Localisation de ressources dans les réseaux ad hoc

Abstract

Le nombre croissant des terminaux (PDAs, ordinateurs portables, téléphones) et l'expansion des réseaux sans fil (GSM, GPRS, UMTS, WLAN, Bluetooth) témoignent de la demande croissante des utilisateurs pour un accès à des ressources telles que des données ou des services applicatifs, à tout moment, et, n'importe où. Dans ce contexte, les réseaux ad hoc peuvent jouer un rôle important puisqu'ils ne nécessitent pas d'infrastructures pour communiquer, ils peuvent également être utilisés lorsque le déploiement d'infrastructures est coûteux ou sans objet, ou encore pour accroître la portée des réseaux à base d'infrastructure. De plus ces réseaux ad hoc peuvent opérer de façon autonome ou être connectés à d'autres types de réseaux afin de fournir à l'utilisateur un accès vers un ensemble plus important de ressources. Dans les réseaux filaires ou sans fil basés sur des infrastructures, les solutions proposées afin de localiser les ressources se basent majoritairement sur un répertoire centralisant les informations relatives aux ressources du réseau. Ces solutions sont inexploitables dans les réseaux ad hoc en raison du manque de connectivité induit notamment par les changements de topologie du réseau, et par l'épuisement des réserves énergétiques des batteries. Les solutions proposées pour les réseaux ad hoc se basent quant à elle sur des techniques de diffusion coûteuses, en terme de bande passante, et conduisent à surcharger le réseau. Cette inefficacité des solutions existantes demeure l'un des freins majeurs au développement d'applications pour les réseaux sans fil intégrant des réseaux ad hoc. L'objectif de cette thèse est d'offrir une localisation efficace des ressources afin de garantir un accès transparent aux ressources disponibles dans un environnement intégrant des réseaux ad hoc. Tout d'abord, cette thèse présente les travaux de recherche portant sur la localisation des terminaux et des ressources dans un réseau ad hoc. Nous introduisons ensuite les techniques que nous proposons pour effectuer une localisation des ressources adaptée aux caractéristiques des réseaux ad hoc (e.g., densité des nœuds, surface du réseau), et cela afin de limiter le trafic généré par cette localisation. Ceci nous conduit notamment à aborder distinctement la localisation de ressources dans les réseaux ad hoc à petite et large échelle. La première approche que nous proposons est entièrement distribuée. Les terminaux coopèrent ensemble afin de localiser des ressources sur le réseau. De plus, ce protocole inclut des techniques de caching et de préchargement afin d'améliorer les performances lors de la localisation et lors de l'accès aux ressources. Afin d'effectuer une localisation efficace des ressources dans un réseau ad hoc à grande échelle, nous introduisons une solution semi-distribuée basée sur un ensemble de répertoire déployés dynamiquement sur le réseau ad hoc (ou possiblement hybride). Ces contributions sont complétées par une évaluation des performances incluant une étude théorique et pratique basée sur des simulations et des expérimentations. Enfin, nous présentons une mise en œuvre de notre protocole de localisation de ressources dans le contexte des services Web. Cet intergiciel supporte un accès ubiquitaire à des services Web mobiles en se basant sur une découverte dynamique des instances de services Web présentes dans l'environement.

Full text

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Numéro d’ordre :
de la thèse



THÈSE

présentée

DEVANT L’UNIVERSITÉ PARIS VI

pour obtenir

le grade de : DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PARIS VI

mention : informatique

PAR

Françoise SAILHAN


Équipe d’accueil : Projet Arles, INRIA
École doctorale : Informatique, télécommunication et électronique
Composante universitaire : LIP6



TITRE DE LA THÈSE :

LOCALISATION DE RESSOURCES DANS LES RÉSEAUX AD HOC


Devant la commission d’examen


Pierre Sens, Président
Eric Fleury, Rapporteur
David Simplot-Ryl, Rapporteur
Titos Saridakis, Examinateur
Valérie Issarny, Directrice de thèse

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Remerciements

Je souhaite remercier Pierre Sens, Professeur a l'Université Pierre et Marie Curie, pour
m’avoir fait l'honneur d’accepter la position de Président du jury. Je remercie également
David Simplot-Ryl, Directeur de recherche CNRS/INRIA, et Eric Fleury, Professeur a
l'INSA, pour avoir accepter la charge de rapporteur et pour leurs remarques pertinentes
concernant mon mémoire; ainsi que Titos Saridakis, chercheur chez Nokia, pour sa présence
lors de ma soutenance.

