Anne 2009

THESEprsente LU.F.R DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE LUNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE pour obtenir GRADE DE DOCTEUR DE LUNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE Spcialit : Informatique

CONCEPTION DUN PROTOCOLE DE ROUTAGE HIERARCHIQUE POUR LES RESEAUX DE CAPTEURSpar

Kamal BEYDOUN

Soutenue le 16 dcembre 2009 devant la commission dexamen :

Directeurs de thse

Herv GUYENNET Violeta FELEA

Professeur, Universit de Franche-Comt Matre de confrences, Universit de Franche-Comt Professeur, Universit de Paris XII Professeur, Universit de Reims Champagne-Ardenne Professeur, Universit de Cergy-Pontoise Professeur, Universit de Franche-Comt

Rapporteurs

Abdelhamid MELLOUK Michael KRAJECKI

Examinateur

Mohamed NAIMI Jean-Christophe LAPAYRE

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RemerciementsJe tiens remercier en premier lieu Mr. Herv GUYENNET et Mlle Violeta FELEA, mes directeurs de thse pour leur encouragement, leur disponibilit, leurs ides, leurs conseils et leur sympathie qui mont permis de mener bien cette thse. Jadresse aussi mes trs sincres remerciements Mr. Jean-Christophe LAPAYRE pour lhonneur qui nous a t accord en prsidant le jury. Jexprime ensuite ma plus profonde gratitude Mr. Abdelhamid MELLOUK et Mr. Michael KRAJECKI qui ont accept de rapporter cette thse. Je tiens remercier galement Mr Mohamed NAIMI davoir examin la thse. Jai beaucoup apprci leur participation au jury de cette thse malgr le long voyage. Ce travail a t ralis au sein du Laboratoire dInformatique de lUniversit de Franche-Comt (LIFC). Je tiens donc remercier les responsables de ce laboratoire de mavoir accueilli et donn lopportunit de raliser ce travail de thse. Un grand merci tous les membres du Laboratoire dInformatique de lUniversit de FrancheComt qui mont procur une ambiance chaleureuse pour effectuer mon travail ainsi quun sjour extrmement agrable. Merci tous mes collgues de lquipe Rseaux de Capteurs : Hung-Cuong LE, Pamba CAPOCHICHI, David MARTINS, et Mohamad LEHSAINI pour leur sympathie durant le temps o on a travaill ensemble et pour les discussions de recherche dans le domaine des rseaux de capteurs. Merci galement mon cher ami Dr Jalal JOMAAH pour son soutien indfectible dans les moments difficiles. Merci tous mes amis libanais, franais et de toute nationalit qui mont normment soutenu aux moments les plus difficiles et qui taient toujours prs de moi. Je noublierai jamais les moments quon a passs ensemble. Un merci sans gal ma famille au Liban pour son soutien, son encouragement et dtre le pilier de ma russite, merci eux davoir t mon ct en France malgr mon absence prolonge surtout ma mre que jaime et jadore. Enfin et avant tout, le grand et le vrai merci Dieu qui ma donne la force et la vie pour accomplir cette tache.

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Ddicace

A celui que jaime

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[CONCEPTION DUN PROTOCOLE DE ROUTAGE HIERARCHIQUE POUR LES RESEAUX DE CAPTEURS]

TABLE DES MATIRESIntroduction ...................................................................................................................... 17 Chapitre 1. Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques . 211.1 1.2 Introduction .................................................................................................................. 21 Les rseaux Ad-hoc ...................................................................................................... 211.2.1 1.2.2 1.2.3 Classification des protocoles de routage Ad-hoc......................................................... 24 Mthodes utilises par les protocoles de routage Ad-hoc ........................................... 25 Distance Vector vs Link State ..................................................................................... 27

1.3

Les rseaux de capteurs ................................................................................................ 271.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 Le capteur .................................................................................................................... 27 Architecture physique dun capteur intelligent............................................................ 28 Caractristiques principales dun capteur .................................................................... 29 Dfinition dun rseau de capteurs sans fil .................................................................. 31 Enjeux particuliers dans les rseaux de capteurs ......................................................... 34

1.4

Conclusion .................................................................................................................... 35

Chapitre 2. Protocoles de routage dans les rseaux de capteurs ................................. 372.1 2.2 Introduction .................................................................................................................. 37 Protocoles de routage non hirarchiques ...................................................................... 382.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.2.9 Introduction ................................................................................................................. 38 DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) ....................................................... 39 GSR (Global State Routing) ........................................................................................ 39 FSR (Fisheye State Routing) ....................................................................................... 40 AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector) ........................................................... 42 DSR (Dynamic Source Routing) ................................................................................. 43 OLSR (Optimized Link State Routing) ....................................................................... 44 GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) .............................................................. 46 SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) ............................................ 47

2.3

Protocoles de routage hirarchiques ............................................................................. 48

7

2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7

Introduction ................................................................................................................. 48 ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State Protocol) ................................................ 49 CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing) ........................................................... 51 CBRP (Cluster Based Routing Protocol)..................................................................... 52 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) .............................................. 52 PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)..................... 54 TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) .................... 54

2.3.8 APTEEN (Adaptive Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) .................................................................................................................................... 55 2.3.9 VGA (Virtual Grid Architecture routing) .................................................................... 56

2.3.10 CTLMN (Clustering Technique for Large multihop Mobile wireless Networks) ....... 56 2.3.11 HEED (Hybrid, Eenergy-Efficient, Distributed approach) ......................................... 57 2.3.12 CSOS (Cluster-based Self-Organization algorithm for wireless Sensor networks) .... 57 2.3.13 SAR (Sensor Aggregates Routing) .............................................................................. 58 2.3.14 TTDD (Two-Tier Data Dissemination) ....................................................................... 59

2.4

Conclusion .................................................................................................................... 59

Chapitre 3. Protocole hirarchique de routage bas sur les zones (ZHRP - Zonebased Hierarchical Routing Protocol) ....................................................... 633.1 3.2 Introduction .................................................................................................................. 63 Algorithme distribu de partitionnement dun rseau de capteurs en zones ................ 643.2.1 3.2.2 3.2.3 Structure du paquet de contrle chang ..................................................................... 68 Description de lalgorithme distribu de partitionnement en zones ............................ 70 Maintenance de la topologie ........................................................................................ 72

3.3 3.4

Construction de la table de routage intra-zone ............................................................. 73 Construction de la table de routage inter-zones ........................................................... 763.4.1 3.4.2 3.4.3 Structure du paquet chang ........................................................................................ 76 Algorithme distribu de construction des tables inter-zones ....................................... 77 Exemple de table inter-zones....................................................................................... 81

3.5

Scnario de routage de donnes ................................................................................... 823.5.1 3.5.2 Structure du paquet de donnes ................................................................................... 82 Dtails de lapplication du scnario de routage ........................................................... 83

3.6 3.7

Maintenance des tables de routage ............................................................................... 86 Conclusion .................................................................................................................... 87

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Chapitre 4. Exprimentations et rsultats ..................................................................... 914.1 4.2 4.3 Introduction .................................................................................................................. 91 Le simulateur J-Sim ...................................................................................................... 91 Larchitecture dtaille de J-Sim .................................................................................. 944.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 Le composant............................................................................................................... 94 Le port ......................................................................................................................... 94 Le contrat ..................................................................................................................... 94 Langage utilis pour dfinir un scnario de simulation ............................................... 94 Modle de transmission dans J-Sim ............................................................................ 95

4.4

Evaluation du protocole de routage propos ................................................................ 964.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 Evaluation du taux derreur ......................................................................................... 96 Evaluation du surcot .................................................................................................. 98 Evaluation de la dure de vie ..................................................................................... 108 Evaluation de la taille de lespace de stockage .......................................................... 110 Evaluation de la scalabilit ........................................................................................ 111

4.5

Conclusion .................................................................................................................. 112

Chapitre 5. Mise en uvre du protocole de routage ................................................... 1135.1 5.2 Introduction ................................................................................................................ 113 Plateformes dexploitation pour les capteurs ............................................................. 1145.2.1 5.2.2 TinyOS ...................................................................................................................... 114 SPOT (Small Programmable Object Technology) .................................................... 114

5.3

Description et mise en place du systme .................................................................... 1155.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 Premire tape : injection du protocole dans le capteur ............................................ 115 Deuxime tape : dploiement des capteurs .............................................................. 117 Troisime tape : partitionnement du rseau en zones .............................................. 117 Quatrime tape : construction des tables de routage intra-zone............................... 118 Cinquime tape : construction des tables de routage inter-zones ............................ 118

5.4

Fonctionnement du systme ....................................................................................... 1195.4.1 5.4.2 5.4.3 Echange de donnes sans station de base .................................................................. 120 Echange de donnes avec station de base .................................................................. 121 Panne, apparition, et mobilit dun nud .................................................................. 122

5.5

Applications utilisant notre systme ........................................................................... 122

9

5.5.1 5.5.2

Guidage dun vhicule ............................................................................................... 123 Dtection de feu dans une fort ................................................................................. 126

5.6

Conclusion .................................................................................................................. 127

Chapitre 6. Conclusion .................................................................................................. 129Perspectives ............................................................................................................................ 130

Bibliographie .................................................................................................................. 133

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[CONCEPTION DUN PROTOCOLE DE ROUTAGE HIERARCHIQUE POUR LES RESEAUX DE CAPTEURS]

