Ce travail de thèse s’est tout d’abord attaché à comprendre comment la prise en compte du temps de téléchargement, autrement dit, de la latence, lors de la mise en cache ou de la transmission de données pouvait contribuer aux performances du téléchargement dans les réseaux de caches dont ICN. Nous y introduisons un mécanisme distribué novateur qui décide de l’opportunité de conserver un objet en considérant que plus il a été long à télécharger plus intéressant il semble de le soumettre au cache sous-jacent. Nous montrons que ce nouveau mécanisme surpasse en de nombreux points l’état de l’art, que ce soit du point de vue de la réduction du temps moyen de téléchargement à partir de caches LRU, et de son écart-type (jusqu’à −60% ), que de celui de la vitesse de convergence vers ceux-ci. Dans une seconde phase, nous avons optimisé conjointement les fonctions de mises en cache et de distribution multi-chemin de requêtes de contenus. Troisièmement, nous avons étudié l’équité vis-à-vis des contenus au sein des réseaux de caches et plus particulièrement, d’ICN. Il en ressort que seule suffit une allocation équitable de la bande passante entre les contenus pour que l’équité d’ICN soit complète. Notre dernière contribution vise à aider au passage à l’échelle d’ICN dans contexte où deviennent réalités l’Internet des Objets et son espace de nommage illimité. Nous avons proposé une approche nouvelle au routage dans les réseaux centrés sur l’information, nommée AFFORD, qui combine apprentissage automatique et diffusion aléatoire. / This thesis investigates how making content caching and forwarding latency-aware can improve data delivery performance in Information-Centric Networks (ICN). We introduce a new mechanism that leverages retrieval time observations to decide whether to store an object in a network cache, based on the expected delivery time improvement. We demonstrate that our distributed latency-aware caching mechanism, LAC+, outperforms state of the art proposals and results in a reduction of the content mean delivery time and standard deviation of LRU caches by up to 60%, along with a fast convergence to these figures. In a second phase, we conjointly optimize the caching function and the multipath request forwarding strategies. To this purpose, we introduce the mixed forwarding strategy LB-Perf, directing the most popular content towards the same next hops to foster egress caches convergence, while load-balancing the others. Third, we address ICN fairness to contents. We show that traditional ICN caching, which favors the most popular objects, does not prevent the network from being globally fair, content-wise. The incidence of our findings comforts the ICN community momentum to improve LFU cache management policy and its approximations. We demonstrate that in-network caching leads to content-wise fair network capacity sharing as long as bandwidth sharing is content-wise fair. Finally, we contribute to the research effort aiming to help ICN Forwarding Information Base scale when confronted to the huge IoT era’s namespace.We propose AFFORD, a novel view on routing in named-data networking that combines machine learning and stochastic forwarding.

La communication Machine-to-Machine (M2M) est l'un des principaux fondements de l'Internet des Objets (IoT). C'est un phénomène qui a évolué discrètement au cours du temps et vient d’émerger à la surface pour do! nner naissance à une explosion de nouveaux usages et services. Capteurs, actionneurs, tags, véhicules et objets intelligents ont tous la possibilité de communiquer. Le nombre de connexions M2M est en constante augmentation et il est prévu de voir des milliards d’objets connectés dans un futur proche. Les applications M2M offrent des avantages dans divers domaines à savoir les villes intelligentes, les voitures connectées, les usines du futures, l’agriculture de précision, l’environnement, la santé, etc. La croissance rapide de cet écosystème est entrain de conduire le M2M vers un avenir prometteur. Cependant, les opportunités d'expansion des marchés M2M ne sont pas évidentes. En effet, un ensemble de challenges doivent être surmontés afin de permettre un déploiement à grande échelle dans des domaines diverses et variés à savoir les défis d’interopérabilité, de complexité et de scalabilité. Actuellement, le marché du M2M souffre d'une fragmentation verticale importante touchant la majorité des domaines industriels. En effet, diverses solutions propriétaires ont été conçues pour répondre à des applications spécifiques engendrant ainsi un sérieux problème d''interopérabilité. Pour adresser ce challenge, nous avons conçu, développer et expérimenté la plateforme OM2M offrant une architecture opérationnelle, flexible et extensible pour l'interopérabilité M2M conforme à la norme SmartM2M. Pour supporter les environnements contraints, nous avons proposé une nouvelle convention de nommage basée sur une structure de ressources non-hiérarchique permettant d’optimiser la taille des messages échangés. Pour assurer l’interopérabilité sémantique entre les applications et les machines, nous avons proposé l'ontologie IoT-O. Cette dernière est composée de cinq modèles de base représentant les capteurs, les actionneurs, les observations, les actuations et les web ! services pour permettre de converger rapidement vers un vocabulaire