Les applications modernes s’appuient sur des architectures qui combinent de plus en plus de composants logiciels émanant de plusieurs éditeurs, implantant des fonctions de plus en plus spécialisées, et très souvent déployés dans le « cloud ». De ce fait, ces applications nécessitent une dynamique et une adaptation certaines vis-à-vis des flux de données que leurs composants échangent et des besoins de qualité de service (QdS) que ces flux requièrent. Pour la majorité des applications, il s’avère difficile d’identifier à l’avance l’ensemble des flux et/ou d’exprimer précisément les besoins de QdS associés. Ainsi, fournir un service de communication réseau capable de répondre et de suivre les besoins de ces applications sans gaspiller, par surdimensionnement, l’utilisation des ressources réseau, pose plusieurs défis aux réseaux de communication supports, notamment un haut degré de flexibilité, largement au-delà des possibilités des réseaux de communication actuels. L’objectif de ce travail de thèse est de développer le concept de réseau guidé par les applications (ADN : Application Driven Networking), réseau capable d’offrir des services de communication personnalisés et dynamiques aux applications. Le qualificatif personnalisé signifie que le service ADN répond à des besoins de communication applicatifs exprimés avec un niveau de granularité très fin pouvant aller jusqu’aux flux élémentaires. Ces besoins peuvent être exprimés explicitement par l’application ou inférés par le réseau par analyse du trafic. L’aspect dynamique signifie que le service ADN est reprogrammé et ajusté pour suivre l’évolution des besoins de l’application dans le temps. Les contributions de ce travail de thèse couvrent plusieurs points. Nous avons défini l’architecture générale d’un réseau ADN bâti sur une infrastructure réseau de type SDN (Software Defined Network) en explicitant ses composants fonctionnels et en spécifiant les interfaces entre composants. Nous avons développé les algorithmes de ses principaux composants, notamment deux algorithmes d’allocation de ressources réseau qui calculent les chemins de données et les ressources réseau à y réserver pour satisfaire les exigences de bande passante et de délai des services ADN, tout en optimisant l’utilisation de ressources. Nous avons mis au point deux heuristiques de migration des services ADN afin de répartir aux mieux la charge du réseau et d’augmenter l’admissibilité des requêtes des services ADN à venir. Nous avons développé un prototype démonstrateur de réseau ADN qui fournit un ensemble de services ADN à des applications dynamiques basées sur le middleware temps réel DDS (Data Distribution Service). / Modern applications are typically composed of lots of software components that tend to implement self-contained specialized functions. These components are often supplied by many software editors and provisioned and accessed via the cloud. As a consequence, the data flows that are exchanged between applications’ components and their QoS requirements vary over time. Moreover, in many situations, it is quite difficult to pre-identify this set of data flows and/or express precisely the associated QoS. Hence, providing a network service that meets application requirements and dynamically evolves with their needs without uselessly wasting network resources poses several challenges to the underlying communication network. Notably, the necessity of a high level of flexibility, far beyond the capabilities of today’s communication networks. The aim of this PhD is to develop the Application Driven Networking (ADN) concept, which is able to provide tailored and dynamic network services to applications. Tailored means that the ADN service captures a fine-grained description of application needs, which can consider elementary flows. These needs can be expressed, either, explicitly by the application or inferred by the network by traffic analysis. The dynamic facet means that the ADN service is reprogrammed and adjusted to fit to evolving application needs. The main contributions of this thesis are the following. First, a general architecture of the ADN network built on top of a Software Defined Network (SDN) infrastructure is proposed. Algorithms related to the ADN functional components are also proposed, in particular two network resource allocation algorithms that calculate the optimal (in terms of network resource utilization) data paths and the required network resources that meet application requirements. Two ADN service migration heuristics are also proposed to efficiently distribute the network load and increase the acceptance of forthcoming network service requests. An ADN network prototype is developed as proof of concept. It provides ADN services to dynamic applications with QoS requirements built on top of the DDS (Data Distribution Service) middleware.

