Ad hoc, Mesh et Wi-Fi : les ondes pour tous

Dans un monde du sans fil dominé par Wi-Fi, les architectures combinant le Mesh Networking et les connexions « ad hoc » portent en elles les germes d’une révolution basée sur la simplicité de mise en oeuvre et la décentralisation poussée à son extrême. Au point que Mesh, ad hoc et Wi-Fi pourraient bien devenir synonymes, et donner – ou redonner – aux utilisateurs « les clés du pouvoir du réseau ». Par Cyril Fiévet et Jean-Michel Cornu.

Dans un monde du sans fil dominé par Wi-Fi, les architectures combinant le Mesh Networking et les connexions « ad hoc » portent en elles les germes d’une révolution basée sur la simplicité de mise en oeuvre et la décentralisation poussée à son extrême. Au point que Mesh, ad hoc et Wi-Fi pourraient bien devenir synonymes, et donner – ou redonner – aux utilisateurs « les clés du pouvoir du réseau ». Par Cyril Fiévet et Jean-Michel Cornu.

Sommaire
Les atouts du ad hoc
Des applications infinies
Les réseaux aux utilisateurs
Encadré : Du réseau sans-fil au réseau ad-hoc en passant par le réseau Mesh
Pour aller plus loin

L’architecture de réseau dite « Mesh » (signifiant « maille » ou « filet ») est connue depuis longtemps : il s’agit d’une topologie où chaque point du réseau est relié à tous les autres (Mesh total) ou à certains de ses voisins (Mesh partiel). Mais elle prend tout son intérêt lorsqu’on lui adjoint des protocoles permettant aux connexions d’être instantanées, et quand on utilise le tout avec Wi-Fi.

Dans une structure traditionnelle Wi-Fi, en particulier lors de l’accès à un hotspot, on a en général un point d’accès (Access Point, AP) et des équipements qui échangent avec ce point d’accès, plutôt que directement entre eux. Cette configuration présente plusieurs inconvénients, au premier rang duquel son caractère par essence centralisé. En clair, si l’AP cesse de fonctionner, c’est l’ensemble du réseau, ou en tout cas l’intégralité de la branche correspondante à l’AP, qui tombe. L’ambition du réseau Mesh est de supprimer le réseau d’interconnexion entre les points d’accès pour des réseaux très proches les uns des autres. L’étape d’après, les réseaux ad hoc, consiste à supprimer les points d’accès. Ou plus exactement à transformer tous les équipements en points d’accès. Le concept de réseau « ad hoc » (du latin « pour cela » ou « dans ce but précis », synonyme ici de « spontané ») est souvent utilisé dans un réseau Wi-Fi (indépendament d’une structure de type Mesh), et permet de faire jouer à chaque membre du réseau le rôle de récepteur, d’émetteur et de routeur pour ses voisins. Il n’y a plus de « point d’accès » privilégié et encore moins unique, mais tous les points du réseau peuvent jouer ce rôle.

On notera qu’une confusion fréquente consiste à assimiler les réseaux « Mesh » et les réseaux « ad hoc », et les deux avec Wi-Fi. Le concept de réseau « ad hoc » correspond au fait que chaque élément rejoint le réseau de façon immédiate, au besoin (en général, l’élément est identifié par son adresse réseau, reconnue spontanément). Mesh, comme nous l’avons dit, implique simplement que les éléments du réseau sont connectés les uns aux autres et plus exactement, en pratique, à leurs plus proches voisins. Il s’agit d’un type de réseau, pour les infrastructures, équivalent aux réseaux « peer to peer » utilisés au niveau applicatif (pour comparer les différentes topologies réseau existantes : http://en.wikipedia.org/wiki/Network_topology. « Mesh » et « ad hoc » sont donc bien deux notions distinctes. Quant au sans fil, ces concepts peuvent s’appliquer à toute technologie, et pas seulement à Wi-Fi : on peut créer des réseaux ad hoc utilisant Bluetooth, et des réseaux Mesh fonctionnant en infrarouge. (cf. Encadré)

Cependant, la popularité croissante de Wi-Fi éclipse les autres technologies locales sans fil, en tout cas dans la littérature, et la notion de « Réseau Mesh sans-fil » fait presque toujours référence à l’utilisation de Wi-Fi. De même, une topologie Mesh légitime l’utilisation du « ad hoc », et en démultiplie l’intérêt. Par abus de langage, il est donc aussi très fréquent de parler simplement de « réseau Mesh » pour désigner ce qui est, plus justement, « un réseau sans fil basé sur Wi-Fi, présentant une architecture Mesh partielle et reposant sur des connexions ad-hoc ».

