Optimisation et application du codage réseau dans l'architecture des futurs réseaux sans fils - Archive ouverte HAL
Thèse Année : 2015

Centralized and distributed addresscorrelated networkprotocols

Optimisation et application du codage réseau dans l'architecture des futurs réseaux sans fils

Résumé

Network coding (NC) is a new technique in which transmitted data is encoded and decoded by the nodes of the network in order to enhance throughput and reduce delays. Using algebraic algorithms, encoding at nodes accumulates various transmissions in fewer ones and decoding restores these transmissions. NC requires fewer transmissions to transmit all the data but more processing at the nodes. NC can be applied at any of the ISO layers. However, the focus is mainly on the network layer level. In this work, we introduce novelties to the NC paradigm with the intent of building easy to implement NC protocols in order to improve bandwidth usage, enhance QoS and reduce the impact of losing packets in lossy networks. Several challenges were raised by this thesis concerning details in the coding and decoding processes and all the related mechanisms used to deliver packets between end nodes. Notably, questions like the life cycle of packets in coding environment, cardinality of coded messages, number of byte overhead transmissions and buffering time duration were inspected, analytically counted, supported by many theorems and then verified through simulations. When the packet loss problem was addressed, methods used in this thesis to closely investigate the behavior of the network as a response to the loss led to the proposition of novel mechanisms to overcome this loss and to help reducing the overhead caused by packet loss. In the first part of the thesis, an overview of NC is conducted since triggered by the work of Alshwede et al. NC techniques are then detailed with the focus on linear and binary NC. These techniques are elaborated and embellished with examples extracted from different scenarios to further help understanding the advantages and disadvantages of each of these techniques. In the second part, a new address correlated NC (ACNC) protocol is presented and two approaches using ACNC protocol are introduced, the centralized approach where decoding is conducted at end nodes only and the distributed decoding approach where each node in the network participates in the decoding process. Centralized decoding is elaborated by first presenting its decision models and the detailed decoding at end nodes procedure. Moreover, the cardinality of received coded messages and the buffering requirements at end nodes are investigated and the concepts of aging and maturity were introduced. The distributed decoding approach is presented as a solution to reduce the overhead on end nodes by distributing the decoding process and buffering requirements to intermediate nodes. Loss and recovery in NC are examined for both centralized and distributed approaches. For the centralized decoding approach, two mechanisms to limit the impact of loss are presented. To this effect, the concept of closures and covering sets are introduced and the covering set discovery is conducted on undecodable messages to find the optimized set of packets to request from the sender in order to decode all received packets. For the distributed decoding, a new hop-to-hop reliability mechanism is proposed that takes advantage of the NC itself and depicts loss without the need of an acknowledgement mechanism.
Le codage de réseau (CR) est une nouvelle technique reposant, sur la réalisation par les noeuds du réseau, des fonctions de codage et de décodage des données afin d’améliorer le débit et réduire les retards. En utilisant des algorithmes algébriques, le codage consiste à combiner ensemble les paquets transmis et le décodage consiste à restaurer ces paquets. Cette opération permet de réduire le nombre total de transmissions de paquets pour échanger les données, mais requière des traitements additionnels au niveau des noeuds. Le codage de réseau peut être appliqué au niveau de différentes couches ISO. Toutefois dans ce travail, sa mise en noeuvre est effectuée au niveau de la couche réseau. Dans ce travail de thèse, nous présentons des techniques de codage de réseau s’appuyant sur de nouveaux protocoles permettant d’optimiser l’utilisation de la bande passante, d’améliorer la qualité de service et de réduire l’impact de la perte de paquets dans les réseaux à pertes. Plusieurs défis ont été relevés notamment concernant les fonctions de codage/décodage et tous les mécanismes connexes utilisés pour livrer les paquets échangés entre les noeuds. Des questions comme le cycle de vie des paquets dans le réseau, la cardinalité des messages codés, le nombre total d’octets transmis et la durée du temps de maintien des paquets ont été adressées analytiquement, en s’appuyant sur des théorèmes, qui ont été ensuite confirmés par des simulations. Dans les réseaux à pertes, les méthodes utilisées pour étudier précisément le comportement du réseau conduisent à la proposition de nouveaux mécanismes pour surmonter cette perte et réduire la charge. Dans la première partie de la thèse, un état de l’art des techniques de codage de réseaux est présenté à partir des travaux de Alshwede et al. Les différentes techniques sont détaillées mettant l’accent sur les codages linéaires et binaires. Ces techniques sont décrites en s’appuyant sur différents scénarios pour aider à comprendre les avantages et les inconvénients de chacune d’elles. Dans la deuxième partie, un nouveau protocole basé sur la corrélation des adresses(ACNC) est présenté, et deux approches utilisant ce protocole sont introduites ; l’approche centralisée où le décodage se fait aux noeuds d’extrémités et l’approche distribuée où chaque noeud dans le réseau participe au décodage. Le décodage centralisé est élaboré en présentant d’abord ses modèles de décision et le détail du décodage aux noeuds d’extrémités. La cardinalité des messages codés reçus et les exigences de mise en mémoire tampon au niveau des noeuds d’extrémités sont étudiées et les notions d’âge et de maturité sont introduites. On montre que le décodage distribué permet de réduire la charge sur les noeuds d’extrémité ainsi que la mémoire tampon au niveau des noeuds intermédiaires. La perte et le recouvrement avec les techniques de codage de réseau sont examinés pour les deux approches proposées. Pour l’approche centralisée, deux mécanismes pour limiter l’impact de la perte sont présentés. A cet effet, le concept de fermetures et le concept des sous-ensembles couvrants sont introduits. Les recouvrements optimaux afin de trouver l’ensemble optimal de paquets à retransmettre dans le but de décoder tous les paquets reçus sont définis. Pour le décodage distribué, un nouveau mécanisme de fiabilité saut à saut est proposé tirant profit du codage de réseau et permettant de récupérer les paquets perdus sans la mise en oeuvre d’un mécanisme d’acquittement.
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Dates et versions

tel-01256085 , version 1 (14-01-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01256085 , version 1

Citer

Samih Abdul-Nabi. Optimisation et application du codage réseau dans l'architecture des futurs réseaux sans fils. Sciences de l'ingénieur [physics]. INSA RENNES, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01256085⟩
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