Durant la dernière décennie, Les jeux massivement multijoueurs (MMOGs) sont devenus extrêmement populaires et comptent désormais plus de 20 millions d'utilisateurs actifs à travers le monde. Les MMOGs sont des systèmes distribués ayant des contraintes applicatives fortes en terme de cohérence de données, persistance, réactivité et passage à l'échelle. L'évolution des besoins applicatifs du MMOG au cours du temps est difficilement prévisible car dépendante du comportement des joueurs dans le monde virtuel. C'est pourquoi, malgré un important effort de recherche dans le domaine, aucune des architectures proposées ne satisfait pleinement toutes les contraintes requises. Cette thèse explore les capacités des architectures distribuées à s'adapter à la charge applicative grâce à une prise en compte du comportement des joueurs lors de l'exécution. Le système est alors capable de détecter des évolutions qui sont difficiles à prévoir à priori, et dynamiquement allouer les ressources nécessaires à l'application. Nous décrivons différentes techniques de surveillance des joueurs et proposons des moyens de prendre en compte ces informations au niveau de l'architecture. Nos expériences, effectuées dans des conditions réalistes, montrent que nos mécanismes ont un surcoût limité et permettent d'améliorer les performances globales du système.

Dans les communautés virtuelles pair-à-pair (P2P) de partage de données, les requêtes top-k présentent deux avantages principaux. Premièrement, elles permettent aux participants de qualifier les résultats de leurs requêtes par rapport aux données partagées dans le système et ceci en fonction de leurs préférences individuelles. Deuxièmement, elles évitent de submerger les participants avec un grand nombre de réponses. Cependant, les techniques existantes pour le traitement des requêtes top-k dans un environnement complètement distribué présentent l'inconvénient d'un temps d'attente important pour l'utilisateur. Ce temps d'attente est encore très long plus le système est surchargé. Dans un premier temps, nous revisitons le problème du temps d'attente de l'utilisateur dans le traitement des requêtes top-k en introduisant deux nouvelles mesures : le temps de stabilisation et la qualité restante cumulée. En complément des mesures existantes, elles permettent de qualifier plus précisément le comportement d'un algorithme top-k. Dans un deuxième temps, nous proposons une famille d'algorithmes (ASAP), permettant de retourner à l'utilisateur les résultats de bonne qualité le plus tôt possible. Enfin, nous nous intéressons au problème du traitement des requêtes top-k dans le cadre des systèmes P2P surchargés, particulièrement critique pour les solutions classiques, en proposant une nouvelle approche (QUAT). Cette solution fait usage de descriptions synthétiques des données des pairs pour permettre aux pairs de traiter en priorité les requêtes pour les quelles ils peuvent fournir des résultats de bonne qualité.

L'orientation service occupe de plus en plus une place importante dans la structuration des systèmes complexes. La conception et le développement d'applications évoluent progressivement d'un modèle traditionnel vers un modèle plus dynamique orienté services où la réutilisation et l'adaptabilité jouent un rôle important. Dans cette thèse, nous proposons une étude portant sur la conception et le développement d'applications par composition de services. Nous décrivons un environnement de partage de services : DyCoSe. Il consiste en un écosystème coopératif où les entreprises membres, organisées en communautés, partagent un consensus global représentant les fonctionnalités métier récurrentes et les propriétés non fonctionnelles communes. La composition d'applications dans DyCoSe repose sur une architecture à trois niveaux combinant à la fois une démarche descendante et une autre ascendante. La démarche descendante permet de décrire l’application à travers une interaction de composants haut niveau et de la raffiner en une ou plusieurs orchestrations de services. La démarche ascendante projette les caractéristiques de l’infrastructure réseau sous-jacente au niveau services. Un processus d’instanciation visant à réaliser une application composite est détaillé. Il formalise le choix des services, selon un ensemble de contraintes données, comme un problème d’optimisation de coûts. Deux solutions au problème d’instanciation sont étudiées. Une solution globale tient compte de l’ensemble des services disponibles dans l’écosystème et une solution locale favorise les services de certaines communautés. Un algorithme génétique est décrit comme implémentation de l’instanciation globale. Une simulation stochastique de l’environnement DyCoSe est proposée. Elle permet d'étudier les possibilités d’instanciation d’une application donnée dans un environnement où la disponibilité des services n’est pas garantie. Elle permet d'étudier aussi, le taux de réussite de l’exécution d’une instance d’une application donnée. / The service oriented computing paradigm plays an increasingly important role in structuring complex systems. Application design and development approaches are witnessing a shift from traditional models towards a more dynamic service oriented model promoting reuse and adaptability. In this thesis, we study an approach for application design and development based on services’ composition. We propose DyCoSe, an environment for sharing services. It consists of an enterprise ecosystem wherein members, organized in communities, share a global agreement describing traditional business functionalities and common non-functional properties. DyCoSe relies on a three level architecture for service based application composition combining both, a top down and a bottom up composition approach. The top down part describes an application using high-level components and refines it to an orchestration of services. The bottom up part projects network characteristics to the services’ level. An instantiation process aiming at realizing an application is described. It formalizes services’ selection as a cost optimization problem considering a set of user given constraints. Two solutions of the instantiation problem are proposed. A global solution considers all the available services in an ecosystem. A local solution gives priority to services of selected communities. A genetic algorithm implements the global instantiation. A stochastic simulation of DyCoSe is proposed. It allows studying the instantiation success rate and the application execution success rate both in a dynamic environment wherein services availability is not guaranteed.

