Transcript BALANCEMENT DES CHARGES DANS LES RESEAUX AD HOC

BALANCEMENT DES CHARGES DANS LES RESEAUX AD HOC
BERRABAH Abdelkrim 1, BOUKLI HACENE Sofiane 1, LEHSAINI Mohamed 2
1 Evolutionary Engineering & Distributed Information Systems Laboratory, UDL de Sidi-Bel-Abbès, Algérie.
2 Laboratoire Systèmes et technologies de l'information et de la communication, UABT de Tlemcen.
{berrabah, Boukli}@univ-sba.dz; [email protected]
Résumé
Un réseau mobile Ad Hoc sans fil est un réseau
mobile sans infrastructure tel que tous les nœuds
sont capables de mouvement et peuvent être reliés
de façon arbitraire. Afin de faciliter la
communication entre nœuds mobiles qui ne sont
pas dans la portée sans fil de l'autre, un protocole de
routage efficace est utilisé pour détecter les routes
entre les nœuds afin que les messages puissent être
livrés en un temps opportun. De nombreux
protocoles pour les réseaux Ad Hoc on été proposés
et catégorisés selon leurs mode de fonctionnement.
Les protocoles de routage les plus connus sont
‘dynamic source routing (DSR)’ et ‘Ad Hoc ondemand distance vector (AODV)’. Ces protocoles
utilisent le principe de Best-Effort dans
l’acheminement et ne prennent pas en considération
la qualité se service. Une des méthodes de garantis
de service est l’équilibrage de charge. Des
protocoles
de routage comme (LBAR) loadbalanced Ad Hoc routing Protocol sont fondés sur
la notion d’équilibrage de la charge de trafic. Ce
protocole est supporté par DSR et AODV dans la
fonction d’acheminement des paquets. Le protocole
LBAR contient 4 composantes : Route discovery,
Path maintenance, Local connectivity management
et Cost computation [1].
.
L’objectif de cet article consiste à intégrer les
fonctionnalités (les 4 composantes) du protocole
LBAR dans le protocole AODV qui contient
seulement les 2 premières composantes (Route
discovery, Path maintenance).
Vu qu’ils ne reposent pas sur des modèles
analytiques, l’évaluation exacte de certains aspects
de ces protocoles est très difficile. Pour mettre en
place notre contribution nous avons fait appel à la
simulation pour l’évaluation de performance de
notre contribution. Notre simulation est réalisée
sous NS2 (Network Simulator 2). Elle a permis de
dégager un classement des différents algorithmes de
routage étudiés selon des métriques telles que la
moyenne du temps de latence, la surcharge, le taux
de livraison , la mobilité, etc.
Mots clés : Réseaux Ad Hoc, Routage,
simulation, NS2, Equilibrage de la charge.
I. INTRODUCTION.
Les réseaux sans fil sont catégorisés en: réseaux
avec infrastructure et réseaux sans infrastructure ou
Ad Hoc. Dans les réseaux avec infrastructure les
communications s’effectuent via une station de base
fixe. L'inconvénient de ce type de réseau c'est qu'il
requière le déploiement d'une importante
infrastructure fixe. Cette approche est utilisée dans
les
modèles
cellulaires.
Cependant,
les
communications dans un réseau Ad Hoc
s’effectuent en absence de toute infrastructure de
communication
fixe
préexistante.
Si
les
équipements communicants se trouvent dans la
zone de transmission les uns des autres, la
communication s’effectue en mode point-à-point.
En plus, si les nœuds communicants sont éloignés,
plusieurs nœuds intermédiaires participent à
l’acheminement
des
données
vers
leurs
destinations. Pour pouvoir communiquer entre eux,
chaque unité mobile doit jouer le rôle d’un routeur
et d’un terminal, et doit retransmettre les paquets
des autres unités mobiles voisines. Les réseaux Ad
Hoc offrent une grande flexibilité d'emploi et une
grande robustesse et peuvent se déployer très
rapidement [2] [3].
Les réseaux Ad-hoc ont la particularité de
s’auto-créer, s’auto-organiser et s’auto-administrer.
L’autonomie et la mobilité sont d’une grande
influence sur la procédure de gestion de
l'acheminement
des
données
(routage).
L’algorithme de routage consiste à assurer une
stratégie qui garantit, à n'importe quel moment, la
connexion entre n'importe quelle paire de nœuds
appartenant au réseau. Cette stratégie doit prendre
en considération les changements de la topologie du
réseau, ainsi que d’autres caractéristiques comme la
bande passante, le nombre de liens, l’énergie limité,
etc. [4]. Plusieurs protocoles de routage ont été
développés dans les réseaux mobiles Ad-hoc.
