Optimized traffic scheduling and routing in smart home networks

Résumé

Les réseaux de la maison évoluent rapidement pour inclure un accès physique hétérogène et un grand nombre de périphériques intelligents générant différents types de trafic avec des distributions différentes et des exigences en qualité de service (QoS) différentes. En raison de leurs architectures particulières, très denses et très dynamiques la solution traditionnelle du plus court chemin pour une seul paire de noeuds du réseau n’est plus efficace pour gérer les contraintes de routage entre les réseaux des maisons intelligentes (inter-SHNs) telles que le délai, la perte de paquets et la bande passante dans le réseau hétérogène et entre toutes les paires du noeuds. En outre, les méthodes d’ordonnancement basées sur la qualité de service actuelle prennent en compte uniquement les métriques de priorité conventionnelles basées sur le champ Type de service (ToS) de IP pour prendre des décisions relatives à l’allocation de la bande passante. Ces méthodes d’ordonnancement basées sur les priorités ne sont pas optimales pour fournir à la fois la qualité de service et la qualité d’expérience, en particulier pour les applications de la maison intelligente, car le trafic à priorité élevée ne nécessite pas nécessairement un délai plus strict que le trafic à priorité plus basse. De plus, la fluctuation des distributions de trafic réseau entraîne des trafics concurrents et les méthodes d’ordonnancement actuelles basées sur la qualité de service dans les réseaux de maison intelligente (intra-SHN) ne prennent pas en compte le trafic concurrent dans leurs solutions. Ainsi, le but de cette thèse est de construire un mécanisme de routage efficace, hétérogène et multi-contraintes et un outil d’ordonnancement du trafic optimisé afin de maintenir une communication efficace et à moindre coût entre tous les appareils filaires-sans fil connectés au réseaux des maisons intelligentes et pour traiter efficacement le trafic concurrent et non-concurrent dans SHN. Cela aidera les fournisseurs de services Internet (ISP) et les utilisateurs à domicile à améliorer la QoS et la QoE de leurs applications tout en maintenant une communication pertinente dans inter-SHN et intra-SHN. Pour atteindre cet objectif, notre cadre de travail doit traiter trois questions clés, qui sont résumées comme suit: i) comment créer un mécanisme de routage à un coût optimal dans les inter-SHNs hétérogènes ? ii) comment ordonnancer efficacement le trafic multi-sources dans intra-SHN basé sur QoS et QoE ? et iii) comment concevoir un modèle de file d’attente optimisé pour les trafics concurrents dans intra-SHN tout en tenant en compte leurs exigences en matière de QoS? Dans le cadre de nos contributions pour résoudre le premier problème souligné ci-dessus, nous présentons un cadre analytique permettant d’optimiser de manière dynamique les flux de données entre les réseaux des maisons à l’aide d’un réseau défini par logiciel (SDN). Nous formulons un problème d’optimisation de routage basé sur la qualité de service en tant que problème de chemin le plus court sous contraintes, puis proposons une solution optimisée (QASDN) pour déterminer le coût minimal entre toutes les paires de noeuds du réseau, en tenant compte des différents types d’accès physiques et des modèles d’utilisation du réseau. Pour résoudre le deuxième problème et résoudre les écarts entre QoS et QoE, nous proposons un nouveau modèle de mise en file d’attente pour le trafic de paire de QoS avec des distributions d’arrivées mixtes dans le réseau de la maison intelligente (QP-SH) pour prendre une décision d’ordonnancement dynamique qui considère la QoS et répond aux exigences de délai de tout le trafic tout en préservant leur nature cruciale. Une nouvelle métrique combinant le champ ToS et le nombre maximal de paquets pouvant être traités par le system pendant le délai maximal requis, est définie. Enfin, dans le cadre de notre contribution au troisième problème, nous présentons un modèle analytique pour une optimisation de l’ordonnancement prenant en compte la qualité de service des trafics concurrents de réseau de la maison intelligente avec des distributions d’arrivée mixtes et en utilisant des disciplines probabilistes de la file d’attente. Nous formulons un problème d’ordonnancement hybride prenant en compte la qualité de service pour les trafics concurrents dans le réseau de la maison intelligente, proposons un modèle de file d’attente innovant (QC-SH) basé sur le modèle économique de la vente aux enchères de la théorie des jeux pour fournir un accès multiple équitable sur différents canaux/ports de communication, et concevoir un modèle applicable pour mettre en oeuvre le jeu de vente aux enchères dans les deux côtés; les sources de trafic et la passerelle domestique, sans modifier la structure de la norme IEEE 802.11. Les résultats de notre travail offrent aux inter-SHNs et aux intra-SHNs un transfert de données plus efficace entre tous les périphériques connectés au réseau hétérogène avec une utilisation optimale des ressources, un traitement dynamique du trafic basé sur QoS/QoE dans SHN ainsi qu’un modèle innovant pour optimiser l’ordonnancement du trafic concurrent de la SHN avec une stratégie d’équité améliorée. Les résultats numériques montrent une amélioration jusqu’à 90% pour l’utilisation des ressources du réseau, 77% pour la bande passante, 40% pour l’ordonnancement avec QoS et QoE et 57% pour le délai d’ordonnancement du trafic concurrents en utilisant nos solutions proposées par rapport aux méthodes traditionnelles.

Date	7 oct. 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohamed Cheriet (Directeur(-trice)) & Kim Khoa Nguyen (Codirecteur(-trice))