About Bandwidth Reservation in Ad hoc Networks
Autour de la réservation de bande passante dans les réseaux ad hoc
Résumé
Wireless networks are a real commercial success nowadays. There is an
increasing number of solutions based on the IEEE 802.11 (Wi-Fi)
standard. Usually, these networks require a base station to transmit
frames between mobiles. Mobile ad hoc networks are mobile, spontaneous
and autonomous wireless networks. Nodes communicate directly without
requiring an intermediate base station. Frames are routed by the network
nodes themselves in the case of a communication between out of range
peers. The sole gathering of wireless-capable terminals is sufficient to
create such a network. This kind of network can be used, for instance,
to extend the range of a wireless network at a very low cost. They can
also be built rapidly, allowing their deployment in emergency
situations.
Radio transmission is somehow particular. The communication range is
limited, the radio medium is pervasive and the mobility of terminals
make the topology evolve rapidly. Usual mechanisms and protocols need to
be adapted to these new constraints, otherwise they will show poor
performance. Numerous works have been contributed in the routing area.
The IETF MANET working group is about to standardize one or several
routing protocols. Nevertheless, open issues such as security, multicast
communication or quality of service still exist. These fields have
gathered much attention during the recent years. Solutions from the
wired world have been examined and adapted but very few really suited
propositions have emerged.
The main topic of this PhD thesis is how to provide efficient bandwidth
reservation in these networks. This work has begun by the design of a
bandwidth reservation protocol taking into account interferences between
emitters that are not able to communicate directly. Indeed, distant
emitters have to share the radio channel bandwidth. These dependencies
should be taken into account and BRuIT, the proposed protocol, brings
this kind of information to the ad hoc nodes in order to enhance the
admission control procedure.
This work has leaded us to the study of the performance of IEEE 802.11
medium access protocol. Existing theoretical studies only concern
one-hop networks in which every node can directly communicate with any
other node. Nevertheless, the presence of distant communications has a
very negative impact on the performance and fairness of this protocol.
We modeled as stochastic processes some pathologic scenarios presenting
fairness issues, this kind of situation being able to impact the free
bandwidth estimation performed by BRuIT.
The medium access protocol being unfair in particular configurations, we
proposed a distributed bandwidth allocation algorithm. This algorithm
intends on indicating to each mobile how much bandwidth it can use
without starving neighbors. The algorithm provides a fair and efficient
allocation, which are often opposite objectives in these networks.
Finally, the last chapter of this manuscript studies hybrid networks
composed of a fixed but wireless architecture providing Internet and
services access to an underlying ad hoc network. We studied the impact
of the control traffic amount on network performance. An optimal
performance requires a compromise between information accuracy and
control traffic volume.
Conceiving a quality of service architecture for these networks is not
an easy task and much remains to be done. Performing an accurate
estimation of the medium capacity provides a great help but this process
has a high cost in terms of overhead. Moreover it seems difficult to
foresee every problematic configuration that can arise in these
networks. Quality of service protocols therefore need to be adaptive in
addition to being as accurate as possible.
increasing number of solutions based on the IEEE 802.11 (Wi-Fi)
standard. Usually, these networks require a base station to transmit
frames between mobiles. Mobile ad hoc networks are mobile, spontaneous
and autonomous wireless networks. Nodes communicate directly without
requiring an intermediate base station. Frames are routed by the network
nodes themselves in the case of a communication between out of range
peers. The sole gathering of wireless-capable terminals is sufficient to
create such a network. This kind of network can be used, for instance,
to extend the range of a wireless network at a very low cost. They can
also be built rapidly, allowing their deployment in emergency
situations.
Radio transmission is somehow particular. The communication range is
limited, the radio medium is pervasive and the mobility of terminals
make the topology evolve rapidly. Usual mechanisms and protocols need to
be adapted to these new constraints, otherwise they will show poor
performance. Numerous works have been contributed in the routing area.
The IETF MANET working group is about to standardize one or several
routing protocols. Nevertheless, open issues such as security, multicast
communication or quality of service still exist. These fields have
gathered much attention during the recent years. Solutions from the
wired world have been examined and adapted but very few really suited
propositions have emerged.
