On the use of network coding and multicast for enhancing performance in wired networks

par Yuhui Wang

Thèse de doctorat en Informatique et télécommunications

Sous la direction de Tijani Chahed et de Eitan Altman.

  • Titre traduit

    Sur l'utilisation du codage réseau et du multicast pour améliorer la performance dans les réseaux filaires


  • Résumé

    La popularité de la grande variété de l'utilisation d'Internet entraîne une croissance significative du trafic de données dans les réseaux de télécommunications. L'efficacité de la transmission de données sera contestée en vertu du principe de la capacité actuelle du réseau et des mécanismes de contrôle de flux de données. En plus d'augmenter l'investissement financier pour étendre la capacité du réseau, améliorer les techniques existantes est plus rationnel et éconmique.Diverses recherches de pointe pour faire face aux besoins en évolution des réseaux ont vu le jour, et l'une d'elles est appelée codage de réseau. Comme une extension naturelle dans la théorie du codage, il permet le mélange de différents flux réseau sur les noeuds intermédiaires, ce qui modifie la façon d'éviter les collisions de flux de données. Il a été appliqué pour obtenir un meilleur débit, fiabilité, sécurité et robustesse dans différents environnements et applications réseau. Cette thèse porte sur l'utilisation du réseau de codage pour le multicast dans les réseaux maillés fixes et systèmes de stockage distribués. Nous avons d'abord des modèles de différentes stratégies de routage multicast dans un cadre d'optimisation, y compris de multicast à base d'arbres et de codage de réseau; nous résolvons les modèles avec des algorithmes efficaces et comparons l'avantage de codage, en termes de gain de débit de taille moyenne graphique généré aléatoirement. Basé sur l'analyse numérique obtenue à partir des expériences précédentes, nous proposons un cadre révisé de routage multicast, appelé codage de réseau stratégique, qui combine transmission muticast standard et fonctions de codage de réseau afin d'obtenir le maximum de bénéfice de codage réseau au moindre coût lorsque ces coûts dépendent à la fois sur le nombre de noeuds à exécuter un codage et le volume de trafic qui est codé. Enfin, nous étudions le problème révisé de transport qui est capable de calculer un système de routage statique entre les serveurs et les clients dans les systèmes de stockage distribués où nous appliquons le codage pour soutenir le stockage de contenu. Nous étendons l'application à un problème d'optimisation général, nommé problème de transport avec des contraintes de degré, qui peut être largement utilisé dans divers domaines industriels, y compris les télécommunications, mais n'a pas été étudié très souvent. Pour ce problème, nous obtenons quelques résultats théoriques préliminaires et nous proposons une approche de décomposition Lagrange raisonnable


  • Résumé

    The popularity of the great variety of Internet usage brings about a significant growth of the data traffic in telecommunication network. Data transmission efficiency will be challenged under the premise of current network capacity and data flow control mechanisms. In addition to increasing financial investment to expand the network capacity, improving the existing techniques are more rational and economical. Various cutting-edge researches to cope with future network requirement have emerged, and one of them is called network coding. As a natural extension in coding theory, it allows mixing different network flows on the intermediate nodes, which changes the way of avoiding collisions of data flows. It has been applied to achieve better throughput and reliability, security, and robustness in various network environments and applications. This dissertation focuses on the use of network coding for multicast in fixed mesh networks and distributed storage systems. We first model various multicast routing strategies within an optimization framework, including tree-based multicast and network coding; we solve the models with efficient algorithms, and compare the coding advantage, in terms of throughput gain in medium size randomly generated graphs. Based on the numerical analysis obtained from previous experiments, we propose a revised multicast routing framework, called strategic network coding, which combines standard multicast forwarding and network coding features in order to obtain the most benefit from network coding at lowest cost where such costs depend both on the number of nodes performing coding and the volume of traffic that is coded. Finally, we investigate a revised transportation problem which is capable of calculating a static routing scheme between servers and clients in distributed storage systems where we apply coding to support the storage of contents. We extend the application to a general optimization problem, named transportation problem with degree constraints, which can be widely used in different industrial fields, including telecommunication, but has not been studied very often. For this problem, we derive some preliminary theoretical results and propose a reasonable Lagrangian decomposition approach


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