Redes definidas por software (SDN) são uma abordagem recente para o projeto e operação de redes de computadores. Este paradigma é empregado com sucesso em cenários de datacenter, no entanto redes de acesso definidas por software (SDAN) ainda são raras em operadoras de telefonia e provedores de Internet. Isso deve-se em grande parte à inexistência de uma arquitetura de referência, algo que diversos projetos tentaram suprir nos últimos anos. Independente da vertente escolhida, a opção por uma mudança tão disruptiva como o SDN precisa ser justificada. Modelos tecno-econômicos são comumente utilizados para estimar o impacto da mudança na rentabilidade da operação. O custo total de propriedade (TCO) é uma métrica utilizada para esse fim. O presente trabalho desenvolveu um modelo simplificado de comparação de arquiteturas de rede, que diferentemente dos demais, tem foco nos serviços oferecidos ao assinante e no custo de gerenciamento dos mesmos. A análise é realizada em duas dimensões. Na primeira o esforço de operar a rede é estimado através de uma análise qualitativa, de forma similar ao realizado por outros modelos. O segundo eixo é a quantidade de recursos exigida para provisionar e monitorar cada serviço. Essa estimativa é gerada através do uso de simulação de tempo discreto dos elementos e protocolos relevantes. A combinação das duas análises permite identificar as tendências de comportamento dos serviços geradas pela adoção de uma nova arquitetura de rede, e avaliar a conveniência dessa migração. O uso de simulação neste trabalho demandou a construção de modelos dos equipamentos e protocolos envolvidos. Elegeu-se o pacote NS-3 como ferramenta de simulação. Definir e implementar modelos para todos os serviços analisados poderia tornar-se tão oneroso quanto as técnicas que desejávamos suplantar, e por isso utilizou-se uma abordagem indireta. São simulados apenas os componentes essenciais, e os custos de cada serviço são inferidos a partir deles. O modelo de rede SDAN utilizado, denominado SDCN, é inspirado no SplitArchitecture, proposto pelo projeto SPARC. / Software defined networks are a novel approach to design and operation of computer networks. Although this paradigm is employed successfully in many data-centers and campus, software defined access networks (SDAN) are still in their infancy. Carriers and ISPs have not converged on a standard architecture to build their infrastructure upon, a problem many initiatives are trying to solve. Regardless of the chosen model, the option for such a disruptive change as SDN needs to be justified. Techno-economic models are commonly used to estimate the impact of a change in the operation. The Total Cost of Ownership (TCO) is a metric commonly used for this purpose. The present work developed a simplified evaluation model for network architectures, which focuses on the services offered to the subscriber and on the cost of managing them. The analysis is performed in two dimensions. In the first, the effort to operate the network is estimated through a qualitative analysis, similar to the one performed by other existing models. The second axis is the amount of resources required to provision and monitor each service. This estimation is produced through the use of discrete time simulation of selected elements and protocols. The combination of the analyzes allows us to identify the behavioral trends provoked by the adoption of a new network architecture, and to evaluate the convenience of such migration. The simulation in this work demanded models for the equipment and protocols involved. The package NS-3 was the chosen simulation tool. Defining and implementing models for all services analyzed could become as costly as the techniques we wish to overcome, so an indirect approach has been used. Only the essential components are simulated, and the costs of each service are inferred from them. The SDAN model evaluated in this work, called SDCN, is a simplification of the SplitArchitecture proposed by the SPARC project.

The Named Data Networking (NDN) is a new Internet architecture that changes the network semantic from packet delivery to content retrieval and promises benefits in areas such as content distribution, security, mobility support, and application development. While the basic NDN architecture applies to any network environment, local area networks (LANs) are of particular interest because of their prevalence on the Internet and the relatively low barrier to deployment. In this dissertation, I design NDN protocols and implement NDN software, to make NDN communication in LAN robust and efficient. My contributions include: (a) a forwarding behavior specification required on every NDN node; (b) a secure and efficient self-learning strategy for switched Ethernet, which discovers available contents via occasional flooding, so that the network can operate without manual configuration, and does not require a routing protocol or a centralized controller; (c) NDN-NIC, a network interface card that performs name-based packet filtering, to reduce CPU overhead and power consumption of the main system during broadcast communication on shared media; (d) the NDN Link Protocol (NDNLP), which allows the forwarding plane to add hop-by-hop headers, and provides a fragmentation-reassembly feature so that large NDN packets can be sent directly over Ethernet with limited MTU.