Table des illustrationsFigure 1.1: Rseau mobile Ad-hoc ........................................................................................................ 22 Figure 1.2 : Classification des rseaux .................................................................................................. 23 Figure 1.3 : Fonctionnement dun capteur ............................................................................................ 28 Figure 1.4 : Architecture physique dun capteur intelligent .................................................................. 29 Figure 1.5 : Rayons de communication et de sensation dun capteur ................................................... 30 Figure 1.6 : Exemple de capteur intelligent MICA2 de Crossbow ....................................................... 30 Figure 1.7 : Exemple de rseau de capteurs .......................................................................................... 31 Figure 2.1 : Communication multi-sauts entre A et D .......................................................................... 38 Figure 2.2 : Technique "il de poisson" dans le protocole FSR ........................................................... 41 Figure 2.3 : Fonctionnement de la procdure de demande de route dans AODV ................................. 43 Figure 2.4 : Diffusion pure et diffusion en utilisant les MPRs dans OLSR .......................................... 45 Figure 2.5 : Fonctionnement du protocole SPIN (48) ........................................................................... 47 Figure 2.6 : Architecture en cluster ....................................................................................................... 49 Figure 2.7 : Dcomposition du rseau en zones dans ZHLS ................................................................. 49 Figure 2.8 : Formation de clusters dans LEACH (55)........................................................................... 53 Figure 2.9 : Classification des principales structures hirarchiques dun rseau .................................. 60 Figure 3.1 : Rseau de capteurs partitionn en zones ............................................................................ 64 Figure 3.2 : Taux des nuds-invitant proximit (Tr= 150m) ............................................................. 66 Figure 3.3 : Taux des nuds-invitant proximit (Tr= 300m) ............................................................. 67 Figure 3.4 : Partitionnement dun rseau en zones................................................................................ 68 Figure 3.5: Algorithme de partionnement dun rseau en zones virtuelles ........................................... 70 Figure 3.6 : Exemple dune rpartition de nuds dans trois zones ....................................................... 75 Figure 3.7 : Algorithme denvoi de la table inter-zones par le noeud-chef ........................................... 79

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Figure 3.8 : Algorithme de construction de la table inter-zones ........................................................... 80 Figure 3.9 : Rseau dcoup en 9 zones ................................................................................................ 81 Figure 3.10 : Algorithme appliqu par le noeud source lors de lenvoi dun paquet de donnes ......... 84 Figure 3.11: Algorithme appliqu lors de la rception dun paquet de donnes ................................... 85 Figure 4.1 : Connexions entre composants dans J-Sim ......................................................................... 92 Figure 4.2 : Architecture interne dun noeud sensor dans J-Sim (78) ................................................... 93 Figure 4.3 : Champs de voisinage dans J-Sim ....................................................................................... 95 Figure 4.4 : Taux derreur pour 400 nuds ........................................................................................... 97 Figure 4.5 : Taux derreur pour 500 nuds ........................................................................................... 97 Figure 4.6 : Taux derreur pour 600 noeuds .......................................................................................... 98 Figure 4.7 : Nombre de paquets envoys durant la phase de partitionnement en zones pour 400 nuds ............................................................................................................................................................... 99 Figure 4.8 : Nombre de paquets envoys durant la phase de partitionnement en zones pour 500 nuds ............................................................................................................................................................... 99 Figure 4.9 : Nombre de paquets envoys durant la phase de partitionnement en zones pour 600 nuds ............................................................................................................................................................. 100 Figure 4.10 : Nombre de paquets reus durant la phase de partitionnement en zones pour 400 nuds ............................................................................................................................................................. 100 Figure 4.11 : Nombre de paquets reus durant la phase de partitionnement en zones pour 500 nuds ............................................................................................................................................................. 101 Figure 4.12 : Nombre de paquets reus durant la phase de partitionnement en zones pour 600 nuds ............................................................................................................................................................. 101 Figure 4.13 : Nombre de paquets envoys durant la phase de construction des tables de routage pour 400 nuds ........................................................................................................................................... 103 Figure 4.14 : Nombre de paquets envoys durant la phase de construction des tables de routage pour 500 nuds ........................................................................................................................................... 103 Figure 4.15 : Nombre de paquets envoys durant la phase de construction des tables de routage pour 600 nuds ........................................................................................................................................... 104 Figure 4.16 : Nombre de paquets reus durant la phase de construction des tables de routage pour 400 nuds .................................................................................................................................................. 105

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Figure 4.17 : Nombre de paquets reus durant la phase de construction des tables de routage pour 500 nuds .................................................................................................................................................. 105 Figure 4.18 : Nombre de paquets reus durant la phase de construction des tables de routage pour 600 nuds .................................................................................................................................................. 106 Figure 4.19 : Pourcentage de la consommation nergtique de la batterie en variant le rayon de la zone R .......................................................................................................................................................... 107 Figure 4.20 : Pourcentage de la consommation nergtique de la batterie en variant le nombre de zones zN ........................................................................................................................................................ 107 Figure 4.21 : Pourcentage de la consommation nergtique de la batterie ......................................... 109 Figure 4.22 : Dure de vie du systme avec des vnements priodiques .......................................... 109 Figure 4.23 : Partitionnement dun rseau de 800 nuds en 10 zones................................................ 112 Figure 5.1 : Capteur SPOT fabriqu par SUN Microsystems (94) ...................................................... 115 Figure 5.2 : Capture dcran de loutil SerialForwarder .................................................................... 116 Figure 5.3 : Propagation des paquets dinvitation dans le rseau ........................................................ 118 Figure 5.4 : Echange de donnes entre les nuds du rseau ............................................................... 119 Figure 5.5 : Collecte des informations et envoi la station de base.................................................... 120 Figure 5.6 : Systme de guidage dun vhicule ................................................................................... 123 Figure 5.7 : Construction du chemin vers la destination ..................................................................... 124 Figure 5.8 : Dplacement du vhicule sur le chemin .......................................................................... 125 Figure 5.9 : Systme de dtection de feu dans une fort ..................................................................... 126 Figure 5.10 : Dtection dun nouveau feu lors de lintervention des pompiers .................................. 127

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[CONCEPTION DUN PROTOCOLE DE ROUTAGE HIERARCHIQUE POUR LES RESEAUX DE CAPTEURS]

Liste des tableauxTableau 1 : Bilan des protocoles de routage hirachique dans les rseaux Ad-hoc et de capteurs ....... 61 Tableau 2 : Champs du paquet ConstructZonesPacket ......................................................................... 69 Tableau 3 : Exemple de table-frontire BorderTable .......................................................................... 72 Tableau 4 : Table de routage intra-zone chez le nud N6 .................................................................... 76 Tableau 5 : Structure du paquet de contrle InterZonesPacket ............................................................. 77 Tableau 6 : Table inter-zones chez N6 appartenant la zone Z2 .......................................................... 78 Tableau 7 : Table de routage inter-zones des nuds BORDER da la zone Z1 ...................................... 82 Tableau 8 : Structure dun paquet DataPacket ...................................................................................... 82 Tableau 9 : Caractristiques dun capteur MICA2 .............................................................................. 106 Tableau 10 : Nombre d'vnements durant la simulation ................................................................... 108 Tableau 11 : Caractristiques dun capteur Tmote SKY ..................................................................... 108 Tableau 12 : Taille thorique de lespace de stockage (en octets) de la structure de donnes de routage ............................................................................................................................................................. 110 Tableau 13 : Taille exprimentale de lespace de stockage (en octets) pour la structure de donnes de routage dans un rseau de 600 nuds ................................................................................................. 111

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[CONCEPTION DUN PROTOCOLE DE ROUTAGE HIERARCHIQUE POUR LES RESEAUX DE CAPTEURS]

Introduction

Lvolution rcente de la socit sappuie sur des techniques de plus en plus tournes vers la communication, limage et la mobilit. Le tlphone portable et Internet sont les vecteurs principaux de cette rvolution technologique. A ct de ces techniques plutt lies aux loisirs se dveloppent galement des dispositifs pour amliorer notre connaissance du monde extrieur. Les informations recueillies dans la nature par exemple, vont tre rcupres pour tre intgres au processus de dcision. Le besoin dchange rapide dinformations et le dveloppement des communications ont abouti la cration dInternet qui rend accessible au monde entier une grande quantit de donnes et de services. Internet suscite une passion croissante, tant dans le domaine de la recherche, de lducation que celui des affaires. Ainsi le nombre de personnes qui accdent Internet pour leur travail, leurs tudes ou leurs loisirs augmente sans cesse, de mme que les services offerts sur ce rseau (messagerie lectronique, moteur de recherche, e-commerce, e-learning, etc.). Dans un avenir proche, Internet va enrichir ses bases de donnes avec des informations temps rel directement issues de phnomnes naturels. De plus, Internet ne va plus relier seulement les hommes, mais galement les objets. Toute cette volution ne pourrait se raliser sans une volution dans le domaine de la communication principalement sans fil et linformatique mobile gagne de plus en plus de popularit. Les dispositifs mobiles deviennent de plus en plus nombreux (PDA, laptops, etc.), ceci permettant lapparition de rseaux locaux sans fil dans les entreprises et mme chez les particuliers. La communication au sein de lenvironnement non-filaire se base essentiellement sur la transmission radio. Cependant cet environnement engendre de nouveaux problmes tels que les dconnexions frquentes, les dbits variables, et la quantit dnergie limite des clients mobiles. Mais ces environnements sans fil offrent une grande flexibilit demploi, et permettent la mise en rseau de sites dont le cblage eut t difficile et coteux raliser, ou mme impossible. Les progrs technologiques dans les domaines de la microlectronique, des communications sans

