Routing protocol optimization in challenged multihop wireless networks

Durant ces dernières années, de nombreux travaux de recherches ont été menés dans le domaine des réseaux multi-sauts sans fil à contraintes (MWNs: Multihop Wireless Networks). Grâce à l'évolution de la technologie des systèmes mico-electro-méchaniques (MEMS) et, depuis peu, les nanotechnologies, les MWNs sont une solution de choix pour une variété de problèmes. Le principal avantage de ces réseaux est leur faible coût de production qui permet de développer des applications ayant un unique cycle de vie. Cependant, si le coût de fabrication des nœuds constituant ce type de réseaux est assez faible, ces nœuds sont aussi limités en capacité en termes de: rayon de transmission radio, bande passante, puissance de calcul, mémoire, énergie, etc. Ainsi, les applications qui visent l'utilisation des MWNs doivent être conçues avec une grande précaution, et plus spécialement la conception de la fonction de routage, vu que les communications radio constituent la tâche la plus consommatrice d'énergie.Le but de cette thèse est d'analyser les différents défis et contraintes qui régissent la conception d'applications utilisant les MWNs. Ces contraintes se répartissent tout le long de la pile protocolaire. On trouve au niveau application des contraintes comme: la qualité de service, la tolérance aux pannes, le modèle de livraison de données au niveau application, etc. Au niveau réseau, on peut citer les problèmes de la dynamicité de la topologie réseau, la présence de trous, la mobilité, etc. Nos contributions dans cette thèse sont centrées sur l'optimisation de la fonction de routage en considérant les besoins de l'application et les contraintes du réseau. Premièrement, nous avons proposé un protocole de routage multi-chemin "en ligne" pour les applications orientées QoS utilisant des réseaux de capteurs multimédia. Ce protocole repose sur la construction de multiples chemins durant la transmission des paquets vers leur destination, c'est-à-dire sans découverte et construction des routes préalables. En permettant des transmissions parallèles, ce protocole améliore la transmission de bout-en-bout en maximisant la bande passante du chemin agrégé et en minimisant les délais. Ainsi, il permet de répondre aux exigences des applications orientées QoS.Deuxièmement, nous avons traité le problème du routage dans les réseaux mobiles tolérants aux délais. Nous avons commencé par étudier la connectivité intermittente entre les différents et nous avons extrait un modèle pour les contacts dans le but pouvoir prédire les future contacts entre les nœuds. En se basant sur ce modèle, nous avons proposé un protocole de routage, qui met à profit la position géographique des nœuds, leurs trajectoires, et la prédiction des futurs contacts dans le but d'améliorer les décisions de routage. Le protocole proposé permet la réduction des délais de bout-en-bout tout en utilisant d'une manière efficace les ressources limitées des nœuds que ce soit en termes de mémoire (pour le stockage des messages dans les files d'attentes) ou la puissance de calcul (pour l'exécution de l'algorithme de prédiction).Finalement, nous avons proposé un mécanisme de contrôle de la topologie avec un algorithme de routage des paquets pour les applications orientés évènement et qui utilisent des réseaux de capteurs sans fil statiques. Le contrôle de la topologie est réalisé à travers l'utilisation d'un algorithme distribué pour l'ordonnancement du cycle de service (sleep/awake). Les paramètres de l'algorithme proposé peuvent être réglés et ajustés en fonction de la taille du voisinage actif désiré (le nombre moyen de voisin actifs pour chaque nœud). Le mécanisme proposé assure un compromis entre le délai pour la notification d'un événement et la consommation d'énergie globale dans le réseau.Great research efforts have been carried out in the field of challenged multihop wireless networks (MWNs). Thanks to the evolution of the Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology and nanotechnologies, multihop wireless networks have been the solution of choice for a plethora of problems. The main advantage of these networks is their low manufacturing cost that permits one-time application lifecycle. However, if nodes are low-costly to produce, they are also less capable in terms of radio range, bandwidth, processing power, memory, energy, etc. Thus, applications need to be carefully designed and especially the routing task because radio communication is the most energy-consuming functionality and energy is the main issue for challenged multihop wireless networks.The aim of this thesis is to analyse the different challenges that govern the design of challenged multihop wireless networks such as applications challenges in terms of quality of service (QoS), fault-tolerance, data delivery model, etc., but also networking challenges in terms of dynamic network topology, topology voids, etc. Our contributions in this thesis focus on the optimization of routing under different application requirements and network constraints. First, we propose an online multipath routing protocol for QoS-based applications using wireless multimedia sensor networks. The proposed protocol relies on the construction of multiple paths while transmitting data packets to their destination, i.e. without