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Thèse Année : 2023

Enhancing Industrial Internet of Things through Software-Defined Networking: from building the network to flow management

Améliorer l’Internet industriel des objets grâce à la mise en réseau définie par logiciel : de la construction du réseau à la gestion des flux

Farzad Veisi Goshtasb
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1274537

Résumé

Industry 4.0 represents a transformation in the way industries operate, making them more efficient, adaptable, and responsive to application demands. It has the potential to drive significant advancements in manufacturing and industrial automation. In this context, Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs) play a pivotal role in enabling the Industry 4.0 revolution. The network infrastructure assumes a critical role in interconnecting sensors and actuators while adhering to Service Level Agreements (SLAs). Typically, each device hosts a critical application that generates data packets, necessitating high Quality of Service (QoS) in terms of reliability and latency. Typically, IWSNs rely on deterministic protocols and mechanisms to minimize uncertainties, ensuring predictability and reliability. In the Medium Access Control (MAC) layer, time and frequency resources are dedicatedly allocated to devices for accessing the generally shared medium and sending their data without contention. However, a network scheduler is needed to carefully manage resource allocation based on network demands. While distributed scheduling approaches fail to achieve optimal performance due to their partial knowledge of the network, centralized schedulings are able to define efficient schedules while considering applications’ QoS requirements. Nevertheless, centralized scheduling approaches require a mechanism to gather network information and push the defined schedule to the network, making them challenging to implement practically. Software Defined Network (SDN) presents high potential to enable centralized scheduling in IWSNs by collecting network statistics in an intelligent SDN controller and then pushing the defined scheduling rules to the devices. However, exploiting SDN in wireless networks presents additional challenges due to the lossy nature of wireless links, which can jeopardize communication between devices and the controller. In this thesis, we present an SDN solution for IWSNs. Firstly, we develop a dedicated control plane configuration to ensure the reliability of control plane communication. Then, we introduce a call admission system that enables devices to communicate their QoS requirements to the SDN controller, which then configures and allocates appropriate resources to each data plane flow. Additionally, we propose an accurate and energy-efficient topology discovery and Link Quality Estimation (LQE) method, allowing the controller to construct a precise network topology view. This precise LQE approach is crucial for our scheduling algorithm, as it helps prevent overestimation or underestimation of resources provi- sioning, thereby avoiding bandwidth wastage and SLA violations. Finally, we introduce an efficient solution for maintaining scheduled SDN networks due to the time-varying nature of wireless links. The controller monitors link quality changes and triggers reconfigurations when significant changes occur. This process involves both control and data plane updates, impacting schedules on the weak links. To tackle this, we propose an efficient mechanism that minimizes control traffic and reconfiguration time while preserving SLAs for critical flows.
Cette thèse explore le rôle des réseaux de capteurs sans fil industriels (IWSNs) dans le cadre de l'Industrie 4.0, mettant en avant leur importance dans l'amélioration de l'efficacité et de la réactivité des opérations industrielles. Les IWSNs sont cruciaux pour l'interconnexion des capteurs et actionneurs, appliquant des accords de niveau de service (SLAs) pour une qualité de service (QoS) élevée en termes de fiabilité et de latence. Principalement, les IWSNs s'appuient sur des protocoles déterministes au niveau du contrôle d'accès au support (MAC) pour minimiser les incertitudes. Cependant, les approches de planification centralisée, essentielles pour des performances optimales, rencontrent des défis pratiques. Cette étude propose une solution de réseau défini par logiciel (SDN) pour les IWSNs, assurant une communication fiable au niveau du plan de contrôle et introduisant un système d'admission des appels pour une allocation centralisée efficace des ressources en fonction des exigences de QoS des appareils. La thèse présente également une méthode de découverte précise et écoénergétique de la topologie et d'estimation de la qualité de liaison, cruciale pour éviter la surestimation ou la sous-estimation des ressources. De plus, une solution efficace pour maintenir les réseaux SDN planifiés sur des liaisons sans fil variables dans le temps est présentée, minimisant le trafic de contrôle et le temps de reconfiguration tout en préservant les SLAs pour les flux critiques. Cette recherche offre des perspectives précieuses pour faire progresser les IWSNs dans le contexte de l'Industrie 4.0, en abordant les défis clés pour une performance et une adaptabilité accrues.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04581830 , version 1 (21-05-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04581830 , version 1

Citer

Farzad Veisi Goshtasb. Enhancing Industrial Internet of Things through Software-Defined Networking: from building the network to flow management. Computer science. Strasbourg University, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04581830⟩
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