Dans ce qui suit, nous parlerons donc généralement de « réseaux Mesh » pour désigner des architectures combinant le Mesh et le ad hoc.

Les atouts du ad hoc

La robustesse d’un réseau de ce type est en théorie beaucoup plus grande, puisque pour qu’un réseau local s’effondre, il faudrait qu’un très grand nombre d’éléments qui le compose cessent de fonctionner. Et si l’un des éléments du réseau ne fonctionne plus, il ne change rien ou presque pour les autres éléments : de nouvelles routes sont empruntées par les informations, comme si l’élément manquant n’avait jamais existé.

Mais ce n’est pas le seul atout de la technologie. On connaît les limites de Wi-Fi, notamment en matière d’obstacles : s’il existe un mur épais, ou même un grillage entre mon ordinateur et le point d’accès correspondant au hotspot, la portée du réseau diminue énormément et il m’est parfois difficile, et souvent impossible de capter le signal. Je ne « vois pas » le réseau. L’architecture Mesh et ad hoc, lorsqu’elle utilise des équipements nombreux, contourne ce problème, au sens propre et figuré : l’accès s’établit de proche en proche, via les autres membres du réseau qui font office de relais. Le frein à l’établissement du réseau (ou d’une connexion sans fil à l’internet) n’est donc plus la présence d’obstacles, mais l’isolement. De ce point de vue, cette architecture paraît bien adaptée à la création de réseaux sans fil en agglomération urbaine. On peut même considérer, en osant l’analogie, que ces réseaux Mesh permettent de communiquer « en murmurant » à tous ses voisins en même temps, de façon uniforme (et ces voisins faisant de même avec leurs propres voisins), là où un AP centralisé ferait office de « haut-parleur » déversant très inégalement un signal dont ne profiterait que ceux qui en sont proches.

Le principe présente tout de même quelques aspects négatifs. Le premier est sans doute l’efficacité du système : à chaque passage de relais, les informations accusent un léger décalage temporel, augmentant le temps de latence global, a fortiori si le réseau comporte de nombreux éléments. Dans le cadre d’une utilisation nomade, on peut aussi reprocher au Mesh le fait « d’utiliser la batterie du voisin ». Même si je suis inactif (en terme de transmission de données), mon ordinateur portable, ou plus exactement sa carte sans-fil, peut être utilisée par d’autres pour échanger leurs données, consommant l’énergie de ma batterie (ce point n’est toutefois pas universellement admis, et les défenseurs de la technologie estiment au contraire qu’elle engendre des économies d’énergie). Enfin, le principe selon lequel mes données transitent par les ordinateurs d’utilisateurs inconnus peut poser un problème de confidentialité, qui rend absolument obligatoire l’utilisation d’outils d’encryptage.

Mais au total, l’architecture ad hoc augmente la fiabilité du réseau, tout en augmentant sa souplesse et son « intelligence » : on peut concevoir des réseaux « auto-organisés », capables de « s’auto-réparer », et pouvant mélanger des matériels hétérogènes.

Des applications infinies

Sans surprise, les premiers utilisateurs de réseaux Mesh et ad hoc ont été les militaires. Mais les applications de la technologie sont innombrables.

La société anglaise Now IP entend par exemple développer le concept de « hotspot mobile », à destination des ISP ou des services de transport public : « Les fournisseurs d’accès sans-fil cherchent de nouveaux moyens pour augmenter leurs revenus et le nombre de points de présence dans leur réseau. Les services de transport cherchent de nouveaux services pour augmenter la satisfaction de leurs usagers. Les services internet dans les transports publics constituent donc une opportunité, puisque les usagers veulent rendre leurs trajets plus productifs et plus divertissant. Mais la technologie Wi-Fi seule n’offre pas la connectivité mobile et étendue que nécessite l’accès dans un bus, un train ou un métro », explique-t-on, ajoutant que la technologie Mesh permet de « mettre en mouvement les hotspots » (http://www.now.co.uk/v2/wireless/meshnetworks/meshhotspots.htm).