Les éditeurs collaboratifs permettent à des utilisateurs éloignés de collaborer à une tâche commune qui va de l'utilisation d'un agenda partagé à la réalisation de logiciels. Ce concept est né avec SCCS en1972 et connait un engouement récent (ex: Wikipedia). L'absence de centralisation et l'asynchronisme sont des aspects essentiels de cette approche qui relève d'un modèle pair-à-pair (P2P).  D'un autre côté,le format XML est devenu une référence pour la manipulation et l'échange de documents. Notre travail vise à la réalisation d'un éditeur collaboratif P2P pour l'édition de documents semi-structurés qui sont une abstraction du format XML.  Le problème est difficile et de nombreuses propositions se sont révélées erronées ou ne passant pas à l'échelle. Nous rappelons les concepts et l'état de l'art sur l'édition collaborative, les modèles centralisés et le P2P.  Ensuite, nous explorons deux approches différentes : les transformées opérationnelles et le CRDT (Commutative Replicated Data Type) avec différentes structures de données arborescentes. L'objectif est de réaliser les opérations de base (ajout, suppression et ré-étiquetage) tout en garantissant la convergence du processus d'édition. Nous proposons un algorithme générique pour l'approche CRDT basée sur une notion d'indépendance dans la structure de données.  Nous avons étendu nos travaux afin de réaliser l'opération de déplacement d'un sous-arbre et de prendre en compte le typage XML. Peu de travaux abordent ces deux points qui sont très utiles pour l'édition de documents. Finalement, nous donnons les résultats expérimentaux obtenus avec un prototype permettant de valider notre approche. / Collaborative editors allow different users to work together on a common task. Such tasks range from using a shared calendar to realizing software programmed by users located at distant sites. This concept was invented in 1972 with SCCS. In the last years, this paradigm became popular (ex. Wikipedia). Decentralization and asynchronicity are essential in this approach, leading to peer-to-peer (P2P) models. Meanwhile, the XML format has arrived as the de facto standard for editing and exchanging documents. Our work aims at defining a collaborative editor for semi-structured documents, which provide an abstraction of the XML format. The problem is difficult since many previous approaches are flawed or not scalable. Firstly,we describe the basic concepts on collaborative edition and network models and we give the state of the art of this topic. Then, we investigate two different approaches : the operational transformation(OT) approach and the Commutative Replicated Data Type (CRDT) approach for different (tree-like) data structures. Our goal is to ensure the convergence of the editing process with the basic operations (Add, Deland rename a node. We have proposed a new generic algorithm based on semantic independence in data structure for CRDT approach. We have extended our results by dealing with the operation that moves a subtree and with XML schema compliance. Few works have been devoted to these extensions which are useful in collaborative edition. Finally, we provide experimental results obtained from our implementation that validate our approach.

