La coloration de graphes est un problème central de l'optimisation combinatoire. C'est un domaine très attractif par ses nombreuses applications. Différentes variantes et généralisations du problème de la coloration de graphes ont été proposées et étudiées. La coloration d'arêtes d'un graphe consiste à attribuer une couleur à chaque arête du graphe de sorte que deux arêtes ayant un sommet commun n'ont jamais la même couleur, le tout en utilisant le moins de couleurs possibles. Dans la première partie de cette thèse, nous étudions le problème de la coloration d'arêtes ℓ-distance, qui est une généralisation de la coloration d'arêtes classique. Nous menons une étude combinatoire et algorithmique du paramètre. L'étude porte sur les classes de graphes suivantes : les chaines, les grilles, les hypercubes, les arbres et des graphes puissances. Le paramètre de la coloration d'arêtes ℓ-distance permet de modéliser des problèmes dans des réseaux assez grands. Cependant, avec la multiplication du nombre de nœuds, les réseaux sont de plus en plus vulnérables aux défaillances (ou pannes). Dans la deuxième partie, nous nous intéressons aux algorithmes tolérants aux pannes et en particulier les algorithmes auto-stabilisants. Nous proposons un algorithme auto-stabilisant pour la coloration propre d'arêtes. Notre solution se base sur le résultat de vizing pour utiliser un minimum de couleurs possibles. Par la suite, nous proposons un algorithme auto-stabilisant de clustering destine a des applications dans le domaine de la sécurité dans les réseaux mobiles Ad hoc. La solution que nous proposons est un partitionnement en clusters base sur les relations de confiance qui existent entre nœuds. Nous proposons aussi un algorithme de gestion de clés de groupe dans les réseaux mobiles ad hoc qui s'appuie sur la topologie de clusters préalablement construite. La sécurité de notre protocole est renforcée par son critère de clustering qui surveille en permanence les relations de confiance et expulse les nœuds malveillants de la session de diffusion.

En cas de catastrophes importantes, telles qu’un tremblement de terre ou un incendie, l’efficacité des forces de la sécurité civile nécessite une bonne coordination des différents groupes d’intervention. Suivant la nature et l’importance du sinistre, l’infrastructure des moyens de communications classique peut être détruite. Les forces d’intervention ont donc besoin de nouveaux outils de communication dits réseaux de circonstance. Ces réseaux posent de nouveaux problèmes de routage, pour maintenir la connectivité, mais aussi d’allocation de ressources, particulièrement importante dans un contexte de sécurité où les communications doivent être garanties. Dans une première partie, nous avons abordé la problématique de l’allocation de ressources dans les réseaux de circonstance utilisant le partage TDMA. Nos solutions visent une répartition équitable des canaux et prennent en compte une zone d’interférence double de celle de transmission.Evaluer de nouvelles politiques dans des réseaux déployés sur des scènes de catastrophe nécessite de nouveaux modèles de mobilité. Nous avons donc également développé un nouveau modèle de mobilité spécifique au déplacement des équipes de la sécurité civile. / When a major disaster occurs, such as an earthquake or fire, the efficiency of the rescue workers depends of the coordination between the different emergency teams. This coordination needs reliable communication equipments. In such a situation, however, the infrastructure for wireless communication is generally destroyed or unusable. It is therefore necessary to find adapted communication tools for the rescue workers known as opportunistic networks. These networks pose new challenging problems such as, for instance, resource allocation which is particularly important for the QoS satisfaction. In the first part of our thesis, we addressed the problem of resource allocation in ad hoc networks using the TDMA access mechanism. Our solutions aim to perform a fair distribution of channels and take into account an interference area twice as large as the transmission range. Evaluation of new policies for opportunistic networks deployed in disaster areas requires new mobility models. We developed a novel mobility model dedicated to the movement of rescue workers. Our model includes the group mobility and some characteristics of human mobility. It also incorporates a mechanism to circumvent obstacles presents in the simulation area.

