Auction-based Bandwidth Allocation Mechanisms for Wireless Future Internet

An important aspect of the Future Internet is the efficient utilization of (wireless) network resources. In order for the - demanding in terms of QoS - Future Internet services to be provided, the current trend is evolving towards an "integrated" wireless network access model that enables users to enjoy mobility, seamless access and high quality of service in an all-IP network on an "Anytime, Anywhere" basis. The term "integrated" is used to denote that the Future Internet wireless "last mile" is expected to comprise multiple heterogeneous geographically coexisting wireless networks, each having different capacity and coverage radius. The efficient management of the wireless access network resources is crucial due to their scarcity that renders wireless access a potential bottleneck for the provision of high quality services. In this paper we propose an auction mechanism for allocating the bandwidth of such a network so that efficiency is attained, i.e. social welfare is maximized. In particular, we propose an incentive-compatible, efficient auction-based mechanism of low computational complexity. We define a repeated game to address user utilities and incentives issues. Subsequently, we extend this mechanism so that it can also accommodate multicast sessions. We also analyze the computational complexity and message overhead of the proposed mechanism. We then show how user bids can be replaced from weights generated by the network and transform the auction to a cooperative mechanism capable of prioritizing certain classes of services and emulating DiffServ and time-of-day pricing schemes. The theoretical analysis is complemented by simulations that assess the proposed mechanisms properties and performance. We finally provide some concluding remarks and directions for future research

Agrégation dynamique des paquets pour résoudre l'anomalie de performance des réseaux sans fil IEEE 802.11

Session 6 : qualité de service et réseaux sans filNational audienceL'anomalie de performance est un problème bien connu du standard 802.11. Il est aussi l'un des plus étudiés. Ces dernières années des solutions permettant de résoudre ce problème, telles que la fragmentation de paquet, l'adaptation de l'algorithme de backoff, ou l'agrégation d'envois de paquets durant un temps donné, ont été developpées. Dans ce papier nous proposons une solution au problème de l'anomalie de performance basée sur une agrégation des paquets en utilisant un intervalle de temps dynamique, qui dépend du temps d'occupation du médium sans fil. Cette approche dynamique nous permet d'augmenter l'équité, la réactivité, et d'être dans certain cas plus efficace comparé aux autres solutions proposées dans la littérature

Profiterole (Un protocole de partage équitable de la bande passante dans les réseaux ad hoc)