Je tiens à témoigner ma sincère gratitude à ma directrice de thèse, Valérie Issarny, et ce pour
de multiples raisons. Tout d’abord, je lui suis reconnaissante d’avoir dirigé mes travaux de
recherche tout en me laissant libre d’explorer des pistes à ma guise. De plus, je la remercie
pour ses conseils avisés tout au long de cette thèse ainsi que pour avoir été présente et
motivante. En conclusion, que dire sinon que travailler à ses côtés a représenté une expérience
plus qu’enrichissante.

Merci à l'ensemble de l'équipe Arles pour son accueil et sa bonne humeur.

Je remercie particulièrement Agnès, Sonya et Jean Luc pour leur participation active à la
relecture de mon mémoire, Rafic pour son aide lors de l'implémentation du prototype et
Emmanuelle pour son expertise administrative et sa disponibilité.

Je souhaite une excellente continuation aux actuels thésards, Ferda, JinShen, David et Sonya,
ainsi qu’à ceux qui leur succéderont sous peu (vous êtes entre de bonnes mains).

Enfin, je tiens à exprimer tout spécialement ma reconnaissance à Ferda, compagnon de bureau
durant ces années passées au sein de l’équipe Arles. Nos longues discussions, sa gentillesse,
sa patience ont constitué pour moi une réelle richesse.

Je remercie ma deuxième famille, c’est-à-dire mes amis et toutes les personnes que j’ai pu
rencontrer au cours de mon chemin, pour m’avoir donné le meilleur d’eux-mêmes. J’adresse
ma profonde gratitude à Marion, amie des premières heures, avec qui j’ai traversé plusieurs
hivers polaires canadien ainsi qu’à Charles et Sébastien pour leur accueil à Londres lors de la
rédaction de cette thèse.

Je n'oublierai pas de saluer Onar, mon fidel ordinateur, qui fut mis a rude épreuve, et finit un
matin pas rendre l’âme en explosant (partiellement tout de même) alors que je n'avais pas fais
toutes les sauvegardes. Merci Matthieu d'avoir alors éteind l'incendie.

Je souhaite maintenant remercier du fond du coeur, les fidèles parmi les fidèles: ma famille,
mes parents, mon frère Jean Maurice et ma soeur jumelle Florence. Merci pour leur amour
indéfectible.

Enfin, et comme le disent si joliment les Québécois, je souhaite une bonne envolée à tous
ceux qui ont été présents et ont participé, directement ou indirectement, à cette thèse.




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À mes parents, mon frère Jean Maurice et ma sœur jumelle Florence.



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Agathos._ La connaissance n'est pas une chose d'intuition, pas même ici. Quant à la
sagesse, demande avec confiance aux anges qu'elle te soit accordée!.

Oinos._ Mais, pendant cette dernière existence, j'avais révé que j'arriverais d'un seul
coup à la connaissance de toutes choses, et du même coup au bonheur absolu.

Agathos._ Ah! ce n'est pas dans la science qu'est le bonheur mais dans l'acquisition de la
science! Savoir pour toujours, c'est l'éternelle béatitude; mais tout savoir, ce serait une
damnation de démon ...

Oinos._ Mais puisque chaque minute augmente notre connaissance, n’est-il pas inévitable
que toutes choses ne nous soient connues à la fin?

Agathos._ Plonge ton regard dans les lointains de l'abîme! Que ton œil s'efforce de pénétrer
ces innombrables perspectives d'étoiles ... Il nous est révélé ici que l’unique destination de cet
infini de matière est de fournir des sources infinies, où l’ âme puisse soulager cette soif de
connaître, qui est en elle, - inextinguible à jamais, puisque l’éteindre serait pour l’ âme
l’anéantissement de soi-même…. Viens! nous laisserons à gauche l'éclatante harmonie des
Pléiades, et nous irons nous abattre loin de la foule dans les prairies étoilées, au-delà des
d'Orion, où, au lieu des pensées, de violettes et de pensées sauvages, nous trouverons des
couches de soleil triples et de soleils tricolores.