prior topology discovery and path establishment. This protocol achieves parallel transmissions and enhances the end-to-end transmission by maximizing path bandwidth and minimizing the delays, and thus meets the requirements of QoS-based applications. Second, we tackle the problem of routing in mobile delay-tolerant networks by studying the intermittent connectivity of nodes and deriving a contact model in order to forecast future nodes' contacts. Based upon this contact model, we propose a routing protocol that makes use of nodes' locations, nodes' trajectories, and inter-node contact prediction in order to perform forwarding decisions. The proposed routing protocol achieves low end-to-end delays while using efficiently constrained nodes' resources in terms of memory (packet queue occupancy) and processing power (forecasting algorithm). Finally, we present a topology control mechanism along a packet forwarding algorithm for event-driven applications using stationary wireless sensor networks. Topology control is achieved by using a distributed duty-cycle scheduling algorithm. Algorithm parameters can be tuned according to the desired node's awake neighbourhood size. The proposed topology control mechanism ensures trade-off between event-reporting delay and energy consumption.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

A Dynamic Messaging Architecture for Vehicular Social Networks

RÉSUMÉ La congestion routière et les longs trajets quotidiens sont deux grandes sources d'insatisfaction chez les voyageurs. Ces derniers partagent les mêmes besoins et intérêts au niveau de la route mais leur anonymité, leur manque de confiance en leur voisinage et la grande mobilité des véhicules les rendent incapables d'entamer et de maintenir une communication sure et stable entre eux, pendant les heures de pointe et les bouchons de circulation, afin de gérer ensemble l'état critique et imprévisible du trafic routier. Ceci déclenche chez eux des sentiments de frustration, augmente leur niveau de stress et les pousse à s'envoyer des messages de façon aveugle, ce qui empire la situation du trafic, congestionne le réseau, augmente les délais d'attente de réception d'information utiles et affecte négativement la qualité de leur voyage et leur état psychologique. Par ailleurs et en l'absence de congestion, certains voyageurs considèrent la longue durée de leur voyage comme du temps perdu à ne rien faire, d'autres utilisent les applications mobiles de géolocalisation et partagent leurs informations contextuelles avec leurs amis via les réseaux sociaux virtuels, ce qui est considéré comme un moyen de divertissement tout au long de leur voyage. En fait, l'anonymité des voyageurs au niveau de la route est alimentée par leur hésitation à partager leurs intérêts avec un public inconnu, ce qui pourrait les exposer aux problèmes de fuite de données personnelles et mettre en péril leur identité et information personnelles. Plusieurs travaux de recherche ont proposé des architectures véhiculaires qui favorisent et facilitent le développement de services et d'applications véhiculaires traditionnels orientés véhicule, qui visent principalement à améliorer la sécurité routière et à prévenir les accidents. D'autres travaux plus récents sont motivés par l'amélioration de la qualité du voyage et à offrir aux voyageurs des services de divertissement. Ces travaux proposent l'introduction du concept des réseaux sociaux dans les réseaux véhiculaires ad hoc afin de faciliter la formation de communautés véhiculaires sociales où les voyageurs sont regroupés en fonction de leur contexte et leurs intérêts sur la route. Pour ce faire, les auteurs de ces travaux ont procédé à la conception d'architectures véhiculaires sociales distribuées ou centralisées qui supportent le développement des applications véhiculaires orientées utilisateur. Cependant, ces architectures proposées ne sont pas hybrides. De plus, elles ne tiennent pas compte de la coopération entre les couches supérieures de l'architecture OSI (services et applications) et les couches inférieures responsables du routage de l'information contextuelle dynamique propagée à travers le réseau. En outre, ces dernières devraient aussi considérer la fragilité et l'instabilité des liens de communication entre les véhicules, ce qui empêche les voyageurs de maintenir une communication fiable et efficace sur la route et cause des collisions lors de la dissémination des messages dans des environnements véhiculaires denses. Par ailleurs, le coût d'accès à l'infrastructure induit une grande consommation de la bande passante dans le cas où la majorité des voyageurs se connectent à Internet simultanément dans un environnement véhiculaire hybride et dense. Cette thèse vient combler le vide d'architecture véhiculaire hybride dans les réseaux véhiculaires sociaux et propose un nouveau système de messagerie dynamique hybride, fiable, stable et efficace pour ce type de réseaux, appelé DYMES. Une telle architecture permet de favoriser les interactions entre les voyageurs en temps-réel, tout en respectant leur anonymité sur la route et en tenant compte de la dynamicité de leurs informations contextuelles partagées à travers le réseau, en utilisant un ensemble d'abstractions de communication fiable, efficace, distribué et centralisé, dans un environnement véhiculaire