Auto Orga Chapter 1

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Auto-organisation dans les réseaux ad hoc (et les réseaux de capteurs) Fabrice Valois [email protected] http://fvalois.insa-lyon.fr Décembre 2006

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Auto-organisationdans les

réseaux ad hoc(et les réseaux de capteurs)

Fabrice [email protected]

http://fvalois.insa-lyon.fr

Décembre 2006

Page 2: Auto Orga Chapter 1

Agenda

• Chapitre 1 : Concepts, définitions, routage structuré ?

• Chapitre 2 : Mécanismes fondamentaux pour l'auto-organisation

• Chapitre 3 : Une application, le contrôle de topologie

Page 3: Auto Orga Chapter 1

Chapitre 1Concepts, définitions, routage ?

• Motivations

• Concept de l'auto-organisation : une définition

• Principes & objectifs : Hiérarchique / structuré vs plat

• Survol des principales stratégies

• Routage ? Structuré vs à plat

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Chapitre 2Mécanismes fondamentaux

• Objectif : comment construire une vue logique ?

• Techniques de clustering

• Backbone virtuel

• Construction de DHT

• Réseau d'Overlays

• Autres approches ?

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Chapitre 3Contrôle de topologie

• Une application : la diffusion

• Neighborhood Elimination Scheme

• Local MST

• RNG

• ...

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CHAPITRE 1-

Concepts, définitions, routage structuré ?

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Agenda

• Motivations

• Concept de l'auto-organisation : une définition

• Principes & objectifs : Hiérarchique / structuré vs plat

• Introduction aux principales stratégies

• Routage ? Structuré vs à plat

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Motivations : cadre général

• Réseaux ad hoc– Terminaux mobiles– Schéma de communications : 1all, 11, 1n

• Réseaux hybrides– Interconnexion à Internet– Schéma de communications : 11 (Internet)

• Réseaux de capteurs– Dépendant de l'application– Schéma de communications : sinkall, allsink, 1sink

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Motivations : défis

• Défis – Routage– Passage à l'échelle– Mobilité– Énergie– Hétérogénéité– Diffusion– Bande passante– Manipulation de données– ...

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Motivations : problématique

• Point commun de ces topologies et de ces services réseaux :

Absence de contrôle centralisé, environnement distribué, hétérogénéité, etc.

Question : comment construire ces protocoles ?- collaborations inter-noeuds

→ Auto-organisation

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Pourquoi organiser ?

• Distribuer les rôles en tirant partie l'hétérogénéité des noeuds (énergie, mobilité, densité, etc.)

• Créer une vue logique• Introduire de la stabilité dans un environnement volatile• Cadre pour optimiser les services de niveau 3 et +• Construire une hiérarchie (à l'opposé d'une vision à plat)

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Auto-organisation : définition

• Système organisé = système possédant une structure et un ensemble de fonctionnalités associées– Structure : organiser les entités et faciliter leurs

interactions– Fonctionnalités : maintenir la structure et faciliter son

utilisation

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Auto-organisation : définition

• Système organisé = système possédant une structure et un ensemble de fonctionnalités associées– Structure : organiser les entités et faciliter leurs

interactions– Fonctionnalités : maintenir la structure et faciliter son

utilisation

• Auto-organisation : fait référence à un système organisé sans entité centralisée et sans contrôle extérieur

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Attention !

• Deux visions de l'auto-organisation :– Un réseau ad hoc ou un réseau de capteurs est

naturellement auto-organisé• p. ex. : le routage !

– Faire émerger un comportement global (structurant) à partir d'interactions locales

• Notion de structure virtuelle

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Attention !

• Deux visions de l'auto-organisation :– Un réseau ad hoc ou un réseau de capteurs est

naturellement auto-organisé• p. ex. : le routage !

– Faire émerger un comportement global (structurant) à partir d'interactions locales

• Notion de structure virtuelle

• Vocabulaire : topologie virtuelle, structure virtuelle, vue logique, etc.

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Principes & objectifs

• Objectif : aller au-delà de simples interactions locales et l'absence de contrôle centralisé

• Faire émerger une topologie virtuelle– Vue locale / vue globale– Vue logique / vue physique

--> Comportement émergeant

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Propriétés recherchées

• Émergence d'une structure globale à partir d'informations & de règles locales

• Interactions locales (et non pas distribuées...)

• Réactivité aux changements locaux & robustesse (auto-stabilisation)

• Structure auto-organisante non orientée source

• Passage à l'échelle (?)

