Routage et équité pour améliorer la qualité de service des réseaux adhoc

02/08/2016
OAI : oai:www.see.asso.fr:545:2009-3:17205
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Routage et équité pour améliorer la qualité de service des réseaux adhoc

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            <title>Routage et équité pour améliorer la qualité de service des réseaux adhoc</title></titles>
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	    <date dateType="Created">Tue 2 Aug 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Tue 2 Aug 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 25 May 2018</date>
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Routage et équité pour améliorer la qualité de service des réseaux adhoc Hanal Abu Zanat, Benoit Trouillet, Armand Toguyeni Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal Ecole Centrale de Lille, BP 48, 59651 Villeneuve d'Ascq Cedex, France {hanal.abuzanat, benoit.trouillet, armand.toguyeni}@ec-lille.fr RésuméCetteétudeviseàdévelopperetàoptimiserlaqua-litédeservice(QdS)avecéquitédanslesréseauxadhocsansl. Nous allons parler de la conception et des mécanismesqui sont prévus par le standard IEEE802.11e (EDCA) quiconcerne QdS dans les réseaux sans l adhoc [6]. La normeIEEE802.11e (EDCA) est une amélioration de la fonctiond'accès distribuée (DCF) de la norme initial IEEE802.11[1]. DCF consiste à déférer l'accès au canal en mode adhoc.EDCA diérencie et classie les paquets en diérents ca-tégories d'accès, en fonction de leur priorité. Mais il existed'autre propositions pour l'amélioration de la QdS dans lesréseauxadhoc.CertainescommeMACAW(MultipleAccessCollision Avoidance avec Contention Window optimisation)[3] sont basées sur le contrôle du canal d'accès. D'autrescommelemodèleRAMAC[2]proposentunediérentiationdelabandepassanteallouéeauxpaquetspropresd'unn÷udet celle allouée aux paquets qu'il route. L'objectif de cetteétude est d'améliorer EDCA en nous inspirant des méca-nismes de diérentiation et d'équité proposé par ces deuxfamilles de modèles. Mots-clésadhoc, DiServ, EDCA, QdS, RAMAC. I. Introduction Durant la dernière décennie, le marché des réseaux sans l a connu un essor considérable lié à une chute des prix des produits de haute technologie. De ce fait, le dévelop- pement des performances et de la qualité de service (QdS) des réseaux sans l est devenu crucial pour permettre la mobilité des personnes et des systèmes. Dans cette étude nous nous intéressons en particulier aux réseaux sans l en mode adhoc. D'après la norme IEEE802.11 [1], un ré- seau adhoc est un réseau sans l autonome qui peut être formé sans avoir besoin d'aucune infrastructure ou admi- nistration centralisée (points d'accès). Il est composé de stations (n÷uds), communiquant avec les autres dans un mode point-à-point en utilisant des chemins single-hop ou multi-hop. Par conséquent, une station peut router et faire suivre les paquets des autres stations. Puisque la QdS [6] supporte des applications sensibles au temps, comme les applications audio et vidéo, il est l'un des dés qui doivent être surmontés pour concrétiser les avantages pratiquesde la QdS dans les réseaux sans l spécialement des réseaux adhoc. Par conséquent, pour les réseaux adhoc, l'apparition du standard IEEE 802.11e améliore la couche MAC du stan- dard IEEE 802.11 original pour prendre en compte les exi- gences du QdS, par l'introduction d'accès au canal avec dis- tribution amélioré (EDCA), qui gère la QdS dans chaque station. Bien que la version distribuée d'EDCA est une impor- tante amélioration du standard IEEE 802.11, il ne per- met pas de garantir la qualité de service. Parce que, dans l'architecture adhoc, certaines stations (n÷uds de rou- tage) doivent transférer leurs paquets (owned packets) et les paquets de leurs voisins (routed packets) pour instau- rer une coopération complète. Par contre, les autres sta- tions (n÷uds de non-routage) transfèrent seulement leur paquets. De ce fait, il existe des stations qui ont plus de bande passante que les autres. Comme conséquence, l'ini- quité dans la répartition des ressources minimise les garan- ties de QdS et notamment ceux des n÷uds de routage. En outre, le EDCA ne dispose pas d'un algorithme de contrôle d'admission