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Introduction fil, coupls aux efforts de miniaturisation et la rduction des cots de production des composants lectroniques, ont permis le dveloppement de nouvelles gnrations de rseaux sans fils. Ces derniers offrent beaucoup davantages notamment en termes de dploiement. Cependant, de nouveaux problmes surgissent qui rendent les rseaux sans fils moins fiables que les rseaux filaires. Aussi de nouvelles techniques doivent tre mises en uvre pour pallier ces problmes. Des rseaux pour tlphones mobiles aux rseaux locaux sans fil en passant par les rseaux adhoc, la recherche aujourdhui sest beaucoup focalise sur les rseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network - WSN). Ceux-ci sont composs dun grand nombre de nuds communicants et distribus sur une zone donne afin de mesurer une grandeur physique ou surveiller un vnement. Dans un tel rseau, chaque nud est un dispositif lectronique qui possde une capacit de calcul, de stockage, de communication et dnergie. Les caractristiques particulires des WSNs modifient les critres de performances par rapport aux rseaux sans fil traditionnels. Dans les rseaux locaux filaires ou les rseaux cellulaires, les critres les plus pertinents sont le dbit, la latence et la qualit de service car les nouvelles activits telles que le transfert dimages, le transfert de vidos, et la navigation sur Internet requirent un dbit important, une faible latence, et une bonne qualit de service. En revanche, dans les rseaux de capteurs conus pour surveiller une zone dintrt, la longvit du rseau est fondamentale. De ce fait, la conservation de lnergie est devenue un critre de performance prpondrant et se pose en premier lieu tandis que les autres critres comme le dbit ou lutilisation de la bande passante sont devenus secondaires. La technique des WSNs peut tre applique dans de nombreux domaines : surveillance des dplacements des vhicules en zone hostile, observation de la vie des espces rares, surveillance de la structure des infrastructures, optimisation de traitement pour les patients etc. Le routage est fondamental dans ce type de rseau car il nexiste pas dinfrastructure qui gre les informations changes entre les diffrents nuds du rseau (comme par exemple les routeurs dans les rseaux filaires). En effet, cest chaque nud du rseau de jouer le rle dun routeur. Ainsi, tous les nuds collaborent afin de router une information vers une certaine destination. Lobjectif de cette thse est de traiter le problme du routage dans les rseaux de capteurs, surtout ceux taille importante. Le souci principal est de prolonger la vie du systme en conomisant lnergie dpense par chaque capteur du rseau. Pour cela, nous avons propos un algorithme de partitionnement du rseau en zones (ensemble de nuds), un algorithme de construction des tables de routage lintrieur de la zone (intra-zone) et entre les zones (interzones), et un algorithme de routage de donnes entre les nuds bas sur la topologie en zones. Le partitionnement du rseau est bas sur le nombre de sauts. Contrairement la plupart des algorithmes de partitionnement (par exemple la clusterisation), cet algorithme nexige aucune information sur le rseau (position gographique des nuds, tat des liens, nergie des nuds, etc.). Lalgorithme de construction des tables de routage (intra-zone et inter-zones) est bas sur lalgorithme Distance Vector (DV) qui a t modifi pour rpondre aux hypothses et contraintes. Lalgorithme de routage de donnes se base sur larchitecture en zones. Le routage se ralise deux niveaux : lintrieur de la zone et entre les zones. Ces algorithmes, constituant un protocole de routage appel ZHRP (Zone-based Hierarchical Routing Protocol), a t valu laide du

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simulateur J-Sim. Les rsultats obtenus ont montr lefficacit du protocole surtout dans les rseaux de capteurs grande chelle. Cette thse est organise en 6 chapitres. Le premier chapitre introduit la thse et positionne le sujet dans la thmatique des rseaux sans fil. Nous dcrivons larchitecture dun capteur et nous prsentons les principes et les caractristiques des rseaux Ad-hoc et des rseaux de capteurs (sous classes des rseaux Ad-hoc) aussi que ses domaines dapplication. Dans le deuxime chapitre, nous donnons un tat de lart sur les protocoles de routage dans les rseaux Ad-hoc et nous focalisons notre prsentation sur les protocoles de routage dans les rseaux de capteurs. Le troisime chapitre prsente notre protocole de routage ZHRP. Nous montrons dabord en dtail un algorithme distribu de partitionnement dun rseau de capteur en zones, bas sur le nombre de sauts. Dans cet algorithme, nous nutilisons aucune information du rseau pour la construction de la topologie hirarchique. Nous essayons de minimiser les changes entre les nuds afin dconomiser leur nergie. Ensuite, nous dtaillons les phases de construction des tables de routage en se basant sur lalgorithme DV qui est simple et efficace dans les petits rseaux. A la fin de ce chapitre, nous montrons lalgorithme de routage des donnes entre les nuds du rseau en se basant sur larchitecture hirarchique ainsi que la maintenance du rseau lors dune panne, de lapparition ou de la mobilit dun nud. Dans le quatrime chapitre nous prsentons le simulateur que nous avons choisi J-Sim. Lavantage de ce simulateur par rapport aux autres est quil est open source. Les rsultats obtenus montrent que notre algorithme se comporte bien. En effet, nous avons valu le protocole en utilisant cinq mtriques : le taux derreur, le surcot, la consommation nergtique, la scalabilit, et lespace de stockage. Les rsultats des simulations ont montr que le taux derreur, dfini comme le nombre de nuds non affects aucune zone, est gal zro dans la plupart des cas. Ces rsultats montrent aussi un faible surcot pour construire la topologie hirarchique et les tables de routage, do la faible consommation nergtique. De mme, nous avons montr que notre protocole se comporte bien dans les rseaux grande chelle (500 et 600 nuds). Enfin, nous avons calcul lespace de stockage exig pour stocker les informations utiles pour le routage et nous avons montr que la taille de cet espace est modeste pour un capteur MICA2. Nous tudions la faisabilit dune implmentation de notre proposition dans le chapitre 5 laide de capteurs MICA2 et du systme dexploitation Tiny-OS. Nous dcrivons le comportement du systme et nous dtaillons deux applications relles. Nous concluons cette thse dans le chapitre 6 et donnons quelques perspectives de travail. En particulier, nous proposons de continuer ce travail en une approche de routage qui sadapte aux applications o le Sink est mobile sur un chemin non dfini pralablement. Une autre perspective consiste proposer une technique pour mettre en veille un ensemble de nuds ou une zone afin de prolonger la vie du systme. Nous proposons galement dintgrer dans notre protocole une mthode pour lagrgation des donnes collectes.

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[CONCEPTION DUN PROTOCOLE DE ROUTAGE HIERARCHIQUE POUR LES RESEAUX DE CAPTEURS]

Chapitre 1. Rseaux

Ad-hoc

et

rseaux

de

capteurs : principes et caractristiques

1.1

Introduction

Comme nous lavons vu dans les pages prcdentes, lapparition rcente des communications sans fil accessibles sur des portables, lvolution des dispositifs de calcul et les progrs dans linfrastructure de communication ont abouti la croissance rapide des rseaux sans fil. Ceux-ci sont gographiquement tendus (GSM, Wimax), locaux (802.11, Zigbee) ou personnels (Bluetooth). On trouve galement les NFC (Near Field Communication) utiliss pour de nouveaux services (paiement des transports, affichage dinformations contextuelles) et des RFID qui permettent doptimiser le fonctionnement des processus internes de lentreprise, comme la logistique, la traabilit ou la production par exemple. On assiste la croissance exponentielle des rseaux cellulaires qui sont bass sur la combinaison de technologies cbles et sans fil. Dans les rseaux cellulaires, comme les GSM, chaque antenne couvre un territoire dfini et lors des dplacements de lutilisateur le tlphone mobile change de cellule. On dit que ce type de rseau a une infrastructure fixe bien dfinie. Lorsque cette infrastructure pour grer le rseau nexiste pas, on parle alors de rseau Ad-hoc. Un tel rseau se caractrise donc par labsence dinfrastructure pour les nuds qui le composent. Les nuds jouent donc un rle primordial dans le transfert des informations et la gestion du routage de celles-ci, devant entre autre grer les reconfigurations topologiques. Cette caractristique, couple la forte implication des nuds dans le transfert des informations via des technologies sans fil, rendent la qualit de service, le routage et la scurit beaucoup plus complexes raliser.

1.2

Les rseaux Ad-hoc

Un rseau sans fil (ou non filaire) est un rseau informatique qui connecte les diffrents quipements entre eux par ondes radio. La norme la plus utilise actuellement pour les rseaux

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Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques sans fil privs est la norme IEEE 802.11. Le rseau filaire relie les quipements par des cbles classiques. Ainsi, il est possible de crer un rseau mixte qui utilise la communication filaire et non filaire. Le principal dfi dun rseau filaire ou non filaire est sa gestion qui se complique suivant que lon est en mode sans infrastructure ou en mode avec infrastructure. Deux types de dispositifs composent un rseau : dune part, il sagit des quipements qui utilisent le rseau afin de pouvoir communiquer de linformation et dautre part, des quipements qui aident la communication. On parle dappareils tlphoniques vs les commutateurs (switch), dans la tlphonie, ou dordinateurs, de serveurs vs les routeurs, les commutateurs ou les concentrateurs (hub) dans linternet ou encore de tlphones portables vs les points daccs dans les rseaux cellulaires. Ces types de rseaux utilisent le mode avec infrastructure puisque les quipements ont besoin dune base architecturale pour grer le rseau. Dans le rseau sans infrastructure, il ny a pas besoin dune infrastructure prexistante (point daccs par exemple) pour grer le rseau : chaque membre du rseau peut recevoir et envoyer ses informations mais il agit aussi comme un routeur pour transfrer dautres donnes aux autres membres du rseau. Ce type de rseau est appel rseau Ad-hoc. Actuellement, le nombre dutilisateurs du rseau cellulaire approche des quatre milliards dans le monde. Bien que les efforts de recherche et de dveloppement consacrs aux rseaux sans fil traditionnels soient toujours considrables, lintrt de la communaut scientifique et industrielle dans le domaine des tlcommunications a rcemment chang avec des scnarios plus stimulants dans lesquels un groupe dunits mobiles quipes dmetteurs-rcepteurs de radio communiquent sans aucune infrastructure fixe.

