Towards efficient content dissemination over disruption tolerant networks

par Amir Krifa

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Chadi Barakat.

Soutenue en 2012

à Nice .

  • Titre traduit

    Vers de meilleures applications pour le partage de contenus dans les réseaux tolérants au délai


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    L’innovation au niveau des appareils et des technologies mobiles se fait à un rythme très rapide qui risque de remettre en question la capacité des infrastructures des réseaux mobiles déjà déployés ainsi que l’efficacité des approches classiques et déjà existantes de partages de données au niveau de ces derniers. En effet, l’infrastructure mobile existante ne pourra pas faire face à l’augmentation exponentielle du volume de données échangées entre les utilisateurs sans avoir à étendre sa capacité actuelle. Cette dernière approche peut s’avérer très couteuse. Les différents travaux de recherche qui ont été récemment menés dans ce contexte ont proposé une architecture alternative pour l’échange de contenus volumineux et populaires. Cette dernière consiste dans le fait de se baser sur la capacité des échanges opportunistes qui peuvent avoir lieu entre les utilisateurs (les nœuds) mobiles (équipés d’appareils sans-fils) lorsqu’ils se retrouvent à la portée les uns des autres afin de disséminer d’une manière efficace et assez rapides les contenus volumineux et populaires. Une telle approche peut s’avérer très intéressante en termes de performance ainsi qu’en termes de coût. Cependant, des études doivent encore être menées au niveau protocolaire afin d’identifier es mécanismes qui permettront aux nœuds mobiles de collecter, stocker les contenus en local et les relayer de manière optimale. Par ailleurs, dans ce contexte distribué, le bon déroulement des sessions de partage de contenus dépendra de la capacité du protocole à faire face aux nœuds malveillants, à bien les identifier et les contrôler. Dans cette thèse, nous avons commencé par étudier exhaustivement l’état de l’art en termes de solutions qui ont été proposées pour le routage des contenus en mode point-à-point ou point-à-multipoints dans les réseaux sans fils tolérants au délai (DTN). Les principales observations qui ont découlé de notre étude consistent premièrement (i) dans le fait que la communauté de recherche a produit d’énormes efforts afin de définir des algorithmes de routages de contenus pour les réseaux DTN sans mettre trop l’accent sur les aspects de gestion des unités de stockages au niveau des nœuds mobiles en cas de congestion ou l’ordonnancement de l’envoi de contenus en cas d’une limitation de la bande passante du contact en question et deuxièmement (ii) afin de mener d’une manière efficace le partage de contenus dans un contexte DTN et en plus de définir des politiques de gestion des ressources (capacité de stockage, bande passante), il faut impérativement s’assurer que suffisamment de nœuds collaborent afin de rendre le système intéressant pour les participants ? Ce dernier objectif est souvent en conflit avec celui de la gestion optimale des ressources. Suite à cette dernière étude, nous avons essayé d’adresser d’une manière détaillée les différents problèmes mis en évidence. Durant cette thèse et dans un premier volet, nous avons lis l’accent sur le problème de routage du continu en point à point à travers un réseau DTN. Les chercheurs se trouvent fréquemment face à un tel problème, par exemple dans le cadre de la surveillance et l’étude de la vie animale dans les habitats naturels. De telles études se basent généralement sur des réseaux de capteurs où les nœuds essayent de relayer et livrer d’une manière efficace les observations recueillis et les mesures à un nœud central. Dans ce sens, nous avons proposé une politique (GBSD : Global Knowledge Based Schedulling and Drop) pouvant gérer de façon optimale les ressources au niveau des nœuds mobiles. La politique GBSD peut être configurée pour l’optimisation que ce soit du taux ou du délai de livraison des continus et elle se base sur l’utilisation des paramètres décrivant l’état global d’un message dans un réseau DTN, de ce fait, elle ne servira qu’en tant que référence. Nous avons aussi proposé une politique distribuée HBSD (History Based Scheduling and Drop) basée sur l’apprentissage statistique afin d’approximer en pratique les performances de notre politique de références. Enfin, dans cette même direction, nous avons introduit des notions d’échantillonnage des statistiques utilisées par HBSD fin de diminuer la charge de la signalisation sans pour autant dégrader les performances. Dans un second volet, nous avons adressé le problème de partage de continus à large échelle au niveau d’un réseau de nœuds mobiles qui ne sont pas forcément altruistes. Ainsi, nous avons proposé une architecture basée sur des canaux de diffusion qui permet aux utilisateurs d’exprimer leurs intérêts en termes de continus et d’attendre tout simplement d’être notifié une fois qu’ils reçoivent des continus qui matchent leurs intérêts. Afin de concrétiser cela, nous avons proposé Mobi’Trade. Mobi’Trade est un système de marchandage de continus qui se base sur des utilités et qui permet de gérer d’une manière optimale les ressources des nœuds mobiles, de relayer les intérêts des utilisateurs, de rapatrier les continus d’intérêt et de forcer la collaboration au sein du réseau DTN. Durant cette thèse, nos politiques de gestion des ressources des nœuds mobiles en mode point-à-point- ainsi que notre protocole de partage de continus à une large échelle en mode point-à-multipoint ont fait l’objet d’une évaluation exhaustive en se basant respectivement sur des simulations NS2 et NS3. Nous avons aussi développé des prototypes pour no architectures afin de les tester dans un environnement réel.


