Réseaux et services

Professeurs :Hossam Afifi, Hakima Chaouchi, Noël Crespi, Djamal Zeghlache ;

Maîtres de conférence : Vincent Gauthier, Marc Girot-Genet, Badii Jouaber, Mohamed Anis Laouti, Hang Nguyen (depuis le 1/1/2011), Eric Renault (HDR) ;

– Gestion de l’accès au canal dans les réseaux ad hoc et de capteurs sans fil

Cet axe de recherche conçoit des protocoles d’accès au canal pour les réseaux ad hoc et les réseaux de capteurs.

Ces réseaux se caractérisent par la rareté de la ressource radio et par des performances fortement dégradées du fait d’interférences. Dans ce contexte, l’objectif de ces travaux est de garantir un bon niveau de qualité de service, entre autres l’accès au canal, d’une façon équitable, à tous les participants au réseau. L’idée est d’adapter les protocoles d’accès au canal en TDMA(Time Division Multiple Access) pour éviter de recourir à une entité centrale. Tout le défi consiste à construire d’une façon distribuée une trame commune dont la taille prend en compte le nombre de noeuds présents dans le voisinage. Cette trame divisée en plusieurs slots temporels garantit l’accès exclusif au canal à un noeud avec la possibilité d’une réutilisation spatiale pour les noeuds qui sont en dehors de la zone d’interférence. D’un point de vue réseaux ad hoc multi sauts, cette approche assure un meilleur niveau d’équité [937] que celui obtenu avec une méthodologie d’accès classique à la CSMA (un jain index > 0.9), ce qui permet de mieux supporter les applications de streaming multimédia caractérisées par des contraintes temporelles très strictes. Pour les réseaux de capteurs, s’ajoute l’avantage de l’économie d’énergie. En effet, les capteurs se mettent en veille quand ils n’ont rien à transmettre ou à recevoir, ainsi la durée de vie globale du réseau augmente tout naturellement [1290]. Dans le même ordre d’idée, R3S a conçu un autre protocole dérivé de la technique d’accès pour l’IEEE 802.11 qui permet de coordonner l’accès au canal d’une façon distribuée, mais sans partage temporel [989].

Ces travaux s’inscrivent dans une collaboration avec l’équipe Hipercom de l’Inria et dans le projet FUI e-compagnon du pôle System@tic.

– Gestion et optimisation de la mobilité verticale

La problématique de la mobilité verticale qui considère qu’un mobile s’attache successivement à plusieurs réseaux de technologies différentes (4G vers Wi-Fi par exemple), touche à plusieurs aspects des réseaux et de leurs architectures. La coexistence de plusieurs technologies avec des caractéristiques et des contraintes différentes rendent plus complexes les procédures de décision pour effectuer ce qu’on appelle communément le « Handover Vertical ».

En effet, si au sein d’une technologie unique, la décision se base principalement sur les niveaux de signal des différentes stations de l’entourage du terminal mobile, dans le cas de la mobilité verticale, la décision peut prendre en considération plus de paramètres et contraintes tels que les coûts (monétaires) des connexions, les caractéristiques des terminaux, les besoins des applications et les coûts énergétiques (consommation d’énergie).

Il est donc nécessaire d’imaginer de nouveaux mécanismes et de nouvelles solutions architecturales permettant d’apporter des solutions appropriées à cette problématique.

L’équipe R3S travaille sur deux aspects essentiels au handover vertical :

– La gestion du contexte : ensemble d’informations caractérisant la situation du terminal mobile. L’équipe a proposé des solutions architecturales et protocolaires permettant l’échange, la découverte, la mise à disposi-tion et le raisonnement sur les informadisposi-tions de contexte [1233, 1235, 1004]. L’utilisadisposi-tion de la représentadisposi-tion sémantique a été retenue afin de faciliter le raisonnement et les inférences.

– Les algorithmes de décision multi-critères pour le handover vertical [872, 958]. La principale difficulté réside dans la multitude de paramètres et de mesures disponibles et la complexité du raisonnement sur ces métriques et données. Des techniques telles que la logique floue ou la théorie des jeux ont été explorées.