En cas de catastrophes importantes, telles qu'un tremblement de terre ou un incendie, l'efficacité des forces de la sécurité civile nécessite une bonne coordination des différents groupes d'intervention. Suivant la nature et l'importance du sinistre, l'infrastructure des moyens de communications classique peut être détruite. Les forces d'intervention ont donc besoin de nouveaux outils de communication dits réseaux de circonstance. Ces réseaux posent de nouveaux problèmes de routage, pour maintenir la connectivité, mais aussi d'allocation de ressources, particulièrement importante dans un contexte de sécurité où les communications doivent être garanties. Dans une première partie, nous avons abordé la problématique de l'allocation de ressources dans les réseaux de circonstance utilisant le partage TDMA. Nos solutions visent une répartition équitable des canaux et prennent en compte une zone d'interférence double de celle de transmission.Evaluer de nouvelles politiques dans des réseaux déployés sur des scènes de catastrophe nécessite de nouveaux modèles de mobilité. Nous avons donc également développé un nouveau modèle de mobilité spécifique au déplacement des équipes de la sécurité civile.

Dans le contexte des réseaux à grande échelle, la prise en compte des pannes est une nécessité évidente. Ce document s'intéresse à l'approche auto-stabilisante qui vise à concevoir des algorithmes se ''réparant d'eux-même ' en cas de fautes transitoires, c'est-à-dire de pannes impliquant la modification arbitraire de l'état des processus. Il se focalise sur deux contextes différents, couvrant la majeure partie de mes travaux de recherche ces dernières années. La première partie du document est consacrée à l'algorithmique auto-stabilisante pour les réseaux de processus. La seconde partie du document est consacrée quant à elle à l'algorithmique auto-stabilisante pour des entités autonomes (agents logiciels, robots, etc.) se déplaçant dans un réseau.

Nous proposons dans ces travaux une étude des marches aléatoires dans l'algorithmique distribuée pour les réseaux dynamiques. Nous montrons dans un premier temps que les marches aléatoires sont un outil viable pour la conception d'algorithmes distribués. Ces <br />algorithmes reposent principalement sur les trois propriétés fondamentales des marches aléatoires (Percussion, Couverture, Rencontre). Nous fournissons une méthode qui évalue <br />le temps ́ecoulé avant que ces trois propriétés soient vérifiées. Cela nous permet d'évaluer de la complexité de nos algorithmes. Dans un second temps, nous proposons l'utilisation d'un jeton circulant aléatoirement sous forme de mot circulant afin de collecter sur ce jeton des informations topologiques. Ces informations permettent la construction et la maintenance d'une structure couvrante du réseau de communication. Ensuite, nous <br />avons utilisé cette structure pour concevoir un algorithme de circulation de jeton tolérant aux pannes pour les environnements dynamiques. Cet algorithme a la particularité d'être complètement décentralisé. Nous proposons dans un dernier temps d'adapter notre circulation de jeton pour proposer une solution au problème d'allocation de ressources dans les réseaux ad-hoc.

Quand un système réparti est sujet à des défaillances transitoires qui modifient arbitrairement son état, il est crucial de pouvoir retrouver un comportement correct au bout d'un temps fini. L'auto-stabilisation présente une telle garantie, mais en général au prix de ressources importantes. Dans cette thèse, notre démarche a consisté à minimiser ces ressources lorsque cela était possible. <br /><br />Nous avons développé le concept de détecteur de défaillances transitoires, des oracles appelés par les processeurs du système, qui indiquent si des défaillances transitoires sont survenues, en un temps constant. Notre implantation permet de classifier les problèmes classiques suivant les ressources spécifiques nécessaires à la détection d'une erreur. Pour les tâches statiques, une suite naturelle a été de montrer qu'une condition sur le code localement exécuté par chaque processeur pouvait être suffisante pour garantir l'auto-stabilisation du système tout entier, indépendamment des hypothèses d'exécution et de la topologie du graphe de communication. Du fait que l'algorithme n'est pas modifié, il est forcément sans surcoût. De manière duale, nous avons développé des outils de synchronisation permettant de construire des algorithmes auto-stabilisants pour des spécifications dynamiques avec un surcoût en mémoire constant, c'est à dire indépendant de la taille du réseau. En outre, l'un des algorithmes présentés est instantanément stabilisant. Enfin, nous avons présenté une technique générale pour réduire systématiquement le coût des communications, en garantissant un délai de retransmission borné, et nous avons donné un cadre général ainsi que des outils d'implantation pour écrire des algorithmes auto-stabilisants dans ce contexte.