L’utilisation du Mesh pour recueillir les données provenant d’une multitude de capteurs disparates (utilisant toutes sortes de technologies sans-fil, notamment Rfid) semble également promise à un bel avenir, en particulier en milieu industriel ou hospitalier (cf., par exemple, http://www.meshdynamics.com.

Mais le Mesh networking peut donner lieu à des projets encore plus ambitieux. Il est par exemple au coeur de Wheels of Zeus (wOz, http://woz.com), la nouvelle entreprise de Steve Wozniak, co-fondateur d’Apple. wOz vise à mettre en place une plate-forme sans-fil qui permette aux particuliers de surveiller les déplacements de leurs animaux domestiques ou de leurs enfants, et aux professionnels de tracer l’envoi de containers ou de localiser des produits sans avoir à utiliser de lecteurs. Wozniak cherche à s’affranchir des technologies sans fil utilisées, qu’il s’agisse de Rfid ou de Wi-Fi, pour proposer une architecture souple s’appuyant sur la localisation GPS et sur le Mesh : « Les entreprises et les particuliers vont contribuer de façon transparente à la croissance du réseau wOzNet, en créant un réseau communautaire dans lequel chacun aide les autres à localiser et à suivre les déplacements des choses qui sont importantes pour eux ».

Concernant les utilisateurs finaux, la technologie se prête particulièrement bien à l’établissement de « réseaux de voisinage », notamment en environnement urbain. La société anglaise Locustworld commercialise par exemple une « Mesh Box », un boîtier qui se connecte au PC et communique sans-fil avec les autres boîtiers similaires qui sont à sa portée (http://locustworld.com/…). Selon son constructeur, le boîtier permet de constituer rapidement et à moindre coût un réseau sans fil étendu (WMAN, Wireless Metropolitan Area Network), ou de partager une connexion Internet à haut débit. De même, on trouve sur le web un « Mesh Cube », commercialisé à 240 euros et permettant l’établissement rapide d’un réseau Mesh et ad hoc (http://www.meshcube.org/index_e.html). Les appareils et logiciels se destinent à tous types d’utilisation : Locustworld a par exemple démontré fin mai à Taïwan l’utilisation de son architecture en matière de voix sur IP, en créant de façon immédiate un réseau Mesh autorisant l’acheminement de communications entre des téléphones SIP et le réseau commuté traditionnel.

Les réseaux aux utilisateurs

Mais, en dehors de ces applications commerciales, et à l’instar du peer-to-peer, ces nouvelles architectures de réseau incluent aussi une dimension politique. Outre les solutions techniques qu’elle propose, la société Locustworld a également donné naissance à CommunityWireless (http://www.communitywireless.org), une association destinée à la promotion de réseaux sans fil citoyens, incitant fortement les utilisateurs à s’emparer du concept. On parle d’internet « organique », de « renaissance », ou d’internet « tel qu’il devrait être ». Et on évoque de multiples applications potentielles, comme des serveurs de jeu mis à disposition de la communauté, du peer-to-peer de voisinage, de la télévision et des radios en accès libre et local, ou du contenu accessible à haut débit sur des mobiles. En somme, on décrit un réseau « libéré des limites du corporatisme et des stratégies commerciales, qui cesserait de privilégier la recherche de profit au détriment de la performance, et serait géré par les utilisateurs, pour les utilisateurs ».

C’est bien aussi de cela dont il s’agit ici. Le Mesh pourrait réussir là où Wi-Fi seul a partiellement échoué, en devenant une technologie privilégiée, bon marché et « plug and play », pour créer des réseaux métropolitains sans-fil efficaces et auto-gérés et, probablement, donner naissance à de nouveaux usages, voire définir le visage d’une nouvelle citoyenneté urbaine. Bien que de multiples associations s’y emploient (cf. « Wi-Fi : les espoirs du sans-fil pervasif », http://fing.org/index.php?num=4762,4), de tels réseaux Wi-Fi ne sont pas encore très répandus, en France notamment, et l’utilisation du Mesh pourrait accélerer l’appropriation de Wi-Fi par les citoyens.