The main topic of this PhD thesis is how to provide efficient bandwidth
reservation in these networks. This work has begun by the design of a
bandwidth reservation protocol taking into account interferences between
emitters that are not able to communicate directly. Indeed, distant
emitters have to share the radio channel bandwidth. These dependencies
should be taken into account and BRuIT, the proposed protocol, brings
this kind of information to the ad hoc nodes in order to enhance the
admission control procedure.
This work has leaded us to the study of the performance of IEEE 802.11
medium access protocol. Existing theoretical studies only concern
one-hop networks in which every node can directly communicate with any
other node. Nevertheless, the presence of distant communications has a
very negative impact on the performance and fairness of this protocol.
We modeled as stochastic processes some pathologic scenarios presenting
fairness issues, this kind of situation being able to impact the free
bandwidth estimation performed by BRuIT.
The medium access protocol being unfair in particular configurations, we
proposed a distributed bandwidth allocation algorithm. This algorithm
intends on indicating to each mobile how much bandwidth it can use
without starving neighbors. The algorithm provides a fair and efficient
allocation, which are often opposite objectives in these networks.
Finally, the last chapter of this manuscript studies hybrid networks
composed of a fixed but wireless architecture providing Internet and
services access to an underlying ad hoc network. We studied the impact
of the control traffic amount on network performance. An optimal
performance requires a compromise between information accuracy and
control traffic volume.
Conceiving a quality of service architecture for these networks is not
an easy task and much remains to be done. Performing an accurate
estimation of the medium capacity provides a great help but this process
has a high cost in terms of overhead. Moreover it seems difficult to
foresee every problematic configuration that can arise in these
networks. Quality of service protocols therefore need to be adaptive in
addition to being as accurate as possible.
Les réseaux sans fil connaissent aujourd'hui un essor important. Le
nombre croissant d'offres commerciales basées sur la norme IEEE 802.11
(Wi-Fi) et ses déclinaisons en atteste. Ces réseaux nécessitent
actuellement la présence d'une station de base pour assurer les
communications entre mobiles. Les réseaux ad hoc sont des
réseaux sans fil spontanés, mobiles et totalement autonome. Les mobiles
communiquent directement entre eux, relayant les communications des
autres mobiles lorsque les correspondants sont hors de portée radio. Il
est dès lors possible de créer un réseau par la simple présence de
terminaux équipés de cartes d'interfaces adéquates. Ces réseaux mobiles
et dynamiques peuvent être utilisés pour étendre la portée de stations
de base, offrant ainsi un accès à l'Internet sur une zone géographique
étendue à moindre coût. Ils peuvent être déployés rapidement et être
utilisés par exemple dans des situations d'urgence.
Les caractéristiques particulières du médium radio, telle que la portée
de communication limitée ou le mode de partage du canal radio ainsi que
la mobilité des terminaux rendent souvent les mécanismes et protocoles
issus du monde filaire peu performants. À l'heure actuelle, de nombreux
travaux ont été effectués afin de concevoir des protocoles de routage
adaptés à ces réseaux. Le groupe de travail MANET de l'IETF est en passe
de standardiser une ou plusieurs solutions de routage. De nombreuses
problématiques restent cependant ouvertes telles que la sécurité, le
multicast ou encore la qualité de service. Ces différents
sujets ont fait couler beaucoup d'encre durant ces dernières années.
Toutes les solutions issues du monde filaire ont été ré-examinées et
adaptées mais peu de propositions réellement adaptées aux spécificités
de ces réseaux ont vu le jour.
Le travail effectué durant ma thèse se situe autour de la problématique
de la réservation de bande passante dans les réseaux ad hoc.
