Etablissement des liens logiques du r´eseau ´

Hormis dans les protocoles par inondation et certains protocoles r´eactifs, afin d’avoir une connaissance des nœuds l’environnant, tout nœud du r´eseau part, d`es son initialisation, `a la d´ecouverte de son voisinage via l’´emission p´eriodique de messages HELLO (´egalement appel´es beacons). Les r´eponses des nœuds de son voisinage, d´enomm´es ses voisins, lui permettent de les r´epertorier dans sa table de routage. Une fois ses voisins connus, le nœud est capable d’´etablir des routes qui serviront `a l’acheminement des paquets vers un (ou des) nœud(s) du r´eseau. Cette ´etape de d´ecouverte du voisinage est `a la base de la formation de la topologie du r´eseau. Cette topologie peut ˆetre horizontale ou hi´erarchique.

Une topologie horizontale (flat topology) ne privil´egie aucun nœud : tout nœud du r´eseau a le mˆeme rˆole et les mˆemes fonctions que ses nœuds voisins. Cette topologie est celle de la plupart des protocoles de routage. C’est par exemple celle du protocole DSDV pr´ec´edemment pr´esent´e en section 1.2.1.

Une topologie hi´erarchique (hierarchical topology) attribue des rˆoles diff´erents `a certains nœuds, construisant ainsi des liens logiques hi´erarchiques entre les nœuds de communication au-dessus de la topologie physique. Nous pr´esentons dans les sous-sections suivantes une premi`ere topologie hi´erarchique construite autour de nœuds Multipoint Relays (MPRs), une deuxi`eme autour de groupes de nœuds (clus- ters) et une troisi`eme autour d’une structure f´ed´eratrice (backbone).

1.2.2.1 Topologie hi´erarchique construite `a partir de nœuds relais multipoints

La notion de nœuds relais multipoints, MPRs, a ´et´e d´evelopp´ee pour le protocole Optimized Link State Routing protocol (OLSR) [31] (section 2.5.1). Ce protocole cr´ee une topologie hi´erarchique autour de deux cat´egories de nœuds : les nœuds ´elus MPRs et les nœuds non-MPRs. En mode broadcast (section 1.2.3), contrairement aux nœuds non-MPRs, les nœuds ´elus MPR ont pour fonction de relayer `a destination de tous les nœuds du r´eseau, aussi bien les messages de routage (contenant les informations de routes) que les messages applicatifs. Chaque nœud du r´eseau ´elit un ensemble minimal de nœuds relais MPRs parmi les nœuds de son voisinage `a un saut qui lui permette d’atteindre tout nœud voisin `a deux sauts. L’ensemble de tous les MPRs du r´eseau constitue un ensemble dominant.

La figure 1.4 illustre les m´ecanismes de retransmission mis en jeu, dans le cas d’un routage par MPRs et dans celui d’un routage par inondation, apr`es la diffusion par un nœud source (repr´esent´e en rouge) d’un paquet `a destination de tous les nœuds du r´eseau. Dans le cas d’un routage par MPR, `a r´eception du paquet diffus´e, seuls les voisins `a un saut qui ont ´et´e ´elus MPR par le nœud source (repr´esent´es en vert) rediffusent le paquet. De mˆeme, parmi les voisins `a deux sauts du message rediffus´e, seuls les MPRs de chacun des nœuds ayant rediffus´e le paquet (repr´esent´es en bleu), le retransmettent, et ainsi de suite jusqu’`a ce que tous les nœuds du r´eseau aient re¸cu le paquet initial. Dans le cas d’un routage par inondation, tous les nœuds du r´eseau rediffusent le paquet. Dans cet exemple (figure 1.4a), seuls quatre nœuds relaient le paquet avec la m´ethode des MPRs lors de la derni`ere ´etape de retransmission, contre douze nœuds avec un routage par inondation (figure 1.4b). Le nombre de nœuds total qui relaient le paquet dans les trois ´etapes est de 9 pour la m´ethode des MPRs et de 21 pour la m´ethode blind flooding. Le routage par MPRs r´eduit de plus de moiti´e l’utilisation de la bande passante. En conclusion, en ne donnant les droits de retransmission qu’`a une cat´egorie de nœuds, un protocole de routage utilisant la m´ethode des MPRs optimise l’usage des ressources de communication.