distribué pour accéder au canal de façon équitable. Par conséquent, nous travaillons à l'amé- lioration de l'EDCA, de sorte qu'il puisse être utilisé pour fournir l'équité dans la répartition des ressources pour les n÷uds de routage. Ainsi, chaque n÷ud peut diérencier entre ses propres paquets et paquets routés, qui sont mis en attente en fonction de leur priorité. Nous mettons aussi en ÷uvre notre proposition en tirant prot des concepts de RAMAC [2]. En ajoutant ce service, le n÷ud de rou- tage peut accéder au canal plus fréquemment que les autres n÷uds. Par conséquent, l'équité dans la répartition des res- sources dans les réseaux sans l adhoc est assurée. Ainsi, les garanties de qualité de service seront augmentées. Dans cet article, nous allons d'abord décrire l'état de l'art dans l'architecture de QdS pour les réseaux sans l adhoc qui décrit le modèle IEEE802.11e (EDCA). Après cela, nous allons préciser notre proposition qui explique comment développer notre modèle dans l'EDCA. Ensuite, nous allons présenter les résultats de la simulation d'un scénario avec des paramètres de EDCA. Les simulations comparatives des deux modèles vont nous permettre d'éva- luer les vrais avantages de notre proposition. Ces simula- tions vont être exécutées sous des conditions permettant de comparer leurs performances et leur capacité à garantir l'équité. II. QdS dans les réseaux sans fil Il est fortement recommandé d'assurer un niveau de ser- vice semblable à celui disponible dans les réseaux laires conventionnels. Les applications sans l qui ont besoin d'une garantie de qualité de service sont en croissance. Ces applications ont des données sensibles au temps (données en temps réel, voix et vidéo). Leur trac de données doit être livré à des débits et dans des délais précis et avec une perte de paquets et une gigue limite. Ces derniers sont les paramètres exigés par la QdS. e-STA copyright 2009 by see Volume 6, N°3, pp 15-19 Dans les réseaux laires locaux, le modèle DiServ [4] permet de contrôler les exigences de la QdS au niveau de la couche réseau. L'approches DS-TE telle que PEMS [13] est une technique qui donne un contrôle de bout en bout des exigences de la QdS. Le dé pour les WLAN et notam- ment les réseaux adhoc est d'être en mesure d'appliquer une technique semblable à DS-TE au niveau de la couche liaison. En eet, dans adhoc, il n'y a pas de contrôle d'admission qui gère l'ensemble du trac pour tous les stations. Chaque station gère ses données séparément, ce qui rend la QdS dans adhoc dicile et compliquée. Par conséquent, dans l'adhoc, nous ne pouvons pas garantir la qualité de service pour l'ensemble des conditions et tous les temps. Ainsi, nous devons traiter chaque condition séparément, ce qui conduit à améliorer la garantie de QdS dans les réseaux sans l adhoc (comme dans notre évaluation). Il faut alors développer et expliquer l'architecture de qualité de service sans l en mode adhoc (EDCA). III. Accès au canal avec DCF amélioré (EDCA) EDCA [6] utilisé en mode adhoc, dénit les catégories de trac pour classer les paquets en fonction de leur prio- rité et ore des services garantis. DCF ne supporte pas les applications temps-réel. En eet, il est conçu sans notion de priorité, d'où il n'est pas possible de diérencier les tra- c à haute priorité et ceux à faible priorité. De plus, dans DCF, une station peut conserver le service aussi longtemps qu'elle le souhaite. Beaucoup de travaux de recherche dans le domaine de la QdS des réseaux sans l adhoc se concentrent principa- lement sur l'amélioration du DCF au niveau de la station (station-based DCF) tel que [3], [2] et [10] ou amélioration au niveau de la le d'attente (queue-based) tel que [9], [11] et [12]. Dans cet article, nous proposons de fusionner les deux approches. Selon le principe EDCA, quand un n÷ud station reçoit un paquet à transmettre, il écoute un canal sur lequel aucun autre ne transmet. Si le port est libre, il transmet alors le paquet. Sinon, on choisit une valeur aléatoire (back-o) entre [CWmin, CWmax], puis chaque n÷ud décrémente le compteur de son back-o. Lorsque le compteur atteint zéro, le n÷ud transmet le paquet. Normalement, la probabilité de collisions de paquets est élevé quand le nombre de n÷uds est élevé. Toutefois, la Contention Window (CW) est remis à sa valeur minimale (CWmin) après chaque transmission réussie et elle est doublée lorsque la collision se produit (comme indiqué dans (1) quand MFi = 2). Les principes de DiServ pour diérencier les ux sont adaptés et traduits dans EDCA en introduisant les notions d'accès par catégorie (AC). Chaque station (QSTA) qui utilise le EDCA, a quatre ACs qui permettent de classer les paquets en fonction de leur type :  AC_BK est la priorité la plus basse pour les données de base.  