Cette logique préside d’ailleurs aux motivations de fournisseur d’accès sans fil Ozone, qui s’appuie résolument sur la technologie Mesh, et dont le « rêve » (http://www.ozone.net/reve.html) est de reproduire le schéma internet en le généralisant : « Internet s’est constitué à partir de la notion de peering. Le peering consiste simplement à laisser passer sur son propre réseau le trafic provenant d’un autre réseau et vice versa. En introduisant la notion de peering entre Personal Networks, c’est-à-dire en interconnectant les différents Personal Networks, il sera possible de poursuivre la logique qui a présidé à la formation de l’Internet. Nous verrions alors l’apparition d’un Macro/Micro Internet, ou le prolongement de l’Internet à un plus petit niveau de granularité (ou de fractale) ».

« L’étape suivante [dans le déploiement de l’offre Ozone, NDLR] sera de fournir à tous nos utilisateurs des boîtiers relais afin de créer des mesh networks. On arrosera le premier rang avec notre backbone mais ce seront nos utilisateurs qui densifieront le réseau, via leur propre WLAN sécurisé par Ozone », expliquait ainsi Rafi Haladjian en janvier dernier (http://www.neteconomie.com/…/article/20040129235239).

On le voit, le « Mesh Networking » est autant une technologie qu’une philosophie, et l’intérêt qu’elle suscite promet des applications nouvelles. « Les réseaux Mesh constituent de parfaites plate-formes pour des applications de réseaux sociaux. Ceux-ci impliquent des connections distribuées et à la demande entre les utilisateurs, dotés de machines hétérogènes. Si les logiciels de Mesh se répandent, nous pourrions voir des Flash Mobs d’un genre nouveau, des applications de mise en relation basées sur la géolocalisation, des outils assistant des communautés virtuelles de partage de photos, d’annotations ou d’autres choses. D’un autre côté, ces mêmes réseaux seront utilisés pour la vidéo-surveillance permanente (par les gouvernements ou par des acteurs privés) et pour des dispositifs de traçage susceptibles d’envahir notre vie privée », résume Kevin Werbach, spécialiste des technologies sans-fil (http://www.thefeature.com/article?articleid=100484&ref=1347549).

Et d’ajouter : « Mais qu’on le veuille ou non, les réseaux Mesh sont là pour durer. Et comme on l’a vu avec l’internet, de nouveaux modes d’accès engendrent toutes sortes d’applications inattendues. Ce qui retenait le développement des réseaux Mesh était jusqu’à présent l’absence de preuve de leur viabilité commerciale. Mais cette barrière semble être tombée l’année dernière ».

Cyril Fiévet

Encadré : Du réseau sans-fil au réseau ad-hoc en passant par le réseau Mesh 1. Dans un réseau sans fil simple (Wi-Fi, WiMAX…) on a en général un point d’accès et des équipements qui échangent avec ce point d’accès (plutôt que directement entre eux).
Ce point d’accès peut juste servir à relier des équipement entre eux, mais il peut lui-même être également relié à l’internet (via un réseau filaire par exemple) pour permettre aux équipements, via son intermédiaire, d’accéder au net.
Le point d’accès peut aussi être relié à d’autres points d’accès, ce qui permet « d’agrandir » le réseau sans-fil en plaçant des équipements à des endroits éloignés l’un de l’autre (deux bâtiments d’une même entreprise par exemple). On peut aussi couvrir un territoire en espaçant judicieusement des points d’accès afin que leurs zones de couverture ajoutées couvrent un lieu plus grand que ce que peut couvrir un seul point d’accès (on cherche alors à avoir un minimum de zone d’ombres).