Port´ee de communication Nœud source Nœud MPR Noeud MPR d’un MPR Noeud ordinaire Message

(a) M´ethode des relais multipoints

Port´ee de communication Nœud source

Noeud ordinaire Message

(b) M´ethode par inondation

Figure 1.4 – Sch´emas des strat´egies de routage par relais multipoints et par inondation

1.2.2.2 Topologie hi´erarchique construite `a partir de groupes de nœuds

Les m´ethodes de r´epartition de nœuds dans des groupes (clustering) r´ealisent un d´ecoupage virtuel du r´eseau de communication conform´ement `a un ensemble de r`egles d´efinies par le protocole de clustering. Lorsqu’elles sont utilis´ees dans les r´eseaux MANETs, ces m´ethodes permettent de contraindre l’ampleur de la diffusion des paquets de donn´ees `a un ou plusieurs groupes particuliers, de sorte `a r´eduire le nombre de retransmissions inutiles. Le risque de collisions sur le m´edium est alors r´eduit, la bande passante est pr´eserv´ee au profit des applications.

La formation des groupes est r´ealis´ee autour d’un nœud g´en´eralement appel´e responsable de groupe (ou cluster-head ). D’autres nœuds particuliers peuvent ´egalement ˆetre d´efinis par ces protocoles. Chaque

type de nœud poss`ede alors des propri´et´es et fonctions diff´erentes, d´edi´ees `a certaines tˆaches protocolaires. La r´ef´erence [32] r´epertorie ainsi quatre types de nœuds (figure 1.5) :

− les nœuds ordinaires, qui sont chacun membre d’un seul groupe ;

− les responsables d’un groupe (ou cluster-heads), qui sont les responsables de groupe auxquels les nœuds ordinaires sont rattach´es ;

− les nœuds passerelles (ou gateway), qui sont membres de plusieurs groupes ; ils permettent les transferts d’informations entre les groupes dont ils sont membres ;

− les nœuds ind´efinis, qui sont ceux ne poss´edant, `a l’instant consid´er´e, aucun statut (ordinaire, responsable de groupe ou passerelle), ni rattachement `a un groupe.

Lien de communication Groupe

Membre d’un groupe (nœud ordinaire) Responsable d’un groupe (cluster-head ) Nœud Passerelle (gateway)

Nœud ind´efini

Figure 1.5 – Statuts de nœuds d’un protocole de groupement d’un r´eseau MANET

Les protocoles de clustering pour les r´eseaux MANETs font l’objet de nombreux travaux de recherche. Les ´etudes [33, 34, 35] en dressent un ´etat de l’art. La litt´erature a cherch´e `a classer ces protocoles selon divers crit`eres qui ont l’int´erˆet de montrer la multitude des solutions con¸cues. Ces classifications peuvent ainsi reposer sur :

− les crit`eres et m´etriques utilis´es pour la formation et la maintenance des groupes et l’´election de leur responsable ;

− le nombre de sauts qui s´eparent un nœud ordinaire de son responsable de groupe ;

− la nature dominante des groupes de nœuds. Un groupe peut ˆetre un ensemble dominant (Dominating Set), dominant connect´e (Connected Dominating Set) ou dominant faiblement connect´e (Weakly Connected Dominating Set). Un groupe de nœuds est dominant (ou absorbant) dans un r´eseau si tout nœud du r´eseau fait partie de ce groupe ou est `a un saut d’un nœud qui en fait partie. Un groupe est dit dominant connect´e si le groupe est dominant et si tout nœud du groupe peut atteindre n’importe quel nœud du groupe par une route dont les nœuds interm´ediaires sont dans le groupe. Un ensemble dominant faiblement connect´e est un ensemble dominant connect´e ayant le plus faible nombre de nœuds parmi tous les ensembles dominants connect´es du r´eseau.

− la nature disjointe ou superposable des groupes : des groupes sont disjoints lorsqu’il n’existe aucun nœud qui soit membre de deux groupes (ainsi, de tels groupes n’ont pas de nœuds passerelles) ; des groupes sont susceptibles de se superposer lorsque des nœuds peuvent ˆetre des membres de deux groupes (il existe des nœuds passerelles) ;

− le nature active, passive ou hybride de la m´ethode de clustering : une m´ethode active transmet des messages de routage sp´ecifiques en vue de former et d’organiser les groupes ind´ependamment des besoins en transmission des applications ; une m´ethode passive ne cr´ee des groupes qu’au moment o`u un nœud a une information `a transmettre ; une m´ethode hybride inclue dans des messages de routage couramment envoy´es, des informations n´ecessaires `a la formation et la maintenance des groupes.

− le nombre de niveaux hi´erarchiques diff´erents (groupes, sous-groupes ...) cr´e´es par la m´ethode de clustering.

Les responsables de groupe sont au cœur des m´ethodes de clustering et leur ´election repose sur le choix de m´etriques. La litt´erature en a propos´e plusieurs de natures diff´erentes. Ainsi, elles peuvent ˆetre qualifi´ees d’arbitraires, de topologiques, d’ordonn´ees, de type cross-layer ou encore de combin´ees.