hybride et dense. Ce travail est subdivisé en trois volets importants qui ont fait l'objet d'articles scientifiques. Le premier volet consiste à identifier une méta-stratégie qui guide la conception des abstractions de communication hybrides sur lesquelles repose DYMES. Nous proposons l'utilisation du modèle de publication et de souscription aux services qui concorde avec la nature dynamique des réseaux véhiculaires et qui répond aux requis et aux besoins des voyageurs au niveau de la route en terme du respect de l'anonymité de leur identité. Dans ce modèle, les récipiendaires des messages publiés sont identifiés par leur contexte et non par leur identité. De ce fait, nous concevons et introduisons des abstractions dynamiques de publication et de souscription aux services qui visent à assurer une communication anonyme entre les voyageurs en leur permettant de publier leur information contextuelle dynamique et de souscrire en utilisant des filtres dynamiques sensibles au contexte des messages. Nous illustrons l'utilisation de DYMES et montrons son fonctionnement via deux applications véhiculaires sociales distribuées et centralisées. De plus, nous identifions et nous discutons nos choix d'implémentation des abstractions centralisées, distribuées et hybrides proposées qui guident la conception du système DYMES. Le deuxième volet propose un nouvel ensemble d'abstractions de publication et de souscription dynamiques, hybrides, efficientes et fiables qui représente un module de l'architecture DYMES. Notre première abstraction est une stratégie de publication et de souscription dynamique aux services de regroupement DPSCS (Dynamic Publish/Subscribe Clustering Strategy) qui aborde les problématiques de l'isolation des voyageurs au niveau de la route et de l'instabilité de leur liens de communication. DPSCS permet à chaque voyageur de former une communauté stable basée sur son propre contexte et intérêt, qui est capable de s'auto mettre à jour de façon efficiente et fiable tout en respectant l'anonymité des voyageurs sur la route. Pour ce faire, chaque voyageur qui désire communiquer avec son entourage en créant une communauté, publie une seule publication persistante, dans un espace déterminé, dont le contenu est dynamique. DPSCS repose sur un protocole de communication qui permet de propager cette publication de manière efficiente et fiable en sélectionnant les relais qui disposent d'un lien stable avec le nœud source (l'éditeur) de la publication et qui sont situés loin de ce nœud. Les voyageurs dont les souscriptions courantes concordent avec la publication dynamique du nœud source, joignent sa communauté. La persistance de la publication envoyée détermine la fin de la formation de la communauté. Notre deuxième abstraction proposée est une stratégie de découverte et de sélection de relais mobiles appelée MGDSS (Mobile Gateway Discovery/Selection Strategy). Cette dernière aborde les problématiques de découverte et de sélection de relais mobiles dans les environnements véhiculaires hybrides qui donnent naissance à d'autres problèmes comme la grande consommation de bande passante lors de l'accès d'un grand nombre de véhicules à l'infrastructure, et le nombre exponentiel de messages envoyés entre les voyageurs dans les environnements véhiculaires denses. MGDSS se base sur le résultat de DPSCS. Elle facilite aux voyageurs groupés dans des communautés la découverte de leur entourage en leur permettant de s'envoyer un seul message chacun, qui est propagé de façon fiable et efficiente en utilisant un nouveau protocole de diffusion nommé CoCo (Context-aware Coding). Ce dernier permet de réduire le nombre de retransmissions des messages à travers la communauté et d'en assurer la livraison par les voyageurs. Ces derniers procèdent à la sélection d'un nombre minimal de nœuds relais capables de les lier à l'infrastructure en se basant sur les informations qu'ils ont reçues à travers MGDS-CoCo. Notre stratégie de sélection nommée MGSS (Mobile Gateway Selection Strategy) permet aux voyageurs d'envoyer leurs publications et leurs souscriptions à l'infrastructure à travers les relais sélectionnés en utilisant les chemins les plus stables. Une nouvelle stratégie de correspondance entre publication et souscription est implémentée au niveau de l'infrastructure et permet de comparer et de mettre à jour les souscriptions des voyageurs et de les filtrer selon leur contenu dynamique avec les publications reçues. Le résultat est renvoyé aux souscripteurs concernés via le relais sélectionné en utilisant MGSS. L'évaluation de performance de cet ensemble d'abstractions dynamiques de publication et de souscription de l'architecture DYMES prouve que la stratégie DPSCS est, en moyenne, 28% meilleure que les autres stratégies existantes en termes d'efficience et qu'elle est capable de former des communautés dans l'ordre des millisecondes. De plus, MGDSS dépasse les stratégies existantes par un facteur de 71% à 100% en termes d'efficience pour toute densité de nœuds comparée aux autres stratégies. Finalement, le troisième volet de cette thèse aborde la problématique de la dissémination des messages dans les environnements véhiculaires distribués. Nous proposons une nouvelle stratégie de publication et de souscription dynamique aux services appelée SocialDrive-BroadTrip qui constitue un module important dans