Puissance de la parole
Edgar Poe







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Résumé
Le nombre croissant des terminaux (PDAs, ordinateurs portables, téléphones) et l'expansion
des réseaux sans fil (GSM, GPRS, UMTS, WLAN, Bluetooth) témoignent de la demande
croissante des utilisateurs pour un accès à des ressources telles que des données ou des
services applicatifs, à tout moment, et, n'importe où. Dans ce contexte, les réseaux ad hoc
peuvent jouer un rôle important puisqu’ils ne nécessitent pas d’infrastructures pour
communiquer, ils peuvent également être utilisés lorsque le déploiement d’infrastructures est
coûteux ou sans objet, ou encore pour accroître la portée des réseaux à base d’infrastructure.
De plus ces réseaux ad hoc peuvent opérer de façon autonome ou être connectés à d’autres
types de réseaux afin de fournir à l’utilisateur un accès vers un ensemble plus important de
ressources. Dans les réseaux filaires ou sans fil basés sur des infrastructures, les solutions
proposées afin de localiser les ressources se basent majoritairement sur un répertoire
centralisant les informations relatives aux ressources du réseau. Ces solutions sont
inexploitables dans les réseaux ad hoc en raison du manque de connectivité induit notamment
par les changements de topologie du réseau, et par l’épuisement des réserves énergétiques des
batteries. Les solutions proposées pour les réseaux ad hoc se basent quant à elle sur des
techniques de diffusion coûteuses, en terme de bande passante, et conduisent à surcharger le
réseau. Cette inefficacité des solutions existantes demeure l’un des freins majeurs au
développement d’applications pour les réseaux sans fil intégrant des réseaux ad hoc.
L’objectif de cette thèse est d’offrir une localisation efficace des ressources afin de garantir un
accès transparent aux ressources disponibles dans un environnement intégrant des réseaux ad
hoc. Tout d’abord, cette thèse présente les travaux de recherche portant sur la localisation des
terminaux et des ressources dans un réseau ad hoc. Nous introduisons ensuite les techniques
que nous proposons pour effectuer une localisation des ressources adaptée aux
caractéristiques des réseaux ad hoc (e.g., densité des nœuds, surface du réseau), et cela afin de
limiter le trafic généré par cette localisation. Ceci nous conduit notamment à aborder
distinctement la localisation de ressources dans les réseaux ad hoc à petite et large échelle.
La première approche que nous proposons est entièrement distribuée. Les terminaux
coopèrent ensemble afin de localiser des ressources sur le réseau. De plus, ce protocole inclut
des techniques de caching et de préchargement afin d’améliorer les performances lors de la
localisation et lors de l’accès aux ressources. Afin d’effectuer une localisation efficace des
ressources dans un réseau ad hoc à grande échelle, nous introduisons une solution semi-
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distribuée basée sur un ensemble de répertoire déployés dynamiquement sur le réseau ad hoc
(ou possiblement hybride). Ces contributions sont complétées par une évaluation des
performances incluant une étude théorique et pratique basée sur des simulations et des
expérimentations. Enfin, nous présentons une mise en œuvre de notre protocole de
localisation de ressources dans le contexte des services Web. Cet intergiciel supporte un accès
ubiquitaire à des services Web mobiles en se basant sur une découverte dynamique des
instances de services Web présentes dans l’environnement.
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Abstract
Recent advances in wireless technologies, coupled with the concomitant abundance of
portable devices, are opening up exciting opportunities for the future of wireless networking.
In this context, MANETs (Mobile Ad hoc NETworks) can play an important role since they
are autonomous, do no require any pre-existing infrastructure for communication purposes,
can be conveniently deployed in locations where building a networking infrastructure is
expensive or cumbersome, possibly to increase the reachability of infrastructure-based
networks. In addition, ad hoc networks may operate whether in a standalone fashion, or be
connected to other types of networks so as to provide users an access to a wide diversity of
resources. However, MANETs are highly dynamic and suffer from frequent and unpredictable
changes in the network topology due to the fact that devices are mobile and operate with low
battery power. Considering these specific characteristics, it appears that existing approaches,
mostly designed to operate in wired networks, cannot be adopted to locating and providing
access to resources in pervasive computing environments. Indeed, these approaches are
mostly centralized and are thus, unsuitable for infrastructure-less networks. This inefficiency,
aggravated by the low connectivity and the mobility of nodes, remains a major obstacle in the
development of applications for the wireless environment that integrates MANETs.
Specifically, resource localization in pervasive computing environments has been an attractive
area of research in wireless and/or mobile environments. However, proposed solutions are
broadcast-based and result in overloading the constrained network. As a result, they do not
solve the issue of scalability, mobility or adaptability. The issue addressed by this thesis is
therefore to provide automatic and efficient resource localization and ubiquitous access to
resources available in a pervasive computing environment integrating ad hoc network(s) with
other interconnected network(s) (that can be infrastructure-based). This dissertation examines
first the techniques and strategies that have been proposed in infrastructure-less environment.
It then introduces a conceptual architecture to enable ubiquitous resource localization and
access in infrastructure-less pervasive environments. This architecture is adapted to the
characteristics of the ad hoc network (e.g., node density, network area). It leads us to tackle
on separate way resource localization into small or scalable ad hoc networks. The first
approach for resource localization is cooperative and fully distributed, and balances its
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performance against its cost by conveniently balancing communication load among the
devices. This protocol includes some energy-aware caching and prefetching strategies that
improve the overall performance of the resource localization. In order to support efficient
resource localization in a scalable ad hoc network, we then introduce a semi-distributed
solution that is based on a set of directories dynamically deployed over the ad hoc (or
possibly hybrid) network. In order to improve the performance of the proposed solution, we
introduce several cross-layer optimizations.
The design of the resource discovery protocols is further complemented with extensive
evaluation of performance, including both theoretical or/and practical studies based on
simulation and implementation. Finally, we present the integration of our scalable resource
discovery protocol in a middleware grounded on Web Service technologies. This middleware
enables ubiquitous access to mobile Web services based on automatic discovery in dynamic
pervasive computing environment.