Cette thèse apporte des solutions clés à deux problèmes omniprésents dans les réseaux de capteurs sans fil, à savoir la précision des mesures acquises dans les régions à faible couverture et la dimensionnalité sans cesse grandissante des données collectées. La première contribution de cette thèse est l’amélioration de la couverture de l'espace à surveiller par le biais de la mobilité des capteurs. Nous avons recours aux méthodes à noyaux en apprentissage statistique pour modéliser un phénomène physique tel que la diffusion d’un gaz. Nous décrivons plusieurs schémas d'optimisation pour améliorer les performances du modèle résultant. Nous proposons plusieurs scénarios de mobilité des capteurs. Ces scénarios définissent d'une part l'ensemble d'apprentissage du modèle et d'autre part le capteur mobile. La seconde contribution de cette thèse se situe dans le contexte de la réduction de la dimensionnalité des données collectées par les capteurs. En se basant sur l'analyse en composantes principales, nous proposons à cet effet des stratégies adaptées au fonctionnement des réseaux de capteurs sans fil. Nous étudions également des problèmes intrinsèques aux réseaux sans fil, dont la désynchronisation entre les nœuds et la présence de bruits de mesures et d’erreurs de communication. Des solutions adéquates avec l'approche Gossip et les mécanismes de lissage sont proposées. L'ensemble des techniques développées dans le cadre de cette thèse est validé sur un réseau de capteurs sans fil qui estime le champ de diffusion d’un gaz / This thesis investigates two major problems that are challenging the wireless sensor networks (WSN): the measurements accuracy in the regions with a low density of sensors and the growing volume of data collected by the sensors. The first contribution of this thesis is to enhance the collected measurements accuracy, and hence to strengthen the monitored space coverage by the WSN, by means of the sensors mobility strategy. To this end, we address the estimation problem in a WSN by kernel-based machine learning methods, in order to model some physical phenomenon, such as a gas diffusion. We propose several optimization schemes to increase the relevance of the model. We take advantage of the sensors mobility to introduce several mobility scenarios. Those scenarios define the training set of the model and the sensor that is selected to perform mobility based on several mobility criteria. The second contribution of this thesis addresses the dimensionality reduction of the set of collected data by the WSN. This dimensionality reduction is based on the principal component analysis techniques. For this purpose, we propose several strategies adapted to the restrictions in WSN. We also study two well-known problems in wireless networks: the non-synchronization problem between nodes of the network, and the noise in measures and communication. We propose appropriate solutions with Gossip-like algorithms and smoothing mechanisms. All the techniques developed in this thesis are validated in a WSN dedicated to the monitoring of a physical species leakage such as the diffusion of a gas

Avec les progrès dans les communications sans fil, le réseau maillé sans fils (WMN) est apparu comme une solution à la couverture et à la capacité limitée des réseaux d'infrastructure. Un WMN est un réseau ad-hoc multi-sauts dans lequel les routeurs participants acheminent le trafic pour le compte de tiers. Malgré les avantages et l'efficacité accrue de nombreuses applications, plusieurs problèmes doivent encore être résolus, notamment des facteurs critiques influant sur les performances des WMNs tels que l'évolutivité, la stabilité de la connectivité réseau, la qualité de service, la sécurité et les problèmes d'interférence. Face à ce défi, cette thèse explore une nouvelle approche des réseaux, à savoir le concept de réseau défini par logiciel (SDN). Dans une configuration SDN, l'intelligence située au niveau des périphériques réseau est déplacée dans une entité centrale communément appelée le contrôleur SDN. Dans cette architecture, le contrôleur SDN prend toutes les décisions et dicte à chaque périphérique réseau comment router les flux de données. Dans cette thèse, l'accent est mis sur l'évaluation des améliorations de la gestion de réseau que SDN pourrait apporter aux WMNs. En particulier, nous avons analysé et déterminé le type de granularité de contrôle SDN envisageable pour ce type de réseaux ainsi que les solutions techniques permettant de mettre en œuvre ce concept pour de meilleures performances. / With advances in wireless communications, Wireless Mesh Network (WMN) has emerged as one solution to the limited coverage and capacity of infrastructure networks. A WMN is a multihop ad-hoc network where participating routers forward traffic on behalf of others. Despite the advantages and increased efficiency in many applications, several challenges still need to be solved and especially critical factors influencing the performance of WMNs such as scalability, network connectivity steadiness, Quality of Service (QoS), security, and interference problems. In the face of this challenge, this thesis explores a new approach for networks, namely the concept of Software-Defined Network (SDN). In an SDN configuration, the intelligence located at network devices level is moved within a central entity commonly referred to as the SDN controller. In this architecture, the SDN controller takes all decisions and dictates to each network device how to route data flows. In this thesis, the focus is on evaluating network management improvements that SDN could make in WMNs. Particularly, we analyzed and determined what kind of SDN control granularity that could be envisaged for this type of networks as well as the technical solutions to implement this concept for better performance.

