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Content Distribution in Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs) has always been a critical challenge, due to the peculiar characteristics of VANETs, such as high mobility, intermittent connectivity, and dynamic topologies. In fact, traditional Host-Centric Networks have shown to be unable to handle the increasing demand for content distribution in VANETs. Recently, Information-Centric Networks (ICN) have been proposed to VANETs to cope with the existing issues and improve the content delivery. In Vehicular Information-Centric Networks, instead of communicating in a host-to-host pattern and maintaining host-to-host links during the communication, consumers opportunistically send the Interest requests to the neighbor vehicles, which may have the desired Data packets that can satisfy the Interest packets. However, uncontrolled Interest packet transmissions for content search will result in a waste of resources and diminish the performance of applications in VANETs. In the thesis, we focus on two daunting problems that have limited content distribution in Vehicular Information-Centric Networks when using Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication: (i) unreliable content delivery and (ii) broadcast storm. We proposed a suite of protocols, OIFP, LISIC and LOCOS, destined to tackle these and other issues. In the proposed protocols, we have considered different metrics in VANETs that may influence the content distribution, such as distance, velocity, directions and the locations of the producers and consumers. By utilizing a small deferred timer, which is the time holden by the forwarding vehicles before sending the Interest packets out, priority is given to the selected vehicles to forward the Interest packets. Extensive simulations show that all the proposed protocols outperform the vanilla VNDN protocol regarding transmission delay, content satisfaction rate and the average number of Interest transmissions. Besides, we have also implemented several related works and compared with our protocols. The overall performance of the proposed LOCOS protocol outperforms the related works. Moreover, our protocols do alleviate the broadcast storm problem and improve the content delivery rate.

Cette thèse aborde des problèmes liés à deux aspects majeurs de l'évolution d'Internet : l'aspect«comportemental», qui correspond aux nouvelles interactions entre les utilisateurs et le réseau, et l'aspect «structurel», lié aux changements d'Internet d'un point de vue architectural.Le manuscrit est composé d'un chapitre introductif qui donne les grandes lignes de recherche de ce travail de thèse, suivi d'un chapitre consacré à la description de l'état de l'art sur les deux aspects mentionnés ci-dessus. Parmi les solutions proposées par la communauté scientifique pour s'adapter à l'évolution d'Internet, deux nouveaux paradigmes réseaux sont particulièrement décrits : Information- Centric Networking (ICN) et Software-Defined Networking (SDN).La thèse continue avec la proposition de «Caesar», un dispositif réseau, inspiré par ICN, capable de gérer la distribution de contenus à partir de primitives de routage basées sur le nom des données et non les adresses des serveurs. Caesar est présenté dans deux chapitres, qui décrivent l'architecture et deux des principaux modules : le relayage et la gestion de la traçabilité des requêtes.La suite du manuscrit décrit un outil mathématique pour la détection efficace de boucles dans un réseau SDN d'un point de vue théorique. Les améliorations de l'algorithme proposé par rapport à l'état de l'art sont discutées. „,La thèse se conclue par un résumé des principaux résultats obtenus et une présentation des travaux en cours et futurs. / This thesis addresses two major aspects of the Internet evolution problem: a behavioral aspect, corresponding to a new type of interactions between users and the network, and a structural aspect, which refers to the evolution problem from an architectural point of view.The manuscript consists of an introductory chapter which outlines the research directions of this thesis, followed by a chapter on the description of the state of the art on the two aforementioned aspects.Among the solutions proposed by the scientific community to adapt to the evolution of the Internet, two new network paradigms are described: Information- Centric Networking (ICN) and Software-Defined Networking (SDN).The thesis continues with the description of "Caesar", a network device, inspired by ICN, capable of managing the distribution of content using forwarding primitives based on the content name and not a server address. Caesar is presented in two chapters describing the architecture of two main modules: theforwarding module, and the pending request management.The second part of the manuscript describes a mathematical tool for the effective loop detection in an SDN network from a theoretical point of view. Some algorithms are proposed and the improvements with respect ta the prior work are discussed.The thesis is concluded with a summary of the main results and a presentation of current and future work.