Figure 1.1: Rseau mobile Ad-hoc

Plusieurs systmes utilisent dj le modle cellulaire et connaissent une trs forte expansion lheure actuelle mais requirent une importante infrastructure logistique et matrielle fixe. La contrepartie des rseaux cellulaires sont les rseaux mobiles Ad-hoc1. Un rseau mobile Ad-hoc peut tre dfini comme une collection dentits mobiles interconnectes par une technologie sans fil formant un rseau temporaire sans laide de toute administration ou de tout support fixe (voir la

1

Appel gnralement MANET (Mobile Ad hoc NETwork)

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Les rseaux Ad-hoc Figure 1.1). Une dfinition de ces rseaux est donne formellement dans RFC2501 (1) : Un rseau mobile Ad-hoc comprend des plates-formes mobiles (par exemple, un routeur interconnectant diffrents htes et quipements sans fil) appeles nuds qui sont libres de se dplacer sans contrainte. Un rseau mobile Ad-hoc est donc un systme autonome de nuds mobiles. Ce systme peut fonctionner dune manire isole ou sinterfacer des rseaux fixes au travers de passerelles. Cest la caractristique qui distingue les rseaux mobiles Ad-hoc des rseaux sans fil plus traditionnels comme les rseaux cellulaires et les rseaux locaux sans fil. Aucune supposition ou limitation nest faite sur la taille du rseau. Cela veut dire quil est possible que ce type de rseau ait une taille trs importante. La Figure 1.2 rsume, de faon hirarchique, les types des rseaux avec leurs noms (les feuilles de lhirarchie). Nous citons un exemple pour chaque type de rseau : LAN (Local Area Network) et WAN (Wired Area Network) plusieurs quipements (ordinateurs, imprimantes, serveurs, etc.) connects ensemble via des cbles, Ad-hoc filaire deux ordinateurs connects via un cble, WLAN (Wireless Local Area Network) le rseau cellulaire (GSM) compos de tlphones mobiles sans fil et des stations fixes, MANET (Mobile Ad-hoc NETwork) plusieurs quipements mobiles connects via le radio, Ad-hoc non filaire plusieurs quipements fixes connects via le radio.

rseau

filaire

non filaire

avec infrastructure

sans infrastructure

avec infrastructure

sans infrastructure

mobile

fixe

WAN, LAN

Ad-hoc filaire

WLAN

MANET

Ad-hoc non filaire

Figure 1.2 : Classification des rseaux

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Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques Dans la suite de notre document, lorsque nous parlons dun rseau Ad-hoc nous sous-entendons un rseau Ad-hoc non filaire. En effet, un rseau Ad-hoc filaire (des quipements connects avec fils) na pas beaucoup dintrt et par consquent, son utilisation est trs rare. Une application trs importante des rseaux Ad-hoc est celle de la mise en place rapide dun rseau de communication dans le cas de catastrophe majeure sur des zones dpourvues dinfrastructures ou encore dans le cas o linfrastructure existante est hors service, voire compltement dtruite. Les exemples les plus ralistes sont ceux de zones soumises des catastrophes naturelles comme les tremblements de terre, les inondations, etc. Les quipes de secours ont besoin de mettre rapidement en place un rseau de communication pour coordonner les recherches, les informations logistiques, voire dsenclaver les populations isoles en leur offrant rapidement un moyen de communication. Une autre application concerne le domaine militaire, puisquun tel rseau peut tre utilis pour assurer la liaison entre les diffrentes units dune arme. Vu les caractristiques et les limitations quengendre un rseau Ad-hoc, plusieurs problmes ont t poss pour ce type de rseaux : problme dacheminement de linformation, problme de sources dnergies (capacit des batteries), linteroprabilit avec dautres types de rseaux, etc. Nous nous sommes intresss aux problmatiques poses par le routage dans ce type de rseaux et aux solutions proposes.

1.2.1 Classification des protocoles de routage Ad-hocSuivant la mthode de cration et la maintenance des routes lors de lacheminement des paquets, les protocoles de routage dans les rseaux Ad-hoc peuvent tre classs en trois catgories : proactifs, ractifs et hybrides.

a) Protocoles de routage proactifsIls sont bass sur le mme principe de routage que les rseaux filaires. Les routes dans ce type de routage sont calcules lavance. Chaque nud met jour plusieurs tables de routage par change de paquets de contrle entre voisins. En effet, si un nud veut communiquer avec un autre, il a la possibilit de consulter localement la table de routage et de crer le chemin dont il a besoin. Le besoin de conserver et de contrler la validit des tables de routages en permanence (comprenant en outre des informations qui ne seront sans doute pas utilises) est le principal inconvnient des protocoles proactifs. Par contre, ils prsentent limportant avantage de ne ncessiter aucun dlai avant de transmettre un paquet puisque la route est dj connue. OLSR [ (2), (3)] et FSR [ (4), (5)] sont deux exemples de protocoles proactifs que nous dcrirons plus tard.

b) Protocoles de routages ractifsContrairement aux protocoles proactifs, les protocoles ractifs ne calculent la route que sur demande. Si un nud source a besoin denvoyer un message un nud destination, alors il envoie une requte tous les membres de rseau. Aprs la rception de la requte, le nud destination envoie un message rponse qui remonte vers la source (mthode Backward Learning (6)). Cependant, le routage la demande gnre une lenteur cause de la recherche des routes. Cela

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Les rseaux Ad-hoc peut entraner une dgradation des performances des applications. Ce type de protocole prsente linconvnient dtre trs coteux en transmission de paquets lors de la dtermination des routes mais a lavantage de ne pas avoir maintenir des informations inutilises dans les tables de routage. AODV (6) et DSR [ (7), (8)] sont deux exemples de protocoles ractifs qui seront dcrits ultrieurement.

c) Protocoles de routage hybridesLes protocoles de routages hybrides ou mixtes combinent les deux types de routages prcdents (proactif et ractif). Le protocole proactif est appliqu dans un primtre rduit autour de la source (nombre limit de voisins), tandis que le protocole ractif est appliqu au del de ce primtre (les voisins lointains). Cette combinaison est ralise dans le but dexploiter les avantages de chaque mthode et de contourner leurs limitations. ZRP et CBRP (9), sont deux exemples de protocoles hybrides que nous dcrirons plus tard.

1.2.2 Mthodes utilises par les protocoles de routage Ad-hocLe protocole de routage doit garder la trace des changements sur le rseau et doit partager ces changements avec des nuds dans le rseau. La plupart des protocoles de routage Ad-hoc utilise deux mthodes majeures : vecteur de distance (Distance Vector) et tat de lien (Link State). Par la suite, nous dtaillerons chaque mthode, prsentant ses avantages et ses inconvnients, et nous raliserons une comparaison entre les deux.

a) Distance Vector (DV)Les protocoles de routage base de la mthode DV [ (10), (11)] tablissent une table de routage recensant le cot de chacune des routes du rseau puis transmettent cette table priodiquement aux nuds voisins. Au dbut, chaque nud dtecte ses voisins directs et construit sa propre table de routage puis il la diffuse ses voisins. Les tables sont mises jour en fonction des informations reues (ajout et modification dune entre) et convergent jusqu ce que la structure du rseau travers ces tables se stabilise. Chaque entre de la table de routage est un triplet (nud destinataire, nud suivant, mtrique) o la mtrique est le cot de la route pour atteindre le nud destinataire en passant par le nud suivant. La mtrique utilise peut tre le nombre de sauts, le dlai dacheminement, le nombre total de paquets en file dattente pour ce parcours, ou un critre semblable (12). Les mises jour rgulires entre les nuds permettent de communiquer les modifications de topologie. Les protocoles de routage vecteur de distance sont conus pour tre excuts sur de petits rseaux (en gnral moins de 100 nuds). DV utilise lalgorithme Bellman-Ford (13) pour calculer le meilleur chemin. Ces protocoles sont gnralement plus faciles configurer et exigent moins de maintenance que les protocoles utilisant la mthode dtat de lien. Si un nud tombe en panne, il nmet plus priodiquement. Ses voisins sen rendent compte et mettent leur mtrique pour ce nud linfini. La construction des tables de routage est ralise par vagues, de manire distribue, ce qui peut