L’amélioration de la qualité et de l’efficacité en santé est un réel enjeu sociétal. Elle implique la surveillance continue des paramètres vitaux ou de l’état mental du sujet. Les champs d’applications sont vastes : l’application la plus importante est la surveillance des patients à distance. Les avancées en micro-électronique, capteurs et réseaux sans-fil permettent aujourd’hui le développement de systèmes ambulatoires performants pour le monitoring de paramètres physiologiques, capables de prendre en compte d’importantes contraintes techniques : forte intégration pour la réduction de la taille et faible consommation pour une plus grande autonomie [1]. Cependant, la conception de ce type de réseaux de capteurs médicaux WBANs (Wireles Body Area Networks) se heurte à un certain nombre de difficultés techniques, provenant des contraintes imposées par les capacités réduites des capteurs individuels : basse puissance, énergie limitée et faible capacité de stockage. Ces difficultés requièrent des solutions différentes, encore très embryonnaires, selon l’application visée (monitoring à but médical). La forte mobilité et le changement rapide de la topologie du réseau dévoilent un verrou scientifique et social. En outre, l’interférence de différents capteurs constituant le WBAN augmente la difficulté de la mise en place de ce type de réseaux. De nombreuses solutions dans la littérature ont été étudiées, comme nous allons illustrer dans ce manuscrit, néanmoins elles restent limitées. Nous nous intéresserons tout particulièrement à la gestion des interférences Intra- et Inter-WBAN, leur impacte sur la fiabilité des transmissions (des liens) et la durée de vie de ce type de réseaux. Plus précisément, nous abordons ces problématiques en se basant sur des modélisations théoriques et analytiques et avec une conception pratique des solutions proposées. Afin d’atteindre les objectifs cités ci-dessous, nous abordons quatre solutions : • Une gestion des interférences intra-WBAN • Une gestion coopérative des interférences Inter-WBAN • Une gestion non coopérative des interférences, Inter-WBAN • Une gestion des interférences WBAN dans un contexte IoT Dans la première partie de cette thèse et afin de répondre en partie aux problèmes de gestion des interférences Intra-WBAN. Nous présentons deux mécanismes pour le WBAN : (a) CFTIM qui alloue dynamiquement des slots et des canaux dit- stables (avec un taux d’interférences le bas possible dans le temps) pour réduire les interférences intra-WBAN. (b) IAA ajuste dynamiquement la taille du superframe et limite le nombre de canaux à 2 pour abaisser les interférences Intra-WBAN et ainsi économiser l’énergie. Une validation avec un model probabiliste est proposé afin de valider théoriquement l’efficacité de notre solution. Les résultats de la simulation démontrent l’efficacité du CFTIM et de l’IAA en termes de réduction de la probabilité d’interférence, l’extension de la durée de vie du réseau et l’amélioration du débit et de la fiabilité des transmissions. Notre seconde contribution, propose une gestion coopératives des interférences Inter-WBAN en utilisant des codes orthogonaux. Motivé par un approvisionnement temporel distribué basé sur la norme [2] IEEE 802.15.6, nous proposons deux solutions. (a) DTRC qui fournit à chaque WBAN les connaissances sur les superframes qui se chevauchent. Le second, (b) OCAIM qui attribue des codes orthogonaux aux capteurs appartenant à deux listes de groupe de capteur en interférences de deux WBAN différents (SIL). Les résultats démontrent qu’OCAIM diminue les interférences, améliore le débit et préserve la ressources énergétiques. La troisième partie nous a permis d’aborder la gestion des interférences, mais cette fois ci d’une manière non-coopérative en se basant sur l’affectation couple Slot/Canal. Plus précisément, nous proposons deux schémas basés sur les carrés