Chaque protocole essaie de maximiser les
performances du réseau en minimisant le délai de
livraison des paquets, l'utilisation de la bande
passante et la consommation d'énergie. Les
algorithmes de routage pour les réseaux Ad Hoc
peuvent se classer en trois catégories, les protocoles
Table-Driven, les protocoles On-Demand et les
protocoles Hybrides [5] [6].
Dans cet article, nous proposons un protocole de
routage efficace, basé sur le concept d'équilibrage
de la charge de trafic, à savoir, AODV-MODIFIÉ,
Le schéma proposé consiste a contourner le chemin
des paquets de données en cas d’encombrement de
manière à équilibrer la charge de trafic sur le réseau
et diminuer le délai de bout-en-bout. En outre, le
protocole démontre une réponse rapide aux ruptures
de liaison encourus par les changements
topologiques dans le réseau ad hoc et améliore ainsi
la fiabilité de la livraison des données. Les résultats
indiquent que l’AODV-MODIFIÉ surpasse AODV
en termes de moyenne de temps de latence, la
surcharge, le taux de livraison, la mobilité, etc.
La suite de ce papier est organisé comme suit,
en premier les caractéristiques des réseaux Ad hoc
et les protocoles de routage dans ces réseaux. Dans
la section 2, les détails du plan proposé LBAR sont
décrits. Les paramètres (métriques) de comparaison
et les résultats de simulation seront détaillés et
analysés dans la section 3. Enfin, la section 4
présente les conclusions et les travaux futurs.
Problématique
Il existe plusieurs types de données soit un
texte, une image, un son, une vidéo..., Lors de la
transmission d'un paquet d'une source vers une
destination, il est nécessaire de faire appel à un
protocole de routage qui achemine correctement le
paquet par le "meilleur" chemin. Les protocoles
sont peu performants pour le transfert des données
multimédia [17].
Dans le cadre de ce papier nous avons choisi
le protocole AODV qui est un protocole de routage
destiné aux réseaux mobiles en mode Ad Hoc pour
intégrer les fonctionnalités du protocole LBAR
(Load-Balanced Ad-hoc Routing), ce protocole est
un des protocoles les plus utilisés mise à part
quelque inconvénients.
Parmi ces inconvénients on note la surcharge
de certains nœuds à cause de l’augmentation de
l’activité nodale. Un nœud surchargé a plusieurs
entrées dans sa table de routage, alors en passant
par ce nœud, les paquets de données vont subir de
trop longs délais à cause du trafic et du parcours
entier de la table de routage. Par exemple si le délai
pour chercher la première entrée dans la table de
routage est t et la table contient n entrée, donc pour
atteindre la dernière entrée le délai sera n*t.
Balancement de charge :
Le balancement de charge est un modèle de
qualité de service sans réservation de ressource, où
un protocole de routage est amélioré pour satisfaire
les exigences des applications utilisateurs sensibles
a un paramètre comme le délai, la bande passante et
la gigue. Dans notre travail, nous somme amenés à
améliorer la qualité de service en minimisant les
retards pour satisfaire les utilisateurs qui
s’intéressent aux délais de transmission de paquets.
Principe de fonctionnement :
Découverte de routes :
Le processus de découverte de routes est
déclenché à chaque fois qu'un nœud source veut
communiquer avec un autre nœud pour lequel il n'a
pas un chemin connu. Ce processus est divisé en
deux phases [1] [11] [12] [13] [14]:
o
FORWARD
(étape
ascendante)
:
commence au niveau du nœud source en envoyant
le RREQ qui est un message de découverte et au
même temps de configuration à ses voisins.
o
BACKWARD (étape descendante) :
commence par un message d'acquittement ACK
(qui est le RREP) transmis en arrière vers le nœud
source au long du chemin sélectionné qu'on appelle
« le chemin actif ».
Maintenance du chemin :
Dans les réseaux sans fil, les nœuds sont
autorisés à se déplacer librement se qui provoque
les changements de topologie dynamique et
l'invalidité des routes. Si le nœud source, un nœud
intermédiaire sur le chemin de connexion ou le
nœud de destination se déplace hors de la portée de
communication, un chemin suppléant doit être
trouvé [1] [11] [12] [13] [14].
Gestion de la connectivité locale :
Les nœuds apprennent sur leurs voisins dans
l'une des deux façons. À chaque fois qu'un nœud
reçoit une diffusion de paquet de données d'un
voisin il met à jour ses informations de connectivité
locale dans sa table de voisinage pour garantir que
son voisin est inclut. Dans le cas ou un nœud n'a
pas envoyé les paquets de données à aucun de ses
voisins actifs dans un temps prédéfini " hellointerval ", il diffuse "un hello message" contenant
son identité et son activité [1].