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Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques entraner des boucles de routage. Une boucle de routage est une route diffuse pour des paquets qui natteignent jamais leur destination : ils passent de faon rpte par la mme srie de nuds du rseau. Des boucles de routage peuvent se produire si la convergence lente dun rseau avec une nouvelle configuration entrane des entres de routage incohrentes. Les tables de routage ne peuvent plus assurer alors leur fonction pour une ou plusieurs destinations, et ainsi tous les paquets destins une entre errone seront transmis mais ne parviendront jamais au nud destination et circuleront sur une boucle constitue de plusieurs nuds (11). Une mtrique de mesure infinie est le rsultat dune boucle de routage qui engage les nuds incrmenter linfini la mtrique de mesure. Pour rsoudre ce problme, plusieurs mthodes ont t proposes (11) : Sequence number chaque entre de la table de routage possde un numro de squence. Par consquent, chaque nud peut rapidement distinguer lancienne route de celle nouvelle, ce qui vite la gnration de la boucle de routage (14). Maximum Count si ce compteur maximum est dfini, cela veut dire que le bouclage linfini sarrte ce nombre maximum. RIP (10) dfinit le compteur maximum 16. Route Poisoning Les nuds envoient des mises jour avec une mtrique infinie pour les routes qui deviennent invalides. Split horizon Le principe de cette technique consiste ne pas renvoyer une information incorrecte de routage vers son endroit de provenance. Holddown Timer Les holddown timers permettent de prvenir contre les mauvaises mises jour des routes invalides. Le holddown timer est dclench lorsquun timer dune route particulire est expir ou il nest plus atteint. Lorsque le holddown timer atteint le zro, la route est supprime et le nud est considr dfaillant. Triggered Update normalement, les tables de routages sont envoyes priodiquement mais un triggered update sera immdiatement envoy en rponse un changement de topologie du rseau. Ds quun nud dtecte un changement sur le rseau il envoie immdiatement une mise jour aux nuds voisins qui leur tour notifient immdiatement leurs voisins adjacents de ce changement. RIP (10), DSDV (14) et AODV (6) sont des protocoles de routage qui utilisent la mthode DV.

b) Link State (LS)Les protocoles de routage utilisant la mthode LS (15) coutent le rseau en continu afin de recenser les diffrents lments qui lentourent. Chaque nud a une vue globale du rseau reprsent par un graphe. A partir de ces informations (temps, nombre de sauts, distance relle, dlai de transmission, fiabilit, etc.), chaque nud calcule le plus court chemin ( laide de lalgorithme de Dijkstra (16)) vers les nuds du rseau et diffuse cette information sous forme de paquets de mise jour. Les protocoles tat de lien ont t conus pour pallier les limitations des protocoles de routage utilisant le vecteur de distance. Ils ont pour avantage de rpondre rapidement aux moindres changements sur le rseau en envoyant des mises jour dclenches uniquement aprs quune modification soit survenue.

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Les rseaux Ad-hoc Ds quun nud dtecte la modification dune liaison ou dune route, il cre une mise jour de routage tat de lien (LSA, link-state advertisement) concernant cette liaison. Cette mise jour LSA est ensuite transmise tous les nuds voisins. Chacun deux en prend une copie, met jour sa base de donnes (graphe) tat de lien et transmet la mise jour LSA aux autres nuds voisins. Cette diffusion de mises jour LSA est ncessaire afin que tous les nuds puissent crer des bases de donnes transcrivant de manire prcise la topologie du rseau et mettre jour leur table de routage. Les algorithmes tat de lien se servent gnralement de leurs bases de donnes (graphe) pour crer des entres dans la table de routage qui privilgient le chemin le plus court. Chaque nud construit enfin sa table de routage en calculant les plus courts chemins vers tous les autres nuds ( laide de lalgorithme de Dijkstra). OSPF [ (17), (18)] et OLSR [ (2), (3)] sont deux protocoles de routage bass sur LS.

1.2.3 Distance Vector vs Link StateIl y a deux grandes diffrences entre DV et LS. La premire est que DV change les mises jour de routage priodiquement mme sil ny a pas de changements de topologie. Cela maximise le temps de convergence et augmente les risques de boucles de routage. Dautre part, LS ne dclenche pas denvois de mises jour de routage que lors du changement de topologie. Aprs la premire inondation, des mises jour dtat des liens seront envoyes tous les autres nuds. Ceci permet de minimiser le temps de convergence et cest la raison pour laquelle il ny a aucune chance de boucles de routage. La deuxime diffrence est que dans DV, un nud se base sur les informations de ses voisins connects directement afin de calculer et daccumuler des informations sur les routes. Au contraire, dans LS, un nud ne se base pas uniquement sur linformation de ses voisins pour calculer linformation sur la route. LS a un systme de bases de donnes qui est utilis afin de calculer le meilleur chemin pour des destinations dans le rseau en utilisant lalgorithme de Dijkstra. Pour cela, DV ncessite trs peu de chargements depuis la mmoire et de puissance du processeur par rapport LS. Dans la section suivante, nous dcrirons un rseau Ad-hoc particulier : le rseau de capteurs dont les nuds possdent de faibles capacits dnergie, de stockage et de bande passante.

1.3

Les rseaux de capteurs

1.3.1 Le capteura) Modle dun instrument de mesureDans son ouvrage sur linstrumentation industrielle, llectronicien Georges Asch (19), a modlis trs prcisment la notion dinstrument de mesure, et donc celle de capteur (Figure 1.3). La grandeur physique objet de la mesure, nomme mesurande (m), est apprhende par diverses oprations exprimentales, que lon regroupe sous le terme de mesurage, qui dans un grand

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Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques nombre de cas produit un signal lectrique (s) image de la grandeur physique et de ses variations. Le capteur est le dispositif physique qui, soumis laction du mesurande, non lectrique, produit la caractristique lectrique : s=F(m). Or toutes les lois physiques interagissent au sein des matriaux, donc le capteur est obligatoirement sensible dautres grandeurs physiques, secondaires, dites grandeurs dinfluence (20). La caractristique devient alors, en tenant compte des grandeurs dinfluence g1, g2, : s=F(m, g1, g2, ...). Les principales grandeurs dinfluence sont la temprature, lacclration, les vibrations, lhumidit, les champs magntiques (20).ms

t

t

CapteurMesurande (m)

Grandeur lectrique (s)

Figure 1.3 : Fonctionnement dun capteur

Donc, un capteur est un dispositif quip de fonctionnalits de sensation avances. Il mesure ou dtecte un vnement rel, comme le mouvement, la chaleur ou la lumire et convertit la valeur mesure dans une reprsentation analogique ou numrique. Il prlve des informations et labore partir dune grandeur physique (information dentre), une autre grandeur physique de nature lectrique.

b) Le capteur intelligentLes capteurs intelligents (Smart Sensors) sont des dispositifs matriels dans lesquels coexistent le(s) capteur(s) et les circuits de traitement et de communication. Leurs relations avec des couches de traitement suprieures vont bien au-del dune simple transduction de signal . Les capteurs intelligents sont des capteurs dinformations et non pas simplement des capteurs et des circuits de traitement du signal juxtaposs. De plus, les Smart Sensors ne sont pas des dispositifs banaliss car chacun de leurs constituants a t conu dans lobjectif dune application bien spcifique (20).

1.3.2 Architecture physique dun capteur intelligentUn capteur intelligent est compos de 4 units (voir la Figure 1.4) : lunit dacquisition compose dun capteur qui obtient des mesures sur les paramtres environnementaux et dun convertisseur Analogique/Numrique qui convertit linformation releve et la transmet lunit de traitement. lunit de traitement compose dun processeur et dune mmoire intgrant un systme dexploitation spcifique (TinyOS (21), par exemple). Cette unit possde deux interfaces, une interface pour lunit dacquisition et une interface pour lunit de communication. Elle

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Les rseaux de capteurs acquiert les informations en provenance de lunit dacquisition et les envoie lunit de communication. Cette unit est charge aussi dexcuter les protocoles de communications qui permettent de faire collaborer le capteur avec dautres capteurs. Elle peut aussi analyser les donnes captes. lunit de communication unit responsable de toutes les missions et rceptions de donnes via un support de communication radio. Elle peut tre de type optique (comme dans les capteurs Smart Dust (22)), ou de type radiofrquence (MICA2 (23), par exemple). la batterie un capteur est muni dune batterie pour alimenter tous ses composants. Cependant, cause de sa taille rduite, la batterie dont il dispose est limite et gnralement irremplaable. Pour cela, lnergie est la ressource la plus prcieuse puisquelle influe directement sur la dure de vie des capteurs. Il existe des capteurs qui sont dots dautres composants additionnels comme le systme de positionnement GPS (Global Positioning System) et un mobilisateur lui permettant le dplacement. Dans le reste de notre rapport, lorsque nous parlerons de capteur nous sous-entendrons capteur intelligent avec un systme de capture et les circuits de traitement et de communication.

ProcesseurUnit dacquisition

MmoireUnit de traitement

Unit de communication

BatterieFigure 1.4 : Architecture physique dun capteur intelligent

1.3.3 Caractristiques principales dun capteurDeux entits sont fondamentales dans le fonctionnement dun capteur : lunit dacquisition qui est le cur physique permettant la prise de mesure et lunit de communication qui ralise la transmission de celle-ci vers dautres dispositifs lectroniques. Ainsi, fonctionnellement chaque capteur possde un rayon de communication (Rc) et un rayon de sensation (Rs). La Figure 1.5 montre les zones dfinies par ces deux rayons pour le capteur A. La zone de communication est la zone o le capteur A peut communiquer avec les autres capteurs (le capteur B dans la Figure 1.5). Dautre part, la zone de sensation est la zone o le capteur A peut capter lvnement ( (24), (25)).

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Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques

Rs

B C

Rc

A

Zone de communication

Zone de sensation

Figure 1.5 : Rayons de communication et de sensation dun capteur

En effet, pour quun capteur ait une porte de communication suffisamment grande, il est ncessaire dutiliser un signal assez puissant. Cependant, lnergie consomme serait importante (26). Il existe dans le monde plusieurs fabricants de capteurs. Nous citerons Crossbow, Cisco, Dalsa, EuroTherm, et Sens2B. Parmi ces capteurs, il existe quelques uns qui sont capables de varier la puissance du signal mis afin dlargir/rduire le rayon de communication et en consquence la zone de communication. La Figure 1.6 montre un capteur intelligent MICA2 fabriqu par Crossbow (27).

