Stratégies De Prévention De Perte De Route Dans Les Réseaux Ad Hoc Mobiles
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UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Faculté de génie Département de génie électrique et de génie informatique STRATÉGIES DE PRÉVENTION DE PERTE DE ROUTE DANS LES RÉSEAUX « AD HOC » MOBILES Thèse de doctorat Spécialité : génie électrique Éric THIBODEAU Jury : Alain C. HOULE (directeur) Brigitte JAUMARD Ahmed KHOUMSI (directeur par intérim) Philippe MABILLEAU Sébastien ROY Sherbrooke (Québec) Canada Décembre 2014 La recherche scientifique, c’est comme fouiller sous les roches d’un ruisseau à la recherche d’écrevisses. Ça prend de la pa- tience, car on n’en trouve pas sous chaque roche. Et par dessus tout, ce qui caractérise un bon chercheur, c’est sa méthode et son flair pour tourner les bonnes roches. - Alain C. Houle RÉSUMÉ À travers les années, l’industrie de la téléphonie a su déployer une multitude de moyens de com- munication fiables. Son infrastructure garantit une transmission efficace de données, incluant la voix et d’autres contenus, par des voies filaires et sans-fil avec une fiabilité visant les 99,999%. Cette fiabilité a toutefois un prix ; le déploiement des infrastructures nécessaires doit être planifié soigneusement. Ce modèle rigide est bien mal adapté aux situations nécessitant le déploiement rapide d’un réseau, comme une situation d’urgence ou un déploiement militaire. Afin de mettre en place efficacement un système temporaire de communications, un réseau « ad hoc » mobile peut être utilisé. Ce type de réseau dynamique utilise tous les noeuds qui le composent afin de transmettre l’information entre une source et une destination. Toutefois, les protocoles de routage utilisés dans ce type de réseau ne sont présentement pas bien adaptés pour les contenus multimédia nécessitant un flux constant de données, comme la téléphonie sur IP (VoIP). Ce projet de recherche a été divisé en trois volets. Tout d’abord, une étude des solutions exis- tantes a été effectuée. Cette dernière a identifié quatre métriques d’intérêt pour mesurer la per- formance des réseaux « ad hoc » dans un contexte de VoIP : le délai, la gigue, la fréquence d’interruptions et leur durée moyenne. Il a été montré que sous sa forme actuelle, le protocole AODV est présentement mal adapté pour les réseaux transportant des flux de type VoIP. De plus, le standard IEEE 802.11 a été identifié comme l’un des principaux responsables des piètres per- formances des réseaux « ad hoc » mobiles. Le deuxième volet du projet a porté sur la conception d’un algorithme, basé sur un filtre de Kalman, devant prévenir la perte de route afin de réduire le nombre d’interruptions subies par un utilisateur de VoIP sur un réseau « ad hoc » mobile. L’algorithme consiste à estimer la puissance de signal reçu de chacun des noeuds voisins ainsi que la vitesse de variation de cette puissance. En connaissant le niveau minimum de puissance nécessaire à la réception d’un message, il est ainsi possible d’estimer la durée de vie restante de chacun des liens vers les noeuds voisins. Une recherche de route aléatoire est déclenchée lorsque la durée de vie prévue d’un lien devient trop courte. L’algorithme a été ajouté aux protocoles AODV et OLSR. Les résultats de simulations ont été mitigés avec AODV. Par contre, pour OLSR, les résultats ont été fort prometteurs. Globalement, la fréquence d’interruptions à survenir sur le réseau a diminué, tout comme la durée totale de ces dernières. Finalement, le troisième volet du projet a porté sur la construction d’un banc d’essais physiques permettant de tester l’algorithme de prévention de perte de route. Ce banc d’essais s’est avéré une preuve de concept pour la construction d’environnements de plus grande envergure. Les résultats obtenus à l’aide de ce dernier sont venus appuyer les résultats obtenus lors des simula- tions. Mots-clés : réseau, ad hoc, routage, perte de route, prévention, préemptif, téléphonie, VoIP i REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à remercier chaleureusement Monsieur Alain C. Houle, mon directeur de recherche au doctorat. Il m’a assuré d’un soutien indéfectible, que ce soit au niveau intellectuel, matériel ou financier. Toujours souriant, il avait le don de guider ses étudiants afin que jaillissent de nouvelles idées. Il m’a aidé à assimiler le processus de recherche scientifique et m’a dirigé habilement dans le cadre de mes travaux. Son décès a été d’une grande tristesse ; j’aurais tant aimé présenter cette thèse avec lui à mes côtés. Son courage exemplaire au cours de la terrible maladie qui l’a affligé sera éternellement une source d’inspiration pour moi. Ensuite, je veux remercier Monsieur Ahmed Khoumsi pour son soutien. Comme j’étais un étu- diant orphelin, il a généreusement accepté de m’aider à terminer la rédaction de cette thèse. Ses conseils