AC_BE est la priorité suivante pour les données trans- mises en " Best-eort " pour le trac internet réalité.  AC_VI est la priorité pour la vidéo applications.  AC_VO est la priorité pour la voix applications. Ces deux dernières priorités sont les plus hautes qui per- mettent de classer les paquets pour les applications multi- médias. Par conséquent, EDCA implémente le "Arbitrary InterFrame Space (AIFS)" qui est un nombre de créneaux (slot-time) à reporter avant le début de la procédure de back-o. Toutefois, AIFS dépend de son AC. Cette dépen- dance est représentée par un paramètre appelé (AIFSN). Ainsi, les paramètres de l'AC (c'est-à-dire AIFSN, CWmin et CWmax) contrôlent l'accès au canal. IV. Adaptive Routing-aware MAC (RAMAC) Il a été démontré dans [2] que la capacité à transmettre des paquets conduit à un nouveau problème d'iniquité en appliquant la norme IEEE 802.11. D'où, pour améliorer l'équité, une idée consiste à permettre à un n÷ud de rou- tage d'accéder au canal plus souvent qu'un autre n÷ud qui ne participe pas au routage. Par conséquent, en fonction de la quantité de données routée, la CW est augmentée quand il y a une collision (après chaque transmission infructueuse) en la multipliant par un facteur MFi. Par défaut MFi est égal à 2 mais, quand il existe des paquets à router, sa valeur devient inférieur à 2. Ainsi, le calcul de la nouvelle valeur de la CW qui appartiennent au n÷ud (i) est décrit par des équations suivantes : CWinew = min(MFi ∗ CWiold, CWimax) (1) MFi = 2 − ρi (2) ρi(t) = Wri(t)/(Woi(t) + Wri(t)) (3) Où  ρi(t) est le ratio des paquets routés du n÷ud de rou- tage (i) à l'instant (t) sur le nombre total de paquets.  Woi(t) est la taille totale des paquets appartenant au n÷ud (i) au moment (t) à envoyer.  Wri(t) est la taille totale des paquets appartenant aux autres n÷uds, et que le n÷ud (i) doit router.  (t) c'est le moment de l'accès au canal infructueux (collision). Cependant, une extension est nécessaire an d'amélio- rer le comportement RAMAC lorsque les n÷uds du réseau transfèrent plusieurs types de tracs avec des priorités dié- rentes. Ceci peut être mis en ÷uvre an de garantir la QdS avec un partage équitable de la bande passante. Par consé- quent, nous présenterons notre proposition et les évalua- tions qui étendent RAMAC et améliorent la QdS (EDCA) dans les réseaux sans l adhoc. V. Définition de notre modèle Premièrement, nous allons dénir certaines concepts. Il existe deux types de n÷uds (stations) dans les WLAN adhoc qui sont :  N÷ud de routage : c'est un n÷ud du réseau sans l qui route les paquets de ses voisins (gure 2). Les paquets se trouvent dans n÷ud, sont classés dans plusieurs les d'attentes en fonction de leur classe, et sont diéren- ciés :  Paquet propre (O) : c'est le ux de paquets qui sont la propriétés du n÷ud de routage.  Paquet routé (R) : c'est le ux de paquets qui sont émis par des n÷ud voisins, et qui sont routés par le n÷ud de routage.  N÷ud de non-routage : c'est un n÷ud qui ne contient pas de ux de paquets de ses voisins pour les router. e-STA copyright 2009 by see Volume 6, N°3, pp 15-19 L'architecture QdS de EDCA doit être fournie dans le réseau local sans l an de rendre notre proposition ap- plicable. Par conséquent, nous rajouterons à (EDCA) des concepts tirés de RAMAC. De ce fait, nous allons renforcer EDCA pour obtenir plus d'équité pour les n÷uds de routage. Ceci est réalisé par l'adoption d'un mécanisme qui permet un accès au canal plus fréquent aux n÷uds de routage qu'aux n÷uds de non- routage. Ainsi, la réduction de la bande passante des n÷uds de routage, qui est consommé pour router des paquets, sera compensée. Par exemple, la gure 1 présente la répartition de la bande passante entre trois n÷uds A, B et C. A et C sont des n÷uds