Figure 1.6 : Exemple de capteur intelligent MICA2 de Crossbow

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Les rseaux de capteurs

1.3.4 Dfinition dun rseau de capteurs sans filLes rseaux de capteurs sans fil (WSNs2) sont un type particulier de rseau Ad-hoc, dans lesquels les nuds sont des capteurs intelligents . Ils se composent gnralement dun grand nombre de capteurs communicants entre eux via des liens radio pour le partage dinformation et le traitement coopratif. Dans ce type de rseau, les capteurs changent des informations par exemple sur lenvironnement pour construire une vue globale de la rgion contrle, qui est rendue accessible lutilisateur externe par un ou plusieurs nud(s). Les donnes collectes par ces capteurs sont achemines directement ou via les autres capteurs de proche en proche un point de collecte , appel station de base (ou SINK sil sagit dun nud). Cette dernire peut tre connecte une machine puissante via internet ou par satellite. En outre, lutilisateur peut adresser ses requtes aux capteurs en prcisant linformation dintrt.

Internet, satellite,

Station de base Zone dintrt

Utilisateur

Station de base

Capteur

Figure 1.7 : Exemple de rseau de capteurs

Un exemple de rseaux de capteurs est fourni dans la Figure 1.7 : les capteurs sont dploys dune manire alatoire dans une zone dintrt, et une station de base, situe lextrmit de cette zone, est charge de rcuprer les donnes collectes par les capteurs. Lorsquun capteur dtecte un vnement pertinent, un message dalerte est envoy la station de base par le biais dune communication entre les capteurs. Les donnes collectes sont traites et analyses par des machines puissantes. Les rseaux de capteurs viennent en soutien de lenvironnement et de lindustrie grce aux rcents dveloppements raliss dans le domaine des techniques sans fils. Depuis quelques dcennies, le besoin dobserver et de contrler des phnomnes physiques tels que la temprature, la pression ou encore la luminosit est essentiel pour de nombreuses applications industrielles et scientifiques.

2

Wireless Sensor Networks

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Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques

a) Domaines dapplication des rseaux de capteursLa miniaturisation des capteurs, le cot de plus en plus faible, la large gamme des types de capteurs disponibles ainsi que le support de communication sans fil utilis, permettent aux rseaux de capteurs de se dvelopper dans plusieurs domaines dapplication. Ils permettent aussi dtendre les applications existantes. Les rseaux de capteurs peuvent se rvler trs utiles dans de nombreuses applications lorsquil sagit de collecter et de traiter des informations provenant de lenvironnement. Parmi les domaines o ces rseaux peuvent offrir les meilleures contributions, nous citons les domaines : militaire, surveillance, environnemental, mdical, domestique, commercial, etc. (28).

Applications militairesLe faible cot et le dploiement rapide sont des caractristiques qui ont rendu les rseaux de capteurs efficaces pour les applications militaires. Plusieurs projets ont t lancs pour aider les units militaires dans un champ de bataille et protger les villes contre des attaques, telles que les menaces terroristes. Le projet DSN (Distributed Sensor Network) (29) au DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) tait lun des premiers projets dans les annes 80 ayant utilis les rseaux de capteurs pour rassembler des donnes distribues. Les chercheurs du laboratoire national Lawrence Livermore ont mis en place le rseau WATS (Wide Area Tracking System) (30). Ce rseau est compos de dtecteurs des rayons gamma et des neutrons pour dtecter et dpister les dispositifs nuclaires. Il est capable deffectuer la surveillance constante dune zone dintrt. Il utilise des techniques dagrgation de donnes pour les rapporter un centre intelligent. Ces chercheurs ont mis en place ensuite un autre rseau appel JBREWS (Joint Biological Remote Early Warning System) (31) pour avertir les troupes dans le champ de bataille des attaques biologiques possibles. Un rseau de capteurs peut tre dploy dans un endroit stratgique ou hostile, afin de surveiller les mouvements des forces ennemies, ou analyser le terrain avant dy envoyer des troupes (dtection des armes chimiques, biologiques ou radiations). Larme amricaine a ralis des tests dans le dsert de Californie.

Applications la surveillanceLapplication des rseaux de capteurs dans le domaine de la scurit peut diminuer considrablement les dpenses financires consacres la scurisation des lieux et des tres humains. Ainsi, lintgration des capteurs dans de grandes structures telles que les ponts ou les btiments aidera dtecter les fissures et les altrations dans la structure suite un sisme ou au vieillissement de la structure. Le dploiement dun rseau de capteurs de dtection de mouvement peut constituer un systme dalarme qui servira dtecter les intrusions dans une zone de surveillance.

Applications environnementalesLe contrle des paramtres environnementaux par les rseaux de capteurs peut donner naissance plusieurs applications. Par exemple, le dploiement des thermo-capteurs dans une fort peut aider dtecter un ventuel dbut de feu et par suite faciliter la lutte contre les feux de fort avant leur propagation. Le dploiement des capteurs chimiques dans les milieux urbains peut aider

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Les rseaux de capteurs dtecter la pollution et analyser la qualit dair. De mme leur dploiement dans les sites industriels empche les risques industriels tels que la fuite de produits toxiques (gaz, produits chimiques, lments radioactifs, ptrole, etc.). Dans le domaine de lagriculture, les capteurs peuvent tre utiliss pour ragir convenablement aux changements climatiques par exemple le processus dirrigation lors de la dtection de zones sches dans un champ agricole. Cette exprimentation a t ralise par Intel Research Laboratory and Agriculture and Agri-Food Canada sur une vigne British Columbia.

Applications mdicalesDans le domaine de la mdecine, les rseaux de capteurs peuvent tre utiliss pour assurer une surveillance permanente des organes vitaux de ltre humain grce des micro-capteurs qui pourront tre avals ou implants sous la peau (surveillance de la glycmie, dtection de cancers, etc.). Ils peuvent aussi faciliter le diagnostic de quelques maladies en effectuant des mesures physiologiques telles que : la tension artrielle, battements du cur, etc. laide des capteurs ayant chacun une tche bien particulire. Les donnes physiologiques collectes par les capteurs peuvent tre stockes pendant une longue dure pour le suivi dun patient (32). Dautre part, ces rseaux peuvent dtecter des comportements anormaux (chute dun lit, choc, cri, etc.) chez les personnes dpendantes (handicapes ou ges).

Applications domestiquesAvec le dveloppement technologique, les capteurs peuvent tre embarqus dans des appareils, tels que les aspirateurs, les fours micro-ondes, les rfrigrateurs, les magntoscopes, etc. (33). Ces capteurs embarqus peuvent interagir entre eux et avec un rseau externe via Internet pour permettre un utilisateur de contrler les appareils domestiques localement ou distance. Le dploiement des capteurs de mouvement et de temprature dans les futures maisons dites intelligentes permet dautomatiser plusieurs oprations domestiques telles que : la lumire steint et la musique sarrte quand la chambre est vide, la climatisation et le chauffage sajustent selon les points multiples de mesure, lalarme est dclenche par le capteur anti-intrusion quand un tranger veut pntrer dans la maison.

Applications commercialesIl est possible dintgrer des capteurs au processus de stockage et de livraison dans le domaine commercial. Le rseau ainsi form pourra tre utilis pour connatre la position, ltat et la direction dun paquet. Il devient alors possible pour un client qui attend la rception dun paquet, davoir un avis de livraison en temps rel et de connatre la localisation actuelle du paquet. Pour les entreprises manufacturires, les rseaux de capteurs permettront de suivre le procd de production partir des matires premires jusquau produit final livr. Grce aux rseaux de capteurs, les entreprises pourraient offrir une meilleure qualit de service tout en rduisant leurs cots (34).

b) Caractristiques des rseaux de capteurs sans filUn rseau de capteurs prsente les caractristiques suivantes :

33

Rseaux Ad-hoc et rseaux de capteurs : principes et caractristiques absence dinfrastructure les rseaux Ad-hoc en gnral, et les rseaux de capteurs en particulier se distinguent des autres rseaux par la proprit dabsence dinfrastructure prexistante et de tout genre dadministration centralise. taille importante un rseau de capteurs peut contenir des milliers de nuds. interfrences les liens radio ne sont pas isols, deux transmissions simultanes sur une mme frquence, ou utilisant des frquences proches, peuvent interfrer. topologie dynamique les capteurs peuvent tre attachs des objets mobiles qui se dplacent dune faon libre et arbitraire rendant ainsi la topologie du rseau frquemment changeante. scurit physique limite les rseaux de capteurs sans fil sont plus touchs par le paramtre de scurit que les rseaux filaires classiques. Cela se justifie par les contraintes et limitations physiques qui font que le contrle des donnes transfres doit tre minimis. bande passante limite une des caractristiques primordiales des rseaux bass sur la communication sans fil est lutilisation dun mdium de communication partag. Ce partage fait que la bande passante rserve un nud est limite. contrainte dnergie, de stockage et de calcul - la caractristique la plus critique dans les rseaux de capteurs est la modestie de ses ressources nergtiques car chaque capteur du rseau possde de faibles ressources en termes dnergie (batterie). Afin de prolonger la dure de vie du rseau, une minimisation des dpenses nergtiques est exige chez chaque nud. Ainsi, la capacit de stockage et la puissance de calcul sont limites dans un capteur.

