Mohammed El Amin KOURTICHE Diplôme de Magister Application du paradigme codage réseau ...

137 Pages·2014·2.28 MB·French

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTÈRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

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Université des sciences et de Technologie d'Oran – Mohammed Boudiaf
USTO-MB

Faculté de génie électrique
Département d'électronique

Ecole doctorale : NTIC, SIR Option : NTIC

MEMOIRE
Présenté par

Mohammed El Amin KOURTICHE

pour l'obtention du
Diplôme de Magister

Thème

Application du paradigme codage réseau

à la transmission de données dans

les environnements sans fil

Soutenu le
18/02/2014
Devant le jury

Mr OUAMRI. Abdelaziz Président Professeur USTO
Mr GUEZOURI. Mustapha Rapporteur MCA Univ-Oran
Mr BERRACHED. NasrEddine Examinateur Professeur USTO
Mr OUSLIM. Mohamed Examinateur MCA USTO
A
Ma mère & mon père

Vous êtes pour moi une source de vie car sans vos sacrifices, votre
tendresse et votre affection je ne pourrais arriver jusqu’au bout. Que
Dieu vous garde afin que votre regard puisse suivre ma destinée.

A
Mon frère & Mes sœurs

Mon amour à votre égard est une grandeur non quantifiable.
Remerciements

J’adresse mes vifs remerciements à Mr GUEZOURI Mustapha, pour
l’encadrement de mon travail, sa disponibilité, son soutien, sa patience et ses
recommandations constructives.

Je tiens à remercier les différents membres de mon jury présidé par le
professeur OUAMRI Abdelaziz. Mes remerciements vont également aux
examinateurs BERRACHED Nasr Eddine, KECHE Mokhtar et Kaddour
Mejdi

Mes remerciements seraient sans doute incomplets si je ne cite pas :
Mes parents sans qui ce travail n’aurait jamais vu le jour… Je leur suis
infiniment reconnaissant pour leur amour, leur soutien moral et leur
encouragement.
Résumé

Un réseau traditionnel emploie des routeurs pour assurer la bonne
transmission des messages. Fondamentalement, un routeur permet de copier
un message entrant puis de le renvoyer, tel quel, vers ses différentes sorties.
La nouveauté introduite par le codage réseau est d'autoriser au niveau de
chaque nœud du réseau une étape de traitement des messages entrants puis
de routage.

Ce traitement permet ainsi de combiner les informations à transmettre, via
le calcul d'une fonction des entrées (par exemple une combinaison linéaire)
avant de les envoyer. Cette étape d'encodage doit être réalisée de manière à
assurer que les nœuds terminaux puissent reconstruire, exactement ou au
moins avec une grande probabilité (dans le cas de pertes), les messages
originaux.

Le codage réseau (Network coding) est un nouveau mode de transfert de
données dans lequel les nœuds du réseau peuvent réaliser des opérations de
codage sur les données d’un paquet. Dans un réseau de transfert classique, les
nœuds du réseau n’effectuent que des opérations simples comme recevoir et
retransmettre un paquet sans effectuer aucun codage sur les données. Les
récents travaux de recherche montrent que le codage de réseau peut améliorer
considérablement le débit, la robustesse et la sécurité d’un réseau. Par
exemple, deux terminaux mobiles multi-interfaces peuvent utiliser
simultanément plusieurs chemins entre eux. Le codage réseau, dans un
environnement à taux d’erreur élevé comme les réseaux sans fil, permet une
coopération forte entre les chemins simultanés pour améliorer la performance
du réseau.

Ce modeste travail consiste à: Etudier les méthodes et les algorithmes de
codage réseau qui peuvent être utilisés dans les nœuds afin d’améliorer le
débit. Et évaluer ces algorithmes par simulation sous NS2.

Mots clés : Codage réseau, Réseau sans fil, Codage réseau linéaire aléatoire,
Broadcast par inondation probabiliste, Broadcast par codage réseau.

I
(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)

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II
Table des matières

INTRODUCTION ....................................................................................... 1

1. LES RESEAUX SANS FIL .................................................................... 4
INTRODUCTION ............................................................................................... 4

1.1 Les différentes catégories de réseaux sans fil ............................................... 4
1.1.1 WPAN ............................................................................................................................... 4
1.1.2 WLAN................................................................................................................................ 5
1.1.3 WMAN .............................................................................................................................. 5
1.1.4 WWAN .............................................................................................................................. 6
1.2 Les réseaux sans fil avec infrastructure ........................................................ 8
1.2.1 Définition ............................................................................................................................. 8
1.3 Les réseaux sans fil sans infrastructure (Ad-Hoc) ....................................... 9
1.3.1 Définition ............................................................................................................................. 9

