Les technologies sans fil: Le routage dans les réseaux ad hoc (OLSR et AODV)

CHAPITRE 1

Introduction aux réseaux ad hoc

1.1 Introduction

L'évolution récente de la technologie dans le domaine de la communication sans fil et l'apparition des unités de calcul portables poussent aujourd'hui les chercheurs à faire des efforts à fin de réaliser le but des réseaux : « L'accq~s à l'information n' importe où et n'importe quand »

.

Le concept des réseaux mobiles ad hoc essaie d'étendre les notions de la mobilité à toutes les composantes de l'environnement. Ici, contrairement aux réseaux basés sur la communication avec infrastructure (cellulaire), aucune administration centralisée n'est

disponible, ce sont les hôtes mobiles eux-mêmes qui forment une infrastructure du réseau. Aucune supposition ou limitation n'est faite sur la taille du réseau ad hoc, le réseau peut contenir des centaines ou des milliers d'unités mobiles.

Dans ce chapitre nous allons présenter les environnements mobiles et les principaux concepts liés à ces environnements. Nous commençons par la définition de cet environnement et les deux classes qui le constituent (mode infrastructure et mode sans infrastructure). Nous introduisons ensuite le concept des réseaux ad hoc et les caractéristiques inhérentes à ces réseaux. Enfin nous définissons quelques domaines d'application d'un réseau ad hoc.

1.2 Les environnements mobiles

Un environnement mobile¹ est un système composé d'unités mobiles et qui permet à ses utilisateurs d'accéder à l'information indépendamment de leurs positions géographiques

¹ Une étude détaillée sur les environnements mobiles est faite par le premier binôme du groupe désigné pour ce projet, le lecteur pourra la trouver dans : l'intitulé les technologies sans fil.2007.présenté par k.A IT AB DELOUAHAB et A.AMARI

[1]. Suivant la manière de communication entres les mobiles, le réseau sans fil offre deux architectures différentes.

1.3 Architecture des environnements mobiles

Le réseau sans fil offre deux modes de fonctionnement, le mode avec infrastructure et le mode sans infrastructure ou mode ad hoc (voir FIG 1.1).

Réseaux Mobiles Sans

Réseaux sans infrastructure

Réseaux avec infrastructure

FIG 1.1 La décomposition des réseaux mobiles.

1.3.1 Le réseau mobile avec infrastructure :

En mode avec infrastructure, également appelé le mode BSS (Basic Service Set) certains sites fixes, appelés stations support mobile (Mobile Support Station) ou station de base (SB) sont munis d'une interface de communication sans fil pour la communication directe avec des sites ou unités mobiles (UM), localisés dans une zone géographique limitée, appelée cellule (voir la FIG 1.2).

A chaque station de base correspond une cellule à partir de laquelle des unités mobiles peuvent émettre et recevoir des messages. Alors que les sites fixes sont interconnectés entre eux à travers un réseau de communication filaire, généralement fiable et d'un débit élevé. Les liaisons sans fil ont une bande passante limitée qui réduit sévèrement le volume des informations échangées. Dans ce modèle, une unité mobile ne peut être, à un instant donné, directement connectée qu'à une seule station de base.

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FIG 1.2 Mode infrastructure avec BSS

1.3.2 Le réseau mobile sans infrastructure :

Le réseau mobile sans infrastructure également appelé réseau Ad hoc ou IBSS (Independent Basic Service Set) ne comporte pas l'entité « site fixe », tous les sites du réseau sont mobiles et se communiquent d'une manière directe en utilisant leurs interfaces de communication sans fil (voir FIG 1.3). L'absence de l'infrastructure ou du réseau filaire composé des stations de base, oblige les unités mobiles à se comporter comme des routeurs qui participent à la découverte et la maintenance des chemins pour les autres hôtes du réseau.