Fonction de calcul de coût :
La fonction de cout est utilisée pour trouver le
chemin du moindre trafic pour que les paquets de
données puissent se transmettre à la destination
plus facilement possible tout on respectant
l'objectif de l'équilibrage de la charge dans tout le
réseau. Ces définitions sont utilisées [1] :
Le chemin actif : un chemin de la source
jusqu'au la destination qui est suivie par les paquets
le long de ce chemin sélectionné.
Nœud actif : un nœud est considéré actif
s'il est la source, la destination ou un nœud
intermédiaire qui transmit les paquets de données.
Nœud inactif : un nœud est considéré
inactif s'il n'est pas dans le chemin actif.
Dans les réseaux ad hoc, les émetteurs utilisent
des signaux radio pour la communication. La
communication entre les nœuds mobiles est limitée
dans une certaine transmission. Dans chaque
intervalle, un seul canal de transmission est utilisé,
couvrant toute la bande passante disponible. Pour
transmettre des données, les mobiles dans la même
gamme à le sens pour d'autres transmissions d'abord
et ensuite permettre d'accéder et de transmettre
uniquement si aucun autre nœud est en cours de
transmission. Contrairement aux réseaux câblés, le
retard des paquets n'est pas dû seulement à la
charge du trafic sur le nœud actuel, mais aussi à la
charge du trafic au niveau des nœuds voisins. Nous
appelons l’interférence trafic. Dans le contexte de
l'interférence du trafic, le meilleur itinéraire du coût
est considéré comme un chemin, qui rencontre la
moindre charge du trafic dans la transmission et un
minimum d'interférences par les nœuds voisins.
Pour évaluer un meilleur coût, le terme l'activité du
nœud est utilisé comme un moyen indirect pour
tenir compte de la charge du trafic au niveau du
nœud. Une telle information d’activité peut être
acquise à la couche réseau, indépendante de la
couche MAC. L’interférences du trafic est définie
comme la somme des activités voisines du nœud
courant. Au cours de l'étape de routage, l’activité
nodale et l'interférence du trafic sont calculées à
chaque nœud intermédiaire le long chemin de la
source à la destination. Lorsque le destinataire
reçoit des informations de routage, il choisit un
chemin d'accès, qui a un coût minimal.
Activité Ai : le nombre de chemins actifs
par rapport au nœud est défini comme une métrique
qui mesure l'activité du nœud.
Coût : le minimum d'interférence du trafic est
proposé comme une métrique pour le meilleur coût.
Trafic interférence TI i : c’est la somme de
l'activité des nœuds voisins du nœud i, où j est un
nœud
voisin
du
nœud
i.
MESURES :
Pour comparer les protocoles de routages des
réseaux Ad hoc plusieurs paramètres sont à tester.
Ces paramètres peuvent décrire les résultats de
simulation. On parle dans ce cas des métriques de
performance, ou ils décrivent des variables ou des
données d’entrées de simulation comme la mobilité
ou la surcharge dans une portion de la zone ou le
réseau est mis en place. Parmi ces métriques on
cite: [7], [9], [15], [16] [17].
- Mobilité : Elle indique le mouvement des
nœuds. Elle peut être faible ou forte. Le calcul se
fait en mesurant le mouvement relatif d’un nœud
par rapport aux autres.
- Temps de pause : il indique le temps moyen où
les nœuds ne sont pas en mouvement.
- End-to-End Delay (Moyenne de temps de
latence des paquets de données) : C’est la moyenne
du temps nécessaire pour livrer les paquets de
données de la source à la destination avec succès,
incluant les temps de latence dans les files
d’attentes, temps de stockage dans les tampons
(buffer).
- Packet Delivery Fraction (Taux de livraison
des paquets de données) : Ce taux est calculé par la
division du nombre des paquets de données reçus
sur celui des paquets émis par les sources des
applications.
- Normalized Routing: (la surcharge) : La
surcharge est calculée par la division du nombre des
paquets de données reçus sur celui des paquets de
contrôles.
Optimisation proposée
L'idée consiste à équilibrer la charge dans le
réseau en choisissant le chemin le moins
encombrant et donc prendre un délai minimum. Le
protocole de routage AODV est basé sur deux
algorithmes (la découverte de route et la
maintenance de route), afin de minimiser le délai
de transmission de données dans le protocole de
routage AODV, des modifications ont été apportés
sur ce dernier en ajoutant les fonctions la "Gestion
de la connectivité locale" et le "calcul de cout" du
protocole LBAR.