commun pour l'IoT. Une plateforme M2M horizontale permet d'interconnecter des machines hétérogènes largement distribués et qui évoluent fréquemment en fonction des changements de l’environnement. Maintenir ces systèmes complexes en vie est coûteux en termes de temps et d'argent. Pour adresser ce challenge, nous avons conçu, développé et intégré le framework FRAMESELF afin d'ajouter des capacités d'autogestion aux systèmes M2M basées sur le paradigme de l'informatique autonome. En étendant le modèle d'architecture de référence MAPE-K, notre solution permet d'adapter dynamiquement le comportement de la plateforme OM2M par en fonctions des changements du contexte et des politiques haut niveaux. Nous avons défini un ensemble de règles sémantiques pour faire du raisonnement sur l'ontologie IoT-O en tant que modèle de connaissance. Notre objectif est de permettre la découverte automatique entre les machines et les applications à travers un appariement sémantique et une reconfiguration dynam! ique de l'architecture des ressources. L’interopérabilité et l’autogestion ouvrent la voie à un déploiement de masse des systèmes M2M. Par contre, ces derniers se basent sur l'infrastructure actuelle d'internet qui n'a jamais été conçu pour ce genre de d'utilisation ce qui pose de nouvelles exigences en termes de scalabilité. Pour adresser ce challenge, nous avons conçu, simulé et validé l'approche OSCL proposant une nouvelle topologie de réseau maillé M2M comme alternative à l'approche centralisée actuelle. OSCL s'appuie sur les techniques de routage centrées sur l'information favorisant les communications à sauts multiples et un cache distribué pour une meilleure dissémination des données. Nous avons développé le simulateur OSCLsim pour valider l'approche proposée.[...] / Machine-to-Machine (M2M) is one of the main features of Internet of Things (IoT). It is a phenomenon that has been proceeding quietly in the background, and it is coming into the surface, where explosion of usage scenarios in businesses will happen. Sensors, actuators, tags, vehicles, and intelligent things all have the ability to communicate. The number of M2M connections is continuously increasing, and it has been predicted to see billions of machines interconnected in a near future. M2M applications provide advantages in various domains from smart cities, factories of the future, connected cars, home automation, e-health to precision agriculture. This fast-growing ecosystem is leading M2M towards a promising future. However, M2M market expansion opportunities are not straightforward. A set of challenges should be overcome to enable M2M mass-scale deployment across various industries including interoperability, complexity, and scalability issues. Currently, the M2M market is suffering from a high vertical fragmentation affecting the majority of business sectors. In fact, various vendor-specific M2M solutions have been designed independently for specific applications, which led to serious interoperability issues. To address this challenge, we designed, implemented, and experimented with the OM2M platform offering a flexible and extensible operational architecture for M2M interoperability compliant with the SmartM2M standard. To support constrained environments, we proposed an efficient naming convention relying on a non-hierarchical resource structure to reduce the payload size. To reduce the semantic gap between applications and machines, we proposed the IoT-O ontology for an effective semantic interoperability. IoT-O consists of five main parts, which are sensor, actuator, observation, actuation and service models and aims to quickly converge to a common IoT vocabulary. An interoperable M2M service platform enables one to interconnect heterogeneous devices that are widely distributed and frequently evolving according to their environment changes. Keeping M2M systems alive is costly in terms of time and money. To address this challenge, we designed, implemented, and integrated the FRAMESELF framework to retrofit self-management capabilities in M2M systems based on the autonomic computing paradigm. Extending the MAPE-K reference architecture model, FRAMESELF enables one to dynamically adapt the OM2M system behavior according to high level policies how the environment changes. We defined a set of semantic rules for reasoning about the IoT-O ontology as a knowledge model. Our goal is to enable automatic discovery of machines and applications through dynamic reconfiguration of resource architectures. Interoperability and self-management pave the way to mass-scale deployment of M2M devices. However, current M2M systems rely on current internet infrastructure, which was never designed to address such requirements, thus raising new requirements in term of scalability. To address this challenge, we designed, simulated and validated the OSCL overlay approach, a new M2M meshed network topology as an alternative to the current centralized approach. OSCL relies on the Named Data Networking (NDN) technique and supports multi-hop communication and distributed caching 5 to optimize networking and enhance data dissemination. We developed the OSCLsim simulator to validate the proposed approach. Finally, a theoretical model based on random graphs is formulated to describe the evolution and robustness of the proposed system.