de non-routage, et B est un n÷ud de routage. Dans la gure 1.a la bande passante est répartie de manière égale entre A, B et C. D'où la bande passante accordée à B pour transmettre ses paquets propres est in- férieure à celle accordée à A ou C. Pour corriger ceci, la gure 1.b, plus de bande passante est accordée à B. D'où A, B et C bénécient de la même bande passante pour transmettre leurs propres paquets. Ainsi, l'équité obtenu peut minimiser le délai et augmenter la garantie de QdS dans les réseaux adhoc. Fig. 1. Allocation de bande passante pour le n÷ud de routage (B) et les n÷uds de non-routage (A, C) Toutefois, dans les réseaux laire, le problème de l'ini- quité d'allocation de bande passante peut être résolu sim- plement en améliorant les techniques d'ordonnancement (c'est-à-dire Weighted Fair Queuing [5], Weighted Round- Robin [7], . . .). Il est clair qu'il est dicile d'adapter les techniques des réseaux laire aux réseaux sans l. En revanche, un grand nombre de propositions suggèrent une autre solution pour gérer l'allocation de la bande passante en accédant au canal. Ainsi, CW sera contrôlée dans notre proposition comme dans RAMAC (4). Cependant, notre modèle mo- die la dénition initiale de ρi(t) (5) et MFi (6) pour les n÷uds de routage : CWinew = min(MFe i ∗ CWiold, CWimax) (4) ρe i (t) = Woi(t)/(Woi(t) + Wri(t)) (5) Après les modication de la dénition initiale de MFi, nous avons encore l'équité assuré par (2). Néanmoins avec l'approche RAMAC, il n'est pas possible de considérer un MFi par classe de priorité. Cette lacune à été corrigée avec la nouvelle dénition de MFi présenté en (6). MFe i = 1 + β ∗ ρe i (6) Le paramètre de réglage β est un paramètre qui dépend de la classe de priorité. Sa valeur se situe entre 0 et 1, ce qui implique une valeur de MFe i entre 1 et 2. Lorsque la valeur de β est proche de 1, la valeur de MFe i est maximale. Lorsque la valeur de β est proche de 0, la valeur de MFe i est minimale. D'où, pour les classe à priorité haute, il faut choisir un β avec une valeur faible. Par contre, pour les classe à priorité basse, il faut choisir un β avec une valeur importante. Fig. 2. Modèle de notre proposition Comme nous l'avons vu dans la gure 2, chaque n÷ud de routage déroule l'algorithme suivant au niveau de la couche MAC :  Il fait une distinction entre les paquets propres et les paquets routés en les marquant (O) et (R) respective- ment. Une interface, entre les couches supérieures (par exemple la couche réseau) et la couche MAC, est cen- sée distinguer les paquets dans les diérentes AC. Mais ce problème est hors de la portée du présent document.  Chaque paquet est classé selon sa priorité et mise en le d'attente.  Le valeur de ρ est calculé (5) pour chaque AC quand il y a une collision, en prenant en compte de la taille des paquets présents dans la le d'attente de son AC. D'où, la nouvelle CW est obtenu (4).  Chaque paquet à la tête de la le d'attente de son AC attend le back-o plus la durée de l'AIFS.  S'il ya plusieurs paquets en tête de diérents les d'at- tente et qui doivent être envoyés en même temps, un quasi-collision va se produire à l'intérieur du n÷ud. Par conséquent, un simple ordonnancement (Round- robin) traite ce problème. Ensuite, le n÷ud tente de transmettre le paquet prévu.  CW est réinitialisée à sa valeur minimale (CWmin) après chaque transmission réussie. VI. Simulation de notre modèle Network Simulator 2 (version 2.31 de ns-allinone [8]) est choisi pour mettre en ÷uvre et évaluer notre modèle. La topologie utilisée dans les simulations est décrite dans la gure 3. Fig. 3. Notre scénario (n÷ud (B) est un n÷ud de routage, n÷uds (A, C, D, E et F) sont des n÷uds de non-routage, n÷uds (D,E et F) sont des n÷ud de puits) Les n÷uds (A, B, C, D, E et F) sont des n÷uds du réseau adhoc. B est un n÷ud de routage, et A, C, D, E et F sont des n÷uds de non-routage. Six ux sont envoyés comme suit :  A envoie un ux vers C routé par B, et un autre ux pour son voisin E sans passer par B.  B envoie deux ux vers son voisin D.  