l'architecture DYMES. Cette stratégie assure une communication fiable et efficiente entre les voyageurs regroupés en peloton. Elle leur permet de publier des mises à jour persistantes dont le contenu est dynamique et de souscrire en utilisant des filtres dynamiques sensibles au contexte des mises à jour publiées. La correspondance entre publication et souscription est effectuée par les souscripteurs qui sont intéressés à recevoir les dernières mises à jour publiées. La propagation de ces dernières est assurée par un nouveau protocole de diffusion nommé BroadTrip. Ce dernier est basé sur la localisation et sur le codage réseau afin de réduire le nombre de retransmissions des mises à jour envoyées à travers le peloton. L'évaluation de performance de BroadTrip montre qu'il est en moyenne 12% à 38% meilleur que les autres approches existantes. De plus, nos résultats de simulation montrent que SocialDrive-BroadTrip dépasse les autres stratégies de 26% à 58% en termes d'efficience et qu'elle est plus rapide que les autres stratégies en termes du nombre de correspondances de mises à jours effectuées. Globalement, les abstractions de communication proposées dans l'architecture DYMES peuvent être utilisées comme base de développement de n'importe quelle application véhiculaire sociale. De plus, les résultats prouvent que l'architecture DYMES améliore la qualité d'interaction entre les voyageurs tout au long de leur voyage, en leur offrant différents types de services qui leur permettent de contrer leur isolement sur la route et de communiquer en temps réel de façon anonyme, efficiente, stable et efficace. Ceci permet aussi d'assurer leur confort pendant leurs navettes quotidiennes.----------ABSTRACT Spending time in a lengthy commute is unavoidable and is considered as one of the most painful parts of the commuters' daily routine. As ubiquitous computing is increasingly revolutionizing the way people interact and socialize, there is a pressing need to showcase vehicular social applications and services that enable proximity-based social interactions among commuters during their daily commutes. These applications aim at improving the quality of the commuters' traveling experience since they share similar congestion issues and are connected through wireless links. However, the major challenging issues that constraint their social interactions during their highway travels are 1) their anonymity on the road that does not encourage them to share their common interest which may reveal their identities and disclose their private information to an unknown public, and 2) the heterogeneous nature of vehicular environments and the unreliable connectivity of their wireless links which may drastically impact the quality of their social interactions. The inclusion of social networks within vehicles has attracted many researchers to devise either distributed or centralized vehicular social frameworks that support the development of vehicular applications and promote social interactions among commuters on the road. However, and to the best of our knowledge, there is a lack of hybrid vehicular social architectures. Moreover, existing architectures do not ensure a cooperation between upper service layers and the physical vehicular communication layers and are only designed to satisfy a specific kind of commuters' requirements. In this thesis, we tackle the lack of specialized hybrid vehicular social frameworks in the literature and we propose a novel, efficient, reliable, stable, hybrid and Dynamic Messaging System (DYMES) for vehicular social networks. Our proposed messaging system enables real-time social interactions among commuters based on their common interests, without revealing their identities, while taking into account the dynamic nature of their shared information, using a set of efficient, reliable, distributed and centralized communication abstractions. More specifically, this work is subdivided into three main aspects, each of these aspects led to scientific publications. The first aspect consists in the identification of a meta-strategy to guide building DYMES. We propose the use of the publish/subscribe model to design novel dynamic communication abstractions that match the dynamic nature of vehicular networks, as well as the anonymous nature of commuters' on the road. Our proposed dynamic publish/subscribe abstractions aim at breaking the commuters' social isolation by allowing them to publish dynamic contextual information and to subscribe using online context-aware message filters, without revealing their identities. We show the DYMES usage via two typical centralized and distributed vehicular social applications. Furthermore, we identify and discuss implementation issues of our proposed hybrid, distributed and centralized publish/subscribe abstractions which guide the building of our DYMES architecture. The second aspect introduces a set of novel, hybrid, efficient, reliable, stable and dynamic publish/subscribe abstractions that constitute an important building block of our hybrid DYMES architecture. Our first proposed abstraction is a Dynamic Publish/Subscribe Clustering Strategy (DPSCS) that tackles the problems of the commuters' anonymity and the intermittent nature of their wireless links which limit their social communication during their road trips. DPSCS provides the