L’équipe a également introduit l’utilisation de la notion de réputation de réseaux pour simplifier les prises de décision [1232, 1176, 861].

– Coopération dans les réseaux auto-organisés

Dans le domaine des réseaux auto-organisés, R3S a essentiellement porté son effort sur les mécanismes de coopération dans les réseaux sans fil. Tout d’abord, R3S a exploré les conséquences induites par les mécanismes cross-layer sur les performances des communications coopératives (PHY/MAC/Routage) [740, 761, 877, 1010].

L’approche qui a été suivie a permis de développer une méthode simplifiée d’échange d’informations liée à l’estimation du canal de communication. Dans le cadre de communications coopératives, l’estimation du

canal est cruciale, car c’est d’elle que dépend la faisabilité ou non d’une communication entre deux éléments spécifiques du réseau. R3S a exploré une autre facette de la coopération dans les réseaux sans fil : l’influence (sociologique) que l’intercontact humain a sur la connectivité des réseaux DTN (Delay Tolerant Network).

Ces travaux ont permis de développer de nouvelles approches pour les protocoles de routage opportuniste dans les travaux [900, 901]. Dans ce cadre, une méthode reposant sur la factorisation de tenseurs a été mise au point afin de prédire la récurrence des intercontacts entre les noeuds du réseau. Finalement, nos études sur les intercontacts dans les réseaux sans fil nous ont permis de développer de nouveaux algorithmes de gestion dynamique de la structure du réseau. Ces algorithmes se basent sur des effets de mutualisation/coopération au niveau structurel, des réseaux sans fil [751, 738, 1156, 1175].

Ces travaux s’inscrivent dans un projet CNRS International de Coopération Scientifique (PICS) avec NTU (Singapore), et le projet Merlion (Ministère des Affaires Etrangères). Ils ont permis plusieurs séjours longs d’ECs avec National Tsing Hua University (NTHU) de Taiwan et avec Nanyang Technological University (NTU) de Singapour.

– Optimisation de la consommation énergétique dans les réseaux

R3S a travaillé sur le Green IT et l’efficacité énergétique dans deux domaines. Le premier concerne les réseaux de capteurs sans fil maillés (mesh WSNs) où des modèles mathématiques d’énergie ont été proposés et validés [1503]. Ces modèles ont permis d’introduire de nouveaux critères pour prendre en compte le facteur énergie, notamment dans les mécanismes de routage et de remontée de données des réseaux de capteurs.

En particulier, le protocole MDSAP(Modified DSAP) [1503, 1101] a été défini en amélioration du protocole DSAP (Directional Source Aware routing Protocol) couramment utilisé dans les réseaux de capteurs sans fil. Les simulations et la qualification en environnement réel de test ont montré que MDSAP permet une augmentation de la durée de vie du réseau de capteurs de 22% (transmission de données à priorité élevée) à 77% (transmission de données à priorité faible) par rapport à DSAP. Deux nouveaux protocoles de routage, appelésClustering Energy Based Routing Protocol (CEB-P) etMulti Source Energy Based Routing Protocol (MSEB-P) [1503, 1102], ont été spécifiés et il a été démontré par simulations et tests, que pour une même quantité d’énergie, ils permettent de transmettre deux fois plus de données qu’avec MDSAP.

Dans le domaine des réseaux cellulaires, R3S a proposé plusieurs mécanismes liés à la signalisation entre stations de base multi-opérateurs, et à la sélection dynamique d’interfaces radio (4G, 3G, 2G, Wi-Fi...) [872].

Les mécanismes de signalisation permettent de basculer du trafic entre opérateurs et la mise en sommeil de stations de base sous utilisées, sans interruption ou perte de qualité de service pour l’usager. Les simulations ont montré que ces nouveaux algorithmes permettent jusqu’à 60% d’économie d’énergie, avec une réduction du niveau de rayonnement cellulaire.

Ces travaux s’inscrivent dans les projets FEDER Wonderville et Ademe VELCRI et ont obtenu le prix spécial du jury 2010 « croissance verte numérique » pour le projet GENIAL (gestion intelligente de l’énergie pour les nouvelles applications et l’énergie renouvelable).