FIG 1.3 Le mode sans infrastructure(IBSS)

1.4 Les réseaux mobiles ad hoc

1.4.1 Bref historique :

Le début des années 1970 voit, au sein du projet militaire Américain DARPA (The Defense Advanced Research Projects Agency), la naissance des premiers réseaux utilisant le médium radio. Ces réseaux disposaient déjà d'une architecture distribuée, partageaient le canal de diffusion en répétant des paquets pour élargir la zone de couverture globale. Par la

suite, en 1983, les Sur vivable Radio Networks (SU RAN) furent développés par le DARPA. L'objectif était de dépasser les limitations (en particulier permettre le passage à des réseaux comportant énormément des noeuds, gérant la sécurité, l'énergie). Mais les recherches sur ces réseaux restaient exclusivement militaires. Ce n'est qu'avec l'arriver du protocole 802.11 de l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) qui permet de bâtir des réseaux sans fil autour de bases fixes, que la recherche civile s'empare à la fin des années 90 des problématiques liées à ces réseaux.

1.4.2 Définition :

Les réseaux ad hoc aux quels nous nous sommes intéressés sont ceux décrits et étudiés par le groupe de travail MANET² (Mobil Ad hoc Network) de l 'IETF ( Internet Engineering Tast Force). Une définition de ces réseaux est donnée formellement dans RFC 2501 [4] : « Un réseau ad hoc comprend des plates-formes mobiles (par exemple, un routeur interconnectant différents hôtes et équipements sans fil) appelées noeuds qui sont libres de se déplacer sans contrainte. Un réseau ad hoc est donc un sy stq~me autonome de noeuds mobiles Ce systq~m e peut fonctionner d'une m aniq~re isolée ou s'interfacer à des réseaux fixes au travers de passerelles».

1.4.3 Modélisation d'un réseau ad hoc :

Un réseau ad hoc peut être modélisé par un graphe Gt = (Vt, Et) [3]. Où : Vt représente l'ensemble des noeuds (i.e. les unités ou les hôtes mobiles) du réseau et Et modélise l'ensemble les connections qui existent entre ces noeuds. Si e = (u, v). Et, cela veut dire que les noeuds u et v sont en mesure de communiquer directement à l'instant t.

La topologie du réseau peut changer à tout moment .dans l'exemple suivant (F IG 1.4), le noeud A envoie un flux de données au noeud E, pour cela les données sont acheminées par les noeuds G et F. après le mouvement, nous remarquons que le routage des données devient plus complexe puisque le flux ne suit plus le chemin G et F, mais il doit parcourir tout les noeuds B,C,D,G ,F. le réseau est donc dynamique et imprévisible ce qui fait que la

² http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html

déconnexion des unités soit très fréquente.

L'ancienne topologie la nouvelle topologie

: Unité mobile : lien de communication avant le mouvement

: Le déplacement des unités : lien de communication après le mouvement

FIG 1.4 Le changement de la topologie des réseaux ad hoc.

1.4.4 Les caractéristiques des réseaux ad hoc :

Les réseaux mobiles ad hoc sont caractérisés [5] par ce qui suit:

1.4.4.1 L'absence d'infrastructure centralisée :

Les réseaux ad hoc se distinguent des autres réseaux mobiles par la propriété d'absence d'infrastructures préexistante et de tout genre d'administration centralisée. Les hôtes mobiles sont responsables d'établir et de maintenir la connectivité du réseau d'une manière continue.

1.4.4.2 Une topologie dynamique :

Les unités mobiles du réseau, se déplacent d'une façon libre et arbitraire. Par conséquent la topologie du réseau peut changer, à des instants imprévisibles, d'une manière rapide et aléatoire. Les liens de la topologie peuvent être unis ou bidirectionnels.

1.4.4.3 La contrainte d'énergie :

Les équipements mobiles disposent de batteries limitées, et dans certains cas très limitées tels que les PDA (Personal Digital Assistant), et par conséquent d'une durée de traitement réduite. Sachant qu'une partie de l'énergie est déjà consommée par la fonctionnalité du routage. Cela limite les services et les applications supportées par chaque noeud.