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Les réseaux centrés contenus (ICN) sont considérés comme une solution aux nouveaux défis et modes de communication liés à l'émergence de l'Internet des Objets (IoT). Pour confirmer cette hypothèse, la problématique fondamentale du routage sur les réseaux ICN-IoT doit être abordée. Cette thèse traite de ce sujet à travers l'architecture IoT.Premièrement, une méthode sécurisée est introduite pour acheminer des paquets ICN à partir de coordonnées géographiques dans un réseau sans-fil de capteurs à faible puissance. Elle est comparée à une inondation optimisée du réseau inspirée des approches existant dans la littérature. En particulier, leur faisabilité et passage à l'échelle sont évalués via un modèle mathématique. Le modèle est paramétré grâce à des données réalistes issues de simulation, de la littérature, et d'expériences sur des capteurs. Il est montré que le routage géographique permet de diviser la mémoire nécessaire sur les capteurs par deux et de réduire considérablement le coût énergétique du routage, en particulier pour des topologies dynamiques.Ensuite, ICN est utilisé pour contrôler l'admission à une plate-forme de calcul de type Fog afin de garantir le temps de réponse. La stratégie de contrôle d'admission proposée, le LRU-AC, utilise l'algorithme Least-Recently-Used (LRU) pour apprendre en direct la distribution de popularité des requêtes. Son efficacité est démontrée grâce à un modèle fondé sur un réseau de files d'attente. Une implémentation du LRU-AC est proposé, utilisant des filtres de Bloom pour satisfaire aux contraintes des cartes FPGA. Son bien-fondé est prouvé par un modèle mathématique et son efficacité en termes de latence et débit démontrée.Enfin, on présente vICN, un outil pour la gestion et la virtualisation de réseaux ICN-IoT. Il s'agit d'une plate-forme qui unifie la configuration et la gestion des réseaux et des applications en exploitant les progrès des techniques d'isolation et de virtualisation. vICN est flexible, passe à l'échelle, et peut remplir différents buts : expériences à grande échelle reproductibles pour la recherche, démonstrations mélangeant machines émulées et physiques, et déploiements réels des technologies ICN dans les réseaux IP existants. / As the Internet of Things (IoT) has brought upon new communication patterns and challenges, Information-Centric Networking (ICN) has been touted as a potential solution. To confirm that hypothesis, the fundamental issue of routing and forwarding in the ICN-IoT must be addressed. This thesis investigates this topic across the IoT architecture.First, a scheme to securely forward ICN interests packets based on geographic coordinates is proposed for low-power wireless sensor networks (WSN). Its efficiency is compared to an optimized flooding-based scheme similar to current ICN-WSN approaches in terms of deployability and scalability using an analytical model. Realistic data for the model is derived from a mixture of simulation, literature study, and experiments on state-of-the-art sensor boards. Geographic forwarding is shown to halve the memory footprint of the ICN stack on reference deployments and to yield significant energy savings, especially for dynamic topologies. Second, ICN is used to enhance admission control (AC) to fixed-capacity Edge-computing platforms to guarantee request-completion time for latency-constrained applications. The LRU-AC, a request-aware AC strategy based on online learning of the request popularity distribution through a Least-Recently-Used (LRU) filter, is proposed. Using a queueing model, the LRU-AC is shown to decrease the number of requests that must be offloaded to the Cloud. An implementation of the LRU-AC on FPGA hardware is then proposed, using Ageing Bloom Filters (ABF) to provide a compact memory representation. The validity of using ABFs for the LRU-AC is proven through analytical modelling. The implementation provides high throughput and low latency.Finally, the management and virtualization of ICN-IoT networks are considered.vICN (virtualized ICN), a unified intent-based framework for network configuration and management that uses recent progress in resource isolation and virtualization techniques is introduced. It offers a single, flexible and scalable platform to serve different purposes, ranging from reproducible large-scale research experimentation to demonstrations with emulated and/or physical devices and network resources and to real deployments of ICN in existing IP networks.