Le projet scientifique dans lequel s’inscrit ma thèse a pour objectif l’élaboration d’algorithmes distribués et efficaces pour les réseaux informatiques. Ce projet vise une catégorie particulière des algorithmes distribués, dits auto-stabilisants. Il s’agit d’algorithmes ayant pour propriété de retrouver un comportement correct suite à une panne dans le réseau et ce, sans aucune intervention humaine. Le travail effectué en collaboration avec mes directeurs de thèse s’est concentré, plus précisément, autour des problèmes de couplage, de cliques et des paradigmes de publications-souscriptions dans ce domaine de l’informatique théorique. Dans un premier temps on a traité le problème du couplage maximal dans sa version anonyme, en fournissant un algorithme auto-stabilisant probabiliste et efficace. Ces travaux sont parus dans le journal PPL. De plus, on s’est intéressé au problème du couplage dans sa version maximum identifiée. Son travail améliore le dernier algorithme présent dans la littérature pour l’approximation de ce type de couplage au 2/3 de la solution optimale. Ces travaux sont parus dans une conférence internationale OPODIS. Par ailleurs, j'ai eu l’opportunité de collaborer en Allemagne avec Prof. Volker Turau au sein du groupe de télématique de l’Université technique de Hambourg. Le cadre de cette collaboration a été les algorithmes auto-stabilisants pour les paradigmes de publication-souscription. Cela a abouti à un algorithme efficace pour la version en canal de ce problème, introduisant la notion de raccourci pour le routage de messages dans ces paradigmes. Les résultats ont fait l’objet d’un Brief Announcement et d’un papier, publiés dans des conférences internationales, SSS et NetSyS. J'ai aussi bénéficié d’une collaboration avec Mr. Gerry Siegemund qui a été accueilli au laboratoire d’Informatique de l’École Polytechnique. Il a été question de trouver un algorithme efficace et auto-stabilisant pour la partition d’un réseau en cliques. Cette collaboration a eu pour résultat un algorithme pour le problème améliorant le dernier en date. Ce résultat est en cours de rédaction pour soumission à une conférence internationale. / The main focus of my thesis is the design of an efficient kind of distributed algorithms, known as: Self-stabilizing. These algorithms have the property to recover from faults in the environment they're executed in, and this without any human intervention. Recovering here, means converging toward a pre-defined, correct configuration. In this setting, I was mainly interested by the problems of matching in graphs, clique partitions and publication subscription paradigms. For the maximal version of the matching problem in anonymous graphs, we achieved a more efficient randomized, self-stabilizing algorithm. This work is published in a journal version in PPL. The maximum version of the same problem, but in an identified setting, led to the design of an efficient self-stabilizing algorithm that approximates the optimal solution up to the 2/3. This result was published at OPODIS. During a research visit at TUHH, Hamburg, Germany. Together with Pr. Volker Turau we tackled the problem of self-stabilizing publish/subscribe paradigms. This led to an algorithm introducing the new notion of short-cuts in this type of structures and was published under a brief announcement and a regular paper at SSS and NetSyS. In collaboration with Mr. Siegemund, then a visiting researcher at LIX, École Polytechnique, we worked on an efficient self-stabilizing algorithm for clique partitions. This work is still in progress and in preparation for an eventual publication.