1.4 Algorithmes et architectures de routage ..................................................... 10
1.4.1 Méthodes de routage traditionnelles ............................................................................... 10
1.4.1.1 Le routage par inondation (flooding) ............................................................................. 10
1.4.1.2 Le routage par vecteur de distance ...........................................................................................................................12
1.4.1.3 Le routage par état de lien .........................................................................................................................................16
1.4.2 Le routage dans les réseaux sans fil Ad Hoc ...................................................................... 17
1.4.2.1 Routage proactif ........................................................................................................................................................19
1.4.2.2 Routage réactif ..........................................................................................................................................................20
1.4.2.3 Les protocoles hybrides .............................................................................................................................................20
1.4.3 Description de quelques protocoles de routage Ad Hoc .................................................. 21
Ad-hoc On Demand Distance Vector (AODV) ........................................................................................................................21
Dynamic Source Routing (DSR) ..............................................................................................................................................22
Optimized Link State Routing (OLSR) .....................................................................................................................................23
Conclusion .............................................................................................................. 25
2. NOTIONS DE THEORIE DES GRAPHES ........................................ 26
Introduction ........................................................................................................... 26
2.1 Notion de graphe ............................................................................................ 26
2.2 Notion de flot ................................................................................................. 27
2.3 Notion de réseau résiduel............................................................................... 28
2.4 Problème de flot maximal ............................................................................. 31
2.4.1 Définition du problème ..................................................................................................... 31
2.4.2 Méthode de Ford et Fulkerson .......................................................................................... 33
2.4.3 Ajout d'un flot résiduel ...................................................................................................... 38
III
2.4.4 Chemin augmentant .......................................................................................................... 39
2.5 Définition d’une coupe .................................................................................. 41
2.5.1 Coupe Minimum (MinCut) ................................................................................................. 42
2.6 Théorème de coupe minimale-flot maximum ............................................. 42
2.6.1 Algorithme de Ford et Fulkerson ....................................................................................... 42
Conclusion .............................................................................................................. 45
3. LE CODAGE RESEAU ........................................................................ 46
Introduction ........................................................................................................... 46
3.1 Notion de codage réseau ................................................................................ 46
3.2 Les avantages du codage réseau ................................................................... 47
3.2.1 Le débit .............................................................................................................................. 48
3.2.2 Robustesse ......................................................................................................................... 51
3.2.3 Sécurité ............................................................................................................................. 53
3.2.4 Diminution de l’énergie par bit ......................................................................................... 53
3.3 Principes fondamentaux du codage réseau ................................................. 54
3.4 Introduction du codage réseau ..................................................................... 58
Conclusion .............................................................................................................. 60
4. LES ALGORITHMES DE CODAGE RESEAU ................................. 61
Introduction ........................................................................................................... 61
4.1 Codage réseau linéaire multicast ................................................................. 61
4.2 Codage réseau linéaire aléatoire (RLNC) ................................................... 64
4.3 Construction algébrique du codage réseau ................................................. 67
4.4 Exemple ............................................................................................................. 72
Conclusion .............................................................................................................. 76
5. ENVIRONNEMENT DE SIMULATIONS ET OUTILS UTILISES 77
5.1 L’intérêt d’utiliser un simulateur ................................................................. 77
5.2 Le simulateur NS2 ........................................................................................... 77
5.2.1 Composition d'un script de simulation .............................................................................. 79
5.2.2 Le langage (O)Tcl .............................................................................................................. 80
5.2.3 Avantages et difficultés de NS2 ......................................................................................... 81
5.3 Les étapes réalisées ......................................................................................... 82
5.4 Algorithme de codage ..................................................................................... 84
5.5 Procédure de décodage.................................................................................... 84
IV
5.6 Installation de Cygwin et NS2 ..................................................................... 84
5.6.1 installation de Cygwin........................................................................................................ 84
5.6.2. Installation de NS2 : .......................................................................................................... 90
5.6.3 Intégration du module network coding ............................................................................ 93
5.7 Topologies utilisées : cercle, grille, aléatoire ............................................. 93
6. ÉVALUATION DE PERFORMANCE ................................................ 94
Introduction ........................................................................................................... 94
6.1 Applications du codage réseau dans le réseau de paquet ......................... 94
6.2 Évaluation de performance ........................................................................... 97
6.2.1 Modèle de trafic ................................................................................................................ 98
6.2.2 Topologie et scénario ........................................................................................................ 98
6.2.3 Résultats de simulation ................................................................................................... 100
I. Le cas fixe ..........................................................................................................................................................................100
I.1 Topologie en cercle ...................................................................................................................................................100
I.2 Topologie en gille ......................................................................................................................................................104
I.3 Topologie aléatoire ...................................................................................................................................................108
II. Le cas mobile ............................................................................................................................................................110
Conclusion ............................................................................................................ 113
CONCLUSION ........................................................................................ 114
BIBLIOGRAPHIE .................................................................................. 115
ANNEXE A .............................................................................................. 119

