auto orga chapter 1
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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
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Agenda
• Chapitre 1 : Concepts, définitions, routage structuré ?
• Chapitre 2 : Mécanismes fondamentaux pour l'auto-organisation
• Chapitre 3 : Une application, le contrôle de topologie
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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
![Page 4: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/4.jpg)
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– ...
![Page 10: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 13: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/14.jpg)
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.
![Page 16: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/16.jpg)
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 (?)
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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 ?
![Page 21: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/21.jpg)
Quelques clefs pourl'auto-organisation (3)
• Minimiser l'information sur l'état du réseau
– Informations requises ⇒ Auto-organisation
![Page 22: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 24: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 27: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 29: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/30.jpg)
ZRP (A4)
• Pourquoi est-ce que ZRP n'est pas basé sur une auto-organisation ?
– Votre avis ? Vos idées ?
![Page 31: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/32.jpg)
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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/36.jpg)
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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/37.jpg)
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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/38.jpg)
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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/40.jpg)
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
![Page 41: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/41.jpg)
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)
![Page 42: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/43.jpg)
Cluster-based network (C5)
• Utilisation d'une topologie logique pour fournir un service de routage
• Mais....– Est-ce réellement une auto-organisation ?
– Vos commentaires ?
![Page 44: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/44.jpg)
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
![Page 45: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/45.jpg)
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...
![Page 46: Auto Orga Chapter 1](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013102/5572020f4979599169a2e38b/html5/thumbnails/46.jpg)
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