Parmi les architectures orientées contenu, l'architecture NDN (Named-Data Networking) a su agréger la plus importante communauté de chercheurs et est la plus aboutie pour un Internet du futur. Dans le cadre de l'architecture NDN, au cours de ce doctorat, nous nous sommes concentrés sur les mécanismes de routage adaptés à cette nouvelle vision du réseau. En effet, la capacité à acheminer une requête vers la destination est fondamentale pour qu'une architecture réseau soit fonctionnelle et cette problématique avait été très peu étudiée jusqu'alors. Ainsi, dans ce manuscrit, nous proposons le protocole de routage SRSC (SDN-based Routing Scheme for CCN/NDN), qui repose sur l'utilisation du paradigme des réseaux logiciels (Software-Defined Networks\\, SDN). SRSC utilise un contrôleur capable de gérer le plan de contrôle du réseau NDN. En centralisant l'ensemble des informations telles que la topologie du réseau, la localisation des différents contenus et le contenu des mémoires cache des nœuds du réseau, le contrôleur va pouvoir établir la meilleure route pour acheminer les requêtes vers le contenu. SRSC permet également un routage de type anycast, c'est à dire qu'il permet d'acheminer les requêtes vers le nœud le plus proche qui dispose des données, permettant d'optimiser la distribution des requêtes dans le réseau et de répartir la charge parmi tous les nœuds. De plus, SRSC utilise uniquement les messages Interest et Data de l'architecture NDN et tient son originalité du fait qu'il s'affranchit complètement de l'infrastructure TCP/IP existante. Dans un premier temps, SRSC a été évalué via simulation avec le logiciel NS-3 où nous l'avons comparé à la méthode d'inondation des requêtes, appelée flooding, initialement proposée par NDN. SRSC a ensuite été implanté dans NDNx, l'implantation open source de l'architecture NDN, puis déployé sur notre testbed utilisant la technologie Docker. Ce testbed permet de virtualiser des nœuds NDN et d'observer un réel déploiement de cette architecture réseau à large échelle. Nous avons ainsi évalué les performances de notre protocole SRSC sur notre testbed virtualisé et nous l'avons comparé au protocole NLSR, (Named-Data Link State Routing Protocol), le protocole de routage du projet NDN / Internet is a mondial content network and its use grows since several years. Content delivery such as P2P or video streaming generates the main part of the Internet traffic and Named Data Networks (NDN) appear as an appropriate architecture to satisfy the user needs. Named-Data Networking is a novel clean-slate architecture for Future Internet. It has been designed to deliver content at large scale and integrates several features such as in-network caching, security, multi-path. However, the lack of scalable routing scheme is one of the main obstacles that slow down a large deployment of NDN at an Internet-scale. As it relies on content names instead of host address, it cannot reuse the traditional routing scheme on the Internet. In this thesis, we propose to use the Software-Defined Networking (SDN) paradigm to decouple data plane and control plane and present SRSC, a new routing scheme for NDN based on SDN paradigm. Our solution is a clean-slate approach, using only NDN messages and the SDN paradigm. We implemented our solution into the NS-3 simulator and perform extensive simulations of our proposal. SRSC show better performances than the flooding scheme used by default in NDN. We also present a new NDN testbed and the implementation of our protocol SRSC, a Controlled-based Routing Scheme for NDN. We implemented SRSC into NDNx, the NDN implementation, and deployed it into a virtual environment through Docker. Our experiments demonstrate the ability of our proposal to forward Interest, while keeping a low computation time for the Controller and low delay to access Content. Moreover, we propose a solution to easily deploy and evaluate NDN network, and we compare SRSC with NLSR, the current routing protocol used in NDNx