Face à la prolifération des technologies mobiles et à l’augmentation du volume des données utilisées par les applications mobiles, les périphériques consomment de plus en plus de bande passante. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les réseaux Wi-Fi denses comme cela peut être le cas lors d’événements à grande échelle (ex: conférences, séminaire, etc.) où un serveur doit acheminer des données à un grand nombre de périphériques dans une fenêtre temporelle réduite. Dans ce contexte, la consommation de bande passante et les interférences engendrées par les téléchargements parallèles d’une donnée volumineuse par plusieurs périphériques connectés au même réseau dégradent les performances. Les technologies de communication Device-to-Device (D2D) comme Bluetooth ou Wi-Fi Direct permettent de mieux exploiter les ressources du réseau et d’améliorer les performances pour offrir une meilleure qualité d’expérience (QoE) aux utilisateurs. Dans cette thèse nous proposons deux approches pour l’amélioration des performances de la dissémination de données. La première approche, plus adaptée à une configuration mobile, consiste à utiliser des connexions D2D en point-à-point sur une topologie plate pour les échanges de données. Nos évaluations montrent que notre approche permet de réduire les temps de dissémination jusqu’à 60% par rapport à l’utilisation du Wi-Fi seul. De plus, nous veillons à avoir une répartition équitable de la charge énergétique sur les périphériques afin de préserver les batteries les plus faibles du réseau. Nous avons pu voir qu’avec la prise en compte de l’autonomie des batteries et de la bande passante, la sollicitation des batteries les plus faibles peut être réduite de manière conséquente. La deuxième approche, plus adaptée à des configurations statiques, consiste à mettre en place des topologies hiérarchiques dans lesquelles on regroupe les périphériques par clusters. Dans chaque cluster, un périphérique est élu pour être le relais des données qu’il recevra depuis le serveur et qu’il transmettra à ses voisins. Cette approche permet de gérer plus efficacement les interférences en adaptant la puissance du signal afin de limiter la portée des clusters. Dans ce cas, nous avons observé jusqu’à 30 % de gains en temps de dissémination. Dans la continuité des travaux de cette thèse, nous discutons de plusieurs perspectives qu’il serait intéressant d’entreprendre par la suite, notamment l’adaptation automatique du protocole de dissémination à l’état du réseau et l’utilisation simultanée des deux types de topologie plate et hiérarchique. / We are witnessing a proliferation of mobile technologies and an increasing volume of data used by mobile applications. Devices consume thus more and more bandwidth. In this thesis, we focus on dense Wi-Fi networks during large-scale events (such as conferences). In this context, the bandwidth consumption and the interferences caused by the parallel downloads of a large volume of data by several mobile devices that are connected to the same Wi-Fi network degrade the performance of the dissemination. Device-to-Device (D2D) communication technologies such as Bluetooth or Wi-Fi Direct can be used in order to improve network performance to deliver better QoE to users. In this thesis we propose two approaches for improving the performance of data dissemination. The first approach, more suited to a dynamic configuration, is to use point-to-point D2D connections on a flat topology for data exchange. Our evaluations show that our approach can reduce dissemination times by up to 60% compared to using Wi-Fi alone. In addition, we ensure a fair distribution of the energy load on the devices to preserve the weakest batteries in the network. We have observed that by taking into account the battery life and the bandwidth of mobile devices, the solicitation of the weakest batteries can be reduced significantly. The second approach, more adapted to static configurations, consists in setting up hierarchical topologies by gathering mobile devices in small clusters. In each cluster, a device is chosen to relay the data that it receives from the server and forwards it to its neighbors. This approach helps to manage interference more efficiently by adjusting the signal strength in order to limit cluster reach. In this case, we observed up to 30% gains in dissemination time. In the continuity of this thesis work, we discuss three perspectives which would be interesting to be undertaken, in particular the automatic adaptation of the dissemination to the state of the network and the simultaneous use of both topology types, flat and hierarchical.

Le principe de l'Internet des objets (IdO) est d'interconnecter non seulement les capteurs, les appareils mobiles et les ordinateurs, mais aussi les particuliers, les maisons, les bâtiments intelligents et les villes, ainsi que les réseaux électriques, les automobiles et les avions, pour n'en citer que quelques-uns. Toutefois, la réalisation de la connectivité étendue de l'IdO tout en assurant la sécurité et la confidentialité des utilisateurs reste un défi. Les systèmes IdO présentent de nombreuses caractéristiques non conventionnelles, telles que l'évolutivité, l'hétérogénéité, la mobilité et les ressources limitées, qui rendent les solutions de sécurité Internet existantes inadaptées aux systèmes basés sur IdO. En outre, l'IdO préconise des réseaux peer-to-peer où les utilisateurs, en tant que propriétaires, ont l'intention d'établir des politiques de sécurité pour contrôler leurs dispositifs ou services au lieu de s'en remettre à des tiers centralisés. En nous concentrant sur les défis scientifiques liés aux caractéristiques non conventionnelles de l'IdO et à la sécurité centrée sur l'utilisateur, nous