latins. (...) / A Wireless Body Area Network (WBAN) is a short-range network that consists of a coordinator (Crd) and a collection of low-power sensors that can be implanted in or attached to the human body. Basically, WBANs can provide real-time patient monitoring and serve in various applications such as ubiquitous health-care, consumer electronics, military, sports, etc. [1]. As the license-free 2.4 GHz ISM band is widely used among WBANs and across other wireless technologies, the fundamental problem is to mitigate the resulting co-channel interference. Other serious problems are to extend the network lifetime and to ensure reliable transmission within WBANs, which is an urgent requirement for health-care applications. Therefore, in this thesis, we conduct a systematic research on a few number of research problems related to radio co-channel interference, energy consumption, and network reliability. Specifically, we address the following problems ranging from theoretical modeling and analysis to practical protocol design: • Intra-WBAN interference mitigation and avoidance • Cooperative inter-WBAN interference mitigation and avoidance • Non-cooperative inter-WBAN interference mitigation and avoidance • Interference mitigation and avoidance in WBANs with IoT Firstly, to mitigate the intra-WBAN interference, we present two mechanisms for a WBAN. The first is called CSMA to Flexible TDMA combination for Interference Mitigation, namely, CFTIM, which dynamically allocates time-slots and stable channels to lower the intra-WBAN interference. The second is called Interference Avoidance Algorithm, namely IAA that dynamically adjusts the superframe length and limits the number of channels to 2 to lower the intra-WBAN interference and save energy. Theoretically, we derive a probabilistic model that proves the SINR outage probability is lowered. Simulation results demonstrate the effectiveness and the efficiency of CFTIM and IAA in terms of lowering the probability of interference, extending network lifetime, improving throughput and reliability. Secondly, we address the problem of interference among cooperative WBANs through using orthogonal codes. Motivated by distributed time provisioning supported in IEEE 802.15.6 standard [2], we propose two schemes. The first is called Distributed Time Correlation Reference, namely, DTRC that provides each WBAN with the knowledge about which superframes overlap with each other. The second is called Orthogonal Code Allocation Algorithm for Interference Mitigation, namely, OCAIM, that allocates orthogonal codes to interfering sensors belonging to sensor interference lists (SILs), which are generated based on the exchange of power-based information among WBANs. Mathematically, we derive the successful and collision probabilities of frames transmissions. Extensive simulations are conducted and the results demonstrate that OCAIM can diminish the interference, improve the throughput and save the power resource. Thirdly, we address the problem of co-channel interference among non-cooperative WBANs through time-slot and channel hopping. Specifically, we propose two schemes that are based on Latin rectangles. The first is called Distributed Algorithm for Interference mitigation using Latin rectangles, namely, DAIL that allocates a single channel to a timeslot combination to each sensor to diminish inter-WBAN interference and to yield better schedules of the medium access within each WBAN. The second is called Channel Hopping for Interference Mitigation, namely, CHIM, which generates a predictable interference free transmission schedule for all sensors within a WBAN. CHIM applies the channel switching only when a sensor experiences interference to save the power resource. Furthermore, we present an analytical model that derives bounds on collision probability and throughput for sensors transmissions. (...)