C envoie un ux vers A routés par B, et un autre ux pour son voisin F sans passer par B. Les ux ont la même priorité, et sont envoyés à débit constant et avec des paquets de taille constante, voir le tableau I. En outre, notre modèle est comparé avec les paramètres par défaut EDCA [12]. Pour pouvoir réaliser e-STA copyright 2009 by see Volume 6, N°3, pp 15-19 TABLE I Les paramètres des simulations Standards IEEE802.11b/e QdS EDCA Topologie mode adhoc Protocole de routage DSDV N÷ud de routage B N÷ud de non-routage A, C, D, E et F N÷ud de puits D, E et F Nombre de ux 6 Type de ux CBR/UDP Distance entre les n÷uds 150m CWmin 3 CWmax 1023 β 1 Taille des paquets 1472 bytes Paquet intervalle [5ms, 10ms] Bande passante 11Mbps Temps de la simulation 200s la comparaison, il faut que le réseau présente un goulot d'étranglement. Ce qui est la cas dans la topologie consi- dérée. Tout les paramètres de la simulations sont présentés dans le tableau I. VII. Résultats des simulations les résultats de nos simulations sont les suivants : La gure 4 décrit l'allocation de la bande passante pour le modèle EDCA par défaut [12]. Nous remarquons que bien que le n÷ud B bénécie d'autant de bande passante pour l'ensemble de ses paquets que A et C, la bande passante dédiée à ces paquets propres est faible. En eet tous les n÷uds (A, B et C) obtiennent presque 2.4Mbps de bande passante. Cependant la bande passante dédiée aux paquets propres de B est de presque 1.8Mbps. D'où il y a iniquité. La gure 5 décrit l'allocation de la bande passante en utili- sant notre modèle. Nous remarquons que la bande passante allouée à B est supérieur à celle allouée à A et C mais la bande passante allouée aux paquets propres de chacun des n÷uds est la même. En eet chaque n÷ud bénécie de presque 2.3Mbps de bande passante pour ses paquets propres. Nous observons aussi que la bande passante al- louée à tous les paquets de B est augmentée de 40% alors que la bande passante allouée à A et C n'est que faible- ment diminuée. La gure 6 explique le phénomène décrit précédemment. En eet, en augmentant la bande passante allouée à B, la bande passante allouée aux paquets propres et les paquets routés augmentent d'où la bande passante allouée à A et C ne diminue pas énormément. La gure 7 décrit le délai des paquets routés par B et la gure 8 décrit celui des paquets propres de B pour le modèle EDCA et notre modèle. Nous observons que pour les deux types de paquets le délai est diminué de 50% dans notre modèle par rapport à EDCA. Ceci implique que la qualité de service du réseau est améliorée Fig. 4. EDCA comportements sans équité Fig. 5. Les comportements de notre modèle avec équité VIII. Conclusion Beaucoup de travaux de recherche dans le domaine de la qualité de service dans les réseaux sans l adhoc se concentrent principalement sur la station-based DCF schème ou queue-based schème. Dans notre modèle, nous avons fusionné les deux approches. Par conséquent, nous avons mis en ÷uvre notre modèle qui permet l'allocation de la bande passante avec équité dans l'architecture de EDCA. Notre modèle permet de diérencier entre les n÷uds de routage et les n÷uds de non-routage. Ainsi, les n÷uds de routage peuvent accéder au canal plus fréquemment que les autres n÷uds quand il y a une collision. En conséquence, chaque n÷ud de routage a une bande passante supplémen- taire (selon le pourcentage de paquets routés) pour com- penser la déduction de la bande passante nécessaire à la transmission des paquets de ses voisins. Quelques perspec- tives de cette étude est de vérier l'évolutivité de ce modèle et de proposer un modèle qui est en mesure de garantir de bout en bout la qualité de service dans les réseaux adhoc. Références [1] IEEE standards Association. Available from http ://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11- 1999.pdf. e-STA copyright 2009 by see Volume 6, N°3, pp 15-19 Fig. 6. Débit des paquets routés du n÷ud (B) Fig. 7. Le délai des ux qui sont routés par n÷ud (B) Fig. 8. Le délai des ux de n÷ud (B) [2] F. Nait-Abdesselam and H. Koubaa. "RAMAC : Routing-aware Adaptive MAC in IEEE 802.11 Wireless Ad-Hoc Networks". In 8th International Conference on Cellular and Intelligent Commu- nications, CIC'03, Seoul, Korea, October 2003. [3] V. Bharghavan, A. Demers, S. Shenker, and L. Zhang. "MACAW : A Media Access Protocol for Wireless LANs". ACM SIGCOMM, August 1994. London, England. [4] RFC 2475 - Architecture for Dierentiated Service. 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