1.4.4.4 Une bande passante limitée :

Un des caractéristiques primordiales des réseaux basés sur la communication sans fil est l'utilisation d'un médium de communication partagé. Ce partage fait que la bande passante réservée à un hôte soit modeste.

1.4.4.5 L'hétérogénéité des noeuds :

Un noeud mobile peut être équipé d'une ou plusieurs interfaces radio ayant des capacités de transmission variées et opérant dans des plages de fréquence différentes. Cette hétérogénéité de capacité peut engendrer des liens asymétriques dans le réseau. De plus, les noeuds peuvent avoir des différences en terme de capacité de traitement (CPU, mémoire) de logiciel et de mobilité (lent, rapide). Dans ce cas, une adaptation dynamique des protocoles s'avère nécessaire pour supporter de telles situations.

1.4.4.6 Sécurité et Vulnérabilité :

Dans les réseaux ad hoc, le principal problème ne se situe pas tant au niveau du support physique mais principalement dans le fait que tous les noeuds sont équivalents et potentiellement nécessaires au fonctionnement du réseau. Les possibilités de s'insérer dans le réseau sont plus grandes, la détection d'une intrusion ou d'un déni de service plus délicate et l'absence de centralisation pose un problème de remontée de l'information de détection d'intrusions.

1.4.4.7 Multihops :

Un réseau ad hoc est qualifié par « multihops » car plusieurs noeuds mobiles peuvent participer au routage et servent comme routeu rs intermédiaires.

1.4.5 Les domaines d'applications des réseaux mobiles ad hoc :

La particularité du réseau Ad hoc est qu'il n'a besoin d'aucune installation fixe, ceci lui permettant d'être rapide et facile à déployer. Les applications tactiques comme les opérations de secours, militaires ou d'explorations trouvent en Ad Hoc, le réseau idéal. La technologie Ad Hoc intéresse également la recherche, des applications civiles sont apparues. On distingue [14]:

· Les services d'urgence : opération de recherche et de secours des personnes, tremblement de terre, feux, dans le but de remplacer l'infrastructure filaire.

· Le travail collaboratif et les communications dans des entreprises ou bâtiments : dans le cadre d'une réunion ou d'une conférence par exemple.

· Applications commerciales : pour un paiement électronique distant (taxi) ou pour l'accès mobile à l'Internet, où service de guide en fonction de la position de l'utilisateur.

· Réseaux de senseurs : Les capteurs, chargés de mesurer les propriétés physiques des environnements (comme la température, la pression...), sont dispersés (le plus souvent lâchés d'un avion ou d'un hélicoptère) par centaines, voire par milliers sur le site, effectuent leurs mesures et envoient les résultats à une station par l'intermédiaire d'un routage ad hoc à travers le réseau.

· Le cadre informatique : Dans le cadre de l'informatique, les réseaux ad hoc peuvent servir à établir des liens entre ses différents composants. Dans ce cas, on parle non plus de LAN (Local Area Network) mais de PAN (Personnal Area Network)

1.5 Conclusion

Le réseau Ad hoc manifeste beaucoup de simplicité et assez d'avantages par rapport aux autres réseaux (filaires et cellulaires) par sa facilité de déploiement en cas d'urgence ou de travaux temporaires dont les autres réseaux engendrent des frais importants. Cependant de nouveaux problèmes apparaissent, en effet l'absence d'une infrastructure centralisé fait du routage dans les réseaux ad hoc un problème très compliqué. Dans la plupart des cas, le noeud destination ne se trouve pas obligatoirement dans la portée du noeud source ce qui implique que l'échange des données entre les deux noeuds, doit être effectué par des stations intermédiaires. Par ailleurs, la topologie de ces réseaux qui peuvent être continuellement mobile oblige les protocoles de routage à réagir rapidement.

Après avoir présenté l'environnement mobile ad hoc, une étude sur le routage dans cet environnement sera faite dans le chapitre prochain.