This thesis introduces a novel approach in which multiple heterogeneous devices collaborate to provide useful applications in an ad-hoc network. This thesis proposes a smart home as a particular ubiquitous computing scenario considering all the requirements given by the literature for succeed in this kind of systems. To that end, we envision a horizontally integrated smart home built up from independent components that provide services. These components are described with enough syntactic, semantic and pragmatic knowledge to accomplish spontaneous collaboration. The objective of these collaboration is domestic use, that is, the provision of valuable services for home residents capable of supporting users in their daily activities. Moreover, for the system to be attractive for potential customers, it should offer high levels of trust and reliability, all of them not at an excessive price. To achieve this goal, this thesis proposes to study the synergies available when an ontological description of home device functionality is paired with a formal method. We propose an ad-hoc home network in which components are home devices modelled as processes represented as semantic services by means of the Web Service Ontology (OWL-S). In addition, such services are specified, verified and implemented by means of the Communicating Sequential Processes (CSP), a process algebra for describing concurrent systems. The utilisation of an ontology brings the desired levels of knowledge for a system to compose services in a ad-hoc environment. Services are composed by a goal based system in order to satisfy user needs. Such system is capable of understaning, both service representations and user context information. Furthermore, the inclusion of a formal method contributes with additional semantics to check that such compositions will be correctly implemented and executed, achieving the levels of reliability and costs reduction (costs derived form the design, development and implementation of the system) needed for a smart home to succeed.

Nous nous intéressons à l'analyse des exigences de performabilité des systèmes communicants mobiles par model checking. Nous modélisons ces systèmes à l'aide d'un formalisme de haut niveau issu du π-calcul, permettant de considérer des comportements stochastiques, temporels, déterministes, ou indéterministes. Cependant, dans le π-calcul, la primitive de communication de base des systèmes est la communication en point-à-point synchrone. Or, les systèmes mobiles, qui utilisent des réseaux sans fil, communiquent essentiellement par diffusion locale. C'est pourquoi, dans un premier temps, nous définissons la communication par diffusion dans le π-calcul, afin de mieux modéliser les systèmes que nous étudions. Nous proposons d'utiliser des versions probabilistes et stochastiques de l'algèbre que nous avons défini, pour permettre des études de performance. Nous en définissons une version temporelle permettant de considérer le temps dans les modèles. Mais l'absence d'outils d'analyse des propriétés sur des modèles spécifiés en une algèbre issue du π-calcul est un obstacle majeur à notre travail. La définition de règles de traduction en langage PRISM, nous permet de traduire nos modèles, en modèles de bas niveau supports du model checking, à savoir des chaînes de Markov à temps discret, à temps continu, des automates temporisés, ou des automates temporisés probabilistes. Nous avons choisi l'outil PRISM car, à notre connaissance, dans sa dernière version, il est le seul outil à supporter les formalismes de bas niveau que nous venons de citer, et ainsi il permet de réaliser des études de performabilité complètes. Cette façon de procéder nous permet de pallier à l'absence d'outils d'analyse pour nos modèles. Par la suite, nous appliquons ces concepts théoriques aux réseaux de capteurs sans fil mobiles. / We are interested in analyzing the performability requirements of mobile communication systems by using model checking techniques. We model these systems using a high-level formalism derived from the π-calculus, for considering stochastic, timed, deterministic or indeterministic behaviors. However, in the π-calculus, the basic communication primitive of systems is the synchronous point-to-point communication. However, mobile systems that use wireless networks, mostly communicate by local broadcast. Therefore, we first define the broadcast communication into the π-calculus, to better model the systems we study. We propose to use probabilistic and stochastic versions of the algebra we have defined to allow performance studies. We define a temporal version to consider time in the models. But the lack of tools for analyzing properties of models specified with π-calculus is a major obstacle to our work and its objectives. The definition of translation rules into the PRISM language allows us to translate our models in low-level models which can support model checking, namely discrete time, or continuous time Markov chains, timed automata, or probabilistic timed automata. We chose the PRISM model checker because, in our best knowledge, in its latest version, it is the only tool that supports the low-level formalisms that we have previously cited, and thus, makes it possible to realize complete performability studies. This approach allows us to overcome the lack of model checkers for our models. Subsequently, we apply these theoretical concepts to analyse performability of mobile wireless sensor networks.