opportunity for each commuter to build a stable, self-updated, efficient and reliable community based on its own interests, without disclosing its personal information and without flooding the network. Using DPSCS, each commuter publishes a single persistent and dynamic publication in a predetermined geographical range, leaving the dynamic matching process to subscribers. DPSCS relies on the two Shot Stable Routing Service (2S-SRS) that disseminates the commuter's publication using stable and farther nodes. Our second proposed abstraction is a Mobile Gateway Discovery/Selection Strategy (MGDSS) that tackles the problems pertaining to mobile gateway discovery and selection in hybrid dense vehicular environments and that lead to other related challenges such as extensive bandwidth consumption and high message overhead. MGDSS is based on the outcome of DPSCS and allows commuters clustered in interest-based communities to efficiently and reliably discover their neighborhood, using an efficient and reliable broadcasting protocol called CoCo (Context-aware Coding). This protocol uses location and network coding in order to reduce the number of message retransmissions throughout the network, during the discovery process. A minimum number of mobile gateways is then selected by each commuter, upon the end of the discovery process, in order to simultaneously send the commuters' dynamic publications and subscriptions to the infrastructure using stable links. An online matching strategy is executed at the infrastructure and aims at updating the commuters' subscriptions and at sending positive matches to the corresponding subscribers. More specifically, DPSCS outperforms the next best comparable approach by 28% and succeeds to build social communities in the order of milliseconds. Furthermore, MGDSS shows an improvement of 71% to 100% over existing discovery strategies for any node density. Finally, the third aspect introduces a new dynamic publish/subscribe broadcasting abstraction called SocialDrive-BroadTrip that also constitutes an important building block of our hybrid DYMES architecture. SocialDrive-BroadTrip tackles the problem of updates dissemination in distributed vehicular environments. It aims at enabling real-time social interactions among commuters clustered in platoons. It allows them to publish dynamic and persistent updates and to subscribe using online context-aware update filters. Matching is executed by subscribers who are interested to receive the newest updates. The dissemination of persistent publications (updates) throughout the network is performed using a novel, efficient and reliable broadcasting protocol called BroadTrip. It leverages on location information and network coding in order to reduce the number of retransmissions needed to propagate the published persistent updates in platoons. The proposed abstraction is evaluated analytically and through simulations. We first evaluate the performance of BroadTrip protocol. The results show that it outperforms the next best comparable approach by 12% to 38% depending on settings. We then use BroadTrip as an underlying protocol in the DYMES architecture and evaluate the performance of SocialDrive-BroadTrip in a vehicular dense environment. The results show that our proposed strategy outperforms other existing approaches by 26% to 58% depending on settings. Globally, the results prove that DYMES is the best suitable messaging system to improve the quality of real-time social interactions among commuters in hybrid and dense vehicular environments, that it is able to ensure efficiency and comfort during their daily commutes and that its dynamic, efficient and reliable communication abstractions can be used to build any kind of vehicular social applications

Routage et gestion de la mobilité dans les réseaux personnels

L'objectif de cette thèse est d'étudier des méthodes et des stratégies efficaces pour le routage et la gestion de la mobilité dans le cadre des réseaux personnels. Dans un premier temps, nous proposons le cadre de nos études: Personal Ubiquitous Environments (PUE). Un PUE est constitué d'un ensemble d'utilisateurs ayant des terminaux disposant d'interfaces réseau hétérogènes, et dont l'objectif est de mettre en oeuvre des mécanismes de coopération et de partage des ressources de manière totalement distribuée. Dans ce cadre, la thèse a proposé des solutions innovantes contribuant à améliorer la communication inter et intra réseau personnels. La première contribution porte sur le protocole PNRP (Personal Network Routing Protocol) dont le but est de développer un routage à base de politiques (policy-based routing) pour les environnements personnels. La seconde, intitulée ADD (Adaptive Distributed gateway Discovery), est un mécanisme totalement distribué pour la découverte de multiples chemins vers une passerelle vers un réseau opéré. De plus, étant donné que ces environnements sont hétérogènes par leurs compositions (réseaux d'accès, terminaux ...), une architecture de gestion de la mobilité qui permet une gestion unifiée de la localisation et de la mobilité sans coutures appliquant lénsemble des noeuds a également été traitée. Les résultats d'évaluation par simulation démontrent l'applicabilité et léfficacité des ces protocoles.The aim of this thesis is to investigate methods and strategies for efficient