Les réseaux ad hoc ont ceci de différent des réseaux avec point d'accès qu'ils nécessitent encore moins d'infrastructure, puisque les entités qui les composent, plutôt que de communiquer exclusivement avec le point d'accès, sont des noeuds mobiles qui s'auto-organisent pour former un réseau. Du point de vue du concepteur de protocoles, cette topologie de réseau a deux implications : le fait que le réseau s'auto-organise impose de concevoir des mécanismes distribués, et la mobilité intrinsèque à ces réseaux implique que ces protocoles doivent être réactifs. C'est à ces réseaux que je me suis intéressé pendant ma thèse, et plus spécifiquement aux difficultés qu'y pose la norme IEEE 802.11, norme des réseaux sans fil plus connue sous le nom de WiFi. On observe que dans ces réseaux, 802.11 partage souvent la bande passante de manière très inégale, avec les conséquences que cela entraîne sur les services utilisant ces réseaux, mais aussi sur la stabilité des liens radio. La couche MAC de 802.11, initialement développée pour les réseaux avec points d'accès, est à l'origine de ces problèmes. Le résultat principal de mes recherches est une proposition de protocole, appelé Profiterole, dont l'objectif est de réduire ces inégalités de partage de bande passante. Partant du constat que les informations disponibles au niveau MAC, souvent trop locales, sont insuffisantes pour assurer un partage à la fois efficace et équitable, le protocole Profiterole réside dans la couche routage et tire parti d'informations sur la topologie du réseau. La nouveauté de l'approche réside essentiellement dans la volonté que j'ai eu de la rendre applicable en pratique. L'algorithme de calcul des débits optimaux est donc distribué, et a un faible surcoût réseau. Durant l'exposé, je présenterai cette solution, et je tâcherai de démontrer les faiblesses des approches de niveau MAC et les avantages d'une approche de couche 3. Enfin, mes travaux m'ont conduit à m'intéresser aux métriques de qualité de service dans les réseaux sans fil. Je montrerai que l'équité à court terme a un impact positif sur la satisfaction à long terme des utilisateurs des réseaux ad hoc.Ad hoc networks are different from standard access point wireless networks in the sense that they require even less infrastructure : instead of communicating exclusively with the access point, nodes that belong to such networks organize themselves to form a network. Such a topology has two implications on protocols for ad hoc networks; First, the mechanisms involved in these protocols need to be distributed among the nodes of the network. Second, since ad hoc networks are intrisically mobile, protocols have to be highly reactive. This thesis manuscript deals with the problems induced by the use of IEEE 802.11 - the standard of wireless local area networks, also known as WiFi - in ad hoc networks. In these networks, it has been shown that 802.11 may share the bandwidth in a very unfair way, wich has consequences on the stability of the radio links, and thus, on their reliability. The 802.11 MAC layer, initially designed for WLANs, is responsible for these problems. The main result shown is a protocol called Profiterole which aims at reducing bandwidth unfairness. It is based on the fact that the MAC layer knowledge of the network is too local and restricted, and cannot take into account interactions with nodes that are more than one hop away. Profiterole lies in layer 3 and is combined with the routing protocol AODV. It takes advantage of the additionnal knowledge on the network topology provided by AODV. The novelty of this approach essentially lies in its tractability : the algorithm that computes the optimal throughputs is distributed, and has a very low network overhead. As a secondary result, this manuscript deals with Quality-of-Service metrics in ad hoc networks. This work intends to prove that short-term fairness has a positive impact on the long-term user satisfaction.LYON-ENS Sciences (693872304) / SudocSudocFranceF

Stratégies de routage multi-chemin dans les réseaux sans fil multi-sauts

Un réseau sans l multi-saut est un ensemble d entités mobiles et/ou xes formant un réseau dynamique temporaire avec ou sans l aide de toute administration centralisée. Cette particularité rend le routage problématique en cas d instabilité des éléments qui composent les communications non directes. A n de palier ces problèmes, de nouvelles formes de routage sont utilisées comme le routage multi-chemin (MC). Le routage MC permet d envoyer les données sur des chemins multiples et semble être une solution e cace pour ces réseaux. Le but de cette thèse est d étudier les techniques de routage MC dans un contexte sans l multi-saut en vue d obtenir de meilleures performances. Nous avons choisi pour notre étude une extension MC du protocole OLSR, appelée MP-OLSR. Nous évaluons ses performances sous divers scénarios sous NS-2. Ces tests d évaluation nous ont amenés à mettre en evidence deux problèmes dans MP-OLSR : la réactivité du protocole de routage MC suite à des ruptures de route et la stratégie de répartition des données sur les chemins multiples. Nous avons étudié la réactivité de tels mécanismes dans MP-OLSR. Nous avons proposé trois nouvelles techniques de réparation de pannes qui diminuent les temps de rétablissement d une route et réduisent le taux de perte des ux transmis. Nous proposons aussi un mécanisme qui détecte la dégradation de la qualité des liens durant le transfert d un tra c de données. Les informations déduites de ce mécanisme servent à adapter la proportion de tra c à a ecter à chaque chemin selon les conditions réseaux. Cette nouvelle variante du protocole MP-OLSR est évaluée par simulation.Wireless multi-hop networks consist of a collection of mobile and/or xed nodes which dynamically exchange data with (or without) reliance on a (any) centralized administration. They are by de nition self-organized. The frequent topological changes make multi-hop routing a crucial issue for these networks. To overcome these problems, new forms of routing schemes are used as the multipath routing (MP). MP routing uses multiple paths to send data and can be regarded as an e ective solution for these networks. The purpose of this PhD thesis is to study the MP routing techniques in a wirelessmulti-hop context for better performance. We choose for our study a MP extension of OLSR, called MP-OLSR. We evaluate its performance under various scenarios in NS-2. These tests have led us to highlight two problems in MP-OLSR : the long recovery delays when facing network failure situations and the allocation strategy of data on multiple paths. We de ne and seek to evaluate the latency introduced by both protocols OLSR and MP-OLSR to nd a new path after a link failure. We propose three new di erent recovery schemes and accordingly extend these original protocols in order to decrease theexpected latency and reduce the packet loss rate of transmitted ow. We also propose a mechanism which is able to detect the deterioration of the link quality during the transfer of data tra c. The information derived from this mechanism is used to adjust the proportion of tra c to be assigned to each path according to network conditions. This new version of MP-OLSR protocol is evaluated by simulation.LYON-ENS Sciences (693872304) / SudocSudocFranceF