Une m´etrique arbitraire repr´esente une valeur al´eatoire non significative pour le r´eseau de communi- cation. Par exemple, la m´ethode Lowest ID (LID) [36] associe `a chaque nœud du r´eseau “un identifiant

unique et al´eatoirement choisi”. Les nœuds voisins `a un saut s’´echangent la valeur de leur identifiant. Dans un voisinage `a un saut, le nœud dont l’identifiant est le plus faible devient un responsable de groupe. Les voisins dont l’identifiant n’est pas le plus faible de leur propre voisinage se rattachent `a leur voisin responsable de groupe. Cette m´ethode simple `a mettre en œuvre ne prend en compte ni les particularit´es du r´eseau de communication, ni celles de l’environnement dans lequel ´evoluent les nœuds.

Une m´etrique est topologique si sa d´efinition d´epend de la topologie du r´eseau. Le “nombre de voisins” en est un exemple exploit´e dans la m´ethode Highest Degree (HD) [36]. Cette m´ethode ´etablit la r`egle suivante : le nœud du r´eseau ´elu responsable de groupe est celui qui poss`ede le plus grand nombre de nœuds dans son voisinage `a un saut. C’est donc celui-ci qui peut relayer une information `a un maximum de voisins.

Les m´etriques sont dites ordonn´ees lorsqu’il existe une ou plusieurs m´etriques secondaires charg´ees de lever toutes ambig¨uit´es en cas d’´egalit´e entre plusieurs nœuds suite `a l’application de la premi`ere m´etrique. De telles m´etriques sont mises en œuvre par la m´ethode k-hop CONnectivity ID (k-CONID) [37] qui combine les m´ethodes LID et HD. Un premier crit`ere identifie le(s) nœud(s) poss´edant le plus de voisins. Puis, en cas d’´egalit´e de score parmi les nœuds trouv´es, un second crit`ere permet de s´electionner celui dont l’identifiant a la plus faible valeur. Ce nœud devient le responsable de groupe.

Une m´etrique rel`eve de couches crois´ees (m´etrique cross-layer ) lorsqu’elle fait appel `a une m´etrique mesur´ee au niveau d’une autre couche (au sens du mod`ele de r´ef´erence OSI de l’International Standar- dization Organization (ISO)) que celle sur laquelle la m´etrique est appliqu´ee. Par exemple, la m´etrique de “puissance de r´eception des paquets re¸cus” qui provient de mesures au niveau de la couche 1 (couche physique) est pour la premi`ere fois introduite en couche 3 (couche r´eseau) dans la m´ethode de groupe- ment MObility Based metrIC (MOBIC) [38]. Proche de la m´ethode LID, l’approche MOBIC remplace le syst`eme d’identifiant par un crit`ere de distance des nœuds quantifi´e par la puissance de r´eception des paquets.

Enfin, une m´etrique est combin´ee lorsqu’elle r´esulte d’une moyenne pond´er´ee entre plusieurs m´e- triques. Par exemple, la m´ethode Weight Based Adaptive Clustering Algorithm (WBACA) [39] d´efinit une m´etrique pond´erant la puissance de transmission des nœuds, leur nombre de voisins, leur mobilit´e et l’´etat de leur batterie.

Un int´erˆet des m´ethodes de groupement est, selon [32], qu’elles facilitent le passage `a l’´echelle. Nous avons vu que les communications peuvent ˆetre confin´ees au sein des groupes. Les responsables de groupe ont alors la charge de superviser et de coordonner les acc`es au m´edium de communication pour en optimiser l’utilisation. Ces deux aspects rendent ces m´ethodes prometteuses pour les r´eseaux MANETs, tels les r´eseaux v´ehiculaires, qui poss`edent un grand nombre de nœuds. Les inconv´enients du clustering rel`event essentiellement du trafic de routage n´ecessaire `a la cr´eation et `a la maintenance des groupes. En particulier, afin de prendre en compte les changements de topologie du r´eseau, les messages de routage doivent ˆetre envoy´es fr´equemment lorsque les nœuds du r´eseau sont fortement mobiles.

1.2.2.3 Topologie hi´erarchique construite autour d’une colonne vert´ebrale (backbone) La structuration logique du r´eseau autour d’une colonne vert´ebrale ou backbone repose sur l’usage d’une m´ethode de clustering. Une m´ethode de groupement identifie les responsables de groupe de nœuds et l’approche backbone introduit une connexion logique entre ces responsables de groupe (figure 1.6). Dans ce type d’organisation, tous les nœuds sont `a moins de k-sauts d’un nœud de la colonne vert´ebrale. Cette approche a ´et´e ´etudi´ee par [40] qui propose la cr´eation d’un backbone selon une topologie en anneau circulaire.