Next-generation Internet will be governed by the need for flexibility. Heterogeneous end-systems, novel applications, and security and manageability challenges require networks to provide a broad range of services that go beyond store-and-forward. Following this trend, a service-centric network architecture is proposed for the next-generation Internet. It utilizes router-based programmability to provide packet processing services inside the network and decompose communications into these service blocks. By providing different compositions of services along the data path, such network can customize its connections to satisfy various communication requirements. This design extends the flexibility of the Internet to meet its next-generation challenges. This work addresses three major challenges in implementing such service-centric networks. Finding the optimal path for a given composition of services is the first challenge. This is called "service routing" since both service availability and routing cost need to be considered. Novel algorithms and a matching protocol are designed to solve the service routing problem in large scale networks. A prototype based on Emulab is implemented to demonstrate and evaluate our design. Finding the optimal composition of services to satisfy the communication requirements of a given connection is the second challenge. This is called "service composition." A novel decision making framework is proposed, which allows the deduction of the service composition problem into a planning problem and automates the composition of service according to specified communication requirements. A further investigation shows that extending this decision making framework to combine the service routing and service composition problems yields a better solution than solving them separately. Run-time resource management on the data plane is the third challenge. Several run-time task mapping approaches have been proposed for Network Processor systems. An evaluation methodology based on queuing network is designed to systematically evaluate and compare these solutions under various network traffic scenarios. The results of this work give qualitative and quantitative insights into next-generation Internet design that combines issues from computer networking, architecture, and system design.

Aujourd'hui, il existe un nombre important et croissant de sources de données, qui peuvent être des documents et des données structurées ou semi-structurées. En général, aussi bien les documents que les bases de données sont autonomes et gérés par des systèmes différents. D'autre part, beaucoup de ces sources sont reliées tout en étant sémantiquement hétérogènes : elles modélisent la même réalité externe tout en utilisant des concepts et des structures distincts. <br />Or, les organisations et les entreprises qui sont confrontées à de telles sources de données ont besoin d'en avoir une vision homogène et cohérente. La conséquence est qu'il est nécessaire de les intégrer et de disposer d'un système qui gère ces données.<br /><br />L'objectif d'un système d'intégration des données est de proposer une interface homogène pour interroger plusieurs sources, qui peuvent être hétérogènes et autonomes. Derrière une telle interface il y a plusieurs défis, parmi lesquels nous soulignons l'hétérogénéité structurelle et sémantique des sources de données, la fragmentation des données, le traitement et l'optimisation des requêtes. <br /><br />Il existe de nombreux travaux qui présentent des approches distinctes pour l'intégration des données, et chaque approche propose des solutions spécifiques à chacun des problèmes évoqués. On considère en général que ces approches appartiennent à deux grandes catégories : l'approche matérialisée et l'approche virtuelle. Cependant, on peut aussi considérer une troisième approche, dite hybride, qui propose qu'une partie des données du système intégré soit matérialisée et qu'une autre partie des données soit virtuelle.<br /><br />Dans cette thèse, nous proposons une architecture hybride pour un système d'intégration de sources de données hétérogènes, qui vise à étendre l'optimisation des requêtes à toutes les requêtes du système d'intégration. Elle permet aussi de fournir un mécanisme flexible pour traiter la mise à jour des données afin de tolérer les différentes caractéristiques des sources et de leurs données.<br /><br />Cette approche est basée sur un système d'indexation d'objets multicritères au niveau de la médiation. Dans notre approche, nous utilisons le système Osiris et son mécanisme d'indexation. Osiris est un système de gestion de bases de données et de bases de connaissance orienté objet, où une famille d'objets est définie par une hiérarchie de vues " object-preserving ". Le système d'indexation d'Osiris est un système multi-attributs, et notre approche propose la matérialisation du sous-ensemble des données directement reliées aux attributs d'indexation. <br /><br />Le système d'intégration des données proposé, IXIA, matérialise la structure d'indexation des objets sous-jacents au niveau du médiateur. Les Oids des objets, leur correspondance avec les objets des sources et les données nécessaires pour la mise à jour de l'indexation des données sont aussi matérialisées. <br /><br />Cette approche offre une plus grande flexibilité de rafraîchissement des données qu'une approche entièrement matérialisée, et une meilleure optimisation des requêtes que les méthodes entièrement virtuelles.

