UNIVERSITÉ NATIONALE DU VIETNAM, HANOÏ INSTITUT FRANCOPHONE INTERNATIONAL Jean-Marie EGA FOSSO DEFRAGMENTATION DU PAYSAGE DE FRAGMENTATION 6LoWPAN CHỐNG PHÂN MẢNH CHO CÁC KỊCH BẢN PHÂN MẢNH CỦA MẠNG 6LOWPAN MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES DU MASTER INFORMATIQUE HANOÏ - 2023 UNIVERSITÉ NATIONALE DU VIETNAM, HANOÏ INSTITUT FRANCOPHONE INTERNATIONAL Jean-Marie EGA FOSSO DEFRAGMENTATION DU PAYSAGE DE FRAGMENTATION 6LoWPAN CHỐNG PHÂN MẢNH CHO CÁC KỊCH BẢN PHÂN MẢNH CỦA MẠNG 6LOWPAN Spécialité : Réseaux et Systèmes Communicants Code : 8480201.01 MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES DU MASTER INFORMATIQUE Encadrant : Professeur Georgios Z. PAPADOPOULOS HANOÏ - 2023 ATTESTATION SUR L’HONNEUR J’atteste sur l’honneur que ce mémoire a été réalisé par moi-même et que les données et les résultats qui y sont présentés sont exacts et n’ont jamais été publiés ailleurs. La source des informations citées dans ce mémoire a été bien précisée. LỜI TUYÊN BỐ Tôi xin cam đoan rằng luận án này do chính tôi thực hiện, các dữ liệu và kết quả trình bày trong luận văn là chính xác và chưa từng được công bố ở nơi nào khác.
Nguồn thông tin được trích dẫn trong bản tóm tắt này đã được ghi rõ ràng. Signature de l’étudiant Jean-Marie EGA FOSSO Remerciements Je remercie le Dieu tout Puissant, très Miséricordieux, qui m’a donné la force, le cou- rage et la persévérance durant ces deux années. La réalisation de ce mémoire a été possible grâce au concours de plusieurs personnes à qui je voudrais adresser ma profonde gratitude. C’est avec une grande reconnaissance que je remercie l’Université Nationale du Viet- nam à travers l’Institut Francophone International et toute son équipe pédagogique.
Je remercie Dr Nguyen Hong Quang, Dr HO Tuong Vinh ainsi que toute l’équipe professo- rale pour les valeurs et méthodes inculquées durant le cursus : la curiosité, le goût du travail et de l’effort, le sens de la persévérance, etc. Autant de trésors qui me seront, sans doute utiles pour la suite. Je tiens à adresser mes profonds remerciements à mon encadrant le Pr. Georgios PA- PADOPOULOS sans oublier son doctorant Amaury BRUNIAUX, pour la disponibilité, les conseils, les explications, les différentes pistes de réflexion et le coaching qui m’ont permis de cibler et de m’orienter tout au long de ce stage.
Ils m’ont appris à être plus autonome que je n’en etais et donc, je suis ravi d’avoir travaillé en leurs compagnies. Je re-itère mes remerciements à mon encadrant pour m’avoir accordé cette opportunité de faire mon stage de fin d’études au sein de l’équipe de recherche OCIF qui est liée à son departement d’appartenance SRCD(Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique). Je suis très honoré, de l’avoir eu comme encadrant. À ma mère Suzanne FOSSO qui a sans exception toujours été là pour moi et à mon défunt père Henri FOSSO qui n’est malheureusement plus de ce monde pour vivre cet ac- complissement qu’il attendait avec impatience, je dis merci du fond de mon coeur pour leur éducation, conseils, encadrement et leur constant soutien.
À mon grand-père MBU’YAMAKA qui est cet orchestrateur qui croit permanemment en moi et qui œuvre en continue pour que mes objectifs soient toujours atteints, je tiens à exprimer ma profonde gratitude pour ce qu’il représente et pour son soutien incondi- tionnel sur tous les plans. Grâce à vous, j’aborde un nouveau chapitre de ma vie professionnelle avec sérénité, dynamisme et confiance. Jean-Marie EGA FOSSO Auteur: Jean-Marie EGA FOSSO 1 Table des matières Table des figures iv 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE 1 1.1 Présentation de l’OCIF .2 Contexte, problématique et objectifs. 4 2 ÉTAT DE L’ART 5 2.1 Le standard IEEE 802.1 Définitions et Objectifs .2 Fonctionnnement du standard IEEE 802.3 Les limites du standard IEEE 802.2 IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) - RFC 4944 .1 Définitions et objectifs .2 Fonctionnnement du 6LoWPAN .3 Les limites de 6LoWPAN .3 Le Minimal Fragment Forwarding (MFF) .1 Definitions et Objectifs .2 Fonctionnnement du MFF .3 Les limites du MFF .4 Forward Error Correction (FEC) .1 Définitions et Objectifs .5 Comparaison des différentes approches .6 Tableau comparatif des différentes approches.