Page 18: Auto Orga Chapter 1

Quelques clefs pourl'auto-organisation

• Émergence d'un comportement global à partir de règles locales

• Interactions locales et coordination des noeuds

• Minimiser l'information sur l'état du réseau

• S'adapter dynamiquement à l'environnement

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Quelques clefs pourl'auto-organisation (1)

• Émergence d'un comportement global à partir de règles locales

– Éviter de concentrer des décisions sur 1 noeud– Distribution des rôles sur tous les noeuds– P. ex. : routage dans les réseaux ad hoc

• Comportement global = acheminement d'un paquet de données depuis une source vers une destination

• Comportement local = transfert du paquet à un voisin

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Quelques clefs pourl'auto-organisation (2)

• Interactions locales et coordination des noeuds

– Décisions locales incohérences• Coordination explicite ?• Coordination implicite ?

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Quelques clefs pourl'auto-organisation (3)

• Minimiser l'information sur l'état du réseau

– Informations requises ⇒ Auto-organisation

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Quelques clefs pourl'auto-organisation (4)

• S'adapter dynamiquement à l'environnement

– 3 niveaux d'adaptation :• Adaptation aux changements de topologie résultant de la

mobilité ou de l'apparition / disparition d'un noeud• Adaptation aux paramètres protocolaires

(temporisateurs, connaissance du k-voisinage, etc.) en fonction des changements d'état dans le but d'améliorer le comportement du réseau

• Évolution vers un nouveau mécanisme d'auto-organisation si comportement inefficace

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Principales topologies

• Les détails algorithmiques seront donnés lors du cours 2

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Routage ? Structuré ou plat

• Il existe certains protocoles de routage qui sont basés sur une structure ou une hiérarchie représentant ce qui pourrait être une auto-organisation...

• ... mais qui n'en est pas une !

• But recherché : diminuer le coût de recherche des destinataires et de construction/maintiens des routes

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Exemples (non exhaustifs)

• (A) Routage hybride/hiérarchique :– ZRP: Zone Based Hierarchical Link State Routing

Protocol• (B) Routage géographique

– LAR : Location Aided Routing Protocol– Terminodes/Anchorage Routing Protocol

• (C) Routage utilisant une structure logique – CBRP : Cluster-Based Routing Protocol

• (D) OLSR : Optimized Link State Routing Protocol– Notion de MPR : Multi-Point Relay

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Exemples (non exhaustifs)

• (A) Routage hybride/hiérarchique :– ZRP: Zone Based Hierarchical Link State Routing

Protocol• (B) Routage géographique

– LAR : Location Aided Routing Protocol– Terminodes/Anchorage Routing Protocol

• (C) Routage utilisant une structure logique – CBRP : Cluster-Based Routing Protocol

• (D) OLSR : Optimized Link State Routing Protocol– Notion de MPR : Multi-Point Relay

... on se limitera à une présentation des concepts les plus importants

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Routage hybride/hiérarchique (A1)

• Idée : tirer parti des avantages des protocoles pro-actifs et réactifs– Limite le comportement pro-actif au voisinage d'un

noeud (les informations de topologie ne sont donc transmisses que sur quelques sauts)

– Une requête réactive peut être acheminée dans tout le réseau

• Introduction d'une routing zone

• Le comportement est adapté en fonction de l'état du réseau

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ZRP (A2)

• Définition d'une zone, à k sauts : routing zone• Chaque noeud maintiens des routes proactivement à

l'intérieur de cette zone (hellos relayés sur k sauts)

A

B

C

E

D

I

JF

G

H

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ZRP (A3)

• Routage à deux niveaux :– Intrazone Routing Protocol (IARP) : proactif– Interzone Routing Protocol (IERP) : réactif

• IERP ?– Utilisation de la structure en zone pour optimiser la

diffusion des route request• Notion de boardercasting grâce aux noeuds bordures

• La réponse suit la route inverse

A

D

BC

E F G

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ZRP (A4)

• Pourquoi est-ce que ZRP n'est pas basé sur une auto-organisation ?

– Votre avis ? Vos idées ?

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Routage géographique (B1)

• Utilisation de coordonnées spatiales pour améliorer le routage

• Utilisation d'un système d'information géographique

• Avantages recherchés:– Évite une diffusion massive des route request– Permet d'orienter la recherche d'un destinataire

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Routage géographique (B2)

• Quel système de localisation (information géographique) ?– GPS (Global Positionning System) basé sur une

infrastructure complémentaire (constellation de satellites)

– Stratégie GPS-free : calcul distribué des positions (x,y) par rapport aux mesures du signal et/ou mesures par rapport à des points fixes

