sont pas toujours bidirectionnels. Ainsi un mobile peut recevoir des données de la part d’un autre mobile sans que la réciproque soit vraie. Ce phénomène pose un problème dans le processus de découverte de route car lorsqu’un chemin est créé, les informations de réponse ne peuvent pas toujours emprunter le chemin inverse, nécessitant la construction d’une nouvelle route. Ce phénomène pose aussi un problème dès lors qu’on utilise des échanges point-à-point avec 802.11 puisque ces échanges ne peuvent fonctionner que sur des liens bidirectionnels.
DSDV
DSDV est un protocole de routage proactif basé sur l’algorithme Bellman-Ford. C’est un protocole de routage par vecteur de distance. Il a été proposé par Charles Perkins et Pravin Bhagwat en 1994. Avec ce protocole, chaque nœud maintient une table de routage qui répertorie toutes les destinations disponibles, le nombre de sauts ou la métrique de la route pour atteindre la destination et la séquence attribuée par le nœud destination. Le numéro de séquence est utilisé pour distinguer les anciennes routes obsolètes des nouvelles afin d’éviter les boucles. Les nœuds transmettent périodiquement ou lors d’un changement important, leurs tables de routage à leurs voisins immédiats. Les mises à jour des tables de routage peuvent être envoyées de manière totale ou incrémentielle. Lors d’une mise à jour totale le nœud envoie toute la table de routage à ses voisins et cela pourrait engendrer l’envoi de nombreux paquets alors que lors d’une mise à jour incrémentielle, seules les entrées de la table qui ont subi un changement de métrique sont envoyées et cela nécessite l’envoi de peu de paquets. Les mises à jour incrémentielles limitent l’envoi de paquets de contrôle et la surcharge du réseau. DSDV diffuse périodiquement des paquets de contrôle pour maintenir les tables de routage. Lorsqu’un nœud tombe en panne, il ne peut plus émettre ses paquets de contrôle. Par conséquent les autres nœuds ne recevront pas de paquets et s’ils restent un certain temps sans recevoir de paquets de la part d’un nœud en panne, ils mettent la valeur de la métrique à l’infini ou un nombre assez élevé qui dépasse la limite autorisé par le protocole pour être sur qu’elle ne sera pas choisi. Ensuite on incrémente le numéro de séquence. Enfin, les mises à jour périodiques trouveront une route alternative pour les routes qui passaient par le nœud en panne. DSDV convient aux réseaux de petite taille (inférieurs à 10 nœuds) car chaque nœud stocke dans sa table les routes vers tous les nœuds du réseau. Quand le nombre de nœuds dans le réseau est élevé, les tables de routage deviennent grandes. La taille des tables est de l’ordre de O(n) ou n est le nombre de nœuds. Plus le nombre de nœuds est grand, plus les routeurs nécessiteront un large espace de stockage sachant que les routeurs ont des espaces mémoire limités. Avec DSDV les nœuds conservent juste le prochain saut et non toute la route contrairement à OLSR qui conserve la route en entier et lui permet d’en changer facilement quand une route devient obsolète.