Network coding (NC) has gained much research attention as a potential candidate to solve the demand for higher spectral e ciency of modern wireless communications. Many research papers have investigated the performance of NC-aided networks such as throughput and outage capacity. However, the analysis of NC in practical systems where NC is combined with other techniques such as channel coding is still immature to fully understand its potential performance. In this thesis, we aim to design high performance receivers and analyze its performance for network-coded cooperative networks in practical scenarios. Firstly, we propose two Iterative Network/Channel Decoding (INCD) algorithms for the Multiple-Access Relay Channel (MARC) with two notable relaying schemes named Decode-and-Forward (DF) and Demodulate-and-Forward (DMF). The INCD algorithm operates based on turbo-like decoding methods and reduces the impact of the error propagation problem with the aid of a channel-aware receiver design. Both perfect Channel State Information (CSI) and imperfect CSI at the receiver side are investigated. We propose a practical method that forwards the quantized version of the relay decoding errors to the destination. It is shown that the proposed algorithms achieve full diversity gain and signi cantle outperforms solutions which do not take care of error propagation. We also show that the number of pilot symbols a ects only the coding gain but has a negligible impact on the diversity order, while the quantization level a cts both the diversity and coding gain. Secondly, we propose a Near Optimal Joint Network/Channel Decoding (NOJNCD) algorithm for the MARC that allows to analyze the system Bit Error Rate (BER). The NOJNCD algorithm performs network decoding and channel decoding in one decoding step of the super code, which comprises of all trellis states of individual code at the sources via NC. Furthermore, NC combined with Relay Selection (RS) is considered and the achievable diversity order is studied with the aid of outage analysis. We analytically show that Single Relay Selection (SRS) always achieves a diversity order two and Multiple Relay Selection (MRS) can achieve full diversity gain only when the number of selected relays exceeds the number of the sources. Last but not least, we propose a so-called partial relaying protocol to improve the spectral e ciency for channel coding assisted relay networks. Closed-form expression of the BER and the system diversity order are computed for partial relaying. We show, by analysis and simulations, that with a proper Convolutional Code (CC), partial relaying can achieve full diversity gain and same coding gain as the classical (full) relaying protocol in nite signal-to-noise ratio region while it obtains a better spectrum usage. Moreover, we propose a new protocol based on partial relaying in opportunistic relaying cooperative networks and show that this protocol signi cantly outperforms the NC-based cooperation in some circumstances.

Des logiciels complexes, assemblés à partir de nombreux composants préexistants, sont aujourd'hui utilisés pour des emplois de plus en plus critiques (télécommunication, ferroviaire, automobile...). Les risques encourus, aussi bien humains qu'économiques, exigent de pouvoir mettre en place dans ces systèmes des mécanismes de tolérance aux fautes flexibles et adaptables indépendamment des composants utilisés. Mais la complexification des logiciels pose problème, car les approches développées jadis pour assurer la sûreté de fonctionnement de petits systèmes ne leur sont plus applicables. Connues depuis longtemps, les architectures réflexives, en autorisant le découplage des aspects fonctionnels et non-fonctionnels d'un système, visent à résoudre ce problème. Jusqu'ici cependant, les approches proposées s'étaient limitées à des prototypes simples, souvent réalisés ex-nihilo pour expérimentation. Or la tolérance aux fautes est une propriété globale des systèmes considérés, qui requiert la prise en compte de tous les niveaux d'abstraction rencontrés. Dans cette thèse, nous étudions comment le paradigme réflexif peut être adapté pour permettre d'intégrer les considérations algorithmiques de la tolérance aux fautes (validité, observation, contrôle) aux contraintes architecturales rencontrées dans les systèmes complexes (abstraction, transparence, inter-opérabilité). Pour aborder cette problématique, nous développons un nouveau cadre conceptuel, la réflexivité multi-niveaux, et les concepts d'empreinte réflexive et de lien inter-niveaux qui lui sont associés. Nous validons ensuite la pertinence pratique de notre proposition en abordant la réplication de serveurs CORBA à brins d'exécution multiples (multithreaded) sur un exemple concret constitué de GNU/Linux et de l'ORB commercial ORBacus. Nous concluons finalement à la nécessité d'un nouveau paradigme de développement basé sur des composants rendus réflexifs dès leur réalisation.

