[BIP] Protocoles d'Interactions par Bips

par Fabien Dufoulon

Projet de thèse en Informatique

Sous la direction de Joffroy Beauquier et de Janna Burman.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication , en partenariat avec LRI - Laboratoire de Recherche en Informatique (laboratoire) , ParSys - Systèmes Parallèles (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les progrès technologiques ont favorisé l'émergence de nouveaux types de réseaux d'entités relativement simples et bon marché, caractérisés par une forte dynamicité et la grande échelle. Il existe cependant des limites à la technologie et une question importante est de déterminer quelles sont les limites du côté du logiciel et des algorithmes. La connaissance exacte des problèmes qui peuvent être résolus, de ceux qui ne le peuvent pas, et, pour ces derniers, la détermination des caractéristiques qui permettraient de les résoudre, sont des facteurs qui peuvent influer sur les développements futurs. Le sujet de cette thèse est de faire un pas dans cette direction et de répondre à ce type de questions d'un point de vue algorithmique. Pour atteindre ces objectifs et obtenir les résultats les plus généraux possibles, nous proposons d'adopter un modèle de réseau de communication extrêmement général, qui est une adaptation du modèle classique des protocoles de populations, mais où la communication se ferait uniquement par bips. Nous désignons ce nouveau modèle par l'acronyme BIP (Beeping Interaction Protocols). Le modèle des protocoles de populations considère des entités communicantes aux ressources limitées (appelées agents). Les agents sont anonymes et ne disposent que de quelques bit de mémoire. Ils sont mobiles et interagissent par paires de manière asynchrone. Aucune hypothèse n'est faite sur leur mobilité, exceptée une hypothèse de vivacité, qui assure qu'aucun agent n'est déconnecté des autres pour toujours. Quand deux agents se rencontrent, ils échangent et mettent à jour leurs états conformément à une fonction de transition, c'est-à-dire conformément au protocole. Pour obtenir des solutions qui s'appliquent à un maximum de situations réelles, nous considérerons la version la plus générale du modèle, c'est-à-dire celle où le graphe de communication des agents est arbitraire (mais connexe), et une condition de vivacité qui assure simplement que certaines exécutions globales sont possibles. La motivation profonde de l'introduction des protocoles de populations était d'étudier la puissance de calcul de réseaux d'agents mobiles avec des caractéristiques limitées. Dans ce sujet, nous avons une préoccupation du même type, mais nous prolongeons l'idée en restreignant encore plus les capacités de communication des agents. Au lieu de pouvoir échanger leurs états respectifs lors d'une interaction, les agents sont supposés d'être uniquement capables de biper. Si un agent décide de biper il ne reçoit pas de retour. D'autre part, si un agent ne bipe pas, il est capable de différencier les deux situations suivantes : (1) l'autre agent n'a pas bipé durant l'interaction, (2) l'autre agent a bipé. Ce type de communication est plus faible que celui qui consisterait à échanger un seul bit. En conséquence des hypothèses extrêmement faibles sur le modèle, le champ d'application à différent types de réseaux est large. Le modèle peut être utilisé même quand des circonstance très restrictives empêchent une communication usuelle. D'autre part, c'est un réel challenge que d'obtenir des solutions à des problèmes avec des hypothèses aussi minimalistes. Nous présentons maintenant les objectifs précis de la thèse. L'objectif le plus immédiat est d'étudier, dans le modèle BIP qui est proposé, quels problèmes de base, en matière de contrôle et de communication, peuvent être résolus. Ces études seront très différentes de celles précédemment développées, soit dans le modèle des protocoles de population, soit dans le modèle du beeping. A la différence des travaux précédents dans ce dernier modèle, nous nous intéresserons aussi au cas asynchrone (le plus réaliste), avec des agents qui interagissent (et non une communication par passage de messages). De nombreux protocoles existants sont probabilistes dans chacun des modèles originaux, mais nous nous efforcerons de concevoir des protocoles déterministes. Dans le contexte du modèle BIP, un des objectifs est de déterminer précisément la frontière entre ce qu'il est possible de faire et ce qui ne l'est pas. Dans cette perspective, des protocoles résolvant des problèmes simples seront conçus, prouvés et analysés d'un point de vue de complexité, et des preuves d'impossibilité pour des problèmes plus complexes seront données. Un autre objectif est de surmonter les impossibilités. Les deux encadrants connaissent bien l'approche par oracle, qui consiste à déterminer des conditions suffisantes sur l'information supplémentaire demandée, sous la forme d'un oracle (analogue à un détecteur de défaillances [Cha96]), pour pouvoir résoudre un problème par ailleurs impossible. Un challenge est aussi de trouver des problèmes et des applications pertinentes dans la pratique. Ces applications seront nécessairement reliées au beeping. Comme il l'a déjà été montré, le beeping fournit une abstraction capturant la primitive de communication la plus simple possible : un signal d'énergie à l'état pur. Les couches implantant le beeping n'utilisent qu'une très faible part de la mécanique nécessitée par la communication standard par paquets, donnant la possibilité d'implanter des procédures rapides de communication à très grande vitesse et à coût très bas. Ce point est important dans une perspective d'économie d'énergie. Un dernier challenge, très motivant, est de trouver des applications dans des systèmes biologiques. Dans la nature, les réseaux de communication sont parfois élémentaires, comme par exemple celui formé par les lucioles qui se synchronisent sur des signaux élémentaires (beeping) ou par des cellules diffusant un marqueur chimique. Ainsi, mieux comprendre comment réaliser une coordination en utilisant des primitives très simples, peut donner un éclairage sur la façon dont la coordination est réalisée dans la nature ([NB14] pour un survey récent sur cette approche).