– L’Internet du Futur : d’un réseau de noeuds à un réseau d’informations

R3S travaille à définir de nouvelles architectures pour l’Internet du Futur et en particulier à faire évoluer les différentes couches réseaux pour permettre un accès de typeanywhere at anytime.

L’un des composants majeurs de cette nouvelle architecture est le déplacement de l’architecture de l’Internet d’une organisation centrée autour des noeuds du réseau (serveurs DNS, serveurs de messagerie, sites web, etc.) vers une organisation centrée autour de l’information où les services ne sont plus accessibles par l’in-termédiaire d’une adresse ou d’un mécanisme de localisation nécessairement variable dans le temps dans le cadre d’applications mobiles, mais par l’intermédiaire de leur description incluant toutes les informations permettant leur accès et/ou leur intégration dans un composant plus large.

L’équipe R3S a focalisé ses efforts sur la conception et le développement du réseau d’informations NetInf (Network of Information)[1179] en spécifiant les caractéristiques de descriptions devant être fournies par les applications et en proposant un langage de description des objets et services [1040, 1187, 1011]. D’autres aspects ont été intégrés dans cette étude afin d’en évaluer l’intérêt, l’impact et la faisabilité : la mobilité des utilisateurs et des objets communicants [1291, 868, 1245, 960] afin d’assurer une continuité de service, et la gestion des droits d’accès aux informations et aux contenus [1184].

L’équipe R3S s’est appuyée sur un réseau de capteurs immergés chargés de mesurer les paramètres physico-chimiques de l’eau et capables de transmettre ces données par l’intermédiaire d’un réseau sans-fil. Afin de

garantir un accès constant au service, une grille de calcul et de stockage a été mise en place [916, 1276, 917] et les informations — de gestion de l’infrastructure dans son ensemble tout comme celles issues des capteurs — sont gérées et accessibles par l’intermédiaire du prototype de réseau d’informations développé dans le cadre du projet 4WARD. Une interface de visualisation conviviale et adaptable pour et par l’utilisateur a aussi été développée [1276].

Ces travaux s’inscrivent dans les projets européens FP7 IP 4WARD, et FP7 STREP Mobesens (MOBile water quality SEnsor System).

– Partage et gestion de ressources clouds et réseaux

Cette activité de R3S traite le partage, le contrôle et la gestion de clouds et de réseaux qui s’appuient sur la virtualisation des infrastructures et des plateformes d’hébergement pour offrir des services virtuels à la demande. Nous abordons plus précisément les algorithmes d’optimisation conjoints pour clouds et réseaux, l’instanciation des ressources et services réseaux et les extensions des modèles de description de cloud pour inclure les services réseaux. Nous nous appuyons sur une plateforme expérimentale pour valider les solutions proposées.

Au niveau optimisation [898, 957, 1309, 757], nous avons proposé des approches originales comme l’algo-rithme Minimum Cost Maximum Flow [898], un algol’algo-rithme de placement et de consolidation pour réduire la consommation énergétique dans les centres de calcul [1309] et un programme linéaire accompagné d’une méthode permettant de fixer dynamiquement les prix dans une fédération pour maximiser les revenus des membres. Les travaux considèrent aussi les variations dynamiques des demandes en plus des changements dans ce type d’infrastructures où les services et les ressources virtuelles sont mobiles et élastiques.

Ces optimisations s’accompagnent d’instanciation de ressources et services clouds et réseaux [875, 930, 1278, 875] pour assurer l’agrégation ou la composition d’infrastructures dédiées aux utilisateurs en conformité avec leurs demandes. L’équipe s’appuie sur une plateforme expérimentale composée de technologies cloud (Open-Nebula, OpenStack...) et réseaux de type SDN (Software Defined Networks). Cette plateforme est répartie sur plusieurs sites (Evry, Paris et partenaires européens), et contribue à l’Equipex FIT (impliquant UPMC, INRIA, IMT, LSiiT, CNRS). Notamment des routeurs programmables et des routeurs logiciels s’appuient sur le cadriciel OpenFlow pour évaluer les solutions proposées. Nous avons conçu une passerelle programmable (e. g. sous forme de machine virtuelle) et un contrôleur associé (pour sa configuration) pour interconnecter dynamiquement des ressources réparties dans un même centre de calcul ou sur plusieurs centres de calcul géographiquement répartis [930].