m’ont été précieux. L’évaluation d’un projet de recherche n’est certes pas une tâche facile. Elle est d’autant plus délicate en l’absence de mon regretté directeur de recherche. Je suis très reconnaissant envers les membres du jury, Madame Brigitte Jaumard ainsi que Messieurs Philippe Mabilleau et Sébastien Roy, d’avoir accepté d’évaluer cette thèse. Je veux aussi remercier tous les professeurs et le personnel avec qui j’ai eu l’honneur de travailler lors de mon passage à la Faculté de Génie. Votre engagement et votre dévouement envers les étudiants a été une source d’inspiration pour moi. Il est rare qu’un étudiant réalise un projet de recherche en vase clos. Pour ma part, je suis extrêmement reconnaissant envers Messieurs Wajdi Elleuch, Cyril Lecouvey, Jean Lavoie et Mohamed Youssef. Leurs commentaires, leurs suggestions et leurs encouragements ont eu une influence positive sur ce projet de recherche et ont été grandement appréciés. Un parcours universitaire est aussi l’occasion de faire des rencontres enrichissantes. Au cours de mes études au doctorat, j’ai eu l’immense plaisir de côtoyer des collègues formidables en Simon Ayoub, Manon Bélanger, Fakher Ben Salah, Alexis Dorais-Joncas, Mehdi Haitami, Vivian Issa et Yannick Solari. Je ne saurais oublier ma conjointe, Véronique, que je remercie du fond du cœur. Cette thèse est en partie le fruit de sa patience, de sa compréhension et de ses encouragements. Elle est de plus la source de bien des corrections orthographiques ! Finalement, je ne peux m’empêcher de dire merci à mon petit rayon de soleil, Lily-Rose. Je souhaite de tout cœur que je saurai lui communiquer la même passion d’apprendre qui est la mienne. iii TABLE DES MATIÈRES 1INTRODUCTION 1 1.1 Objectif du projet ................................. 2 1.2 Présentation de la recherche ........................... 4 IREVUE ET ANALYSE DE PROTOCOLES DE ROUTAGE « AD HOC » EXISTANTS 7 2REVUE DES RÉSEAUX « AD HOC » MOBILES 9 2.1 Modèle de référence OSI ............................. 9 2.1.1 Couches application, présentation et session ............... 10 2.1.2 Couche transport ............................. 10 2.1.3 Couche réseau .............................. 11 2.1.4 Couche liaison de données et couche physique ............. 11 2.2 Réseau « ad hoc » mobile ............................ 12 2.2.1 Évaluation des protocoles de routage « ad hoc » ............ 15 2.3 Principes de routage « ad hoc » ......................... 15 2.4 Les protocoles de routage « ad hoc » proposés par l’IETF ............ 18 2.4.1 AODV .................................. 18 2.4.2 OLSR ................................... 19 2.4.3 TBRPF .................................. 21 2.4.4 DSR .................................... 21 2.4.5 Développements futurs .......................... 22 2.5 Protocoles proposés par d’autres sources ..................... 22 2.5.1 ABR ................................... 22 2.5.2 ZRP .................................... 23 2.5.3 LAR ................................... 23 2.5.4 REGR ................................... 24 2.6 Amélioration de la performance des réseaux ................... 25 2.6.1 Qualité de Service (QoS) ......................... 25 2.6.2 Qualité de Protection (QoP) ....................... 27 2.6.3 Routage « préemptif » .......................... 29 2.7 Outils de développement de protocoles « ad hoc » ............... 31 2.7.1 NS-2 ................................... 31 2.7.2 Linksys WRT54G(S) ........................... 32 3ÉVALUATION DES PROTOCOLES « AD HOC »35 3.1 Métriques d’évaluation .............................. 35 3.1.1 Délai de transmission ........................... 37 3.1.2 Gigue ................................... 38 3.1.3 Temps d’interruption ........................... 39 v vi TABLE DES MATIÈRES 3.1.4 Fréquence d’interruptions ........................ 40 3.1.5 Considérations par rapport à l’utilité des métriques ........... 41 3.2 Évaluation du protocole AODV lors d’interruptions ............... 42 3.2.1 Effet de la densité des nœuds ....................... 43 3.2.2 Effet du nombre de connexions ..................... 45 3.2.3 Effet de la mobilité des nœuds ...................... 46 3.2.4 Effet de la surface de couverture ..................... 50 3.2.5 Relation entre la congestion et la couche MAC utilisée ......... 52 3.2.6 Distribution des temps d’interruption .................. 53 3.2.7 Relation entre nombre et temps d’interruption .............. 55 3.3 Problèmes de IEEE 802.11 ............................ 56 3.3.1 Problèmes intrinsèques à IEEE 802.11 .................. 56 3.3.2 Solution aux problèmes d’iniquité du protocole IEEE 802.11 ...... 58 3.4 Mise en contexte des travaux ........................... 59 II DÉVELOPPEMENT DU MÉCANISME DE DÉTECTION ET DE PRÉ- VENTION 63 4DÉVELOPPEMENT DE L’ALGORITHME PRÉVENTIF 65 4.1 Définition des besoins ............................... 65 4.1.1 Prévenir