  • Résumé

    The rapid proliferation of advanced mobile devices has created a growing demand for data content. Existing approaches cannot keep up with the large volume of content generated and requested, without the deployment of new expensive infrastructure. Exchanging content of interest opportunistically, when two nodes are in range, presents a low cost and high bandwidth alternative for popular, bulky content? Yet, efficiently collecting, storing, and sharing the content while preventing selfish users from impairing collaborative ones, poses major challenges. In this thesis, we start by discussing the state of the art in terms of proposed solutions for both point-to-point content routing and point-to-multipoint content sharing solutions in DTN(s) (Delay Tolerant Network). Our main observations were i) despite a large amount of effort invested in the design of efficient routing protocols for DTN, there has not been a similar focus on storage management and scheduling policies, and (ii) in addition to dealing with the resources management challenges, distributed (or peer-to-peer) content sharing systems over non-altruistic mobile devices have one more important issue to deal with : to ensure enough nodes collaborate to make the system interesting to participants. This latter goal is often conflicting with optimal resources management policies. Following this preliminary study, we try to solve the highlighted problems in their foundations. We focus furst on the problem of optimal resource management in the context point-to-point content routing through a DTN. This problem was first studied in scenarios related to environment and habitat monitoring based on sensor networks, in project willing to connect rural villages, and even in scenarios related to space technologies based on DTN protocols. We propose a practical and efficient joint scheduling and drop policy that can optimize different performance metrics, such as average delay and delivery probability. We first use the theory of encounter-based message dissemination to derive the optimal policy based on global knowledge about the network (GBSD, Global knowledge Based Scheduling and Drop). Then, we introduce a method that estimates all necessary parameters using locally collected statistics. Based on this, we derive a distributed scheduling and drop policy that can approximate the performance of the optimal policy in practice (HBSD, History Based Scheduling and Drop). Finally, we study how sample statistics can reduce the signaling overhead of our algorithm and examine its behavior under different congestion regimes. In a second effort, we revisit the problem of optimal resource management in the context of large scale interests-driven content sharing over non-altruistic mobile devices. Our ultimate goal is to enable people, through channel based architecture to express their interests, head out in the real world and wait to get notified whenever a content that matches their interests is retrieved. To achieve this, we propose Mobi’Trade as candidate architecture. Mobi’Trade is a utility driven trading system for efficient content sharing on top of a DTN. It does not only take care of the network and device resources, but also carefully considers : (i) the propagation of interests of participating users, (ii) the matching of these interests to individual node mobility patterns, and (iii) the willingness of involved users to collaborate. While simple tit-for-tat (TFT) mechanisms can force nodes to give one to get one, dealing with the inherent tendency of peers to take much but give back little, they can quickly lead to deadlocks when some (or most) of interesting content must be somehow fetched across the network. To resolve this, Mobi’Trade relies on a trading mechanism that allows a node merchant to buy, store and carry content for other nodes (its clients) so that it can later trade it for content it is personally interested in. To exploit this extra degree of freedom, Mobi’Trade nodes continuously profile the type of content requested and the collaboration level of encountered devices. An appropriate utilily function is then used to collect n optimal inventory that maximizes the expected value of stored content for future encounters, matched to the observed mobility patterns, interest patterns, and collaboration levels of encountered nodes. Both of resources management solutions for point-to-point DTN routing (HBSD) and our channel base content sharing architecture (Mobi’Trade) have been validated respectively through extensive NS-2 and NS-3 simulations along with a multitude of synthetic mobility models and real mobility traces. Furthermore, in order to ensure the feasibility of our protocols and offer them to users, we implemented respectively HBSD and Mobi’Trade for the DTN2 reference architecture and on real Android powered mobile devices and did further experiment in real environments.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (vi-123 f.)
  • Annexes : Bibliogr. f. [115]-123. Résumé en français

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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 12NICE4018
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