Aujourd'hui, la prolifération de matériel peu coûteux tels que les caméras et les microphones capables de capturer du contenu multimédia de façon ubiquitaire a conduit à l'émergence des réseaux de capteurs sans fil multimédia/vidéo (RCSFM /RCSFV). En conséquence, un grand éventail d'applications peuvent être projetées dans de nombreux domaines de la vie de tous les jours. Par rapport aux réseaux de capteurs traditionnels (RCSF), les RCSFVs présentent des défis uniques principalement en raison de la grande quantité de données à capturer et à transmettre au-dessus d'un réseau contraint en ressources. Un certain niveau de qualité de service peut être exigé en termes de délai, bande passante, gigue, fiabilité, qualité de perception de la vidéo, etc. Dans ce travail, nous visons le problème du routage de données vidéo dans un RCSF. De nombreux protocoles de routage ont été proposés dans la littérature. Ils peuvent être qualifiés de plat ou hiérarchique en vue de l'organisation du réseau. Dans une topologie plate, tous les noeuds ont les mêmes fonctionnalités où chacun peut participer au processus de routage. Cependant, dans une architecture hiérarchique, les capteurs sont organisés en groupes (clusters) permettant une plus grande évolutivité, moins d'énergie consommée et donc une plus longue vie pour l'ensemble du réseau. Parmi les protocoles de routage existants, peu considèrent spécifiquement la transmission de données intensives comme la vidéo. Dans ce travail, nous avons d'abord proposé un protocole de routage hiérarchique appelé ELPC (Energy Level Passive Clustering) dont l'objectif principal est d'améliorer la durée de vie du réseau en présence de flux vidéo. Ceci est obtenu grâce à l'équilibrage des charges au moment de la construction de la topologie où le rôle de tête de groupe est alterné entre les noeuds candidats en fonction de leur niveau d'énergie. La deuxième contribution consiste en un protocole de routage multichemin qui prend les interférences inter-chemin en considération. En effet, en permettant la transmission de plusieurs flux concurrents, le délai de bout en bout se trouve réduit et les besoins de l'application en termes de bande passante peuvent être satisfaits. Au lieu de supprimer complètement les interférences, notre protocole de routage multichemin tente de les minimiser en se basant sur l'ajout d'informations supplémentaires sur les noeuds voisins dans les messages de construction de la topologie. De plus, nous proposons un schéma de files d'attente à priorités multiples où l'influence des types de données dans une vidéo est considérée. Les résultats des simulations montrent que l'utilisation de chemins moins interférents combinée à un régime de multipriorité permet une meilleure qualité vidéo.