Par conséquent, le protocole amélioré AODVMODIFIÉ trouve un chemin optimal toute en
évitant les chemins encombrés, ce qui va générer
des délais minimaux d’acheminement de paquets.
Notre approche comporte quatre volets:
Découverte de routes, Maintenance de chemins,
Gestion de la connectivité locale, Fonction de
calcul de coût [1]. AODV-MODIFIÉ définit une
nouvelle métrique de routage connue comme le
degré d'activité nodal. Dans AODV-MODIFIÉ, la
découverte de chemin permet de chercher les
routes, en sélectionnant un itinéraire qui a la
moindre charge du trafic afin que les messages
puissent être livrés en temps opportun en se basant
sur l'activité des nœuds.
Première étude :
Minimiser le nombre d’entrés dans la table
de routage. La table de routage soit petite et la
recherche ça sera rapide.
Nous avons implémenté la méthode
aodv_rt_up () qui permet de compter le nombre
d’entrée dans la table de routage qui sont actives.
Fixer un seuil d’entrée actives, si un nœud a 3
entrées actives , la quatrième ne sera pas accepté
par ce nœud, donc un nouveau chemin active ne va
pas passé par ce nœud qui sera considéré comme un
nœud surchargé et comme ça nous résolvons le
problème de congestion, nous évitons le problème
saturation de la file d’attente et minimisons la perte
de données.
Deuxième étude :
Cumuler les PerHopTime : Chaque nœud
(station) contient une valeur du perhoptime qui
calcule le temps nécessaire pour traiter un paquet de
donné, dépendant de la taille de la table de routage
et de l’état du la fille d’attente des paquets. Chaque
nœud va faire le cumule du perhoptime dans un
champ spécifique dans la requête jusqu’on arrive au
nœud destinataire. Dans ce cas, ce dernier choisit le
chemin qui contient la valeur minimum du cumule
du PerHopTime.
Un modèle de simulation exhaustive a été mené
pour étudier la performance de la méthode
proposée. Les résultats de performance montrent
que l’AODV-MODIFIÉ surpasse les protocoles de
routage ad hoc existants en termes de livraison de
paquets et la moyenne de bout-en-bout, qui ont un
inconvénient majeur, c'est qu'ils n'ont pas de
dispositions pour le transport de la charge et / ou la
qualité d'un chemin lors de la configuration de la
route. Par conséquent, ils ne peuvent pas équilibrer
la charge sur les différentes voies. En outre, le
protocole démontre une réponse rapide aux
défaillances de liaison encourus par la topologie des
changements dans le réseau ad hoc et améliore ainsi
la fiabilité de la livraison des données. Les résultats
de rendement indiquent que l’AODV-MODIFIÉ
surpasse l'AODV en terme de fraction de livraison
de paquets et délai moyen de bout-en-bout.
.
Optimisation et résultat
Dans cette partie nous présentons les résultats
des simulations du protocole original AODV et
celles du protocole AODV-MODIFIÉ. Pour des
calculs optimaux, les simulations on été faites sous
4 scénarios de communication différents avec
variations des principaux paramètres pouvant
influencer directement les résultats, ce qui nous a
permis de pousser la simulation a ces limites afin
de pouvoir analyser les moindres changements.
Pour chaque scénario nous avons fait varier le
paramètre principal pouvant influencer le
comportement et les résultats de simulation qui est
le Pause-Time, qui représente pour chaque nœud le
temps d’immobilité avant un nouveau déplacement.
Environnement de Simulation :
Nombre de nœuds
50 Nœuds
Nombre de pairs
10, 20, 30 et 40 sources
Débit
4 paquets/second
Taille des paquets
512octets
Surface
1500m X 300m
Vitesse Max
20m/s
Temps de simulation
900 Secondes
Temps de pause
0S, 120S, … 900S
Application
CBR
Transport
UDP
AODV, AODV-MODIFIÉ
Réseau
.
Scénario de 20 noueds
Scénario de 30 noueds
(AODVM- seuil)
MAC
Le simulateur
IEEE802.11
ns 2.35
Résultats et interprétations:
End-to-End Delay :
Les résultats de chaque scénario concernant
cette métrique en fonction du Pause- Time sont
représentés sur les graphes suivants :
Scénario de 10 noueds
Scénario de 10 noueds
Scénario de 40 noueds
o
o
Interprétation
Comme prévu, les résultats de la métrique End-toEnd Delay dévoilent une hausse remarquable. Dans
les scenarios 2, 3 et 4 l'AODV- MODIFIÉ est plus
performant
que
l’AODV.