1.3.5 Enjeux particuliers dans les rseaux de capteursDans cette section, nous dcrirons deux enjeux fondamentaux dans les rseaux de capteurs : le routage et la structuration des rseaux. Le routage permet lacheminement des informations vers une destination donne travers un rseau de connexion. Le problme de routage consiste dterminer un acheminement optimal des paquets travers le rseau au sens dun certain critre de performance comme la consommation nergtique. Le problme consiste trouver linvestissement de moindre cot qui assure le routage du trafic nominal et garantit la qualit de service. Le problme qui se pose dans le contexte des rseaux de capteurs est ladaptation de la mthode dacheminement utilise avec le grand nombre de nuds existant dans un environnement caractris par de changements de topologies, de modestes capacits de calcul, de sauvegarde, et dnergie. Toute conception de protocole de routage implique ltude des problmes suivants : Minimiser la charge du rseau en optimisant le nombre denvois et de rceptions des paquets. Cette minimisation aboutit une consommation nergtique minimale et une longue dure de vie du rseau. Offrir un support pour pouvoir effectuer des communications multi-sauts fiables.

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Les rseaux de capteurs Assurer un routage optimal si possible. Offrir une bonne qualit concernant les temps de latence. Auto organiser le rseau ceci peut tre ncessaire dans plusieurs cas. Un rseau comportant un grand nombre de nuds placs dans des endroits hostiles o la configuration manuelle nest pas faisable doit tre capable de sauto-organiser. Un autre cas est celui o un nud est insr ou retir ( cause dun manque dnergie ou destruction physique). Ainsi le rseau doit tre capable de se reconfigurer pour continuer son fonctionnement. En gnral, le routage dans les rseaux de capteurs peut tre class, selon la structure du rseau, en routage plat et routage hirarchique. Dans le routage plat, tous les nuds ont typiquement les mmes rles et fonctionnalits. Cependant, le routage hirarchique est ralis plusieurs niveaux dans le sens o la vision du rseau est rduite. Certains nuds peuvent jouer des rles particuliers dans le rseau afin de router les informations. Notre intrt sest focalis sur les protocoles hirarchiques. Ces protocoles, proposs lorigine pour les rseaux filaires, sont des techniques bien connues avec des avantages particuliers lis la scalabilit3 et la communication efficace. Le concept de routage hirarchique est aussi utilis pour assurer une efficacit nergtique dans les WSNs. Dans une architecture hirarchique, les nuds qui disposent dune ressource nergtique importante peuvent tre utiliss pour traiter et envoyer les informations tandis que les nuds dnergie basse peuvent tre utiliss pour excuter la capture dinformation dans la proximit de la cible. Le routage hirarchique est une faon de minimiser la consommation nergtique du systme en rduisant la vision globale du rseau en une vision locale dans chaque nud. Ceci aboutit une prolongation de la vie du rseau en entier.

1.4

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons dfini et dcrit brivement ce quest un rseau Ad-hoc et ses caractristiques ainsi quun rseau de capteurs sans fil qui est un type particulier de rseau Ad-hoc. Nous avons dcrit le capteur, ses fonctionnalits et son architecture. Nous avons cit les caractristiques dun rseau de capteurs et prsent quelques applications. Nous avons aussi mis laccent sur le routage et la structuration virtuelle dun rseau qui sont des points essentiels que nous dvelopperons dans la suite de ce document. La classification des protocoles de routage Ad-hoc a t galement dcrite ainsi que des mthodes utilises par ces protocoles (Distance Vector et Link State). Dans la suite, nous prsenterons plusieurs protocoles de routage utiliss dans les rseaux Ad-hoc et de capteurs qui partagent des caractristiques identiques.

3

Aptitude dun systme de conserver ses proprits fonctionnelles malgr un changement de taille

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[CONCEPTION DUN PROTOCOLE DE ROUTAGE HIERARCHIQUE POUR LES RESEAUX DE CAPTEURS]

Chapitre 2. Protocoles de routage dans les rseaux de capteurs

2.1

Introduction

Le routage est une mthode dacheminement des informations vers une destination donne dans un rseau de connexion. Comme nous lavons dj vu, larchitecture des rseaux Ad-hoc est caractrise par labsence dinfrastructure fixe prexistante, linverse des rseaux de tlcommunication classiques. Un rseau Ad-hoc doit sorganiser automatiquement de faon tre dploy rapidement et pouvoir sadapter aux conditions du trafic et aux diffrents mouvements pouvant intervenir au sein des nuds mobiles. Dans le but dassurer la connectivit du rseau, malgr labsence dinfrastructure fixe, chaque nud est susceptible dtre mis contribution pour participer au routage et pour retransmettre les paquets dun nud qui nest pas en mesure datteindre sa destination directement ; tout nud joue ainsi le rle de poste de travail et de routeur. Cest le cas du rseau de capteurs qui est un rseau Ad-hoc avec des contraintes plus fortes dnergie, de capacit, de calcul et de stockage. Chaque nud participe donc au routage ce que lui permet de dcouvrir les chemins existants afin datteindre les autres nuds du rseau. Le fait que la taille dun rseau puisse tre importante, surtout dans le cas des rseaux de capteurs, souligne que les techniques de routage dans les rseaux classiques ncessitent des modifications. Le problme qui se pose dans le contexte de ces rseaux est ladaptation de la mthode dacheminement utilise un grand nombre de nuds possdant de modestes capacits de calculs et de sauvegarde et parfois prsentant des changements de topologie. Il est impossible quun nud puisse garder les informations de routage concernant tous les autres nuds, car le rseau peut tre volumineux. Ce problme ne se pose pas dans le cas des rseaux de petites tailles, car linondation (la diffusion pure qui fait propager un paquet dans le rseau entier)

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Protocoles de routage dans les rseaux de capteurs faite pour ce but dans ces rseaux nest pas coteuse ; par contre dans un rseau volumineux, le manque de donnes de routage concernant les destinations peut impliquer une large diffusion dans le rseau. Cela si on considre seulement la phase de dcouverte des routes - peut dgrader considrablement les performances du systme caractris principalement par une faible bande passante et une capacit nergtique limite. Dans le cas o le nud destination se trouve dans la porte de communication du nud source, le routage devient vident et aucun protocole de routage nest initi, ce quon appelle envoi direct ou un seul saut. Mais ce cas est gnralement rare dans les rseaux Ad-hoc et les rseaux de capteurs. Un nud source peut avoir besoin de transfrer des donnes un autre nud qui ne se trouve pas dans sa porte de communication. La Figure 2.1 montre un exemple dun rseau constitu de quatre nuds. Le nud A envoie directement un paquet B sans besoin de routage puisque B est dans la porte de communication de A (envoi direct). Dailleurs, si le nud A veut envoyer un paquet au nud D, il doit utiliser les services des nuds intermdiaires B et C puisque le nud D nest pas dans la porte de A. A envoie le paquet B ; B transmet le paquet C ; C, son tour, transmet le paquet au nud D. Cette technique est appele routage multi-sauts (multi-hops).

A

B

C

D

Figure 2.1 : Communication multi-sauts entre A et D

Dans la suite, nous dcrirons des protocoles de routage dans les rseaux Ad-hoc et de capteurs. Nous les prsenterons sous deux catgories : hirarchique et non hirarchique (ou plat).

2.2

Protocoles de routage non hirarchiques

2.2.1 IntroductionLobjectif principal dun protocole de routage pour un rseau Ad-hoc est ltablissement correct et efficace ditinraires entre une paire de nuds afin que des messages puissent tre achemins. Le protocole de routage permet aux nuds de se connecter directement les uns aux autres pour

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Protocoles de routage non hirarchiques relayer les messages par des sauts multiples. Par la suite, nous prsenterons un tat de lart des principaux protocoles de routage plat (non hirarchique) dans les rseaux Ad-hoc car la prsentation de ces protocoles nous permettra de mieux analyser lavantage de lapproche hirarchique surtout dans les grands rseaux. Malgr que notre intrt se focalise sur les protocoles hirarchiques, nous avons rdig cet tat de lart parce quun rseau de capteurs partage forcment des caractristiques et des contraintes des rseaux Ad-hoc quil faut prendre en compte lors dune proposition dun protocole de routage.

2.2.2 DSDV (Destination Sequenced Distance Vector)DSDV (14) est un protocole proactif de routage vecteur de distance. Chaque nud du rseau maintient une table de routage contenant le saut suivant et le nombre de sauts pour toutes les destinations possibles. Des diffusions de mises jour priodiques tendent maintenir la table de routage compltement actualise tout moment. Afin dviter le bouclage (loop-freedom), DSDV utilise les numros de squence (Sequence Number, voir la section 1.2.2 a) 1.2.2 ) pour indiquer la nouveaut dune route. Une route R est considre plus favorable quune autre R, si R a un numro de squence plus grand ; si ces deux routes ont le mme numro de squence, alors R est plus favorable sil possde un nombre infrieur de sauts. Le numro de squence pour une route est initialis par le nud metteur et incrment pour chaque nouvel avertissement de route. Quand un nud dtecte un lien bris vers une destination D, il met jour le nombre de sauts pour lentre de la destination D dans sa table avec la valeur infini et incrmente son numro de squence. Les boucles de routes peuvent survenir lorsque des informations incorrectes de routage sont prsentes dans le rseau aprs un changement dans la topologie du rseau (lien bris par exemple). Dans ce contexte, lutilisation des numros de squence adapte DSDV une topologie dynamique de rseau comme dans un rseau Ad-hoc. DSDV utilise des mises jour tiquetes lorsque la topologie change. La transmission des mises jour est retarde afin dintroduire un effet damortissement quand la topologie change rapidement. Ainsi DSDV permet une adaptation aux rseaux Ad-hoc mobiles (MANET).