Caractéristiques d’une métrique pour les réseaux maillés sans fil
Des recherches se sont penchées sur les caractéristiques que doit avoir une bonne métrique de routage pour les réseaux maillés sans fil. On distingue deux types de métriques : Les métriques dites « sensible à la charge » (load-sensitive) pour lesquelles le coût est affecté en fonction de la charge du trafic courant dans le réseau. Ces métriques favorisent les chemins avec une plus large bande passante disponible. Les valeurs des métriques sont estimées en fonction de la charge or dans les réseaux maillés sans fil les charges sont très variables ce qui cause des changements fréquents au niveau des valeurs de ces métriques. Ces fréquents changements peuvent créer une instabilité au niveau des routes qui peut se manifester par des changements de routes fréquents et brusques au niveau du protocole. Les métriques dites « dépendant de la topologie » (topology-dependent): elles déterminent les poids/coûts en fonction de la topologie du réseau (nombre de sauts, capacité des routes). Étant donné que les réseaux maillés sans fil ont une architecture relativement fixe, les paramètres qui dépendent de la topologie ne varient quasiment pas. Par conséquent les métriques dites dépendant de la topologie offrent une meilleure stabilité au niveau des routes. Selon, le protocole de routage idéal pour les réseaux mailés sans fil devrait répondre à quatre critères :
La stabilité des routes : les fréquents changements de routes peuvent perturber ou même interrompre le trafic. La stabilité dépend des composants capturés. Si le composant est fortement variable, la valeur de la métrique va constamment varier et entrainer de fréquent changement de routes. Comme composant variable, on peut citer le taux d’interférence. Les métriques dites dépendant de la topologie sont préférable pour les réseaux maillés sans fil car plus stable. Les meilleures performances pour les chemins à coût minimum. Cela signifie que plus le coût d’un chemin est moindre, plus le chemin ne sera de bonne qualité. Cela permet de réduire le problème de recherche de route au problème de recherche du plus court chemin. Les routes devraient être trouvées avec des algorithmes efficaces (avec une complexité en O(n)). L’isotonicité est une propriété qui voudrait que, durant la découverte des routes, si on rajoute le coût d’un même lien sur deux chemins différents, il faut que la différence soit préservée. Considérons l’exemple de la Figure 3.02, avec les arcs a et b. notons leur coût respectif C(a) et C(b), en ajoutant le coût de l’arc c à celui de l’arc a ou b, la propriété voudrait que l’inégalité soit conservée. Si on devait par exemple prendre en compte des paramètres tels que la diversité des canaux en ajoutant un coût supplémentaire s quand on réutilise le même canal, on aurait C (a+b)= C(a)+ C(b) +s. Et donc l’inégalité ne sera pas conservée à cause du terme s. Cette propriété permet d’éviter les boucles lors de la recherche de routes. La propriété d’isotonicité est une condition nécessaire et suffisante pour que des protocoles basés sur les algorithmes de Bellman-Ford et Dijkstra puissent trouver les chemins de moindres coûts.
Sans boucle : le protocole devrait pouvoir choisir des routes sans boucle i.e. de ne pas repasser par les mêmes nœuds lors de l’envoi des paquets.
Mécanisme de maintenance des routes
Un nœud assimile qu’un lien est rompu avec un de ses voisins, lorsque celui-ci n’acquitte pas un certain nombre de communications. L’acquittement peut se faire avec un paquet dédié, ou bien à l’aide d’un moyen passif. Comme dans la figure précédente, l’acquittement passif entre C et D, par exemple, se fait quand C écoute le canal pour vérifier si D a retransmis le paquet de données à E; sinon cela veut dire que D ne l’a pas reçu. Le nœud C devrait alors envoyer un message d’erreur (Route Error) à A lui signifiant la rupture du lien en question. Le nœud A doit alors supprimer ce lien de sa table de routage, et doit entreprendre une nouvelle découverte de route.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES RESEAUX MAILLES SANS FIL