34 i TABLE DES MATIÈRES 2. 35 3 SOLUTION DES CHEMINS MULTIPLES AVEC NCFEC 36 3.1 Modélisation des scénarios réseaux .1 Algorithmes de partage de charges .3 Qualité des liens. 41 4 ÉTUDE SUR LE COMPORTEMENT DU PARTAGE DE LA CHARGE DANS UN RÉSEAU 6LoWPAN 43 4.1 Les types de fragmentation pour notre étude .1 La pile de protocoles 6TiSCH .2 Le simulateur 6TiSCH .3 Configuration de la simulation .4 Résultats et analyses. 51 5 CONCLUSION ET PERSPECTIVES 52 5.
53 Bibliographie 54 A Modélisation de scénarios et présentation des résultats 57 A.1 Outils, langage de programmation et librairies .2 Récuperation et représentation des résultats .1 Récuperation des résustats de simulation .2 Représentation des résultats sur les delais d’acheminement de pa- quets .3 Représentation des résultats sur la fiabilité. 60 Auteur: Jean-Marie EGA FOSSO ii Table des figures 1.1 Internet des objets .2 Exemple de plannification TSCH pour un nœud precis .3 Un modèle typique de timeslot TSCH .4 Exemple de saut de canal TSCH .5 aperçu de la couche d’adaptation 6LoWPAN .7 En-tête du premier fragment .8 En-tête des fragments suivants .9 Couche de décision de routage MUR et ROR .10 6LoWAN - Routage Mesh Under .11 6LoWAN - Routage Route-Over .12 Transmission réussie d’un paquet fragmenté avec 6LoWPAN standard sur deux sauts.13 Échec de transmission d’un paquet fragmenté avec RFC 4944 FF sur deux sauts .14 Transmission réussie d’un paquet fragmenté sur deux sauts avec MFF .15 Table VRB du nœud G .16 Échec de la transmission d’un paquet fragmenté sur deux sauts avec MFF 21 2.17 Transmission réussie d’un paquet fragmenté avec XORFEC .18 Fragmentation 6LoWPAN avec FEC dynamique .19 Transmission réussie d’un paquet avec RFEC.20 Configuration binaire des valeurs d’expédition .21 Structure de l’en-tête de fragment 6LoWPAN avec NCFEC .22 Structure d’une trame MAC avec NCFEC .23 Transmission réussie d’un paquet fragmenté avec NCFEC .2 Topologie à chemins multiples .3 Illustration du round robin pour la sélection du saut suivant. 38 iii TABLE DES FIGURES 3.4 Exemple de l’algorithme dynamique weighted .1 Pile réseau dans l’architecture 6TiSCH .2 Architecture du simulateur 6TiSCH .3 Extension du simulateur 6TiSCH pour définir les connectivités .4 Topologie à chemins multiples pour la simulation .5 Comportement du réseau en terme de delai de livraison des paquets de bout en bout, avec le partage de charge désactivé d’une part, et activé d’autre part.6 Comportement du réseau en terme de fiabilité de bout en bout, avec le partage de charge désactivé d’une part, et activé d’autre part. 50 Auteur: Jean-Marie EGA FOSSO iv Liste des sigles et acronymes IP Internet Protocol IPv4 Internet Protocol Version 4 IPv6 Internet Protocol Version 6 UDP User Datagram Protocol TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol OCIF Objets Communicants et Internet du Futur IETF Internet Engineering Task Force LLNs Low-power and Lossy Networks IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IoT Internet of Things IIoT Industrial Internet of Things QoS Quality of Services 6LoWPAN IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks 6TiSCH IPv6 over Time Slotted Channel Hoping MAC Medium Access Control TSCH Time-Slotted Channel Hopping EB Enhanced Beacon PAN Personal Area Network FFD Full Function Devices ASN Absolute Slot Number MTU Maximum Transmission Unit WSN Wireless Sensor Network FF Fragment Forwarding MFF Minimal Fragment Forwarding MUR Mesh-Under Routing i ROR Route-Over Routing RPL Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks VRB Virtual Reassembly Buffer LPWANs Low Power Wide Area Networks XORFEC XOR Forward Error Correction RFEC Redundancy Forward Error Correction NCFEC Network Coding Forward Error Correction NC-MUR Network Coding - Mesh Under Routing PDR Packet Delivery Rate RSSI Received Signal Strength Indicator DAG Directed Acyclic Graph DODAG Destination-Oriented Directed Acyclic Graph DIO DODAG Information Objet RIPDS Reliable IPv6 Packet Delivery Scheme ETX Expected Transmission Count FIFO First In First Out Résumé L’extension de l’Internet des objets (IoT) à l’Internet industriel des objets impose des exigences importantes en termes de performances et de fiabilité sur la connectivité sans fil.