Les réseaux de capteurs sans fil sont constitués d'un grand nombre de nœuds, déployés pour collecter des données du monde physique (température, humidité, pollution etc.) et les transmettre, de manière autonome, vers un ou plusieurs points de collectes appelés "puits". Dans cette thèse, nous nous focalisons sur la sécurité des protocoles de routage multi-sauts, plus particulièrement, sur la notion de résilience aux attaques. Les domaines d'applications des réseaux de capteurs sont variés, allant du suivi médical à la surveillance environnementale en passant par le bâtiment intelligent ou le monitoring urbain (éclairage, pollution, relevé de compteurs d'eau/électricité/gaz etc.). Dans ces applications, les capteurs sont souvent déployés dans des environnements ouverts et accessibles permettant aux éventuels attaquants de les détruire ou de les capturer afin d'en extraire les données sensibles (clés de chiffrement, identité, adresse, etc.). La compromission des nœuds est un problème majeur pour la sécurité de réseaux de capteurs, puisqu'un adversaire peut s'introduire à l'intérieur du périmètre de sécurité. Les méthodes traditionnelles, basées sur la cryptographie, permettent d'obtenir une sécurité de base (authentification, confidentialité, intégrité, non répudiation etc.), mais ne permettent pas toujours de se prémunir contre les attaques dues à la compromission des nœuds (réplication des nœuds, Sybil, Selective forwarding, Blackhole, Sinkhole, Wormhole etc.). Dans le but d'apporter des solutions algorithmiques complémentaires aux solutions cryptographiques, nous étudions la résilience des protocoles de communication en présence d'adversaires internes visant à perturber le routage de l'information à travers le réseau. Dans un premier temps, nous introduisons le concept de résilience. Notre objectif est de proposer une définition explicitant le terme de résilience dans notre contexte et une métrique, permettant de comparer efficacement les protocoles de routage. L'originalité de cette métrique est d'utiliser à la fois une représentation graphique et une méthode de calcul quantitative liée à celle-ci. La représentation graphique à deux dimensions permet une vision synthétique de la résilience des protocoles selon plusieurs paramètres de performance. La méthode de calcul quantitative liée à cette représentation graphique agrège les valeurs des paramètres et permet de classifier les protocoles en termes de résilience. Grâce à cet outil, nous avons évalué la résilience de plusieurs protocoles de routage classiques de différentes catégories. Cette étude nous a permis d'identifier les mécanismes permettant d'améliorer la résilience des protocoles. Dans un second temps, nous proposons les mécanismes résilients de routage pour les réseaux de capteurs. Les mécanismes résilients que nous proposons consistent en trois éléments : (i) introduire un comportement aléatoire (ii) limiter la longueur des routes (iii) ajouter de la réplication de paquets. Les comportements aléatoires augmentent l'incertitude pour les adversaires, rendant les protocoles moins prévisibles, les réplications des données permettent de bénéficier la diversification des routes créées entre les sources et le puits, en améliorant ainsi le succès et l'équité de livraison et la limitation de la longueur des routes est nécessaire pour diminuer la probabilité qu'un paquet tombe sur un nœud attaquant en route. La connexité entre les capteurs et le puits est ainsi augmentée. Grâce à notre métrique de résilience, nous avons proposé une nouvelle taxonomie de résilience. Selon cette taxonomie, le routage par gradient et la marche aléatoire biaisée avec les mécanismes proposés sont les plus résilients. Nous avons donc évalué par la suite le routage par gradient en cas d'attaques combinées pour approfondir notre étude, mais aussi pour savoir si ces mécanismes proposés permettent d'augmenter la résilience même en cas d'attaques plus complexes, visant différents aspects du routage (construction des routes, paquets de contrôle, etc.). Nous avons introduit plusieurs valeurs de biais aux variantes aléatoires du routage par gradient pour étudier l'influence de l'entropie et nous les avons comparées à sa version classique. Nous avons également évalué leur résilience en introduisant deux types de réplications (uniformes et adaptatives). Sans attaques, ce sont les variantes les plus biaisées sans réplications qui sont les plus performantes. En cas d'attaques peu importantes, les réplications uniformes sont plus efficaces, tandis qu'en cas d'attaques plus intenses, ce sont les réplications adaptatives qui se montrent les plus efficaces. Les études menées jusqu'à ici étaient produites par des simulations et nous avions donc besoin d'une justification théorique. Nous avons donc proposé une étude théorique de la marche aléatoire biaisée en cas d'attaques de non-retransmission des paquets. Nous avons évalué l'influence du biais, mais aussi les deux réplications que nous avions évaluées précédemment par des simulations. En premier lieu, nous avons étudié le succès de livraison et la consommation d'énergie pour tous les scénarios. Ensuite, nous les avons évalués selon notre métrique de résilience. Cette étude a permit de confirmer les résultats d'étude par simulations et elle a montré que le biais est indispensable pour la résilience et le seuil d'entropie bénéfique à la résilience est e=0.7 quand la réplication de données est introduite. En dessous de cette valeur, la marche aléatoire est inefficace à cause de la longueur de chemins trop importante. L'ensemble des travaux réalisés dans cette thèse se concentre autour de la résilience. Ce concept reste assez nouveau, en particulier dans le domaine des réseaux et télécommunications. À travers cette thèse, nous avons voulu donner notre vision sur ce thème en nous concentrant sur les problématiques de sécurité des protocoles de routage dans le contexte des réseaux de capteurs.