Avec la prolifération des appareils mobiles, la mobilité devient une exigence et une caractéristique incontournable pour 5G. Cependant, en dépit des efforts pour permettre la mobilité dans le réseau IP, les solutions sont anchor-basées et inefficaces. Dans ce contexte, le réseau centré sur l'information (ICN) est proposé. Alors que ICN soutient mieux la mobilité, certains défis restent sans solution pour une mobilité transparente. La thèse explore trois défis de ce type et propose solutions efficaces. Tout d'abord, pour résoudre la mobilité des producteurs, MapMe, un protocole de gestion de micro mobilité compatible avec trafics latence-sensibles est proposée. MAP-Me est sans anchor et préserve les avantages de l'ICN. Les résultats de simulation montrent que MAP-Me surpasse les autres solutions en matière de performances client tout en gardant bas les frais de réseau sur diverses conditions réseau. En plus, nous étudions la sécurité de mobilité des producteurs. Nous nous concentrons sur l'attaque de préfixe hijacking, qui est à la base de plusieurs attaques. Pour éviter cette attaque, nous proposons un protocole léger et distribué basé sur hash-chaining. Les premiers résultats montrent une amélioration significative des frais de vérification. Enfin, il faut d'autres mécanismes dans la couche transport pour ICN mobile. Nous proposons WLDR et MLDR pour la détection et la récupération des pertes dans le réseau afin de faciliter le contrôle de la congestion. Les résultats de simulation montrent une réduction significative du temps d'écoulement (jusqu'à 20%). / With the proliferation of mobile devices, mobility becomes a requirement and a compelling feature for 5G. However, despite tremendous efforts in the last 2 decades to enable mobility in IP network, the solutions are mostly anchor-based and inefficient. In this context, Information-Centric networking (ICN) is proposed. While ICN has some native support of mobility, other architectural challenges remain unsolved to achieve seamless mobility. The thesis explores 3 main challenges of such and contributes novel solutions. First, to solve producer mobility, MapMe, a micro mobility management protocol supporting latency sensitive traffic is proposed. MAP-Me is anchorless and preserves key ICN benefits. Simulation results show that MAP-Me outperforms existing work in user performance while retaining low network overheads in various network conditions. Second, we investigate security in producer mobility. We focus on prefix hijacking attack, which is a basis of several attacks. To prevent prefix hijacking, we propose a light-weight and distributed prefix attestation protocol based on hash-chaining. First results show significant improvement in verification overhead. It is resistant to replay-based prefix hijacking. Finally, additional transport-layer mechanisms are needed in mobile ICN. To this aim, we investigate alleviating the adverse effect of wireless/mobility loss on congestion control. We propose WLDR and MLDR for in-network loss detection and recovery to facilitate congestion control. Simulation results show a significant reduction in flow completion time (up to 20%).

Content Centric Networking (CCN) est une architecture pour l'Internet du futur. CCN inclut des fonctionnalités de cache dans tous les noeuds du réseau. Son efficacité dépend largement de la performance de ses stratégies de cache. C'est pour cela que plusieurs études proposent des nouvelles stratégies de cache pour améliorer la performance d'un réseau CCN. Cependant parmi toutes ces stratégies, ce n'est pas évident de décider laquelle fonctionne le mieux. Il manque un environnement commun pour comparer ces stratégies. De plus, il n'est pas certain que ces approches soient les meilleures alternatives pour améliorer la performance du réseau. Dans cette thèse, on vise le problème de choisir les meilleures stratégies de caches pour CCN et les contributions sont les suivantes. On construit un environnement commun d'évaluation dans lequel on compare via simulation les stratégies de caches disponibles: Leave Copy Everywhere (LCE), Leave Copy Down (LCD), ProbCache, Cache "Less For More" et MAGIC. On analyse la performance de toutes ces stratégies et on décide la meilleure stratègie de cache pour chaque scénario. Ensuite, on propose deux stratégies de cache basées sur la popularité pour CCN. On commence avec un étude de la popularité de contenu et on présent la stratégie Most Popular Caching (MPC). MPC privilèges la distribution de contenu populaire dans les caches afin d'ameliorer les autres stratégies de cache. Dans