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Exploitation d’approches système dans les réseaux sans fil
Frédéric Weis
Habilitation à Diriger des Recherches
6 Juin 2012
Université de Rennes 1 – IUT Saint-Malo / IRISA
1 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
MdC UR 1 / IUT Saint-Malo Délég. INRIA MdC
Parcours
2 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Introduction
responsabilités administratives
Technologies de l’Internet – Réseaux sans fil – Sécurité des réseaux (DUT et LP) Systèmes mobiles et embarqués (Master 2)
activités d’enseignements
Responsable du dpt R&T
équipes de recherche
IRISA équipe ACES Système embarqué – informatique diffuse
IRISA équipe SOLIDOR Construction de système et d’application distribuée
thématiques de recherche
Réseaux mobiles
Informatique diffuse Informatique diffuse
Trois axes de recherche
3 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Système d’Information Spontanés
Réseaux à couverture discontinue
Couplage de réseaux sans fil
1er axe
2004 1998
2008 2004
2010 2007
2ème axe
3ème axe
Interactions sans fil courte portée Voisinage physique
Bulles radio Réseaux étendus
Nouveaux services Réseaux hétérogènes
Introduction
Plan de l’exposé
1. Synthèse des travaux de recherche
2. Zoom sur le second axe : les réseaux à couverture discontinue
3. Bilan et perspectives
4 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Première partie
• Motivations
• Systèmes d’Information Spontanés (S.I.S)
• Réseaux à couverture discontinue
• Couplage DVB / 3G
5 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Résumé des travaux de recherche
Synthèse des travaux de recherche
Motivations
• Compétences dans le domaine réseaux et protocoles
• Travaux démarrés au sein d’une équipe « systèmes distribués et systèmes distribués grande échelle »
• Volonté de combiner ces deux domaines – Dans quel(s) cadre(s) cela a-t-il du sens ?
• Développement d’une informatique distribuée et mobile – Progrès constant dans le domaine de l’informatique
embarqué, miniaturisation des terminaux
– Développement des communications sans fil
6 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche - Motivations
Développement des réseaux sans fil
7 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Infrastructure d’interconnexion
station de base
cellule Réseaux cellulaires étendus
Interactions sans fil directes et courte portée
Réseaux locaux sans fil
pico-cellule
point d’accès
• Couverture continue • Complexité de déploiement
(planification radio) • Réservés aux opérateurs Télécoms • Support attendu (en 1998) de
l’Internet Mobile
• Exemple : WiFi • Simplicité de déploiement • Cellule radio de petite taille • Technologies peu coûteuses • Îlots de connectivité à Internet
(HotSpot)
• Exemple : WiFi mode ad hoc • Pas d’infrastructure • Communications « spontanées » • Mobilité non contrainte des nœuds
• La vraie mobilité ? • Nouvelles applications ?
Synthèse des travaux de recherche - Motivations
Vision « réseau »
8 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche - Motivations
• Réseaux ad hoc – Maillage de nœuds
mobiles
• Problème de recherche – Routage
• Terrain d’opérations militaires, réseau de campus
Mobilité masquée par le routage
Pas d’applications dédiées
Vision « système »
• Principale caractéristique de l’informatique mobile = la variabilité
• Réponse classique à cette variabilité = mécanismes d’adaptation distribués dans le système
S’adapter = masquer les effets de la mobilité de l’utilisateur sur le système
Est-il possible de construire un système distribué, en exploitant la mobilité des nœuds, plutôt
qu’en la masquant ?
9 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche - Motivations
Première partie
• Motivations
• Systèmes d’Information Spontanés (S.I.S)
• Réseaux à couverture discontinue
• Couplage DVB / 3G
10 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Résumé des travaux de recherche
Synthèse des travaux de recherche
Exploitation de la « vraie mobilité »
11 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Construction spontanée d’un système d’information
Disparition du système d’information
Synthèse des travaux de recherche – S.I.S
• Système d’Information Spontané ou S.I.S – Exploitation de nœuds mobiles et d’interactions sans
fil courte portée pour construire automatiquement un système d’information
– Pas d’infrastructure, des communications spontanées
• La volatilité du lien ne peut pas être masquée au terminal – L’échange d’information et l’application associée
n’existent que si les nœuds mobiles sont proches
• Quelle(s) application(s) ? – Conférence, enchères, micro-paiement, …
12 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Démarche Synthèse des travaux de recherche – S.I.S
Exemple
13 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Requête :
Je recherche , prix < 10
Synthèse des travaux de recherche – S.I.S
• Lien « système / réseau »
– La conception du système d’information distribué sur les terminaux doit prendre en compte la volatilité des liens sans fil
Résultats
14 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
• Représentation informatique « fidèle » du voisinage physique d’un nœud mobile
– Prise en compte de la cinématique des terminaux et de l’asymétrie des communication sans fil
• Mécanismes d’adressage et de contrôle des informations partagées, supportant l’entrée / sortie des nœuds mobiles
– Bases de données de proximité
Synthèse des travaux de recherche – S.I.S
Bilan « S.I.S » • Une approche novatrice en 1998
– Des hypothèses « fortes »
– Un axe en lien avec l’informatique diffuse
– Un contexte très spécifique, la proximité physique des nœuds
• Difficultés – Des limites technologiques
– Justifier l’absence de routage !