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Table des matières
Remerciements...................................................................................................................................i
Résumé............................................................................................................................................vii
Abstract............................................................................................................................................ix
Chapitre 1 Introduction générale.....................................................................................................1
1.1 Motivations et problématiques......................................................................................3
1.2 Localisation efficace de ressources dans les réseaux ad hoc ..........................................5
Chapitre 2 Réseaux ad hoc...............................................................................................................9
2.1 Introduction..............................................................................................................9
2.2 Localisation de ressources en environnement ad hoc.....................................10
2.2.1 Protocoles de routage pour la localisation de terminaux........................................11
2.2.2 Localisation de ressources....................................................................................27
2.3 Consommation énergétique induite par la communication...........................37
2.3.1 Optimisation lors de l'accès au canal ....................................................................38
2.3.2 Optimisation lors de l'acheminement d'informations.............................................43
2.4 Synthèse..................................................................................................................50
2.4.1 Contexte d'exécution............................................................................................52
2.4.2 Localisation de ressources dans les réseaux à petite échelle..................................54
2.4.3 Localisation de ressources dans les réseaux à large échelle...................................56
Chapitre 3 Localisation distribuée pour réseaux ad hoc à petite échelle ......................................59
3.1 Introduction................................................................................................................59
3.2 Protocole de localisation.............................................................................................61
3.3 Profils matériels et utilisateurs ....................................................................................63
3.3.1 Définition de profils utilisateurs...........................................................................64
3.3.2 Gestion des profils ...............................................................................................65
3.3.3 Échange des profils..............................................................................................66
3.3.4 Utilisation des profils dans le processus de coopération........................................67
3.4 Intégration de caches utilisateurs.................................................................................73
3.5 Intégration d’une technique de préchargement ............................................................76
3.6 Évaluation...................................................................................................................82
3.6.1 Energie consommée au niveau de la communication............................................82
3.7 Conclusion..................................................................................................................88
Chapitre 4 Localisation semi-distribuée pour réseaux ad hoc à large échelle ..............................91
4.1 Introduction................................................................................................................91
4.2 Principes de la localisation..........................................................................................92
4.2.1 Configuration du protocole...................................................................................94
4.2.2 Gestion dynamique de la configuration du système ............................................104
4.3 Localisation dans le N-voisinage...............................................................................106
4.3.1 Maintenance de la visibilité................................................................................107
4.3.2 Enregistrement des ressources............................................................................107
4.3.3 Gestion du cache local........................................................................................108
4.3.4 Interrogation ......................................................................................................109
4.4 Localisation dans le réseau ad hoc.............................................................................110
4.4.1 Profil de répertoire.............................................................................................111
4.4.2 Localisation semi-distribuée...............................................................................113
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4.4.3 Gestion de la collaboration.................................................................................115
4.5 Localisation dans le réseau hybride...........................................................................116
4.6 Évaluation.................................................................................................................118
4.7 Conclusion................................................................................................................124
Chapitre 5 Mise en œuvre d'une localisation semi distribuée à la découverte de services .........127
5.1 Introduction..........................................................................................................127
5.2 Architecture de services Web ...........................................................................130
5.2.1 Langage de description de services Web ............................................................131
5.2.2 Protocole SOAP.................................................................................................132
5.3 Ariadne : un intergiciel pour réseau ad hoc large échelle............................133