Ce travail est consacré à la conception, l'analyse et l'optimisation des codes correcteurs d'effacements de niveau applicatif (AL-FEC). Nous nous intéressons à une famille des codes LDPC généralisés (GLDPC), nommés les codes GLDPC-Staircase, qui sont com- posés d'un code LDPC-Staircase (code de base) ainsi que des codes Reed-Solomon (RS) (codes externes). Dans la première partie de cette thèse, nous commençons par montrer que les codes RS ayant une construction basée sur la matrice "quasi" Hankel sont les codes MDS les plus appropriés pour obtenir la structure des codes GLDPC-Staircase. Ensuite, nous proposons un nouveau type de décodage à ces codes, baptisé le décodage hybride (IT/RS/ML), pour atteindre les caspacités de correction du décodage par maximum de vraisemblance (ML) avec de faible complexité. Afin d'étudier l'impact de la structure des codes GLDPC- Staircase sur le décodage, nous proposons une autre construction : ils se diffèrent sur la nature des symboles de redondance LDPC générés. Puis, pour prédire le seuil de décodage et les écarts par rapport à la limite de Shannon des codes GLDPC-Staircase, nous élaborons une analyse asymptotique en fonction de la technique d'évolution de densité (DE), la technique EXIT (Extrinsic Information Transfer) et le théorème d'air. Finalement, en se basant sur l'analyse à taille finie et l'analyse asymptotique, nous ajustons les différentes paramètres internes de ces codes pour obtenir la configuration optimale sous le décodage hybride (IT/RS/ML). La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'étude des codes GLDPC-Staircase dans diverses situations. Tout d'abord, nous montrons que ces codes ont des performances asymptotiquement très proches de la limite de Shannon. En plus, à taille finie, ils permet- tent d'atteindre d'excellentes capacités de correction d'effacements (i.e., très proches de celles des codes MDS) peu importe la taille des objets : très faible overhead de décodage, faible plancher d'erreur, et une zone "waterfall" raide. Nous montrons aussi que les performances de ces codes sont trés proches des codes RaptorQ et surpassent celles des codes Raptor, les codes LDPC-Staircase, et un autre code GLDPC avec une construction différente. Finalement, nous proposons une méthodologie générale pour étudier l'impact de l'ordonnancement des paquets envoyés sur les performances des codes GLDPC-Staircase sur un grand nombre des canaux à effacements (avec des pertes en rafale ou pas). Cette étude montre le meilleur ordonnancement de paquets. Tous les résultats mentionnés ci-dessus montrent que les codes GLDPC-Staircase peuvent considérés comme des codes AL-FEC universels.

Les paradigmes et architectures du pair-à-pair (P2P) sont au centre des réalisations d'applications à grande échelle de tout type. Il est nécessaire d'intégrer un niveau de contrôle sur de telles applications. De telles applications seront ainsi opérées et auront comme maître d'œuvre un opérateur de services. Dans la pratique actuelle les entités pairs partageant des ressources se placent d'une manière aléatoire sur un large réseau physique (IP). Nous proposons la conception d'une architecture globale pour la mise en place de telles applications sur des plateformes de type P2P. Dans ce paradigme il est possible d'isoler trois principales composantes : la première est celle qui concerne le service applicatif, la deuxième est le routage (ou la recherche), la troisième est celle qui traite du transport des données. Ce travail consiste à optimiser chaque composante du modèle P2P. Ces études nous permettent de spécifier des structures pour trois principales contributions. La première a pour objectif de cloisonner le trafic P2P et, après généralisation, d'appliquer un algorithme sensible au contexte où chaque groupe de pairs (appartenant à un même système autonome par exemple) est basé sur une DHT (Distributed Hash Table). La seconde est d'accélérer le transfert des données à l'aide du mécanisme FEC (Forward Error Correction). La troisième est d'intégrer une entité de Contrôle/Gestion. BitTorrent est le protocole choisi au niveau transport sur une architecture intégrant ces contributions. L'architecture SPOP (Service Oriented Provider P2P) a été validée par simulation et grâce à une application de sécurité de défense contre les attaques DDoS