routing and mobility management in personal environments. The concept of Personal Ubiquitous Environments (PUE) is introduced which accommodates heterogeneous devices and access networks of different users and sustain the notion of sharing resources in a distributed manner. A prerequisite for achieving the resource (devices, networks) sharing in personal environments is the deployment of suitable communication protocols which establish efficient multi-hop routes betweens the devices of the PUE. Personal Network Routing Protocol (PNRP) has been developed to perform policy-based routing in personal environments. Moreover, in certain personal networking scenarios, the infrastructure network components (i.e. gateways) are more than one-hop distance from the user's devices; Adaptive Distributed gateway Discovery (ADD) protocol is thereby proposed to efficiently discover the multi-hop routes towards the gateway in a totally distributed manner. All the more, since the personal environments regroups heterogeneous access networks, an efficient mobility management architecture is proposed which offers unified location management and seamless handover experience to dynamic personal nodes. The proposed protocols are assessed by means of numerous communication scenarios; the simulation results demonstrate the applicability of the proposed protocols

Routage adaptatif et stabilité dans les réseaux maillés sans fil

Grâce à leur flexibilité et à leur facilité d’installation, les réseaux maillés sans fil (WMNs) permettent un déploiement d’une infrastructure à faible coût. Ces réseaux étendent la couverture des réseaux filaires permettant, ainsi, une connexion n’importe quand et n’importe où. Toutefois, leur performance est dégradée par les interférences et la congestion. Ces derniers causent des pertes de paquets et une augmentation du délai de transmission d’une façon drastique. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et à la stabilité dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la conception d’une métrique de routage et à la sélection des passerelles permettant d’améliorer la performance des WMNs. Dans ce contexte nous proposons un protocole de routage à la source basé sur une nouvelle métrique. Cette métrique permet non seulement de capturer certaines caractéristiques des liens tels que les interférences inter-flux et intra-flux, le taux de perte des paquets mais également la surcharge des passerelles. Les résultats numériques montrent que la performance de cette métrique est meilleure que celle des solutions proposées dans la littérature. Dans une deuxième partie de la thèse, nous nous intéressons à certaines zones critiques dans les WMNs. Ces zones se trouvent autour des passerelles qui connaissent une concentration plus élevé du trafic ; elles risquent de provoquer des interférences et des congestions. À cet égard, nous proposons un protocole de routage proactif et adaptatif basé sur l’apprentissage par renforcement et qui pénalise les liens de mauvaise qualité lorsqu’on s’approche des passerelles. Un chemin dont la qualité des liens autour d’une passerelle est meilleure sera plus favorisé que les autres chemins de moindre qualité. Nous utilisons l’algorithme de Q-learning pour mettre à jour dynamiquement les coûts des chemins, sélectionner les prochains nœuds pour faire suivre les paquets vers les passerelles choisies et explorer d’autres nœuds voisins. Les résultats numériques montrent que notre protocole distribué, présente de meilleurs résultats comparativement aux protocoles présentés dans la littérature. Dans une troisième partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes d’instabilité des réseaux maillés sans fil. En effet, l’instabilité se produit à cause des changements fréquents des routes qui sont causés par les variations instantanées des qualités des liens dues à la présence des interférences et de la congestion. Ainsi, après une analyse de l’instabilité, nous proposons d’utiliser le nombre de variations des chemins dans une table de routage comme indicateur de perturbation des réseaux et nous utilisons la fonction d’entropie, connue dans les mesures de l’incertitude et du désordre des systèmes, pour sélectionner les routes stables. Les résultats numériques montrent de meilleures performances de notre protocole en comparaison avec d’autres protocoles dans la littérature en termes de débit, délai, taux de perte des paquets et l’indice de Gini.Thanks to their flexibility and their simplicity of installation, Wireless Mesh Networks (WMNs) allow a low cost deployment of network infrastructure. They can be used to extend wired networks coverage allowing connectivity anytime and anywhere. However, WMNs may suffer from drastic performance degradation (e.g., increased packet loss ratio and delay) because of interferences and congestion. In this thesis, we are interested in adaptive routing and stability in WMNs. In the first part of the thesis, we focus on defining new routing metric and gateway selection scheme to improve WMNs performance. In this context, we propose a source routing protocol based on a new metric which takes into account packet losses, intra-flow interferences, inter-flow interferences and load at gateways together to select best paths to best gateways. Simulation results show that the proposed metric improves the network