Applications of game theory to distributed routing and delay tolerant networking

par Tatiana Seregina

Thèse de doctorat en Informatique et Automatique

Sous la direction de Olivier Brun et de Balakrishna Jitendra Prabhu.

Soutenue le 18-11-2014

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....) , en partenariat avec Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Chassot.

Le jury était composé de Olivier Brun, Balakrishna Jitendra Prabhu, Panayotis Mertikopoulos.

Les rapporteurs étaient Konstantin Avrachenkov, Tijani Chahed.

mots clés

• Théorie des jeux
• Routage distribué
• Réseaux tolérants aux délais
• Convergence
• Dynamique de meilleure réponse
• Mécanisme d'incitation
• Théorie des jeux
• Routage (informatique)
• Convergence (mathématiques)

Titre traduit

Applications de la théorie des jeux au routage distribué et aux réseaux tolérants aux délais

Résumé

Deux situations de comportement égoïste des agents dans les réseaux de communication sont considérées dans le cadre de la théorie des jeux.La première situation concerne les réseaux de communication utilisant un routage décentralisé basé sur des agents autonomes. Nous étudions les propriétés de convergence des dynamiques de meilleures réponses dans un jeu de routage sur des liens parallèles. Le jeu implique un nombre fini d'agents, chacun décidant comment son trafic est routé sur les liens de manière à minimiser son propre coût. Nous proposons l'utilisation du rayon spectral généralisé des matrices Jacobiennes de l'opérateur de meilleure réponse pour démontrer la convergence.La seconde situation apparaît dans les réseaux tolérants aux délais dont l'objectif est de permettre la communication dans des environnements où la connectivité n'est qu'intermittente et où les délais de communication peuvent être très longs. Nous proposons tout d'abord un mécanisme d'incitation basé sur une récompense pour convaincre les noeuds mobiles de relayer les messages, et analysons l'influence de l'information donnée par la source (nombre de copies du message, âge de ces copies) aux relais sur le prix à payer pour transmettre le message. Nous considérons ensuite un modèle dans lequel la source propose une récompense fixe. Les noeuds mobiles peuvent alors décider d'accepter ou non le message, et s'ils l'acceptent, peuvent ensuite à tout moment décider de l'abandonner. Nous modélisons l'interaction entre les noeuds mobiles sous la forme d'un jeu stochastique partiellement observable et analysons les politiques optimales pour les relais.

mots clés

• Game theory
• Delay tolerant networks
• Convergence
• Best-response dynamics
• Incentive mechanism
• Distributing routing

Résumé

This thesis focuses on the issues related to the selfish behavior of the agents in the communication networks. We are particularly interested in two situations in which these issues arise and we address game-theoretical framework to study them.The first situation relates to communication networks using a distributed routing based on autonomous agents. Compared to a centralized routing, this type of routing offers significant advantages in terms of scalability, ease of deployment or robustness to failures and environmental disturbances. We investigate the convergence properties of the sequential best-response dynamics in a routing game over parallel links. The game involves a finite number of routing agents each of which decides how much flow to route on each of the links with the objective of minimizing its own costs. For some particular cases (e.g., two players), the convergence of the best-response dynamics can be proved by showing that this game has a potential function. For other cases, a potential function has remained elusive. We propose the use of non-linear spectral radius of the Jacobian of the best-response dynamics as an alternative approach to proving its convergence.The second situation occurs in Delay Tolerant Networks (DTNs) that have been the subject of intensive research over the past decade. DTN has an idea to support communication in environments where connectivity is intermittent and where communication delays can be very long. We focus on game-theoretic models for DTNs. First, we propose an incentive mechanism to persuade selfish mobile nodes to participate in relaying messages, and investigate the influence of the information given by the source (number of existing copies of the message, age of these copies) to the relays on the rewards proposed. For static information polices, that is the same type of information given to all the relays, it is shown that the expected reward paid by the source is independent of the policy. However, the source can reduce the reward by dynamically adapting the type of information based on the meeting times with the relays. For the particular cases, we give some structural results of the optimal adaptive policy. Next, we consider the model where the source proposes a fixed reward. The mobile relays can decide to accept or not the packet and then to drop the packet in the future. This game can be modelled as a partially-observable stochastic game. For two relays, we have shown that the optimal policies for the relays relates to the threshold type.