1.1 Introduction
1.2 Les composants des réseaux maillés sans fil
1.3 Architecture des réseaux maillés sans fil
1.3.1 Réseaux mesh backbone (ou réseaux mesh infrastructure)
1.3.2 Réseaux mesh client
1.3.3 Réseaux mesh hybrides
1.4 Les technologies dans les réseaux maillés sans fil
1.4.1 WiFi
1.4 .2 Wimax
1.5 Les techniques de transmission
1.5.1 La technique OFDM (Orthogonal Frequency Division Multeplexing)
1.5.2 Les systèmes à antennes multiples MIMO (Multiple Input- Multiple Output)
1.6 Protocoles d’accès au medium
1.6.1 CSMA/CA : accès multiple avec écoute de porteuse/évitement de collision
1.6.2 TDMA (Time Division Multiple Access)
1.6.3 Protocoles Mac Hybride CSMA/ TDMA
1.7 Problèmes liés à l’utilisation des technologies sans fil
1.8 Domaines d’application des réseaux maillés sans fil
1.9 Avantages des réseaux maillés sans fil
1.10 Challenges des réseaux maillés sans fil
1.11 Conclusion
CHAPITRE 2 : LE ROUTAGE DANS LES RESEAUX MAILLES SANS FIL
2.1 Introduction
2.2 Classification des protocoles de routage
2.2.1 Le protocole proactif
2.2.1.1 La méthode état de lien (« Link State »)
2.2.1.2 La méthode du vecteur de distance (« Distance Vector »)
2.2.2 Le protocole réactif
2.2.3 Le protocole hybride
2.3 Description de quelques protocoles de routage
2.3.1 OLSR
2.3.2 DSDV
2.3.3 AODV
2.3.4 DSR
2.3.5 ZRP
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 : METRIQUES DE ROUTAGE DANS LES RESEAUX MAILLES SANS FIL
3.1 Introduction
3.2 Métriques de routage
3.3 Techniques de mesures
3.4 Composants d’une métrique
3.5 Caractéristiques d’une métrique pour les réseaux maillés sans fil
3.6 Présentation des métriques de routage pour les réseaux maillés sans fil
3.6.1 Nombre de saut.
3.6.2 Expected Transmission Count (ETX)
3.6.3 ETT (Expected Transmission Time)
3.6.4 ML (Minimum Loss)
3.6.5 Weighted Cumulative Expected Transmission Count (WCETT)
3.6.7 interference AWARE (iAWARE)
3.6.8 Metric of Interference and Channel-switching (MIC)
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 : FONCTIONNEMENT DES DEUX PROTOCOLES DE ROUTAGE AODV ET DSR
4.1 Introduction
4.2 Le protocole AODV (AdHoc On Demand Distance Vector)
4.2.1 Les messages échangés
4.2.1.1 Demande de route (Route REQuest : RREQ)
4.2.1.2 Réponse de route (Route REPly RREP)
4.2.1.4 Accusé de réception de réponse de route (Route REPly ACKnowledgment RREPACK)
4.2.2 Les bases d’informations
4.2.2.1 La table de routage
4.2.2.2 La table d’historique
4.2.3 Principe de fonctionnement
4.2.3.1 Découverte de routes
4.2.3.2 Maintenance des routes
a) Détection des défaillances
b) Tentative de réparation locale
c) Annonce d’une erreur dans la route
4.3 Dynamic Source Routing (DSR)
4.3.1 Découverte de la route
4.3.1.1 Les requêtes
4.3.1.2 Les réponses
4.3.1.3 Les acquittements
4.3.2 Mécanisme de maintenance des routes
4.3.2.1 Les erreurs
4.3.2.2 Caractéristiques supplémentaire
a) Option requête de route
b) Option réponse de route
c) Option erreur de route
d) Options supplémentaires
4.3.4 Quelques paramètres par défaut du protocole DSR
4.3.5 La stratégie de cache dans le protocole DSR
4.3.5.1 La structure cache
4.3.5.2 La capacité de cache
4.3.5.3 Délai de cache
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 : ETUDE DE LA PERFORMANCE DE DSR et AODV SOUS NS2
5.1 Introduction
5.2 Présentation de NS2
5.2.1 Modèles de trafic
5.2.2 Modèles de mobilité
5.2.2.1 Le modèle de mobilité avec points de passage aléatoires
5.3.2.2 Le modèle de mobilité à marche aléatoire
5.3.2.3 Le modèle de mobilité avec direction aléatoire
5.3.3 Les fichiers de trace
5.3.2.4 Les étapes à suivre pour simuler un protocole de routage dans NS2
5.4 Paramétrer à évaluer
5.4.1 Taux de paquets délivré
5.4.2 Le délai de bout en bout
5.5.3 Le Taux d’Efficacité Normalisé
5.6 Les scénarios de simulation
5.6.1 Présentation de résultat des différents scénarios de simulation
5.6.1.1 Scénario 1 : Impact de la vitesse de mobilité
a) Délai de bout en bout en fonction de la vitesse de mobilité
b) Taux de paquets délivrés en fonction de vitesse de mobilité
c) Taux d’Efficacité Normalisé en fonction de la vitesse de mobilité
5.6.1.2 Scenario 2 : Impact de la charge du réseau
a) Délai de bout en bout en de nombre de connexion
b) Taux de paquets délivrés en fonction de nombre de connexion
c) Taux d’Efficacité Normalisé en fonction de nombre de connexion
5.9 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE1 : Script TCL
ANNEXE 2 : Script JAVA pour traiter les fichiers trace de ns2
BIBLIOGRAPHIE
RESUME
ABSTRACT
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