– Comment prôner l’absence d’infrastructure dans un cadre « tout infrastructure » ?
• Deux thèses soutenues en 2004 – A. Troël (voisinage physique) et D. Touzet (base de données de proximité)
• Début d’une collaboration fructueuse avec Alcatel R&I à partir de 2000 – Réalisation de prototypes
• Des résultats qui influencent encore fortement mes travaux actuels
15 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – S.I.S
Première partie
• Motivations
• Systèmes d’Information Spontanés (S.I.S)
• Réseaux à couverture discontinue
• Couplage DVB / 3G
16 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Résumé des travaux de recherche
Synthèse des travaux de recherche
Des S.I.S aux D-cov networks
17 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Système d’Information Spontanés
Réseaux à couverture discontinue
1er axe
2004 1998
2008 2004
2ème axe
Interactions sans fil courte portée Voisinage physique
Bulles radio Réseaux étendus
Introduction d’une borne fixe au sein
d’un S.I.S
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
Introduction d’une borne fixe (1)
• Explosion de la quantité de données stockées dans la mémoire d’un terminal
• Capacités de stockage limitées des terminaux – « Déchargement » de la mémoire
chaque fois qu’une bulle radio est rencontrée par un terminal
– Approche initiale : le point d’accès peut être vu comme un nœud fixe dans un S.I.S
18 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
Introduction d’une borne fixe (2)
19 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
• Mise en place d’un lien logique entre les bulles radio
– Interconnexion + gestion protocolaire des échanges entre les bulles radio
• De simples îlots de connectivité vers un réseau mobile, étendu et à couverture discontinue
8
Une architecture réseau prometteuse ?
20 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
InfrastructureIP
Bulleradio
1. Couverture étendue 2. Pico-cellules 3. Simplicité de
déploiement 4. Connectivité radio
discontinue
1. Couverture étendue 2. Cellules de grande taille 3. Complexité de déploiement
(planification radio) 4. Connectivité radio
continue
Où sont les problèmes ?
• Les architectures discontinues sont exploitées dans des cas très spécifiques 1. Bande passante de la pico-cellule utilisée par un seul
utilisateur à la fois 2. Trajectoires des utilisateurs connues (par ex. une route) 3. Gestion uniquement du flux descendant (vers le terminal) … insuffisant pour justifier un déploiement étendu !
• Comment tirer véritablement parti de cette architecture ? 1. Servir une densité importante d’utilisateurs 2. Ne pas contraindre la mobilité des utilisateurs, ne pas
fixer de topologie pour la distribution des bulles radio 3. Exploiter le flux descendant (vers le terminal) et du flux
montant (du terminal vers l’infrastructure)
21 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
Peut-on masquer la discontinuité ?
• Au niveau réseau – Impossible, la discontinuité de la couverture est la base de
l’architecture
• Au niveau système – L’application dans le terminal doit pouvoir s’exécuter dans
un mode « connecté / déconnecté » – Le terminal doit « profiter » des zones de connectivité
radio pour charger des données, et « survivre » jusqu’à la prochaine bulle radio traversée
22 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
Proposition « réseau / système » Distribution d’une hiérarchie de caches
dans l’infrastructure réseau
23 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
Résultats
• Exploitation des flux descendants
– Une hiérarchie de caches permettant de masquer la discontinuité de la couverture et servir une densité élevée d’utilisateurs
• Exploitation des flux montants
– Stratégie de réplication des données dans l’infrastructure en fonction de leur « popularité »
Dans la seconde partie de cette exposé,
zoom sur la gestion des flux descendants dans les réseaux à
couverture discontinue
Résultats
24 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
• Le réseau à couverture continue est exploité comme un réseau à couverture discontinue
– Seules les zones offrant les meilleures débits sont exploitées
• La hiérarchie de caches permet de servir une densité accrue d’utilisateurs !