  • Titre traduit

    [BIP] Beeping Interaction Protocols


  • Résumé

    Constant technological advances allow the development of new types of highly dynamic and large scale mobile networks of tiny well performing communicating devices. However, there are technological limits to these advances and one of the important issues is to determine what the limits on the software or algorithmic side are. Knowing exactly which problems are feasible, which problems are impossible and what is the minimum supplementary feature needed for going from impossible to possible, can deeply influence the future developments. The objective of this project is to make a step in this direction and to answer this type of issues from an algorithmic point of view. To meet the goals and obtain the most general results, we propose to adopt an extremely general model of network communication, a generalized population protocol model that we call BIP (Beeping Interaction Protocols), where in addition to very basic characteristics of the individual network devices, their communication capabilities are reduced to beeps. In a simplified way, BIP can be seen as a combination of two recently introduced communication models, the model of population protocols [Ang+06] and the beeping model [CK10]. We briefly describe the characteristics of these models below. The model of population protocols assumes extremely limited individual devices (called agents). They are anonymous and having each only a constant number of bits of memory. These agents are mobile and interact in pairs in a totally asynchronous way. No assumptions are made about agents' mobility patterns except for a fairness condition, which ensures that agents are not forever disconnected. Whenever two agents meet they exchange their states and update the states according to a transition function, i.e., the protocol. To be able to obtain solutions that fit to as much as possible network environments, and when possible, we will consider the most general version of this model, where the communication topology is arbitrary and the fairness condition ensures only that some global computations are possible. The motivation for the design of population protocol model was to study the computation capabilities of mobile networks with very limited characteristics. In this project we have a similar objective, but we take it further by strongly restricting the communication capabilities of the agents. Instead of being able to exchange their states during an interaction, the agents are able only to beep. If an agent decides to beep, it receives no feedback. On the other hand, if an agent decides to stay silent, it is able to differentiate between the following two cases: (1) no agent in an interaction beeped, and (2) the other interacting agent beeped. Notice that this type of communication is weaker than exchanging one bit. As a result of its weak assumptions, this model has broad applicability to many different implementations of communication networks. It can be applied even where restrictive circumstances frustrate communication under more complex models. Furthermore, it is an interesting technical challenge to design efficient algorithms while making the minimum possible assumptions about the network. For this newly introduced model, there are many avenues for fruitful and challenging research.