V
Table des figures

1.1 : Les catégories de réseaux sans fil ............................................................................................. 7
1.2 : Exemple de réseau Ad-Hoc....................................................................................................... 9
1.3 : Émission d’un paquet dans le cas du routage par inondation .............................................. 11
1.4 : Réseau utilisant le routage par vecteur de distance ............................................................. 13
1.5 : Problème de la rupture de lien dans le routage par vecteur de distance ............................. 14
1.6 : Recherche de route par inondation (AODV) .......................................................................... 22
1.7 : Recherche de route par inondation (DSR) ............................................................................ 23
1.8 : Relais multipoints .................................................................................................................. 24
2.1 : Exemple de graphe d’un réseau ............................................................................................. 27
2.2 : Nœud d’interconnexion i ....................................................................................................... 28
2.3 : Notion de réseau résiduel ..................................................................................................... 29
2.4 : réseau de 7 nœuds ................................................................................................................ 30
2.5 : réseau résiduel ..................................................................................................................... 31
2.6 : Réseau routier liant A à F (exemple 2) ................................................................................... 32
2.7 : Un exemple de chaîne ............................................................................................................ 33
2.8 : Utilisation d’un arc sortant ..................................................................................................... 34
2.9 : Utilisation d’un arc à rebours ................................................................................................ 35
2.10 : Chaine d’arcs utilisables ...................................................................................................... 36
2.11: Flot augmenté d’une unité ................................................................................................... 36
2.12 : Seconde chaine d’arcs utilisables ......................................................................................... 36
2.13 : Flot augmenté d’une seconde unité .................................................................................... 37
2.14 : Autre itération conduit à un cycle ....................................................................................... 37
2.15 : chemin augmenté sur le réseau résiduel ........................................................................... 38
2.16 : flot résultant ......................................................................................................................... 39
2.17 : la coupe minimale ................................................................................................................ 41
3.1 : butterfly network .................................................................................................................. 48
3.2 : Réseau modifié de butterfly .................................................................................................. 49
3.3 : Le réseau butterfly sans fil ..................................................................................................... 50
3.4 : Le réseau butterfly sans fil modifié ....................................................................................... 50
3.5 : réseau de tandem de Deux-lien ............................................................................................. 52
3.6 : Économie d’énergie grâce au codage réseau ........................................................................ 54
3.7 : exemple de transmission de paquets (a)sans erreurs (b) avec erreurs ............................... 57
4.1 : Exemple de routage dans le cas de codage réseau ............................................................... 63
4.2 : Un exemple de codage réseau aléatoire ................................................................................ 65
4.3 : Une connexion entre une source et un récepteur ................................................................ 68
4.4 : Les processus dans un nœud intermédiaire .......................................................................... 69
4.5 : Graphe de nœuds et de liens ................................................................................................ 72
4.6 : Graphe d’étiquette des liens .................................................................................................. 73
5.1 : Principe de fonctionnement de NS2 ...................................................................................... 78
VI
5.2 : Protocoles implémentés dans NS2 ......................................................................................... 79
5.3: Organigramme de démarches réalisées ................................................................................. 83
5.4 : Topologie en cercle de 8 nœuds ............................................................................................ 93
5.5 : Topologie en grille de 64 nœuds ............................................................................................ 93
6.1 : Symboles reçus par un récepteur ........................................................................................... 95
6.2 : Chaque récepteur reçoit une combinaison de vecteurs de la source ................................... 96
6.3 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste dans la topologie en
cercle avec 8 nœuds ..................................................................................................................... 100
6.4 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste dans la topologie en
cercle avec 16 nœuds ................................................................................................................... 101
6.5 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste dans la topologie en
cercle avec 32 nœuds ................................................................................................................... 102
6.6 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans la topologie en grille avec 9 nœuds ..................................................................................... 104
6.7 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans la topologie en grille avec 25 nœuds ................................................................................... 105
6.8 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans la topologie en grille avec 64 nœuds ................................................................................... 106
6.9 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans une topologie aléatoire avec 17 nœuds ............................................................................. 108
6.10 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans une topologie aléatoire avec 50 nœuds ............................................................................. 109
6.11 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans une topologie aléatoire avec 12 nœuds ............................................................................. 110
6.12 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans une topologie aléatoire avec 34 nœuds ............................................................................. 111
6.13 : la comparaison entre le codage réseau et inondation probabiliste
dans une topologie aléatoire avec 50 nœuds ............................................................................. 112

VII