Les Réseaux Orientés Contenus (Information Centric Networking (ICN)) représentent un nouveau paradigme qui se développe de plus en plus dans le monde de l’Internet. Ils mettent en avant de nouvelles approches centrées sur le contenu pour concevoir une nouvelle architecture pour le réseau Internet du futur dont l’usage bascule aujourd’hui d’une communication orientée machines (hosts) vers une distribution et une récupération de contenus à large échelle.Dans ce cadre, plusieurs architectures de type ICN ont été proposées par la communauté scientifique dans le cadre de plusieurs projets internationaux : DONA, PURSUIT, SAIL, COMET, CONVERGENCE, Named Data Networking (NDN), etc.Nos travaux de thèse se sont focalisés sur la problématique du routage dans les réseaux de ce type, au travers d’une architecture de type NDN qui représente aujourd’hui une des architectures ICN les plus évoluées.En particulier, nous nous sommes intéressés à concevoir et à mettre en œuvre des solutions de routage qui intègrent les métriques de qualité de service (QdS) dans les architectures NDN au regard de usages courants dans le réseau Internet. Celui-ci est en effet caractérisé par une hétérogénéité des liaisons et des conditions de trafic hautement dynamiques.Dans ce type d’architectures, la diffusion des paquets de données est organisée en deux plans : le plande routage et le plan d’acheminement. Ce dernier est responsable de l’acheminement des paquets sur l’ensemble des chemins disponibles au moyen d’une stratégie identifiée en amont. Le plan du routage est quant à lui utilisé uniquement pour soutenir le plan d’acheminement. De fait, les solutions que nous proposons consistent en de nouvelles stratégies d’acheminement avec QdS que nous qualifions d’adaptatives. Ces stratégies sont capables de transmettre les paquets sur de multiples chemins tout en considérant les paramètres de QdS liés à l’état du réseau et collectés en temps réel.La première approche proposée est conçue sur la base d’une méthode d’apprentissage inductif,du type Q-learning en ligne, et est utilisée pour estimer les informations collectées sur l’état dynamique du réseau.La deuxième contribution consiste dans une stratégie d’acheminement adaptatif conçue pour les architectures NDN et prenant en compte les métriques liées à la QdS. Elle est basée sur les similarités entre le processus d’acheminement des paquets dans les architectures NDN et le comportement des fourmis lors de la recherche du plus court chemin entre leur nid et les sources de nourriture. Les techniques utilisées pour concevoir cette stratégie sont inspirées des approches d’optimisation utilisées dans les algorithmes de type « colonies de fourmis ».Enfin, dans la dernière partie de la thèse, nous généralisons l’approche décrite ci-dessus pour l’étendre à la prise en compte simultanée de plusieurs paramètres de QdS. Sur la base de ces mêmes principes, cette approche a ensuite été étendue à la résolution des problèmes liés à la congestion.Les résultats obtenus montrent l’efficacité des solutions proposées dans une architecture NDN et permettent ainsi de considérer les paramètres de QdS dans les mécanismes d’acheminement des paquets ouvrant la voie à diverses applications orientées contenus sur ce type d’architecture / The Information Centric Networking (ICN) represents a new paradigm that is increasingly developed within the Internet world. It brings forward new content-centric based approaches, in order to design a new architecture for the future Internet, whose usage today shifts from a machine oriented communication (hosts) to a large-scale content distribution and retrieval.In this context, several ICN architectures have been proposed by the scientific community, within several international projects: DONA, PURSUIT, SAIL, COMET, CONVERGENCE, Named Data Networking (NDN), etc.Our thesis work has focused on the problems of routing in such networks, through a NDN architecture, which represents one of the most advanced ICN architectures nowadays.In particular, we were interested in designing and implementing routing solutions that integrate quality-of-service metrics (QoS) in the NDN architecture in terms of current Internet