Nos extensions des modèles de description de ressources et d’interfaces clouds (comme OCCI, Open Cloud Computing Interface) au réseau (OCNI,Open Cloud Networking Interfaceproposée par R3S) pour le « cloud networking » nous ont conduits à la production de briques logicielles génériques pour faciliter le rapprochement des clouds et des réseaux. L’extension du modèle OCCI est disponible en logiciel libre [1433, 848] et un système d’échanges de messages pour des clouds distribués [1434] suffisamment générique pour servir à un plan de contrôle distribué pour réseaux SDN par exemple.

Ces travaux ont été récompensés par le prix du meilleur article à WWIC 2012 [875]. Ils trouvent place dans les projets FUI10 CompatibleOne et FUI12 ODISEA du pôle System@tic, FP7 SAIL, ITEA2 EASI-CLOUDS, XL-Cloud (Fonds national pour la Solidarité Numérique), FIT (Equipement d’excellence du Grand Emprunt) et Marguerite de la région IDF.

– Architecture des Services de Communications

Les services de communication ne se limitent plus aux communications vocales interpersonnelles, mais in-tègrent des fonctionnalités comme email, carnet d’adresses, messagerie instantanée. L’émergence des réseaux sociaux - qui peuvent d’ailleurs englober ces fonctionnalités - est également un élément important de cette transformation. Dans ce contexte, les différents services offerts par un opérateur télécom à ses clients ne peuvent plus être indépendants. Construire aujourd’hui une application monolithique regroupant tous les services est un leurre, ne serait-ce que pour des raisons de faisabilité technique, et d’agilité nécessaire dans l’introduction de nouveaux services. Les architectures de service deviennent ainsi nécessairement complexes, composées d’une multitude de modules en interaction [1352]. Dans ce contexte, de nombreux défis sont à re-lever pour permettre l’émergence d’un écosystème ubiquitaire intégrant la contextualisation, la connectivité sans couture (seamless), l’Internet des Objets, le web social, les objets interconnectés.

L’équipe a contribué dans ce domaine autour de trois principaux axes. Le premier axe concerne les services

de communication, avec par exemple la proposition du concept de service abstrait transposable en service concret [749, 724, 743]. Ce concept exporté dans le projet SERVERY en a été la colonne vertébrale. L’équipe a également formulé une série de propositions visant à formaliser les architectures de service de communication utilisant une syntaxe commune à tous les services [1352]. Ces concepts sont en cours d’adoption par les équipes opérationnelles des opérateurs de réseau, notamment à Orange. Le second axe, les réseaux sociaux, où l’équipe a mis en place des crawlers très sophistiqués permettant par exemple de capturer les profils de centaines de millions d’usagers ou des centaines de milliards de commentaires [852]. Ces données ont notamment permis de formuler une proposition visant à utiliser les informations sociales pour améliorer les CDN (Content Delivery Network), elle constitue un axe de recherche important pour l’équipe en collaboration avec des équipes de pointe en Europe [743]. Enfin, l’Internet des Objets où les travaux menés autour des services ont conduit à la définition d’un écosystème visant à ramener l’utilisateur au centre des architectures de service afin qu’il en soit le principal bénéficiaire et qu’ils puissent créer ses propres services IoT [755].

Ces travaux ont été récompensés par le prix du meilleur article à ICNS 2011 [962] et ICSEA 2010 [1263] et le prix de la meilleure démonstration à PerCom 2009 [1048]. Ils ont donné lieu à 53 contributions en normalisation (ITU-T, ETSI, 3GPP et IETF) et 3 brevets (2 US et 1 français en coopération avec Orange). Ils s’inscrivent en particulier dans les projets CELTIC SERVERY (CELTIC Gold Award 2012), ITEA2 DiYSE (ITEA2 Silver Award 2012), FP7 eCousin, French-Korean KORANET CoCoBet et Exoticus du Pôle System@tic.