En réponse à ces exigences, la norme IEEE Std 802.4-2015 a été conçue et la couche d’adaptation IPv6 sur les réseaux 6LoWPAN a été introduite pour résoudre, entre autres problèmes, les limitations liées à la taille du contenu utile ou payload, en effectuant la compression et la fragmentation des paquets. Cependant, la méthode standardisée ne s’adapte pas bien aux situations de faible qualité de liens. Différents mécanismes de correction d’erreur (FEC) ont vu le jour afin de remédier à ce problème, parmi lesquels le Network Coding FEC (NCFEC) qui apporte une amélioration consi- dérable en termes de fiabilité. Cependant, le grand nombre de fragments qu’il génère nécessite un processus de routage éfficace et ainsi, nous présentons l’état de l’art des standards et des méthodes de correction d’erreur (FEC).
Partant sur cette base, nous présentons notre propre contribution en introduisant le partage de charge à coût égal pour améliorer les performances dans ces situations. Ensuite, nous présentons et ana- lysons théoriquement quelques algorithmes de partage de charge, puis nous implé- mentons l’un d’entre eux et éffectuons une évaluation expérimentale à l’aide du simu- lateur 6TiSCH. Les résultats de la simulation montrent que lorsqu’un delai minimal pour la livraison des paquets est requis, le partage de la charge avec NCFEC fonctionne au mieux, mais le compromis est la légère perte de fiabilité. Les RFC 4944 FF et MFF ne sont pas adaptés au mécanisme de partage de charge.
Mots clés : Internet des Objets (IoT) ; IoT Industriel ; 6LoWPAN ; RFC 4944 ; Frag- mentation ; Transfert de fragments ; Forward Error Correction (FEC) ; Codage Réseau ; Routage multi-chemins ; Algorithme Round-Robin ; Abstract The extension of the Internet of Things (IoT to the Industrial Internet of Things (IIoT) places significant demands in terms of performance, reliability on wireless connec- tivity. In response to these demands, the Institute of Electrical and Electronics Engi- neers (IEEE) Std 802.4-2015 standard was designed and the IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) adaptation layer was introduced to ad- dress among other issues, its payload size limitations by performing packet compres- sion and fragmentation. However, the standardised method does not cope well with low link-quality situations. Different Forward Error Correction (FEC) mechanisms have emerged in order to remedy this problem, among which Network Coding FEC (NC- FEC) which brings a considerable improvement in terms of reliability.
However, the large number of fragments it generates requires an efficient routing process and thus, we present the state-of-the-art of standards and Forward Error Correction (FEC) me- thods and based on that, we introduce our own contribution, multi-paths routing, to improve performance in these situations. We present and analyse some load sharing algorithms theoretically, and we then implement one of them and perform an expe- rimental evaluation using the 6TiSCH simulator. The simulation results demonstrate that when high speed in packets delivery is required, multipaths with NCFEC performs best, but the trade-off is the little loss in reliability. The RFC 4944 and MFF are not adapted to multipaths.
Keywords : Internet of Things (IoT) ; Industrial IoT ; 6LoWPAN ; RFC 4944 ; Frag- mentation ; Fragment Forwarding ; Forward Error Correction (FEC) ; Network Coding ; Multipaths Routing ; Round-Robin Algorithm ; Chapitre 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE Dans ce chapitre nous présentons l’organisme d’accueil, l’équipe de recherche que j’ai intégrée, ses activités et thématiques de recherche, la motivation sur ce sujet du stage portant sur la Defragmentation du paysage de fragmentation 6LoWPAN, son contexte et problématique, ainsi que les objectifs escomptés de ce travail.1 Présentation de l’OCIF l’OCIF (Objets Communicants et Internet du Futur) est une équipe de recherche du département "D2 - Réseaux, télécommunication et services" de l’IRISA (Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires) qui est aujourd’hui l’un des plus grands laboratoires de recherche français (+ de 850 personnes) dans le domaine de l’informatique et des nouvelles technologies de l’information.