une deuxième étape, on présent une stratègie de cache basé dans l'information des réseaux sociaux: Socially-Aware Caching Strategy (SACS). SACS privilèges la distribution de contenu publié par les utilisateurs les plus importantes / Content Centric Networking (CCN) is a new architecture for a future Internet. CCN includes in-network caching capabilities at every node. Its effciency depends drastically on performances of caching strategies. A lot of studies proposing new caching strategies to improve the performances of CCN. However, among all these strategies, it is still unclear which one performs better as there is a lack of common environment to compare these strategies. In this thesis, we address the challenge of selecting the best caching strategies for CCN. The contribution of this thesis are the following. We build a common evaluation scenario and we compare via simulation the state of the art caching strategies: Leave Copy Everywhere (LCE), Leave Copy Down (LCD), ProbCache, Cache "Less" For More and MAGIC. We analyze the performance of all the strategies in terms of Cache Hit, Stretch, Diversity and Complexity, and determine the cache strategy that fits the best with every scenario. Later on, we propose two novel caching strategies for CCN based on popularity. First, we study popularity of content and we present Most Popular Caching (MPC) strategy. MPC privileges distribution of popular caches into the caches and thus, it overcomes other caching strategies. Second, we present an alternative caching strategy based on social networks: Socially-Aware Caching Strategy (SACS). SACS privileges distribution of content published by influential users into the network. Both caching strategies overcome state of the art mechanisms and, to the best of our knowledge, we are the first to use social information to build caching strategies

L'Internet des Objets (IdO) est généralement perçu comme l'extension de l'Internet actuel à notre monde physique. Il interconnecte un grand nombre de capteurs / actionneurs, référencés comme des objets, sur Internet. Face aux importants défis imposés par l'hétérogénéité des dispositifs et l'énorme trafic généré, la pile protocolaire actuelle TCP / IP va atteindre ses limites. Le réseau centré sur l'information (ICN) a récemment reçu beaucoup d'attention comme une nouvelle architecture Internet qui a un grand potentiel pour être adoptée dans un système IdO. Le paradigme ICN forme la future architecture Internet qui s’est contrée sur les données elles-mêmes plutôt que sur leurs emplacements dans le réseau. Il s'agit d'un passage d'un modèle de communication centrée sur l'hôte vers un système centré sur le contenu en se basant sur des noms de contenu uniques et indépendants de la localisation, la mise en cache dans le réseau et le routage basé sur les noms. Grâce à ses avantages pertinents, l'ICN peut être un framework viable pour soutenir l’IdO, interconnectant des milliards d'objets contraints hétérogènes. En effet, ICN permet l'accès facile aux données et réduit à la fois le délai de récupération et la charge des requêtes sur les producteurs de données. Parmi plusieurs architectures ICN, le réseau de données nommées (NDN) est considéré comme l'architecture ICN appropriée pour les systèmes IdO. Néanmoins, de nouveaux problèmes ont apparu et s'opposent aux ambitions visées dans l'utilisation de la philosophie ICN dans les environnements IdO. En fait, nous avons identifié trois défis majeurs. Étant donné que les périphériques IdO sont habituellement limités en termes de ressources avec des limitations sévères de l'énergie, de la mémoire et de la puissance de traitement, les techniques de mise en cache en réseau doivent être optimisées. En outre, les données IdO sont transitoires et sont régulièrement mises à jour par les producteurs, ce qui impose des exigences strictes pour maintenir la cohérence des données mises en cache. Enfin, dans un scénario IdO, les objets sont souvent mobiles et nécessitent des stratégies pour maintenir leurs accessibilités. Dans cette thèse, nous proposons une stratégie de mise en cache optimale qui considère les contraintes des périphériques. Ensuite, nous présentons un nouveau mécanisme de cohérence de cache pour surveiller la validité des contenus mis en cache dans un environnement IdO. En outre, pour améliorer l'efficacité de la mise en cache, nous proposons également une politique de remplacement du cache qui vise à augmenter les performances du système et à maintenir la validité des données. Enfin, nous introduisons un nouveau routage basé sur les noms pour les