Ce travail a débuté par la proposition d'un protocole de réservation de
bande passante prenant en compte les interférences pouvant survenir
entre émetteurs hors de portée de communication. En effet, deux mobiles
ne pouvant communiquer directement peuvent avoir à se partager la bande
passante du canal radio. Mettre en oeuvre un protocole de réservation de
bande passante nécessite d'apporter suffisamment d'informations aux
routeurs en charge d'accepter ou de refuser les requêtes formulées par
les applications afin de leur permettre d'effectuer un contrôle
d'admission réaliste.
Ce travail nous a conduit à nous intéresser à l'étude du protocole
d'accès au médium de la norme IEEE 802.11 afin d'évaluer sa capacité.
L'intégralité des études théoriques des performances de ce protocole
concernaient jusqu'à présent des réseaux dans lesquels tous les mobiles
sont à portée de communication les uns des autres. Or, dans certaines
situations, la présence de communications distantes a un impact très
marqué sur les performances et sur l'équité de ce protocole d'accès au
médium. Nous avons modélisé plusieurs scénarios présentant une forte
inégalité dans l'accès au médium, phénomène pouvant avoir un impact
important sur l'estimation des ressources disponibles.
Le protocole d'accès au médium n'étant pas équitable dans un contexte
multi-sauts, nous avons proposé un algorithme distribué d'allocation de
bande passante dans de tels réseaux permettant de préserver une certaine
équité tout en conservant une utilisation globale du réseau correcte.
Dans de tels réseaux, il y a en effet souvent opposition entre
performance globale et partage équitable des ressources. La solution que
nous proposons permet dans un contexte statique ainsi que dans un
contexte mobile de réaliser un compromis entre ces deux objectifs
antinomiques, et ce de façon totalement distribuée.
Enfin, dans le cadre de réseaux hybrides composés d'un réseau d'accès
sans fil offrant un accès à l'Internet à un réseau ad hoc
sous-jacent, nous avons étudié l'impact du trafic de contrôle sur les
performances du réseau. Cette problématique nécessite souvent de faire
un compromis entre transmission rapide et fiable des informations de
gestion du réseau telles que la localisation des différents mobiles
permettant de construire l'arbre de routage et utilisation du réseau. En
effet, une transmission fréquente d'informations de contrôle permet
d'aboutir à une vision précise du réseau mais a un coût important. Nous
avons montré, par simulation, que le gain obtenu par la précision de la
vision du réseau apportée à chaque routeur était rapidement compensé par
l'occupation des ressources engendrée à cette fin.
Concevoir une solution de qualité de service pour de tels réseaux n'est
pas une problématique simple et beaucoup reste à faire. L'importance
d'une évaluation précise de la capacité du médium a été démontrée mais
ce processus reste coûteux à mettre en oeuvre et il est impossible de
prévoir toutes les situations pouvant survenir dans des réseaux radio
mobiles. Les protocoles de qualité de service devront donc s'efforcer
d'évaluer au mieux l'état du réseau afin de ne pas sur ou sous-évaluer
sa capacité mais devront aussi être adaptatif afin de réagir rapidement
et efficacement à la versatilité de ces réseaux.
nombre croissant d'offres commerciales basées sur la norme IEEE 802.11
(Wi-Fi) et ses déclinaisons en atteste. Ces réseaux nécessitent
actuellement la présence d'une station de base pour assurer les
communications entre mobiles. Les réseaux ad hoc sont des
réseaux sans fil spontanés, mobiles et totalement autonome. Les mobiles
communiquent directement entre eux, relayant les communications des
autres mobiles lorsque les correspondants sont hors de portée radio. Il
est dès lors possible de créer un réseau par la simple présence de
terminaux équipés de cartes d'interfaces adéquates. Ces réseaux mobiles
et dynamiques peuvent être utilisés pour étendre la portée de stations
de base, offrant ainsi un accès à l'Internet sur une zone géographique
étendue à moindre coût. Ils peuvent être déployés rapidement et être
utilisés par exemple dans des situations d'urgence.