Un environnement de réservation efficace en énergie pour les systèmes distribués à grande échelle

Depuis quelques années, économiser l'énergie est devenu un enjeu majeur dans les technologies de l'information et de la communication (TIC). Celles-ci représentent en effet 2% des émissions de CO2 de la planète, soit autant que l'aviation. Les systèmes distribués (grilles, clouds, réseaux haute performance) constituent de gros consommateurs d'électricité. En effet, pour des besoins de haute disponibilité, leurs ressources sont allumées en permanence et notamment lorsqu'elles ne sont pas utilisées. Les systèmes de réservation garantissent qualité de service et respect des contraintes de l'utilisateur. Ils permettent également une gestion plus fine des ressources. Pour limiter la consommation électrique des systèmes distribués et des réseaux dédiés, nous avons proposé un système de réservation de ressources efficace en énergie. Ce système de réservation, appelé ERIDIS, a été adapté à trois infrastructures distribuées différentes: les centres de calcul et les grilles, les environnements de cloud et les réseaux filaires dédiés. Dans les trois cas, des validations ont été menées et elles ont montré que des économies d'énergie significatives pouvaient être réalisées en utilisant ERIDIS dans les systèmes distribués actuels et futurs.Over the past few years, the energy consumption of Information and Communication Technologies (ICT) has become a major issue. Nowadays, ICT accounts for 2% of the global CO2 emissions, an amount similar to that produced by the aviation industry. Large-scale distributed systems (e.g. Grids, Clouds and high-performance networks) are often heavy electricity consumers because - for high-availability requirements - their resources are always powered on even when they are not in use. Reservation-based systems guarantee quality of service, allow for respect of user constraints and enable fine-grained resource management. For these reasons, we propose an energy-efficient reservation framework to reduce the electric consumption of distributed systems and dedicated networks. The framework, called ERIDIS, is adapted to three different systems: data centers and grids, cloud environments and dedicated wired networks. By validating each derived infrastructure, we show that significant amounts of energy can be saved using ERIDIS in current and future large-scale distributed systems.LYON-ENS Sciences (693872304) / SudocSudocFranceF

De l'apport d'une évaluation précise des ressources pour la Qualité de Service des réseaux ad hoc basés sur IEEE 802.11