réseaux NDN / IdO afin de prendre en charge la mobilité des producteurs.Nous simulons et comparons nos propositions à plusieurs propositions pertinentes sous un réseau IdO de trafic réel. Nos contributions présentent de bonnes performances du système en termes de taux de réduction du chemin parcouru par les requêtes, de taux de réduction du nombre des requêtes satisfaites par les serveur, du délai de la réponse et de perte des paquets, de plus, la stratégie de mise en cache offre un faible coût de cache et finalement la validité du contenu est considérablement améliorée grâce au mécanisme de cohérence. / The Internet of Things (IoT) is commonly perceived as the extension of the current Internet to our physical world. It interconnects an unprecedented number of sensors/actuators, referred as things, to the Internet. Facing the important challenges imposed by devices heterogeneity and the tremendous generated traffic, the current Internet protocol suite has reached its limits. The Information-Centric Networking (ICN) has recently received a lot of attention as a potential Internet architecture to be adopted in an IoT ecosystem. The ICN paradigm is shaping the foreseen future Internet architecture by focusing on the data itself rather than its hosting location. It is a shift from a host-centric! communication model to a content-centric one supporting among! others unique and location-independent content names, in-network caching and name-based routing. By leveraging the easy data access, and reducing both the retrieval delay and the load on the data producer, the ICN can be a viable framework to support the IoT, interconnecting billions of heterogeneous constrained objects. Among several ICN architectures, the Named Data Networking (NDN) is considered as a suitable ICN architecture for IoT systems. Nevertheless, new issues have emerged slowing down the ambitions besides using the ICN paradigm in IoT environments. In fact, we have identified three major challenges. Since IoT devices are usually resource-constrained with harsh limitations on energy, memory and processing power, the adopted in-network caching techniques should be optimized. Furthermore, IoT data are transient and frequently updated by the producer which imposes stringent requirements to maintain cached data freshness. Finally, in IoT scenario, devices are ! frequently mobile and IoT applications require keeping data continuity. In this thesis, we propose a caching strategy that considers devices constraints. Then, we introduce a novel cache freshness mechanism to monitor the validity of cached contents in an IoT environment. Furthermore, to improve caching efficiency, we also propose a cache replacement policy that targets to raise the system performances and maintain data freshness. Finally, we introduce a novel name-based routing for NDN/IoT networks to support the producer mobility. We simulate and compare our proposals to several relevant schemes under a real traffic IoT network. Our schemes exhibit good system performances in terms of hop reduction ratio, server hit reduction ratio, response latency and packet loss, yet it provides a low cache cost and significantly improves the content validity.

Les réseaux centrés sur l’information (ICN) sont une architecture prometteuse pour faire face à l’explosion du trafic multimédia sur internet et à la mobilité croissante des utilisateurs: non seulement ICN peut améliorer la qualité d’expérience de l’utilisateur, mais ICN peut également étendre naturelle et de façon transparente la prise en charge du trafic vidéo dans les fonctions réseau. Cependant, à notre connaissance, une évaluation approfondie des avantages apportés par ICN à la diffusion multimédia n’a pas encore été réalisée. Dans cette thèse, nous voulons réduire l’écart qui nous sépare d’une telle évaluation en prenant en compte ICN dans divers scénarios de diffusion multimédia.Tout d’abord, nous évaluons les avantages apportés par du DAS (Dynamic Adaptive Streaming) basé sur ICN par rapport au streaming basé sur TCP/IP, au moyen d’une campagne expérimentale comprenant plusieurs canaux (des émulations Wi-Fi et LTE, des traçes 3G/4G), plusieurs clients (mélange homogène et hétérogène, arrivées synchrones et asynchrones) et des logiques d’adaptation DAS soigneusement sélectionnées pour couvrir les deux grandes familles d’algorithmes disponibles. Nous mettons aussi enexergue les pièges potentiels qui sont néanmoins facilement évitables.Ensuite, nous montrons comment l’assistance du réseau contribue à améliorer la qualité d’expérience des utilisateurs. Pour ce