Bilan « couverture discontinue »
• Ouverture de nos travaux vers une infrastructure étendue – Une architecture originale – Application de nos solutions aux réseaux cellulaires
« classiques »
• Continuation de la collaboration avec Alcatel R&I, avec un aspect important – Avoir démontré l’intérêt d’une hiérarchie de caches au
sein d’infrastructure cellulaire
• Deux thèses soutenues en 2006 et 2008 – C. Bonan (1ère hiérarchie de caches) et M. Tlais (flux
montants)
• Une première approche du couplage – Utilisation combinée WiFi / 3G
25 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
Première partie
• Motivations
• Systèmes d’Information Spontanés (S.I.S)
• Réseaux à couverture discontinue
• Couplage DVB / 3G
26 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Résumé des travaux de recherche
Synthèse des travaux de recherche
Les réseaux 4G
27 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – couplage DVB / 3G
LTE
A-GW
e-node B
WIMAX
Station de base
ASN
Diffusion DVB
Répéteur terrestre
Concentrateur satellite
WiFi
Contrôleur d’accès
Points d’accès
3G
RNC
SGSN GGSN
node B
Internet
Passerelle 4G Mobilité
Gestion des ressources
- couplage
Vers l’étude d’autres réseaux 4G
28 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Réseaux à couverture discontinue
Couplage de réseaux sans fil
2008 2004
2010 2007
2ème axe
3ème axe
Bulles radio Réseaux étendus
Nouveaux services Réseaux hétérogènes
Système d’Information Spontanés 1er axe
2004 1998 Interactions sans fil courte portée
Voisinage physique
Couplage « système » de réseaux
sans fil
Synthèse des travaux de recherche – couplage DVB / 3G
Deux réseaux complémentaires
29 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Réseau DVB
Réseau cellulaire 3G
Terminaux mobiles bimodes
Canal unidirectionnel
Canal de diffusion
Canal bidirectionnel
Lien montant
Lien descendant
Diffusion de contenus TV
Fournisseur de
services 3G
Synthèse des travaux de recherche – couplage DVB / 3G
Démarche
• Un véritable challenge : exploiter un couplage système « dans les deux sens » – Un service sur un réseau 3G peut-il exploiter les capacités
d’une infrastructure DVB mobile ? – Un service sur un réseau DVB mobile peut-il exploiter les
liens bidirectionnels d’un réseau 3G ?
• Une première approche : des caches dans l’infrastructure ! – Impossible, le cadre normatif est trop contraignant
• Identification d’un point de connexion réaliste entre les deux réseaux – Intégration des mécanismes systèmes de couplage
30 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – couplage DVB / 3G
Résultats
31 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – couplage DVB / 3G
Réseau de diffusion DVB Canal de diffusion
Diffuseur + Plateforme de services
Canal bidirectionnel
Fournisseur de services interactifs
Insertio
n d
e flux 3
g
Bascu
lemen
t de flu
x DV
B
Point de couplage Stockage des données Distribution des données Gestion de la signalisation
Réseau cellulaire 3G
3G vers DVB : Exploitation ponctuelle d’une
bande résiduelle 2590
2595
2600
2605
2610
2615
2620
234 360 486 612 738 864 990 1116 1242
DVB vers 3G : Délivrance de contenus
personnalisés 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 100 200 300 400 500 600 700 800
10% d'utilisateurs du service de contenus localisés
90% d'utilisateurs du service de contenus localisés
Dé
bit
(M
b/s
)
Temps (seconde)
Bilan « couplage »
• Une véritable « problématique 4G »
– Couplage d’infrastructures dans les deux sens
– Multi-attachement
• Un aspect important
– Avoir pris en compte la dimension réseau avant nos problématiques système
• Une thèse soutenue en 2010
– A. Jedidi (Point de couplage)
32 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue
Trois axes de recherche
33 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Synthèse des travaux de recherche
Système d’Information Spontanés
Réseaux à couverture discontinue
Couplage de réseaux sans fil
1er axe
2004 1998
2008 2004
2010 2007
2ème axe
3ème axe
Interactions sans fil courte portée Voisinage physique
Bulles radio Réseaux étendus
Nouveaux services Réseaux hétérogènes
ZOOM
Seconde partie
34 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Résumé des travaux de recherche
Etude des réseaux à couverture discontinue :
Gestion des flux descendants
Exploitation d’un service de streaming
35 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Gestion des flux descendants – premiers éléments de solution
-----------------------------------------------------------------------------------------
Consommation continue des données
Infrastructure IP
Bulle radio
Serveur Envoi continu de données vers l’infrastructure
Absence de couverture
Absence de couverture
-----------------------------------------------------------------------------------------
6 Mb/s
Démarrage du service
54 Mb/s
Analogie avec les systèmes multi-proc.