2. L’étape suivante consiste à réaliser un réseau sans-fil utilisant la fonctionnalité de « Handover ». Dans ce cas, le passage de la zone d’un point d’accès à celle d’un autre est plus transparente. Il est même possible de passer en continu d’une zone à l’autre en se déplacant (c’est le cas par exemple des réseaux de téléphonie mobile, mais aussi des réseaux Wi-Fi lorsqu’on y ajoute le protocole IEEE 802.11f). On obtient alors l’équivalent d’un grand réseau sans-fil dans lequel on peut se déplacer, même si en réalité ce réseau est constitué de plusieurs cellules élémentaires. Dans le cas de la téléphonie mobile, l’ambition est de couvrir un pays complet avec le minimum de zones d’ombre et même le plus grand nombre possible de pays (dans ce dernier cas, cela nécessite de passer du réseau d’un opérateur au réseau d’un autre opérateur dans un autre pays, voisin ou non. On utilise pour cela un accord appelé Roaming qui relève du domaine commercial, et non technique comme le handover). La contre-partie de cette transparence d’accès à un grand réseau sans fil est qu’il faut interconnecter tous les points d’accès entre eux. Il est alors nécessaire de constituer un deuxième réseau (en général filaire mais il peut aussi être constitué avec des « ponts » sans fils entre deux points d’accès). On a donc un grand réseau global sans-fil qui utilise deux types de réseaux :
. un ensemble de réseaux sans fils constitués de points d’accès et de leur zone de couverture propre
. un réseau d’interconnexion des différents points d’accès
La simplicité et la transparence pour l’utilisateur a pour conséquence une plus grande complexité des infrastructures.

3. L’ambition du réseau Mesh est de supprimer le réseau d’interconnexion entre les points d’accès. L’idée est qu’un point d’accès se trouve dans la zone de couverture d’au moins un autre point d’accès pour échanger directement avec lui à travers son propre réseau sans fil. Il n’est ainsi plus nécessaire de relier les points d’accès avec des moyens différents (par exemple avec deux câbles). Le réseau Mesh est donc constitué de « mailles » qui communiquent directement avec leurs voisines.
Mais pour cela il faut rapprocher les points d’accès entre eux. En effet, dans un réseau classique les zones de couverture des différents points d’accès peuvent être disjointes (dans deux bâtiments différents par exemple) ou au contraire se chevaucher pour permettre à un équipement qui se déplace de passer de l’une à l’autre « sans couture » et « sans coupure ». Mais si un équipement placé juste au milieu, entre deux points d’accès, peut accéder à l’un ou l’autre sans problème, les points d’accès eux-mêmes sont en général trop éloignés pour communiquer directement entre eux. Dans un réseau Mesh on réduit la distance entre les deux points d’accès d’un rapport deux (on a alors quatre fois plus de points d’accès pour une zone donnée). Ainsi les points d’accès peuvent se voir directement et communiquer entre eux sans avoir besoin d’un réseau d’interconnexion supplémentaire.
Cette fois nous avons toujours un grand réseau sans fil pour l’utilisateur. Techniquement, il n’y a plus qu’un seul type de réseau pour l’infrastructure : les réseaux sans-fil constitués des différentes zones de couvertures des points d’accès. En contre partie, il faut installer plus de points d’accès.
Pour réaliser des réseaux Mesh, il a fallu adapter les protocoles car le routage entre deux cellules ne se fait plus sur un réseau d’interconnexion séparé mais directement dans les réseaux sans fils entre les points d’accès.

4. L’étape d’après, les réseaux ad-hoc, consiste à supprimer les points d’accès. Ou plus exactement à transformer tous les équipements en points d’accès. Avantage : il n’y a plus besoin de mettre en place une infrastructure fixe de points d’accès. Inconvénient : les équipements-points d’accès sont mobiles. Ils peuvent changer de place, disparaître, etc.
Bien sûr, il faut que la densité des équipements sur la zone que l’on souhaite couvrir soit suffisamment importante pour que chacun ait un ou plusieurs « voisins » dans sa zone de couverture ». Un réseau ad-hoc est donc un réseau dont la distinction « point d’accès – équipement mobile » n’existe plus.
Cela ne pose pas de problème lorsque les équipements sont suffisamment proches pour communiquer directement entre eux (c’est le mode « ad-hoc » qui existe dans les réseaux Wi-Fi par exemple, par opposition au mode « infrastructure » qui nécessite un point d’accès).
Les choses commencent à devenir plus complexes lorsque les équipements qui doivent communiquer entre eux sont plus éloignés et doivent passer par d’autres équipements intermédiaires. Chaque équipement mobile ad-hoc doit disposer alors de fonctionnalités de routage et communiquer avec ses voisins pour constituer un réseau maillé (mesh network). Un routeur permet grâce à ses « tables de routage » de constituer de proche en proche une « route » pour acheminer les paquets d’information d’un point à un autre. Mais dans le cas du réseau ad-hoc, il n’y a plus de points d’accès fixes. Tout peut bouger… Il n’est donc plus possible de garantir la pertinence des tables de routage à l’avance. Les réseaux ad-hoc essaient soit malgré tout de constituer périodiquement des tables de routage à l’avance (protocoles proactifs tels que OLSR ou TBRPF) ou bien cherchent à constituer une route à chaque fois au moment où l’on souhaite communiquer, en « inondant » les voisins jusqu’à ce que l’on trouve les bons équipements intermédiaires (protocoles réactifs tels que AODV ou DSR). Chaque type d’approche dispose de ses avantages et de ses inconvénients qui les destinent plus particulièrement à tel ou tel type de réseaux . (Voir http://www.fing.org/index.php?num=1915,4#4 ou http://www.fing.org/index.php?num=3326,4#adhoc)