performance and outperforms existing metrics in the literature. In the second part of the thesis, we focus on critical zones, in WMNs, that consist of mesh routers which are located in neighborhoods of gateways where traffic concentration may occur. This traffic concentration may increase congestion and interferences excessively on wireless channels around the gateways. Thus, we propose a proactive and adaptive routing protocol based on reinforcement learning which increasingly penalizes links with bad quality as we get closer to gateways. We use Q-learning algorithm to dynamically update path costs and to select the next hop each time a packet is forwarded toward a given gateway; learning agents in each mesh router learn the best link to forward an incoming packet and explore new alternatives in the future. Simulation results show that our distributed routing protocol is less sensitive to interferences and outperforms existing protocols in the literature. In the third part of this thesis, we focus on the problems of instability in WMNs. Instability occurs when routes flapping are frequent. Routes flapping are caused by the variations of link quality due to interferences and congestion. Thus, after analyzing factors that may cause network instability, we propose to use the number of path variations in routing tables as an indicator of network instability. Also, we use entropy function, usually used to measure uncertainty and disorder in systems, to define node stability, and thus, select the most stable routes in the WMNs. Simulation results show that our stability-based routing protocol outperforms existing routing protocols in the literature in terms of throughput, delay, loss rate, and Gini index

Performance Assessment of Routing Protocols for IoT/6LoWPAN Networks

The Internet of Things (IoT) proposes a disruptive communication paradigm that allows smart objects to exchange data among themselves to reach a common goal. IoT application scenarios are multiple and can range from a simple smart home lighting system to fully controlled automated manufacturing chains. In the majority of IoT deployments, things are equipped with small devices that can suffer from severe hardware and energy restrictions that are responsible for performing data processing and wireless communication tasks. Thus, due to their features, communication networks that are used by these devices are generally categorized as Low Power and Lossy Networks (LLNs). The considerable variation in IoT applications represents a critical issue to LLN networks, which should offer support to different requirements as well as keeping reasonable quality-of-service (QoS) levels. Based on this challenge, routing protocols represent a key issue in IoT scenarios deployment. Routing protocols are responsible for creating paths among devices and their interactions. Hence, network performance and features are highly dependent on protocol behavior. Also, based on the adopted protocol, the support for some specific requirements of IoT applications may or may not be provided. Thus, a routing protocol should be projected to attend the needs of the applications considering the limitations of the device that will execute them. Looking to attend the demand of routing protocols for LLNs and, consequently, for IoT networks, the Internet Engineering Task Force (IETF) has designed and standardized the IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL). This protocol, although being robust and offering features to fulfill the need of several applications, still presents several faults and weaknesses (mainly related to its high complexity and memory requirement), which limits its adoption in IoT scenarios. An alternative to RPL, the Lightweight On-demand Ad Hoc Distancevector Routing Protocol – Next Generation (LOADng) has emerged as a less complicated routing solution for LLNs. However, the cost of its simplicity is paid for with the absence of adequate support for a critical set of features required for many IoT environments. Thus, based on the challenging open issues related to routing in IoT networks, this thesis aims to study and propose contributions to better attend the network requirements of IoT scenarios. A comprehensive survey, reviewing state-of-the-art routing protocols adopted for IoT, identified the strengths and weaknesses of current solutions available in the literature. Based on the identified limitations, a set of improvements is designed to overcome these issues and enhance IoT network performance. The novel solutions are proposed to include reliable and efficient support to attend the needs of IoT applications, such as mobility, heterogeneity, and different traffic patterns. Moreover, mechanisms to improve the network performance in IoT scenarios, which integrate devices with different communication technologies, are introduced. The studies conducted to assess the performance of the proposed solutions showed the high potential of the proposed solutions. When the approaches presented in this thesis were compared with others available in the literature, they presented very promising results considering the metrics related to the Quality of Service (QoS), network and energy efficiency, and memory usage as well as adding new features to the base protocols. Hence, it is believed that the proposed improvements