usage. This latter is indeed characterized by a heterogeneity of connections and highly dynamic traffic conditions.In this type of architecture, data packets broadcast is organized in two levels: the routing planand the forwarding plane. The latter is responsible for routing packets on all available paths through an identified upstream strategy. The routing plan is meanwhile used only to support the forwarding plane. In fact, our solutions consist of new QoS routing strategies which we describe as adaptive. These strategies can transmit packets over multiple paths while taking into account the QoS parameters related to the state of the network and collected in real time.The first proposed approach is designed on the basis of a on-line Q-learn type inductive learning method, and is used to estimate the information collected on the dynamic state of the network.The second contribution is an adaptive routing strategy designed for NDN architectures which considers the metrics related to QoS. It is based on the similarities between the packet forwarding process in the NDN architecture and the behavior of ants when finding the shortest path between their nest and food sources. The techniques used to design this strategy are based on optimization approaches used "ant colonies" algorithms.Finally, in the last part of the thesis, we generalize the approach described above to extend it to the simultaneous consideration of several QoS parameters. Based on these principles, this approach was later extended to solving problems related to congestion.The results show the effectiveness of the proposed solutions in an NDN architecture and thus allow to consider QoS parameters in packet delivery mechanisms paving the way for various content-oriented applications on this architecture

Researchers who aim to evaluate proposed modifications to the Internet’s architecture face a unique set of challenges. Internet-based measurements provide limited value to such evaluations, as the quantities being measured are easily lost to ambiguity and idiosyncrasy. While simulations offer more control, Internet-like environments are difficult to construct due to the lack of ground truth in critical areas, such as topological structure and traffic patterns. This thesis develops a network topology and traffic models for a simulation-based evaluation of the PURSUIT rendezvous system, the name-based interdomain routing mechanism of an information-centric future Internet architecture. Although the empirical data used to construct the employed models is imperfect, it is nonetheless useful for identifying invariants which can shed light upon significant architectural characteristics. The contribution of this work is twofold. In addition to being directly applicable to the evaluation of PURSUIT’s rendezvous system, the methods used in this thesis may be applied more generally to any studies which aim to simulate Internet-like systems. / Forskare som syftar till att utvärdera föreslagna ändringar av Internet arkitektur står inför en unik uppsättning utmaningar. Internet-baserade mätningar ger begränsat värde för sådana utvärderingar, eftersom de kvantiteter som mäts är lätt förlorade mot tvetydighet och egenhet. Även om simuleringar ger mer kontroll är Internet-liknande miljöer svåra att konstruera på grund av bristen på kända principer i kritiska områden, såsom topologiska struktur och trafikmönster. Denna avhandling utvecklar en nättopologi och trafikmodeller för en simulering baserad utvärdering av PURSUIT mötesplatsen systemet, den namn-baserade interdomän routing mekanismen för en informations-centrerad arkitektur av framtidens Internet. Även om de empiriska data som används för att konstruera modeller är bristfällig, är det ändå användbart för att identifiera invarianter som kan belysa viktiga arkitektoniska egenskaper. Bidraget från detta arbete har två syften. Förutom att vara direkt tillämplig för utvärderingen av PURSUITs rendezvous system, kan de metoder som används i denna avhandling användas mer allmänt för studier som syftar till att simulera Internet-liknande system.