Middleware Systems for Opportunistic Computing in Challenged Wireless Networks

par Abdulkader Benchi

Thèse de doctorat en Stic

Sous la direction de Frédéric Guidec.

Soutenue le 29-06-2015

à Lorient , dans le cadre de École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (PRES) , Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires / IRISA (laboratoire) et de Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (laboratoire) .

Le président du jury était Didier Donsez.

Le jury était composé de Didier Donsez, Pascale Launay.

Les rapporteurs étaient Frédéric Weis, Sergi Robles.

  • Titre traduit

    Support des applications distribuées dans les réseaux mobiles ad hoc à continuité partielle


  • Résumé

    Les réseaux mobiles opportunistes (ou OppNets, pour Opportunistic Networks) constituent une solution séduisante pour compléter les réseaux fixes d’infrastructure, voire compenser leur absence dans des zones sinistrées ou défavorisées. Les recherches menées ces dernières années ont principalement visé à permettre les transmissions dans les OppNets, mais ceci ne peut être qu’un premier pas vers une réelle exploitation de tels environnements contraints. L’informatique opportuniste (Opportunistic Computing) dépasse le cadre des seules transmissions, et introduit un nouveau paradigme d’exécution de tâches collaboratives dans de tels environnements. Dans ce domaine qu’est l’informatique opportuniste, la conception, la mise en œuvre et le déploiement d’applications distribuées sont des objectifs majeurs. Une application pour OppNet doit pouvoir fonctionner et assurer un niveau de service satisfaisant, tout en supportant les diverses contraintes propres aux OppNets, telles qu’une connectivité fluctuante, un partitionnement chronique du réseau, de longs délais de transmissions, de fréquents échecs de transmission, et des équipements hétérogènes offrant des ressources limitées. La complexité et le coût du développement d’applications pour OppNets peuvent être réduits de manière significative en utilisant des modèles de programmation appropriés. De tels modèles peuvent être fournis par des systèmes intergiciels capables de supporter de manière transparente les contraintes évoquées plus haut. Le travail rapporté dans ce mémoire a porté sur l’étude des contraintes inhérentes aux OppNets, et sur la proposition de solutions appropriées. Parmi les modèles de programmation usuels, certains ont été identifiés comme pouvant être utilisés dans le cadre des OppNets. Sur la base de ces divers modèles de programmation, des systèmes intergiciels opportunistes ont été mis en oeuvre. Ces systèmes supportent respectivement le modèle de messagerie distribuée (sur la base de files d’attentes et de "topics"), le modèle du tuple-space, et la résolution de consensus. Des implémentations complètes ont été réalisées, et le code source est distribué sous licence GPL (GNU General Public License). Ces systèmes ont été évalués par le biais d’expérimentations menées en conditions réelles et par simulation.


  • Résumé

    Opportunistic networks (OppNets) constitute an appealing solution to complement fixed network infrastructures –or make up for the lack thereof– in challenged areas. Researches in the last few years have mostly addressed the problem of supporting networking in OppNets, yet this can only be a first step towards getting real benefit from these networks. Opportunistic computing goes beyond the concept of opportunistic networking, and provides a new paradigm to enable collaborative computing tasks in such environments. In the realm of opportunistic computing, properly designing, implementing and deploying distributed applications are important tasks. An OppNet-dedicated application must be able to operate and maintain an acceptable level of service while addressing the many problems that can occur in these networks, such as disconnections, partitioning, long transmission delays, transmission failures, resource constraints, frequent changes in topology, and heterogeneous devices. Much of the complexity and cost of building OppNet-dedicated applications can be alleviated by the use of high-level programming models. Such models can be supported by middleware systems capable of transparently addressing all the above-mentioned problems. The work reported in this dissertation focused on providing insight into the fundamental problems posed by OppNets, so as to analyze and solve the problems faced by application developers while dealing with these environments. The research focused on identifying well-known high-level programming models that can be satisfactorily implemented for OppNets, and that can prove useful for application developers. In order to demonstrate the feasibility of application development for OppNets, while assessing the benefits brought about by carefully designed middleware systems, a couple of such systems have been designed, implemented, and evaluated as part of this work. These middleware systems respectively support distributed messaging (through message queues and topics), the tuple-space model, and consensus solving in OppNets. They are supplemented with fully-functional implementations, that can be used in real settings, and that are all distributed under the terms of the GNU General Public License (GPL). Real-life experiments and simulations have been realized so as to evaluate the effectiveness and efficiency of these systems in real conditions.


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