Pervasive Service Provisioning in Intermittently Connected Hybrid Networks
Fourniture de services ubiquitaire dans les réseaux hybrides à connectivité intermittente
Résumé
The vision of pervasive computing of building interactive smart spaces in the physical environment is gradually heading from the research domain to reality. Computing capacity is moving beyond personal computers to many day-to-day devices, and these devices become, thanks to multiple interfaces, capable of communicating directly with one another or of connecting to the Internet.
In this thesis, we are interested in a kind of pervasive computing environment that forms what we call an Intermittently Connected Hybrid Network (ICHN). An ICHN is a network composed of two parts: a fixed and a mobile part. The fixed part is formed of some fixed infostations (potentially connected together with some fixed infrastructure, typically the Internet). The mobile part, on the other hand, is formed of smartphones carried by nomadic people. While the fixed part is mainly stable, the mobile part is considered challenging and form what is called an Opportunistic Network. Indeed, relying on short-range communication means coupled with the free movements of people and radio interferences lead to frequent disconnections.
To perform a network-wide communication, the "store, carry and forward" approach is usually applied. With this approach, a message can be stored temporarily on a device, in order to be forwarded later when circumstances permit. Any device can opportunistically be used as an intermediate relay to facilitate the propagation of a message from one part of the network to another.
In this context, the provisioning of pervasive services is particularly challenging, and requires revisiting important components of the provisioning process, such as performing pervasive service discovery and invocation with the presence of connectivity disruptions and absence of both end-to-end paths and access continuity due to user mobility. This thesis addresses the problems of providing networkwide service provisioning in ICHNs and proposes solutions for pervasive service discovery, invocation and access continuity.
Concerning service discovery challenge, we propose TAO-DIS, a service discovery protocol that performs an automatic and fast service discovery mechanism. TAO-DIS takes into account the hybrid nature of an ICHN and that the majority of services are provided by infostations.
It permits mobile users to discover all the services in the surrounding environment in order to identify and choose the most convenient ones.
To allow users to interact with the discovered services, we introduce TAO-INV. TAO-INV is a service invocation protocol specifically designed for ICHNs. It relies on a set of heuristics and mechanisms that ensures performing efficient routing of messages (both service requests and responses) between fixed infostations and mobile clients while preserving both low values of overhead and round trip delays.
Since some infostations in the network might be connected, we propose a soft handover mechanism that modifies the invocation process in order to reduce service delivery delays. This handover mechanism takes into consideration the opportunistic nature of the mobile part of the ICHN.
We have performed various experiments to evaluate our solutions and compare them with other protocols designed for ad hoc and opportunistic networks. The obtained results tend to prove that our solutions outperform these protocols, namely thanks to the optimizations we have developed for ICHNs. In our opinion, building specialized protocols that benefit from techniques specifically designed for ICHNs is an approach that should be pursued, in complement with research works on general-purpose communication protocols.
La vision de l'informatique ubiquitaire permettant de construire des espaces intelligents interactifs dans l'environnement physique passe, peu à peu, du domaine de la recherche à la réalité. La capacité de calcul ne se limite plus à l'ordinateur personnel mais s'intègre dans de multiples appareils du quotidien, et ces appareils deviennent, grâce à plusieurs interfaces, capables de communiquer directement les uns avec les autres ou bien de se connecter à Internet.
Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à un type d'environnement cible de l'informatique ubiquitaire qui forme ce que nous appelons un réseau hybride à connexions intermittentes (ICHN). Un ICHN est un réseau composé de deux parties : une partie fixe et une partie mobile. La partie fixe est constituée de plusieurs infostations fixes (potentiellement reliées entre elles avec une infrastructure fixe, typiquement l'Internet). La partie mobile, quant à elle, est constituée de smartphones portés par des personnes nomades. Tandis que la partie fixe est principalement stable, la partie mobile pose un certain nombre de défis propres aux réseaux opportunistes. En effet, l'utilisation de moyens de communication à courte portée couplée à des déplacements de personnes non contraints et à des interférences radio induit des déconnexions fréquentes. Le concept du "store, carry and forward" est alors habituellement appliqué pour permettre la communication sur l'ensemble du réseau. Avec cette approche, un message peut être stocké temporairement sur un appareil avant d'être transféré plus tard quand les circonstances sont plus favorables. Ainsi, n'importe quel appareil devient un relai de transmission opportuniste qui permet de faciliter la propagation d'un message dans le réseau.
Dans ce contexte, la fourniture de services est particulièrement problématique, et exige de revisiter les composants principaux du processus de fourniture, tels que la découverte et l'invocation de service, en présence de ruptures de connectivité et en l'absence de chemins de bout en bout. Cette thèse aborde les problèmes de fourniture de service sur l'ensemble d'un ICHN et propose des solutions pour la découverte de services, l'invocation et la continuité d'accès. \\
En ce qui concerne le défi de la découverte de services, nous proposons TAO-DIS, un protocole qui met en œuvre un mécanisme automatique et rapide de découverte de services. TAO-DIS tient compte de la nature hybride d'un ICHN et du fait que la majorité des services sont fournis par des infostations. Il permet aux utilisateurs mobiles de découvrir tous les services dans l'environnement afin d'identifier et de choisir les plus intéressants.
Pour permettre aux utilisateurs d'interagir avec les services découverts, nous introduisons TAO-INV. TAO-INV est un protocole d'invocation de service spécialement conçu pour les ICHN. Il se fonde sur un ensemble d'heuristiques et de mécanismes qui assurent un acheminement efficace des messages (des requêtes et des réponses de services) entre les infostations fixes et les clients mobiles tout en conservant un surcoût et des temps de réponses réduits.
Puisque certaines infostations dans le réseau peuvent être reliées entre elles, nous proposons un mécanisme de continuité d'accès (handover) qui modifie le processus d'invocation pour réduire les délais de délivrance. Dans sa définition, il est tenu compte de la nature opportuniste de la partie mobile de l'ICHN.
Nous avons mené diverses expérimentations pour évaluer nos solutions et les comparer à d'autres protocoles conçus pour des réseaux ad hoc et des réseaux opportunistes. Les résultats obtenus tendent à montrer que nos solutions surpassent ces autres protocoles, notamment grâce aux optimisations que nous avons développées pour les ICHN. À notre avis, construire des protocoles spécialisés qui tirent parti des techniques spécifiquement conçues pour les ICHN est une approche à poursuivre en complément des recherches sur des protocoles de communication polyvalents.