2.2.3 GSR (Global State Routing)Le protocole GSR (35) est un protocole similaire au protocole DSDV dcrit prcdemment. Ce protocole utilise les ides du routage bas sur ltat des liens (Link State, LS), et les amliore en vitant le mcanisme inefficace dinondation des messages de routage. GSR utilise une vue globale de la topologie du rseau, comme cest le cas dans les protocoles bass sur LS. Le protocole utilise aussi une mthode, appele la mthode de dissmination, utilise dans le DBF (Distributed Bellman-Ford (13)). Dans ce protocole, chaque nud ni maintient : une liste de voisins Vi, une table de topologie TTi, une table des nuds suivants NEXTi (Next Hop), et une table de distance Table_Di. La table de la

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Protocoles de routage dans les rseaux de capteurs topologie TTi, contient pour chaque destination, linformation de ltat des liens telle quelle a t envoye par la destination, et une estampille de linformation. Pour chaque nud destination j, la table NEXTi contient le nud vers lequel les paquets destins j seront envoys. La table de distance contient la plus courte distance pour chaque nud destination. De la mme manire que les protocoles LS, les messages de routage sont gnrs suivant les changements dtats des liens. Lors de la rception dun message de routage, le nud met jour sa table de topologie (reprsente par un graphe dans LS) et cela dans le cas o le numro de squence du message reu est suprieur la valeur du numro de squence sauvegard dans la table (exactement comme le fait le protocole DSDV). Par la suite, le nud reconstruit sa table de routage et diffuse les mises jour ses voisins. Le calcul des chemins peut se faire avec nimporte quel algorithme de recherche des plus courts chemins. Par exemple, dans (35), lalgorithme du GSR utilise lalgorithme de Dijkstra modifi de telle faon quil puisse construire la table des nuds suivants (NEXT HOP) et la table de distance Table_D, en parallle avec la construction de larbre des plus courts chemins (larbre dont la racine est le nud source). La principale modification de GSR sur lalgorithme LS traditionnel, est la faon de diffusion des informations de routage qui circulent dans le rseau. Dans LS, si on dtecte des changements de topologie, les paquets dtats de liens sont gnrs et diffuss par inondation dans tout le rseau. Par contre, GSR maintient la table - la plus rcente - dtat des liens reus travers les voisins, et lchange uniquement avec ses voisins locaux, dune faon priodique.

2.2.4 FSR (Fisheye State Routing)Le protocole FSR [ (4), (5)] peut tre vu comme une amlioration du protocole GSR prsent prcdemment. Le nombre lev de messages de mise jour changs implique une grande consommation de la bande passante, ce qui a un effet ngatif dans les rseaux Ad-hoc caractriss par une bande passante limite. Le protocole FSR est bas sur lutilisation de la technique "il de poisson" (fisheye), propose par Kleinrock et Stevens (36) qui lont utilise dans le but de rduire le volume dinformation ncessaire pour reprsenter les donnes graphiques. Lil de poisson capture, avec prcision, les points proches du point focal. La prcision diminue quand la distance sparant le point vu et le point focal augmente (36). Dans le contexte du routage, lapproche du fisheye matrialise, pour un nud, le maintien des donnes concernant la prcision de la distance et la qualit du chemin dun voisin direct, avec une diminution progressive, du dtail et de la prcision, quand la distance augmente. Le protocole FSR est similaire LS, dans sa sauvegarde de la topologie au niveau de chaque nud. La modification principale rside dans la manire avec laquelle les informations de routage circulent. Dans FSR, la diffusion par inondation de messages nexiste pas. Lchange se fait uniquement avec les voisins directs. Les donnes de mise jour, changes priodiquement dans FSR, ressemblent au vecteur chang dans le protocole DSDV, o les distances sont modifies suivant lestampille du temps ou le numro de squence associ au nud qui a t lorigine de la mise jour. Dans FSR (comme dans LS) les tats de liens sont changs, limage complte de la topologie du rseau est garde au

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Protocoles de routage non hirarchiques niveau de chaque nud, et les meilleurs chemins sont changs en utilisant cette image. Comme nous lavons dj dit, ltat des liens change frquemment dans les rseaux Ad-hoc. FSR effectue la mise jour de ces changements de la mme manire que le protocole GSR; ce qui rsout les problmes de LS concernant le volume de paquets de contrle. Avec GSR, et quand la taille du rseau devient trs grande, les messages de mise jour peuvent consommer une bande passante considrable. Afin de rduire le volume de messages changs sans toucher la consistance et la prcision des donnes de routage, FSR utilise la technique il de poisson vue prcdemment. La Figure 2.2 illustre cette technique. Dans cette figure, on dfinit la porte, ou le champ de vision de lil de poisson, avec un nud du centre didentificateur gal 1. La porte est dfinie en termes de nuds qui peuvent tre atteints en passant par un certain nombre de sauts. Dans la Figure 2.2, trois portes sont montres pour 1, 2 et suprieures 2 respectivement. En consquence, les nuds sont colors en noir, gris et blanc. Le nombre de niveaux et le rayon de chaque porte va dpendre de la taille du rseau. Le nud de centre (le nud 1) maintient les donnes les plus prcises des nuds appartenant au cercle le plus proche ; la prcision diminue progressivement, pour les cercles moins proches du centre.Saut = 129 2812

Saut = 225

Saut > 2

10 24 11 27

2

5 4 1 6 716 21 923

14

3

2617 20 13

15

30 19 22

Figure 2.2 : Technique "il de poisson" dans le protocole FSR

La rduction du volume des donnes de mise jour est obtenue en utilisant des priodes dchanges diffrentes pour les diffrentes entres de la table. Les entres qui correspondent aux nuds les plus proches sont envoyes aux voisins avec une frquence leve (donc avec une priode dchange relativement petite). Par exemple, les entres des nuds en gras (voir la Figure 2.2) sont changes frquemment. Le reste des entres est chang avec une frquence moins leve. De cette manire, un grand nombre dchanges de donnes de routage est vit, ce qui rduit le volume des messages qui circulent dans le rseau.

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Protocoles de routage dans les rseaux de capteurs Cette stratgie fournit priodiquement des mises jour pour les nuds proches mais elle cre de grandes latences pour celles des nuds loigns. Cependant, limprcision sur le meilleur chemin vers une destination lointaine est minimise par le fait que la route devient plus prcise lorsque le paquet sapproche de la destination. Le protocole FSR peut tre utilis dans les rseaux Ad-hoc dont le nombre de nuds est grand. Le protocole utilise un volume raisonnable de messages de contrle. En outre, il vite le travail norme de recherche de chemins, effectu dans les protocoles ractifs ; ceci acclre la transmission. De plus, FSR maintient des calculs prcis concernant les destinations proches. Malgr ses avantages, FSR ne rpond pas aux contraintes des rseaux de capteurs (surtout la contrainte dnergies).

2.2.5 AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector)AODV (6) est un protocole vecteur de distance, comme DSDV, mais il est ractif plutt que proactif comme DSDV. En effet, AODV ne demande une route que lorsqu il en a besoin. AODV utilise les numros de squence dune faon similaire DSDV pour viter les boucles de routage et pour indiquer la nouveaut des routes. Une entre de la table de routage contient essentiellement ladresse de la destination, ladresse du nud suivant, la distance en nombre de sauts (i.e. le nombre de nuds ncessaires pour atteindre la destination), le numro de squence destination, le temps dexpiration de chaque entre dans la table. Lorsquun nud a besoin de trouver une route vers une destination dont lentre dans la table de routage nexiste pas ou est expire, il diffuse un message de demande de route (Route Request message, RREQ) tous ses voisins. Le message RREQ est diffus travers le rseau jusqu atteindre la destination. Durant son parcours travers le rseau, le message RREQ ralise la cration des entres temporaires des tables de routage pour la route inverse des nuds travers lesquels il passe. Si la destination, ou une route vers elle, est trouve, une route est rendue disponible en envoyant un message rponse de route (Route Reply, RREP) au nud source. Cette rponse de route traverse le long du chemin temporaire invers du message RREQ. Dans son chemin de retour vers la source, RREP introduit la cration des entres pour la destination dans les tables de routage des nuds intermdiaires. Les entres de routage expirent aprs une certaine priode (time-out). Prcisons que le protocole AODV ne supporte que les liens symtriques dans la construction des chemins inverses.

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Protocoles de routage non hirarchiques

Figure 2.3 : Fonctionnement de la procdure de demande de route dans AODV

La Figure 2.3 illustre le mcanisme de cration des routes dAODV. Il y a dabord diffusion de la demande de route. Ensuite, la destination envoie une rponse, qui, grce aux informations recueillies par les nuds lors de la diffusion de la demande de route, cre une route de la destination vers la source. A noter que le protocole de routage AODV nassure pas la dtection du meilleur chemin existant entre la source et la destination. Les nuds voisins sont dtects par des messages priodiques HELLO (un message particulier de RREP). Si un nud x ne reoit pas un message HELLO dun voisin y par lequel il envoie des donnes, ce lien est considr bris et une indication de dfaillance de lien est envoye ses voisins actifs. Ces derniers propagent lindication leurs voisins qui utilisaient le lien entre x et y. Lorsque le message du lien bris atteint finalement les sources affectes, celles-ci peuvent choisir darrter lenvoi des donnes ou de demander une nouvelle route en envoyant un nouveau message RREQ.

2.2.6 DSR (Dynamic Source Routing)DSR [ (7), (8)] est un protocole de routage ractif qui utilise le routage de source afin denvoyer des paquets de donnes. Dans ce type de routage, les enttes des paquets de donnes portent la squence des nuds travers lesquels le paquet doit passer. Ceci signifie que les nuds intermdiaires ont