Le protocole TRAMA (Traffic-adaptive medium access protocol)

Le protocole TRAMA (Traffic-adaptive medium access protocol)
C’est un protocole qui a été conçu par Rajendran et al. à l’université de Californie, Santa
Cruz. Le but de ce protocole est de réduire la consommation d’énergie dans les réseaux de
capteurs tout en assurant que les transmissions unicast, multicast (seulement une partie de
ses voisins à un saut) et broadcast s’effectuent sans collision.
TRAMA se base sur une approche TDMA pour partager le temps en plusieurs slots qui ne
seront alloués qu’aux nœuds qui ont des informations à transmettre ce qui diminue le temps
d’attente des autres nœuds.
Vue d’ensemble du protocole
TRAMA utilise un algorithme d’élection distribué basé sur l’état du trafic au niveau de
chaque nœud. Cet algorithme permet de sélectionner les récepteurs potentiels selon les
« schedules » annoncés par les émetteurs.
Les nœuds utilisant le protocole TRAMA échangent les « schedules » de transmission
(spécifiant les récepteurs potentiels des messages à émettre, dans un ordre chronologique ainsi
que des informations sur le trafic à émettre) ainsi que des informations sur leurs voisinages,
avec leurs homologues situés à deux sauts d’eux.
Grâce à ses informations échangées, le protocole TRAMA va déterminer les nœuds
susceptible d’émettre ou de recevoir des données durant chaque slot de temps.
TRAMA suppose l’existence d’un seul canal pour les données et la signalisation, partagé en
plusieurs slots de temps.
Cette figure nous montre l’organisation des slots de temps dans le protocole TRAMA
Figure1p3 : Organisation des slots de temps
Cette figure nous montre aussi qu’avec TRAMA, il existe deux types d’accès au support en
fonction des slots de temps:
- accès aléatoire (possiblité de collision) lors des slots de temps destinés à la
signalisation.
- accès déterministe (pas de collision) lors des slots de temps destinés à la transmission.
La période d’accès aléatoire permet de mettre à jour les informations sur les nœuds, et d’autoconfigurer le réseau lors de l’ajout ou de la suppression de nœud.
Remarque : On différencie entre les paquets de signalisation et les paquets de données grâce
aux entêtes des paquets.
Le protocole TRAMA consiste en trois composants :
- Le protocole voisin ou Neighbor Protocol (NP).
- Le protocole d’échange de « schedule » ou Schedule Exchange Protocol (SEP).
-
L’algorithme d’élection adaptée ou Adaptive Election Algorithm (AEA).
Les deux premiers protocoles NP et SEP permettent à un noeud d’échanger des informations
(sur son voisinage) ainsi que son « schedule » avec ses voisins situés à deux sauts de lui.
Quant à l’algorithme AEA, il utilise les informations échangées (Schedule et informations sur
le voisinage) afin de sélectionner les émetteurs et les récepteurs pour le slot de temps courant,
et permet aux autres noeuds ainsi, d’entrer en mode « low-power ».
Le protocole voisin ou Neighbor Protocol (NP) :
NP est utilisé pour propager les informations (non pas données) du nœud situé à un saut
vers ses nœuds voisins afin d’obtenir les informations sur la topologie complète des
nœuds situés jusqu’au deuxième saut.
Les slots de signalisation sont utilisés par NP pour obtenir et échanger les informations
entre les voisins directes.
Le protocole d’échange de « schedule » ou Schedule Exchange Protocol (SEP) :
SEP est utilisé par les nœuds pour échanger leurs « schedules » (spécifiant les récepteurs
potentiels des messages à émettre, dans un ordre chronologique ainsi que leurs
informations sur le trafic à émettre.
Un nœud doit annoncer son « schedule » en utilisant SEP avant de commencer une
nouvelle transmission.
L’algorithme d’élection adaptée ou Adaptive Election Algorithm (AEA) :
Durant les slots de temps destinés pour l’émission de données (accès déterministe), AEA
va sélectionner les émetteurs et récepteurs.
(Comme dans l’algorithme NCR des réseaux adhoc) Un nœud est sélectionné pour
transmettre s’il possède la priorité la plus grande dans la série de tous ses nœuds voisins
s’étendant jusqu’au deuxième saut.
La priorité d’un nœud d’identité « u » lors d’un slot de temps t est défini comme étant la
fonction pseudo-rando hash de la concaténation de « u » et de t.
Prio (u,t) = MD5 (u+t)
A n’importe quel slot de temps t pendant la période d’accès déterministe, un nœud
d’identité « u » peut avoir trois états possibles : TX : transmission, RX : réception, SL :
endormi.
Pour un slot donné, un nœud « u » est à l’état TX s’il a la plus grande priorité Prio(u,t)
entre la série de tous ces nœuds voisins du deuxième saut, ou s’il est entrain de transmettre
Chaque nœud exécute l’algorithme AEA pour décider de son état courant qui est lié à sa
priorité par rapport aux autres (deuxième saut) mais aussi aux « schedules » de ses
voisins.
Analyse énergétique du protocole TRAMA :
NB : la transmission s’effectue en contention free : bon pour l’énergie.
La durée de la période d’accès aléatoire (consommation élevée d’énergie)est sept fois plus
petite que la période d’accès déterministe : économie de consommation d’énergie.
Le fait que TRAMA se base sur une sélection déterministe de l’émetteur et du récepteur lors
d’un slot de temps bien déterminé et selon la nature du trafic, est une nécessité pour
économiser de l’énergie.
Explication :
En effet, l’élection aléatoire de l’émetteur peut entraîner des collisions.
La sélection (déterministe) de l’émetteur sans avoir sélectionné un récepteur pourrait entraîner
des pertes d’énergie, car dans cas, tous les nœuds qui sont autour de l’émetteur sélectionné
doivent être à l’écoute y compris ceux qui ne sont pas les récepteurs potentiels.
D’autre part, sélectionner un émetteur et un récepteur sans tenir compte du trafic échangé peut
entraîner une utilisation inefficace du canal dans le cas où il n’y a pas de données à échanger.
Un émetteur A sélectionné peut stopper sa transmission s’il n’a plus de paquets à émettre
alors que sa période d’accès n’est pas encore terminée. TRAMA commute alors son état vers
le mode endormi et réutilise le reste des slots non utilisés par l’émetteur A.
Remarques générales :
TRAMA est un protocole qui maintient un bon throughput , une latence acceptable et une
équité entre les nœuds.
L’évaluation des performances de TRAMA a été effectuée en utilisant le simulateur
QUALNET.
Les avantages de TRAMA :
Une bonne utilisation du canal : expliqué précédemment.
Le pourcentage du mode « sleep » est élevé ce qui est avantageux en consommation
d’énergie.
La probabilité de collision est très faible comparant avec celle des protocoles à base de
CSMA.
Les nœuds qui n’ont pas à transmettre ou à recevoir des données vont fermer leur radio (turnoff) et entrer en mode « sleep ».
Les inconvénients de TRAMA :
Le fait que :
- la période d’accès déterministe est sept fois plus grande que celle aléatoire.
- tous les nœuds sont à l’état transmission (TX) ou réception (RX) lors de la période
d’accès aléatoire pour échanger leurs « schedules ».
peut nous mener à déduire que le « duty-cycle » est au minimum de 12.5 % (sans considérer
les transmissions et réceptions pendant la période d’accès déterministe) ce qui constitue une
valeur assez élevée.
Pour chaque slot de temps, le nœud calcule les priorités de ses nœuds voisins situés jusqu’au
deuxième saut. Ce calcul doit être répété si les paramètres de calcul sont changés.