Page 33: Auto Orga Chapter 1

Routage géographique (B3)Location-Aided Routing

• Protocole de routage réactif• Un noeud émetteur (E) connaît, avec une certaine

imprécision, les coordonnées du récepteur (R)– E identifie une zone cible (expected zone) de

recherche du destinataire R à partir des coordonnées de R et de la distance que R a pu parcourir depuis la dernière mise à jour de sa position

• Une fois la zone cible atteinte : – Procédure de recherche (request zone) correspondant

à une zone géographique limitantla portée de recherche et doncl'innondation

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Routage géographique (B3b)Location-Aided Routing

• Protocole de routage réactif• Un noeud émetteur (E) connaît, avec une certaine

imprécision, les coordonnées du récepteur (R)– E identifie une zone cible (expected zone) de

recherche du destinataire R à partir des coordonnées de R et de la distance que R a pu parcourir depuis la dernière mise à jour de sa position

• Une fois la zone cible atteinte : – Procédure de recherche (request zone) correspondant

à une zone géographique limitantla portée de recherche et doncl'innondation

S

DExpected zone

Expected zone

r

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Routage géographique (B4)Anchorage Routing Protocol

• Utilisé dans le projet Terminodes– Protocole de routage hiérarchique :

• Routage local : Terminode Local Routing• Routage distant : Terminode Remote Routing

• Routage scalable utilisant une information géographique

• Terminodes :– À la fois hiérarchique et géographique

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Routage géographique (B5)Anchorage Routing Protocol

Terminode Remote Routing

• Balise statique = anchorage (ancre) : localisation précise d'un point physique / virtuel

• Et....– Il existe une fonction de hash (h(x)) telle que :

• Si x=identité du noeud, alors h(x)=coordonnées d'une ancre

• Et le noeud x maintiens proactivement une route entre l'ancre et sa position actuelle

Page 37: Auto Orga Chapter 1

Routage géographique (B6)Anchorage Routing Protocol

• Finalement le protocole de routage est structuré autour :– De la distribution des ancres– De la fonction de hachage

Page 38: Auto Orga Chapter 1

Routage géographique (B7)

• Le routage géographique peut-il être considéré comme une approche auto-organisante ?

– Votre avis ? Vos idées ?

Page 39: Auto Orga Chapter 1

Cluster-based Networks &Routing Protocols (C1)

• Constat sur les protocoles de routage à plat:– Passage à l'échelle délicat

• Solution : – Hiérarchiser le réseau ad hoc

• Idées : – les fonctions de découvertes de routes sont liées à une

structure de contrôle basé sur la topologie physique (noeuds + liens)

– Certains noeuds ont plus de poids que d'autres et possèdent une sphère d'influence

• Prélude à l'auto-organisation : self-organizing control structure

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Cluster-based network (C2)

• Quelle structure ?– Robuste– Adaptée à la mobilité des noeuds– Rend le routage plus efficace– Optimise l'utilisation des ressources– Passage à l'échelle

• Proposition : cluster (grappe)représentant le regroupementgéographique de noeuds

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Cluster-based network (C3)

• Différentes stratégies :– Choix du leader et politique de maintiens– Clusters disjoints ou recouvrant– 1 seul niveau hiérarchique ou n niveaux– Basé sur un voisinage géographique ou ...– Connecté ou non– Etc.

Clusters recouvrant

Clusters disjoints

Noeuds passerelles

Clusterhead (leader)

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Cluster-based network (C4)

• Le clusterhead joue le rôle de proxy pour construire les routes

• Parfois, on rajoute une connaissance pro-active du cluster pour tous les noeuds (ou pour seulement le leader)– On se rapproche alors d'un protocole hiérarchique

• Avantages :– Passage à l'échelle– Robustesse

• Inconvénients :– Clusterhead = goulot d'étranglement

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Cluster-based network (C5)

• Utilisation d'une topologie logique pour fournir un service de routage

• Mais....– Est-ce réellement une auto-organisation ?

– Vos commentaires ?

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OLSR et les MPR (D1)

• OLSR : protocole de routage pro-actif• MPR : limitation du broadcast

– Sélection d'un sous-ensemble du voisinage pour retransmettre

(c) David Simplot-Ryl, Univ. Lille

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OLSR et les MPR (D2)

• Pouvons-nous considérer les relais multi-points d'OLSR comme une façon de structurer le réseau ?– Votre avis ?

• Vers les MPR-DS...

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Bilan chapitre 1

• Auto-organisation = construction d'une structure logique telle que cette topologie logique conduise à une meilleure efficacité des protocoles de communication

• Propriétés : robustesse / décisions locales / coordination / comportement émergeant

• Quelques protocoles de routages structurés– Géographiques– Hybrides– Cluster-based– MPR d'OLSR