Il
réalise
considérablement un délai inferieur que celui de
l’AODV. Mais le premier scenario qui montre
clairement le délai pour le protocole AODV est
inférieur de AODV MODIFIÉ ce qui signifie que le
nombre de nœuds communiquant est limité alors
moins de paquets de contrôle, et la recherche dans
la table de routage sera rapide. En outre les délais
diminuent quand il y a moins de mobilité dans
AODV MODIFIÉ pour les scenarios 3 et 4 car on a
moins de charge sur les nœuds dans le réseau, alors
le temps d’attente au niveau de chaque nœuds va
diminuer.
Packet Delivery Fraction :
Les résultats de chaque scénario concernant cette
métrique en fonction du Pause- Time sont
représentés sur les graphes suivants :
Scénario de 10 noueds
moins de paquets de contrôle alors que le taux de
livraison arrive à 100% dans la pause time = 600s
c'est à dire le nombre de paquets reçus est égale à
le nombre de paquets de données envoyées.
Pour les scenarios 2,3 et 4 AODV- MODIFIÉ
surpasse AODV alors on a fait un équilibrage de
charge avec dégradation, le réseau travail sans
contrainte.
Concernant la mobilité, lorsqu’on a mobilité forte
(0, .. 120) implique plus de perte équivalent à
PDFraction faible, le cas ou la mobilité modéré
(300, 600) moins de perte (coupure des liens)
équivalent à PDFraction élevé par contre dans le
cas de mobilité faible les ruptures des liens sont
difficile de les réparer ce qui implique PDFraction
faible.
Normalized Routing :
Les résultats de chaque scénario concernant cette
métrique en fonction du Pause- Time sont
représentés sur les graphes suivants :
Scénario de 10 noueds
Scénario de 20 noueds
.
.
.
Scénario de 10 noueds
Scénario de 20 noueds
Scénario
10 noueds
noueds
Scénario
dede30
Scénario de 30 noueds
.
Scénario de 20 noueds
Scénario de 40 noueds
o
Interprétation
Dans le premier scénario on a un réseau qui
contient moins de nœud communiquant implique
Scénario de 30 noueds
Comme perspective, nous proposons de
combiner notre approche avec le cumule de latence
sur chaque chemin, et l’état des fils d’attente de
réception pour améliorer la performance du
protocole AODV.
REFERENCES
Scénario de 40 noueds
o
..
Interprétation
Plus le nombre de nœuds communiquant
augmente à 20, 30,40 plus on obtient des paquets
de contrôle ce qui implique plus de paquets perdus
et moins de paquets de données reçues.
Le réseau est moins surchargé dans le cas où
le nombre de source est égal à 40 communiquant,
car de toute façon le chemin est établi, pas de
changement de la topologie et plusieurs nœuds
(source) qui utilisent le même chemin.
En termes de surcharge AODV- MODIFIÉ est
plus performant qu’AODV dans les grands
réseaux. Concernant la mobilité, lorsqu’on a
mobilité forte (0, .. 120) implique beaucoup de
paquets de contrôle donc la surcharge augmente,
par contre dans le cas de mobilité faible moins des
ruptures des liens moins de paquets de contrôle ce
qui implique surcharge faible.
Comparaison AODV / AODV-MODIFIÉ :
AODV-MODIFIÉ démontre son efficacité face
a AODV, il permit de :
- Minimiser le délai de transmission de données.
- Montrer clairement la différence résultats des
deux métriques end-to-end delay et Normalized
Routing.
- Adopter un mécanisme d’équilibrage de
charge,
* Qui tente de router les paquets sur un chemin
moins encombré.
* Éviter la surcharger de certains nœuds.
Conclusion et Perspectives :
Les protocoles de routage dans les réseaux ad
hoc sont des protocoles qui assure la recherche de
chemin optimale sans garantis de service, mais,
avec l’expansion des données multimédia dans les
réseaux ad hoc, la qualité de service est devenu une
obligation. Une des méthodes de qualité de service
est l’équilibrage de charge.
Dans le cadre de notre travail, nous avons
proposé une amélioration du protocole connu
AODV pour assurer l’équilibrage de charge dans le
réseau. Cette amélioration consiste a limité le
nombre de chemin active dans chaque nœud en
utilisant un système de seuil. Notre contribution a
fait preuve d’efficacité, en terme de sur cout de
routage qui ont été remarquablement réduit et le
taux de délivrance qui a était augmenté.
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