5.3.1 Service de localisation de services Web..............................................................133
5.3.2 Localisation des instances des services Web.......................................................134
5.4 Prototype d’Ariadne............................................................................................138
5.4.1 Container CSOAP..............................................................................................139
5.4.2 Service de localisation........................................................................................142
5.4.3 Structure du service de localisation ....................................................................143
5.4.4 Déploiement et utilisation du service de localisation...........................................145
5.4 Évaluation.............................................................................................................148
5.4.1 Évaluation de l'accès aux services Web..............................................................148
5.4.2 Évaluation du service de localisation..................................................................152
5.5 Conclusion............................................................................................................156
Chapitre 6 Conclusion..................................................................................................................159
Bibliographie.................................................................................................................................165
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Table des figures
Figure 1-1 Modèle basé sur des infrastructures.......................................................................2
Figure 2-1 Relais multi-points du protocole OLSR ...............................................................13
F igure 2-2 Sélection des nœuds à insérer dans un arbre partiel.............................................14
Figure 2-3 Distribution et accès aux ressources.....................................................................36
Figure 2-4 Phases de transmission du protocole EC-MAC....................................................41
Figure 2-5 Réseau hybride....................................................................................................54
Figure 3-1 Localisation de ressources...................................................................................62
Figure 3-2 Profil utilisateur...................................................................................................65
Figure 3-3 Distribution des valeurs.......................................................................................71
Figure 3-4 Fonction de répartitive Q.....................................................................................72
Figure 3-5 Graphe de dépendance de niveau 1......................................................................78
Figure 3-6 Graphe de dépendance de niveau 2......................................................................79
Figure 3-7 Terminaux à portée de transmission de l’expéditeur et du destinataire.................84
Figure 3-8 Consommation énergétique générée ....................................................................85
Figure 3-9 Consommation énergétique induite par la diffusion.............................................86
Figure 3-10 Consommation énergétique induite par le rapatriement des contenus.................87
Figure 4-1 Architecture de localisation.................................................................................93
Figure 4-2 Processus d'élection...........................................................................................101
Figure 4-3 Modélisation du comportement d'un répertoire local et d'un utilisateur..............110
Figure 4-4 Génération d'un filtre de Bloom de taille m .......................................................112
Figure 4-5 Génération d'un filtre de Bloom de taille en utilisant l’algorithme MD5 ............112
Figure 4-6 Processus de Localisation..................................................................................113
Figure 4-7 Comportement d'un répertoire local ..................................................................114
Figure 4-8 Comportement d'un utilisateur...........................................................................114
Figure 4-9 Trafic généré en fonction de la densité des nœuds .............................................119
Figure 4-10 Comparaison entre une approche décentralisée et une approche de type pull....120
Figure 4-11 Trafic généré en fonction de la couverture des répertoires................................121
Figure 4-12 Comparaison des délais d'attente moyens.........................................................122
Figure 4-13 Probabilité d'un false positive ..........................................................................123
Figure 5-1 Structure d'un document WSDL........................................................................131
Figure 5-2 : Architecture du prototype Ariadne...................................................................138
Figure 5-3 Structure d'un container SOAP..........................................................................140
Figure 5-4 Container CSOAP .............................................................................................140
Figure 5-5 Architecture de localisation de services Web.....................................................142
Figure 5-6 Structure du service de localisation....................................................................143
Figure 5-7 Temps de réponse CSOAP pour un tableau de grande taille...............................149
Figure 5-8 Temps de réponse CSOAP pour un tableau de taille réduite...............................149
Figure 5-9 CSOAP versus AXIS.........................................................................................150
Figure 5-10 CSOAP versus Java RMI.................................................................................151
Figure 5-11 Temps de réponse lors d’une localisation locale ou non locale.........................152
Figure 5-12 Comparaison du temps de réponse pour une localisation entre PC et portable.153
Figure 5-13 Temps de réponse lors de la localisation avec un PDA....................................154
Figure 5-14 Temps de réponse en fonction du nombre d’instances de services disponibles.155
Figure 5-15 Temps de réponse lors de la localisation pour Ariadne versus UPnP................156

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