Les caractéristiques particulières du médium radio, telle que la portée
de communication limitée ou le mode de partage du canal radio ainsi que
la mobilité des terminaux rendent souvent les mécanismes et protocoles
issus du monde filaire peu performants. À l'heure actuelle, de nombreux
travaux ont été effectués afin de concevoir des protocoles de routage
adaptés à ces réseaux. Le groupe de travail MANET de l'IETF est en passe
de standardiser une ou plusieurs solutions de routage. De nombreuses
problématiques restent cependant ouvertes telles que la sécurité, le
multicast ou encore la qualité de service. Ces différents
sujets ont fait couler beaucoup d'encre durant ces dernières années.
Toutes les solutions issues du monde filaire ont été ré-examinées et
adaptées mais peu de propositions réellement adaptées aux spécificités
de ces réseaux ont vu le jour.
Le travail effectué durant ma thèse se situe autour de la problématique
de la réservation de bande passante dans les réseaux ad hoc.
Ce travail a débuté par la proposition d'un protocole de réservation de
bande passante prenant en compte les interférences pouvant survenir
entre émetteurs hors de portée de communication. En effet, deux mobiles
ne pouvant communiquer directement peuvent avoir à se partager la bande
passante du canal radio. Mettre en oeuvre un protocole de réservation de
bande passante nécessite d'apporter suffisamment d'informations aux
routeurs en charge d'accepter ou de refuser les requêtes formulées par
les applications afin de leur permettre d'effectuer un contrôle
d'admission réaliste.
Ce travail nous a conduit à nous intéresser à l'étude du protocole
d'accès au médium de la norme IEEE 802.11 afin d'évaluer sa capacité.
L'intégralité des études théoriques des performances de ce protocole
concernaient jusqu'à présent des réseaux dans lesquels tous les mobiles
sont à portée de communication les uns des autres. Or, dans certaines
situations, la présence de communications distantes a un impact très
marqué sur les performances et sur l'équité de ce protocole d'accès au
médium. Nous avons modélisé plusieurs scénarios présentant une forte
inégalité dans l'accès au médium, phénomène pouvant avoir un impact
important sur l'estimation des ressources disponibles.
Le protocole d'accès au médium n'étant pas équitable dans un contexte
multi-sauts, nous avons proposé un algorithme distribué d'allocation de
bande passante dans de tels réseaux permettant de préserver une certaine
équité tout en conservant une utilisation globale du réseau correcte.
Dans de tels réseaux, il y a en effet souvent opposition entre
performance globale et partage équitable des ressources. La solution que
nous proposons permet dans un contexte statique ainsi que dans un
contexte mobile de réaliser un compromis entre ces deux objectifs
antinomiques, et ce de façon totalement distribuée.
Enfin, dans le cadre de réseaux hybrides composés d'un réseau d'accès
sans fil offrant un accès à l'Internet à un réseau ad hoc
sous-jacent, nous avons étudié l'impact du trafic de contrôle sur les
performances du réseau. Cette problématique nécessite souvent de faire
un compromis entre transmission rapide et fiable des informations de
gestion du réseau telles que la localisation des différents mobiles
permettant de construire l'arbre de routage et utilisation du réseau. En
effet, une transmission fréquente d'informations de contrôle permet
d'aboutir à une vision précise du réseau mais a un coût important. Nous
avons montré, par simulation, que le gain obtenu par la précision de la
vision du réseau apportée à chaque routeur était rapidement compensé par
l'occupation des ressources engendrée à cette fin.
Concevoir une solution de qualité de service pour de tels réseaux n'est
pas une problématique simple et beaucoup reste à faire. L'importance
d'une évaluation précise de la capacité du médium a été démontrée mais
ce processus reste coûteux à mettre en oeuvre et il est impossible de
prévoir toutes les situations pouvant survenir dans des réseaux radio
mobiles. Les protocoles de qualité de service devront donc s'efforcer
d'évaluer au mieux l'état du réseau afin de ne pas sur ou sous-évaluer
sa capacité mais devront aussi être adaptatif afin de réagir rapidement
et efficacement à la versatilité de ces réseaux.
Fichier principal
tel-000077061.pdf (7.49 Mo)
Télécharger le fichier
tel-00007706.pdf (595.57 Ko)
Télécharger le fichier
| Format | Autre |
|---|