Cette thèse se positionne dans le cadre de l'algorithmique distribuée tolérante aux pannes adaptée aux réseaux mobiles à grande échelle.L'auto-stabilisation est une approche de tolérance aux pannes satisfaisante dans les systèmes ayant des perturbations transitoires, mais pas dans les réseaux très dynamiques à grande échelle. La faute est due à l'éventuelle absence totale de service lorsque les perturbations sont fréquentes.Pour remédier à cet inconvénient, nous avons introduit l'approche auto-stabilisation robuste apportant une garantie de service pendant la phase de stabilisation.La garantie de service offerte par l'auto-stabilisation robuste est assurée via : (1) le délai de reprise d'un service minimum, et(2) la préservation du service minimum pendant la convergence vers un service optimum en dépit de l'occurrence de certaines perturbations hautement tolérées.L'intérêt d'avoir la propriété auto-stabilisation robuste est d'assurer une haute disponibilité du système en dépit de l'occurrence des perturbations et changements topologiques.Dans cette thèse, nous proposons, prouvons et évaluons une suite protocolaire auto-stabilisante robuste.Dans un premier temps, nous proposons deux protocoles auto-stabilisants robustes pour les problèmes de partitionnement, et l'établissement et le maintien de la connaissance des clusters voisins.Les deux protocoles sont écrits dans le modèle à états et fonctionnent sous l'hypothèse d'un démon distribué faiblement équitable.Le protocole de partitionnement, baptisé R-BSC, permet de partitionner le réseau en clusters à 1-saut. Les noeuds choisis pour être leaders sont les plus aptes à ce rôle, et les clusters construits sont de taille bornée dans le but d'équilibrer la charge entre leaders.Le protocole R-BSC fournit rapidement, en 4 rounds seulement, un service minimum où le réseau est complètement partitionné en clusters de taille bornée.Pendant la convergence vers un service optimum, où les leaders seront bien les noeuds les plus aptes et leur nombre sera réduit localement, le service minimum restera préservé. Le protocole de connaissance des clusters voisins, baptisé R-CNK, permet à chaque leader de connaître l'identité des leaders des clusters voisins, les chemins menant vers eux, ainsi que la composition (liste des noeuds ordinaires) des clusters voisins.Le service minimum de notre protocole R-CNK, atteint après 4 rounds seulement, garantit que tout leader connaît toujours des chemins vers tous les leaders des clusters voisins. Ce service minimum est maintenu en dépit des changements de la structure hiérarchique : création / destruction des clusters, changement de composition des clusters suite au départ / arrivé des noeuds ordinaires.Un deuxième aspect de nos travaux concerne l'évaluation des protocoles conçus (R-BSC et R-CNK) dans le contexte des réseaux mobiles.Nous avons mené une étude expérimentale sous le simulateur NS2 pour évaluer les performances de nos protocoles, ainsi que ceux des protocoles auto-stabilisants correspondants.Cette étude a montré que nos protocoles R-BSC et R-CNK offrent de meilleurs performances en terme de garantie de service, d'où l'efficacité de l'approche auto-stabilisation robuste par rapport à l'auto-stabilisation classique. / This dissertation is focused on fault-tolerant distributed algorithms adapted to large scale mobile networks.Self-stabilization is a fault-tolerance approach suited for systems with transient disruptions, but not for large scale dynamic networks.The fault is due to the eventual total lack of service when faults occur frequently.To address this drawback, we have introduced the robust self-stabilization approach that improves the service guarantee during the stabilization phase.The service guarantee provided by the robust self-stabilization is achieved via:(1) fast recovery to a minimum service and(2) preservation of minimum service during the convergence to an optimum service despite the occurrence of highly tolerated disruptions.Having the robust self-stabilization property ensures a high availability of the system despite the occurrence disruptions and topological changes in the network.In this thesis, we propose, evaluate and prove a series of robust self-stabilizing protocols.At first, we propose two robust self-stabilizing protocols for both problems : clustering and the maintain of knowledge about neighbor clusters.The two protocols are written in the local shared memory model and operate under the assumption of a weakly fair distributed daemon.The clustering protocol, called R-BSC, gathers the network nodes into 1-hop clusters.It allows a best choice of leaders, and it builds clusters with limited size in order to balance the load between leaders.The protocol R-BSC quickly provides, after at most 4 rounds, a minimum service where the network is completely partitioned into bounded-size clusters.During the convergence towards an optimum service, in which leaders will be the most appropriate nodes and their number will be reduced locally, the minimum service is preserved.The protocol for knowledge of neighbor clusters, called R-CNK, allows each leader to know the identity of leaders of neighbor clusters, paths leading to them, and the composition (list of ordinary nodes) of its neighbor clusters.The minimum service provided by of R-CNK protocol, reached after 4 rounds, ensures that every leader always knows paths towards all the leaders of neighbor clusters.We conducted an experimental study using the simulator NS2 to evaluate and to compare the performance of our protocols (R-BSC and R-CNK) with those of their self-stabilizing version in the context of mobile networks.This study confirmed that our protocols R-BSC and R-CNK offer a better service guarantee.