contribute to the state-of-the-art of routing solutions for IoT networks, increasing the performance and adoption of enhanced protocols.A Internet das Coisas, do inglês Internet of Things (IoT), propõe um paradigma de comunicação disruptivo para possibilitar que dispositivos, que podem ser dotados de comportamentos autónomos ou inteligentes, troquem dados entre eles buscando alcançar um objetivo comum. Os cenários de aplicação do IoT são muito variados e podem abranger desde um simples sistema de iluminação para casa até o controle total de uma linha de produção industrial. Na maioria das instalações IoT, as “coisas” são equipadas com um pequeno dispositivo, responsável por realizar as tarefas de comunicação e processamento de dados, que pode sofrer com severas restrições de hardware e energia. Assim, devido às suas características, a rede de comunicação criada por esses dispositivos é geralmente categorizada como uma Low Power and Lossy Network (LLN). A grande variedade de cenários IoT representam uma questão crucial para as LLNs, que devem oferecer suporte aos diferentes requisitos das aplicações, além de manter níveis de qualidade de serviço, do inglês Quality of Service (QoS), adequados. Baseado neste desafio, os protocolos de encaminhamento constituem um aspecto chave na implementação de cenários IoT. Os protocolos de encaminhamento são responsáveis por criar os caminhos entre os dispositivos e permitir suas interações. Assim, o desempenho e as características da rede são altamente dependentes do comportamento destes protocolos. Adicionalmente, com base no protocolo adotado, o suporte a alguns requisitos específicos das aplicações de IoT podem ou não ser fornecidos. Portanto, estes protocolos devem ser projetados para atender as necessidades das aplicações assim como considerando as limitações do hardware no qual serão executados. Procurando atender às necessidades dos protocolos de encaminhamento em LLNs e, consequentemente, das redes IoT, a Internet Engineering Task Force (IETF) desenvolveu e padronizou o IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL). O protocolo, embora seja robusto e ofereça recursos para atender às necessidades de diferentes aplicações, apresenta algumas falhas e fraquezas (principalmente relacionadas com a sua alta complexidade e necessidade de memória) que limitam sua adoção em cenários IoT. Em alternativa ao RPL, o Lightweight On-demand Ad hoc Distance-vector Routing Protocol – Next Generation (LOADng) emergiu como uma solução de encaminhamento menos complexa para as LLNs. Contudo, o preço da simplicidade é pago com a falta de suporte adequado para um conjunto de recursos essenciais necessários em muitos ambientes IoT. Assim, inspirado pelas desafiadoras questões ainda em aberto relacionadas com o encaminhamento em redes IoT, esta tese tem como objetivo estudar e propor contribuições para melhor atender os requisitos de rede em cenários IoT. Uma profunda e abrangente revisão do estado da arte sobre os protocolos de encaminhamento adotados em IoT identificou os pontos fortes e limitações das soluções atuais. Com base nas debilidades encontradas, um conjunto de soluções de melhoria é proposto para superar carências existentes e melhorar o desempenho das redes IoT. As novas soluções são propostas para incluir um suporte confiável e eficiente capaz atender às necessidades das aplicações IoT relacionadas com suporte à mobilidade, heterogeneidade dos dispositivos e diferentes padrões de tráfego. Além disso, são introduzidos mecanismos para melhorar o desempenho da rede em cenários IoT que integram dispositivos com diferentes tecnologias de comunicação. Os vários estudos realizados para mensurar o desempenho das soluções propostas mostraram o grande potencial do conjunto de melhorias introduzidas. Quando comparadas com outras abordagens existentes na literatura, as soluções propostas nesta tese demonstraram um aumento do desempenho consistente para métricas relacionadas a qualidade de serviço, uso de memória, eficiência energética e de rede, além de adicionar novas funcionalidades aos protocolos base. Portanto, acredita-se que as melhorias propostas contribuiem para o avanço do estado da arte em soluções de encaminhamento para redes IoT e aumentar a adoção e utilização dos protocolos estudados

Adaptive Distributed Gateway Discovery in Hybrid Wireless Networks

International audienceAn ever-growing demand for coverage extension, higher data-rates and improved connectivity has motivated the interconnection of mobile ad-hoc networks to fixed IP networks, to form a Hybrid Wireless Network (HWN). The convergence of ad- hoc and infrastructure network is also attractive in real-world scenarios due to its practicality and usefulness. In HWNs, gateways are generally used as an interconnection point for the integrated network. In order to improve the overall performance of HWN, an efficient gateway discovery and route maintenance scheme is indispensable. In this paper, we present a novel adaptive gateway discovery scheme called ADD (Adaptive Distributed gateway Discovery), in which the adaptation is done in a fully distributed manner. Simulation results show that the distributed adaptation capabilities of our proposed scheme facilitate outperforming the existing gateway discovery mechanisms in terms of control overhead, packet delivery and delay