faire, nous tirons parti de la fonctionnalité de mise en cache réseau d’ICN et proposons un signal re ́seau simple envoyé périodiquement par le cache à exploiter par l’algorithme d’adaptation DAS pour optimiser la qualité d’expérience de l’utilisateur en évitant le phénomène bien connu des oscillations induites par le cache. Des expériences nous permettent de valider le bien-fondé de notre approche.Enfin, puisque la diffusion multimedia en direct gagne du terrain, nous proposons hICN-RTC, en intégrant hICN (hybrid ICN), une solution ICN-dans-IP, à WebRTC, accompagné du protocole RICTP (Realtime Information Centric Transport Protocol), un protocole de transport basé sur le contenu, qui minimise la latence. Bien que toujours en développement, les résultats des premières expériences sont prometteurs car ils montrent que le trafic induit par hICN-RTC ne croit qu’avec le nombre de locuteurs actifs plutôt qu’avec le nombre total de participants. / Information-Centric Networking (ICN) is a promising architecture to address today Internet multimedia traffic explosion and increasing user mobility: not only to enhance the user’s quality of experience, but also to naturally and seamlessly extend video sup- port deeper in the network functions. However, to the best of our knowledge, a thorough assessment of the benefits brought by ICN to multimedia delivery has not been done yet. In this thesis, we aim at reducing the gap to such assessment, by considering ICN in various multimedia delivery scenarios.First, we assess the benefits brought by an ICN-based Dynamic Adaptive Streaming (DAS) compared to TCP/IP based streaming, by means of an experimental campaign that includes multiple channels (e.g., emulated Wi-Fi and LTE, real 3G/4G traces), multiple clients (homogeneous vs heterogeneous mixture, synchronous vs asynchronous arrivals) and carefully selected DAS adaptation logics to cover the broad families of available adaptation algorithms. We also warn about potential pitfalls that are nonethelesseasily avoidable.Second, we show how network assistance helps im- proving the users’ quality of experience. To do so, we leverage the in-network caching feature of ICN and propose a simple periodical network signal from the cache (i.e., per-quality hit ratio) to be exploited by DAS adaptation logic to enhance further the user’s quality of experience by avoiding the known cache-induced quality oscillations. We confirm the soundness of our approach through experiments.Finally, as live multimedia delivery is gaining momentum, we propose hICN-RTC by integrating hICN (hybrid ICN), an ICN-in-IP solution, to WebRTC and we design RICTP (Realtime Information Centric Trans- port Protocol), a content-aware transport that minimizes the communication latency. Although still in development, the results we gathered from early experiments are promising as they show that hICN-RTC scales with the number of active speakers rather than the total number of participants.

Dans cette thèse, on présente nos travaux sur la virtualisation dans le contexte de la réplication des serveurs de contenu vidéo. Les travaux couvrent la conception d’une architecture de virtualisation pour laquelle on présente aussi plusieurs algorithmes qui peuvent réduire les couts globaux à long terme et améliorer la performance du système. Le travail est divisé en plusieurs parties : les solutions optimales, les solutions heuristiques pour des raisons de passage à l’échelle, l’orchestration des services, l’optimisation multi-objective, la planification de services dans des réseaux actifs et complexes et l'intégration d'algorithmes dans une plate-forme réelle / In this thesis, we designed and implemented a tool which performs optimizations that reduce the number of migrations necessary for a delivery task. We present our work on virtualization in the context of replication of video content servers. The work covers the design of a virtualization architecture for which there are also several algorithms that can reduce overall costs and improve system performance. The thesis is divided into several parts: optimal solutions, greedy (heuristic) solutions for reasons of scalability, orchestration of services, multi-objective optimization, service planning in complex active networks, and integration of algorithms in real platform. This thesis is supported by models, implementations and simulations which provide results that showcase our work, quantify the importance of evaluating optimization techniques and analyze the trade-off between reducing operator cost and enhancing end user satisfaction index