L essor des technologies sans fil offre aujourd hui de nouvelles perspectives dans le domaine des télécommunications. L évolution récente des moyens de communication sans fil permet la manipulation de l information par des unités de calculs portables accédant au réseau via une interface de communication sans fil. Depuis quelques années, les réseaux ad hoc, réseaux sans fil ne possédant aucune infrastructure fixe dédiée à la gestion des communications, ont suscité un axe de recherche important. Les débits de ces réseaux sont actuellement tels que des applications contraignantes comme la diffusion de vidéos ou la téléphonie sur IP sont envisageables sur ces réseaux. La mise en place de qualité de service dans les réseaux ad hoc est donc une problématique clé. Pendant ma thèse, je me suis intéressé à l évaluation des ressources disponibles dans les réseaux ad hoc. Cette problématique, trop souvent laissée de côté, est pourtant fondamentale si on veut pouvoir offrir des garanties aux applications de manière efficace. J ai donc proposé une technique d évaluation de la bande passante disponible qui présente de très bonnes performances et qui permet d assurer avec précision les garanties demandées par les applications avec contraintes. A partir de cette estimation, je me suis intéressé à la cohabitation entre les flux QoS et les flux Best Effort, afin de pouvoir accepter le maximum de flux QoS d une part et d optimiser la gestion de la bande passante dans le réseau d autre part. Enfin, cette estimation m a aussi permis de proposer une évaluation fiable du délai moyen sur un chemin. Cette estimation peut être utilisée au sein d un protocole de routage garantissant des délais moyen aux applications.Mobile Ad hoc Network (MANET) is an autonomous system of mobile nodes connected by wireless links. They require no fixed infrastructure such as base station to operate; therefore, it is an attractive networking option for connecting mobile devices quickly and spontaneously. The nodes themselves address topology changes due to the mobility, the arrival or the departure of nodes. Today, several applications general multimedia data or rely on the proper transmission of sensitive control traffic. These applications may benefit from a quality of service (QoS) support. Therefore, this field has been extensive/y studied and more and more QoS solutions are proposed for ad hoc networks. During my thesis, I focus on one of the fundamental resources, the bandwidth. Estimating the remaining bandwidth at a given time an in a given part of the network is tricky, as the medium is shared between close nodes in a wireless network. This implies that computation of the available bandwidth between two neighbor nodes requires identification of all the emitter's potential contenders and of all the receiver's potential jammers. I propose therefore a new technique to estimate residual bandwidth in ad hoc networks which present good performances. From this estimation, i have also developed a management scheme for QoS and Best Effort flows in order to increase the acceptance rate of QoS flows. Finally, we also compute an evaluation of end-to-end delay in these ad hoc networksVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Efficacité énergétique dans le calcul très haute performance (application à la tolérance aux pannes et à la diffusion de données)

Les infrastructures de calcul très haute performance ont connu une croissance rapide en particulier ces dernières années. Cette croissance a toujours été motivée par les besoins accrus en puissance de calcul qu'expriment les scientifiques dans divers domaines. Cependant, ces systèmes devenus de plus en plus larges constituent de gros consommateurs d'électricité et consomment déjà plusieurs mégawatts. Afin de consommer ''moins'' et ''mieux'', nous avons proposé un environnement logiciel qui d'une part, permet de choisir avant de pré-exécuter l'application, les versions de services applicatifs consommant le moins d'énergie, et qui d'autre part, repose sur une grille électrique intelligente pour planifier les réservations des ressources de calcul de ces infrastructures. Cet environnement, appelé SESAMES, a été adapté à deux services applicatifs indispensables au calcul très haute performance : la tolérance aux pannes et la diffusion de données. Des validations expérimentales ont montré que l'on peut réduire la consommation énergétique de chacun des deux services étudiés en s'appuyant sur les estimations énergétiques précises fournies par SESAMES pour n'importe quel contexte d'exécution et pour n'importe quelle plate-forme dotée de wattmètres. Notre méthodologie d'estimation repose sur une description du contexte d'exécution et sur une calibration de la plate-forme d'exécution basée sur la collecte de mesures énergétiques. Des simulations ont démontré que l'ordonnanceur multi-critères des réservations de ressources proposé dans SESAMES, permet de réduire à la fois la consommation énergétique, le coût financier et l'impact environnemental de ces réservations, tout en respectant les contraintes imposées par l'utilisateur et le fournisseur d'énergie.High performance computing (HPC) infrastructures have experienced a rapid growth, particularly these last years. This growth has been driven by the increased need in terms of computational power expressed by scientists in various fields. However, their increasing size makes them important electricity consumers since they already consume several megawatts. In order to consume "less" and better", we proposed a framework which permits to choose the less consuming versions of the services before pre-executing the application. In addition, our framework relies on a smart grid in order to schedule resource reservations on these computing infrastructures. This framework, called SESAMES, is adapted to two services required in high performance computing: fault tolerance and data broadcasting. Experimental validations have shown that we can reduce the energy consumption of both services by relying on accurate energy estimations provided by SESAMES for any execution context and for any platform equipped with wattmeters. Our estimation methodology is based on a description of the execution context and on a platform calibration that consists of gathering energy measurements. Simulations have shown that the multi-criteria reservation scheduler proposed in SESAMES, simultaneously reduces the energy consumption, the financial cost and the environmental impact of these reservations, while respecting the constraints imposed by the user and the energy supplier.LYON-ENS Sciences (693872304) / SudocSudocFranceF