36 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Cache interne
processeur
Cache secondaire
Cache interne
processeur
Cache secondaire
Cache interne
processeur
Cache secondaire
Mémoire centrale
Bus processeur - cache
Bus cache – mémoire centrale
Cache interne
terminal
Un ou plusieurs niveaux de caches distribués dans le réseau
Cache interne
terminal
Cache interne
terminal
Serveur de contenu
Lien intermittent
Lien réseau
Infrastructure filaire
• Cache primaire intégré au processeur
• Cache secondaire pour accélérer d’accès à la mémoire centrale
Gestion des flux descendants – premiers éléments de solution
• Niveau système – Combien de niveaux
de cache ?
• Niveau réseau – Où positionner ces
caches ?
Un modèle radio à deux zones
37 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Gestion des flux descendants – premiers éléments de solution
Zone de présence
Zone de transfert
Débit radio
Alimentation du cache terminal
Trois niveaux de cache
38 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Serveur
Cache du point d’attachement
Gestion des flux descendants – premiers éléments de solution
Cache des APs
6 Mb/s
Terminal mobile
Cache du terminal
Débit radio
54 Mb/s
Transfert de données
Augmentation des débits filaires
39 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Augmentation des débits filaires = le lien AC-AP n’est plus limitant !
Gestion des flux descendants – évolution de l’architecture
Serveur
Cache du point d’attachement
Débit radio
Terminal mobile
Transfert de données
Cache du terminal
Résultats
40 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Gestion des flux descendants – évolution de l’architecture
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
No
mb
re d
'in
terr
up
tio
ns
de s
erv
ice
Densité d'utilisateurs (utilisateurs/km2)
With "UDP like" transport layer
With cache-based transport layer
With cache-based transport layer and burst of data
1
2
3
« UDP like »
Protocole de transport de cache
Protocole de transport de cache + rafale de données
Troisième partie
41 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Résumé des travaux de recherche
Bilan et perspectives
Bilan (1)
• Axes directeurs
– Explorer les possibilités offertes par les interactions sans fil courte portée
– Combiner (protocoles) réseaux et (mécanismes) système
• Axes de recherche
– S.I.S (informatique diffuse)
– Réseaux 4G (réseaux mobiles), couverture discontinue et couplage
42 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Bilan et perspectives
Bilan (2)
• Systèmes d’Information Spontanés (S.I.S) – Une exploitation des communications courte portée – Un contexte très spécifique : le voisinage de nœuds
mobiles
• Les réseaux à couverture discontinue – Une exploitation différente des communications courte
portée – Une ligne directrice : introduction de mémoires au sein
d’une infrastructure réseau
• Couplage DVB / 3G – Une poursuite de la thématique 4G – Intégration de mécanismes système dans un cadre
normatif « contraignant »
43 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Bilan et perspectives
Perspectives – réseaux 4G
• Une gestion du multi-attachement …
– Au niveau du réseau
– Au niveau du terminal
… au delà d’un simple mécanisme de repli entre les deux réseaux
… pour autoriser un équilibrage de charge entre les différents réseaux couplés
44 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Bilan et perspectives
Perspectives – informatique diffuse
• Exploiter des propriétés physiques dans l’environnement pour en déduire automatiquement un système d’information
• Problème : les verrous technologiques – Comment enrichir le contexte en s’appuyant sur
des données capturées dans le voisinage physique ?
• Plus qu’un terminal communicant, nous avons besoin d’un nœud de capteurs communicant
45 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Bilan et perspectives
Exploitation d’un contexte local enrichi
• Des travaux de recherche – Delay-Tolerant Networking (DTN), Wireless Sensor
Network (WSN) …
• De nouvelles technologies – Micro-calculateurs
– 802.15.4 / 6LowPAN / RPL
• Un premier « retour » vers l’informatique diffuse – Localisation indoor étudiée dans le cadre d’une thèse
– Lecture d’une étiquette + caractérisation du mouvement du terminal
46 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Bilan et perspectives
Des travaux tournés vers les Smart Spaces
• Il existe des cas de figure où un modèle logique de l’environnement ne fonctionne pas – Habitat intelligent
• Une architecture de nœuds de capteurs, d’objets communicants et d’interactions très courte portée
• Deux thèses en cours – Distribution de mécanismes de fusion de données – Evaluation de situations via les Context Spaces
Deux axes de recherche … – Exploitation efficace de nœuds de « vrais » capteurs – Compréhension et exploitation de contextes locaux
… et une collaboration en cours avec EDF R&D
47 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Bilan et perspectives
48 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches
Questions ?