En conclusion : malgré la portée limitée des équipements sans fil (qu’ils soient personnels comme Bluetooth, Zigbee ou UWB – ou bien locaux comme Wi-Fi – ou bien encore métropolitains comme WiMAX, MBWA ou les réseaux de téléphonie mobile – sans compter les cellules de très grande taille offertes par les satellites), l’utilisateur ne veut voir qu’un seul grand réseau sans fil transparent et « sans couture » même s’il est techniquement constitués des zones de couverture de plusieurs petits réseaux élementaires sans fil (des cellules).
La simplicité et la transparence pour l’utilisateur se paye par une plus grande complexité technique (et/ou un coût supérieur).

Dans les réseaux sans fil classiques (avec en plus le handover pour passer d’une cellule à l’autre de façon transparente), il est nécessaire d’ajouter un réseau d’interconnexion des points d’accès.
Dans les réseaux Mesh (qui disposent pratiquement toujours également des fonctionalités de handover), il n’y a plus de réseau d’interconnexion séparé mais en contre partie il faut plus de points d’accès et un protocole nouveau pour effectuer le routage directement dans les cellules sans-fil.
Dans les réseaux ad-hoc (qui sont aussi mesh et avec Handover) on économise sur les infrastructures (plus de points d’accès fixes à instaler), mais au prix d’une plus grande complexité des protocoles. On gagne également beaucoup en souplesse.

La promesse des nouveaux protocoles de communication évolués est de diminuer les coûts d’infrastructure, de gagner en souplesse tout en proposant à l’utilisateur un seul grand réseau sans fil transparent et sans couture.

Jean-Michel Cornu

Pour aller plus loin

Article détaillé sur le sujet (février 2003) : http://www.sensorsmag.com/articles/0203/38/main.shtml
Article présentant l’intérêt du Mesh (novembre 2003) : http://www.nwfusion.com/news/tech/2003/1110techupdate.html
Etude très détaillée sur le développement des WLAN à Londres, et les avantages/inconvénients du Mesh (mars 2004) : http://informal.org.uk/people/julian/publications/the_state_of_wireless_london/

Ressources
Base de connaissances sur le sujet : http://www.meshnetworks.com/pages/knowledge_library/intro_knowledge_library.htm
Groupe de travail IEEE sur la standardisation du Mesh : http://www.ieee802.org/15/pub/TG5.html
Groupe de travail IETF sur la standardisation des réseaux ad hoc : http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html et http://protean.itd.nrl.navy.mil/manet/manet_home.html
Blog consacré au « Mobile Mesh Networking » : http://mcabiling.persozone.net/mobilemesh/

Entreprises spécialisées
http://www.meshhopper.com
http://www.meshdynamics.com
http://www.tropos.com
http://www.locustworld.com

À lire aussi sur internetactu.net

0 commentaires

  1. c’est un bon document mais je voulais aussi des informations sur la securité des reseaux adhoc en passant par les reseaux et surtout les nouveaux services qui interviennent dans les reseaux mesh merci

  2. salut c’est un document intérressant
    je searis reconaissant si vous m’aidez à avoir une documentation en français sur les points suivants:
    – réseau mesh
    – handoff vertical
    – intégration du WLAN en UMTS
    – techniques d’optimisation du delai
    merci

  3. salut
    c pas pas mauvé
    mais j ai besoin d un autre document qui explique ad hoc détaillé
    j en ai besoin le plus vite possible
    merci

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