Nos travaux se positionnent dans le cadre de l'algorithmique distribuée et plus particulièrement des réseaux ad hoc. Les réseaux ad hoc sont auto-organisés en permettant des échanges directs entre nœuds mobiles et ne reposent sur aucune infrastructure. Chaque nœud peut se déplacer librement et indépendamment des autres impliquant une modification perpétuelle de la topologie. Dans ce contexte, la probabilité que des défaillances surviennent dans le réseau est importante. Ces défaillances gênent le bon fonctionnement du réseau et peuvent même entrainer une paralysie de celui-ci. C'est pourquoi la conception de solutions pour de tels réseaux nécessitent des mécanismes de gestion de fautes. Parmi ceux-ci, l'approche d'auto-stabilisation permet à un système de gérer les fautes transitoires. Nous étendons cette approche pour répondre aux principaux problèmes liés à la mobilité des nœuds. Notre objectif est de répondre à un double besoin d'auto-organisation du réseau et d'optimisation du nombre de messages échangés. Notre approche consiste à découper le réseau en clusters afin de lui donner une structure hiérarchique. Cette dernière rend l'utilisation du réseau plus efficace et plus performante. L'algorithme que nous avons développé à cet effet est auto-stabilisant et n'est basé que sur des connaissances locales. Nous exploitons cette solution pour proposer deux utilisations efficaces : la diffusion d'informations dans le réseau et le routage. La diffusion d'informations exploite un arbre couvrant inter-clusters, construit sans surcoût, en parallèle de la clusterisation. Le routage quant à lui exploite cet arbre pour permettre à la fois d'optimiser le délai de bout en bout et le nombre de messages échangés. / Our work relies in the domain of distributed system, more preciselly ad hoc networks. Ad hoc networks are self-organized allowing direct exchanges between mobile nodes and do not rely on any infrastruture. Each node can move freely and independently of each others involving continuous topology variability. In this context, the probability that a failure occurs in the network is high. These failures hinder the proper functioning of the network and even causes its paralysis. Therefore, designing solutions for such networks requires fault management mechanisms. Among these, a self-stabilizating approach allows the system to withstand transient faults. We extend this approach to answer the problems induced by nodes mobility. We have two main objectives: a self-organizing network and optimizing number of exchanged messages. Our approach consists in dividing the network into clusters in order to give it a hierarchical structure. This solution allows a more efficient and effective network use. The algorithm that we developed for this purpose is a self-stabilizing algorithm based only on local informations. Based on this solution, we propose two efficient use cases: Information broadcast and a routing protocol. Information broadcast uses an inter-cluster spanning tree, generated without any overhead. In the same time as the clustering process. The routing protocol uses this tree for both round trip and number of exchanged messages optimization.

Cette thèse étudie la découverte de services (composants logiciels, exécutables, librairies scientifiques) sur des plates-formes distribuées à grande échelle. Les approches traditionnelles, proposées pour des environnements stables et relativement petits, s'appuient sur des techniques centralisées impropres au passage à l'échelle dans des environnements géographiquement distribués et instables. Notre contribution s'articule autour de trois axes. 1) Nous proposons une nouvelle approche appelée DLPT (Distributed Lexicographic Placement Table), qui s'inspire des systèmes pair-à-pair et s'appuie sur un réseau de recouvrement structuré en arbre de préfixes. Cette structure permet des recherches multi-attributs sur des plages de valeurs. 2) Nous étudions la distribution des noeuds de l'arbre sur les processeurs de la plate-forme sous-jacente, distribuée, dynamique et hétérogène. Nous proposons et adaptons des heuristiques de répartition de la charge pour ce type d'architectures. 3) Notre plate-forme cible, par nature instable, nécessite des mécanismes robustes pour la tolérance aux pannes. La réplication traditionnellement utilisée s'y avère coûteuse et incapable de gérer des fautes transitoires. Nous proposons des techniques de tolérance aux pannes best-effort fondées sur la théorie de l'auto-stabilisation pour la construction d'arbres de préfixes dans des environnements pair-à-pair. Nous présentons deux approches. La première, écrite dans un modèle théorique à gros grain, permet de maintenir des arbres de préfixes instantanément stabilisants, c'est-à-dire reconstruits en un temps optimal après un nombre arbitraire de fautes. La deuxième, écrite dans le modèle à passage de messages, permet l'implantation d'une telle architecture dans des réseaux très dynamiques. Enfin, nous présentons un prototype logiciel mettant en oeuvre cette architecture et présentons ses premières expérimentations sur la plate-forme Grid'5000.