Faculté informatique et communications IC, Section des systèmes de communication, Institut de systèmes de communication ISC (Laboratoire pour les communications informatiques et leurs applications 2 LCA2)

Scalable routing protocols with applications to mobility

Blazevic, Ljubica ; Le Boudec, Jean Yves (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2517.

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    Summary
    In this thesis we study two routing problems related to mobility. The first problem concerns scalable multicast routing when there is a large number of multicast groups with a small number of receivers. Existing dense and sparse mode routing protocols have the following problems when the number of groups is large, but the groups are small: (1) high overhead in control traffic (dense mode), (2) poor utilization of backbone links and (3) complexity of management of single core routers (sparse mode). Our solution to this problem is the Distributed Core Multicast (DCM) routing protocol. DCM is an extension of the core-based tree approach and its architecture is based on several core routers per multicast groups. We explain the objectives achieved with DCM: (1) avoiding state information in backbone routers, (2) avoiding triangular routing across expensive backbone links, (3) scaling well with the number of multicast groups. DCM can be applied to support host micromobility in a large single Internet domain network, where every mobile host is assigned a multicast address in a domain it visits. The advantages of the multicasting-based approach for supporting host mobility are low latency and minimal disruption during handover. The second problem studied in this thesis concerns scalable routing in a large scale mobile ad hoc network. Ad hoc networks have gained increasing popularity in recent years because of their ease of deployment. No wired base station or infrastructure is needed, and mobile nodes communicate with each other using multi-hop wireless links. In ad hoc networks, routing protocols are challenged by the establishment of and the maintenance of multihop routes in the face of mobility, bandwidth limitation and power constraints. Routing protocols that rely on state concerning all links on the network, or all links on a route between a source and a destination result in poor scaling properties in larger mobile ad hoc networks. Position-based routing protocols are better suited for large mobile ad hoc networks. These protocols use the positions of nearby nodes and of packet's destination to make the packet forwarding decisions. We present a scalable routing protocol for a large mobile ad hoc network that is called terminode network. We call the nodes terminodes because they act as network nodes and terminals at the same time. Our routing scheme is a combination of two protocols called Terminode Local Routing (TLR) and Terminode Remote Routing (TRR). TRR is activated when the destination is remote and it uses the location of the destination obtained either via location management or by location tracking. TLR acts when the packet gets close to the destination and it uses routing tables that are built by nodes for close terminodes. The use of TRR results in a scalable solution that reduces dependence on the intermediate systems, while TLR allows to increase the probability of reaching the destination, even when it has moved considerably from the location that was known at the source. We use simulations to demonstrate terminode routing's scalability in different sized mobile ad hoc networks.
    Résumé
    Dans ce travail de thèse, nous étudions deux problèmes de routage liés la mobilité. Le premier concerne le routage multicast à grande échelle, pour un grand nombre de groupes multicast avec un petit nombre d'utilisateurs. Dans ce cas, les protocoles existants en mode dense ou éparpillé ont les problèmes suivants: (1) une surcharge importante de trafic de contrôle (pour les protocoles en mode dense), (2) une faible utilisation du réseau d'épine dorsale et (3) une complexe gestion des routeurs individuels du noyau (pour les protocoles en mode éparpillé). Notre solution ce problème est l'algorithme de routage appelé Multicast Distribué dans le Noyau (DCM: Distributed Core Multicast). DCM est une extension des algorithmes basés sur un arbre dans le noyau, et son architecture utilise plusieurs routeurs du noyau par groupe multicast. Nous expliquons les objectifs atteints avec DCM, savoir (1) éviter de stocker de l'information d'état dans les routeurs du réseau d'épine dorsale, (2) éviter des routages triangulaires entre les liens coûteux du réseau d'épine dorsale et (3) supporter un grand nombre de groupes multicast. DCM peut supporter une micromobilité des hôtes l'intérieur d'un grand Internet domaine unique, oú chaque hôte mobile rec¸oit une adresse multicast dans le domaine qu'il visite. Les avantages d'une approche basée sur le multicast pour supporter la mobilité des hôtes sont un faible temps de latence et une interruption du service minimale pendant les transfers de cellule. Le second problème étudié dans cette thèse est celui du routage performant grande échelle dans des grands réseaux mobiles ad-hoc. Depuis quelques années, les réseaux ad-hoc connaissent une forte popularité cause de leur facilité de déploiement. Aucune station de base, ni infrastructure fixe, n'est nécessaire; les noeuds mobiles communiquent entre eux en passant par des relais intermédiaires. La communication entre les deux noeud emprunte donc plusieurs liens sans fils. L'établissement et la maintenance de telles routes posent de nouveaux défis aux protocoles de routage dans les réseaux ad-hoc, confrontés la mobilité, ainsi qu'aux limitations de capacité des liens et de puissance des noeuds. Les protocoles basés sur la position des noeuds sont mieux adaptés aux réseaux de grande taille que ceux se basant sur l'état de chaque lien du réseau complet, ou même d'une route particulière. Nous présentons un protocole de routage performant pour des réseaux mobiles ad hoc de grande taille, appelés réseaux de terminodes. On appelle les noeuds, terminodes, parce qu'ils accumulent la fonctionnalité des noeuds du réseau avec celle des terminaux. Notre protocol est une combinaison des deux protocoles appelés Routage Local des Terminodes (TLR: Terminode Local Routing) et Routage Distance des Terminodes (TRR: Terminode Remote Routing). Ce dernier est activé quand la destination est éloignée, et utilise sa position géographique obtenue soit par un algorithme de gestion de localisation, ou de poursuite. Le premier est activé quand un paquet arrive proximité de la destination et utilise des tables de routage construites par des terminodes proches. L'utilisation de TRR réduit la dépendance du routage des systèmes intermédaires, tandis que TLR augmente la probabilité d'atteindre la destination même si cette dernière s'est déplacée considérablement de sa position connue par la source. Nous démontrons par simulation les capacités d'adaptation de ce protocole de routage des réseaux de grande taille.