proposons une infrastructure sécurisée de l'IdO activée par la technologie de la chaîne de blocs et pilotée par des réseaux peer-to-peer sans confiance. Notre infrastructure sécurisée IoT permet non seulement l'identification des individus et des collectifs, mais aussi l'identification fiable des objets IoT par leurs propriétaires en se référant à la chaîne de blocage des réseaux peer-to-peer sans confiance. La chaîne de blocs fournit à notre infrastructure sécurisée de l'IdO une base de données fiable, immuable et publique qui enregistre les identités individuelles et collectives, ce qui facilite la conception du protocole d'authentification simplifié de l'IdO sans dépendre des fournisseurs d'identité tiers. En outre, notre infrastructure sécurisée pour l'IdO adopte un paradigme d'IdO socialisé qui permet à toutes les entités de l'IdO (à savoir les individus, les collectifs, les choses) d'établir des relations et rend l'IdO extensible et omniprésent les réseaux où les propriétaires peuvent profiter des relations pour définir des politiques d'accès pour leurs appareils ou services. En outre, afin de protéger les opérations de notre infrastructure sécurisée de l'IdO contre les menaces de sécurité, nous introduisons également un mécanisme autonome de détection des menaces en complément de notre cadre de contrôle d'accès, qui peut surveiller en permanence le comportement anormal des opérations des dispositifs ou services. / The premise of the Internet of Things (IoT) is to interconnect not only sensors, mobile devices, and computers but also individuals, homes, smart buildings, and cities, as well as electrical grids, automobiles, and airplanes, to mention a few. However, realizing the extensive connectivity of IoT while ensuring user security and privacy still remains a challenge. There are many unconventional characteristics in IoT systems such as scalability, heterogeneity, mobility, and limited resources, which render existing Internet security solutions inadequate to IoT-based systems. Besides, the IoT advocates for peer-to-peer networks where users as owners intend to set security policies to control their devices or services instead of relying on some centralized third parties. By focusing on scientific challenges related to the IoT unconventional characteristics and user-centric security, we propose an IoT secure infrastructure enabled by the blockchain technology and driven by trustless peer-to-peer networks. Our IoT secure infrastructure allows not only the identification of individuals and collectives but also the trusted identification of IoT things through their owners by referring to the blockchain in trustless peer-to-peer networks. The blockchain provides our IoT secure infrastructure with a trustless, immutable and public ledger that records individuals and collectives identities, which facilitates the design of the simplified authentication protocol for IoT without relying on third-party identity providers. Besides, our IoT secure infrastructure adopts socialized IoT paradigm which allows all IoT entities (namely, individuals, collectives, things) to establish relationships and makes the IoT extensible and ubiquitous networks where owners can take advantage of relationships to set access policies for their devices or services. Furthermore, in order to protect operations of our IoT secure infrastructure against security threats, we also introduce an autonomic threat detection mechanism as the complementary of our access control framework, which can continuously monitor anomaly behavior of device or service operations.

Dans le domaine du calcul de haute performance, les architectures d’exécution sont en continuelle évolution. L’augmentation du nombre de nœuds de calcul, ou le choix d’une topologie réseau plus rapide représentent un investissement important tant en temps qu’en moyen financier. Les méthodes de prédiction de performances permettent de guider ce choix. En parallèle à ce développement, les systèmes HPC pair-à-pair (P2P) se sont également développés ces dernières années. Ce type d’architecture hétérogène permettrait la résolution des problèmes scientifiques pour un coût très faible par rapport au coût d’une architecture dédiée.Ce manuscrit présente une méthode nouvelle de prédiction de performances pour les applications réelles de calcul distribué, exécutées dans des conditions réelles. La prédiction prend en compte l’optimisation du compilateur. Les résultats sont extrapolables et ils sont obtenus pour un ralentissement réduit. Ce travail de recherche est implémenté dans un logiciel nouveau nommé dPerf. dPerf est capable de prédire les performances des applications C, C++ ou Fortran qui communiquent en utilisant les normes MPI ou P2P-SAP et qui s’exécutent sur une architecture cible pair à pair, hétérogène et décentralisée. La précision de cette contribution a été étudiée sur (i) la transformée Laplace, pour l’aspect séquentiel, (ii) le benchmark IS de NAS, pour l’aspect MPI, (iii) et le code de l’obstacle pour l’aspect calcul P2P décentralisé et l’extrapolation du nombre de nœuds. / In the field of high performance computing, the architectures evolve continuously. In order to increase the number of computing nodes or the network speed, an important investment must be considered, from both temporal and financial point of view. Performance prediction methods aim at assisting in finding the best trade-off for such an investment. At the same time, P2P HPC systems have known an increase in development. These heterogeneous architectures would allow solving scientific problems at a low cost, with respect to dedicated systems.The manuscript presents a new method for performance prediction. This method applies to real applications for distributed computing, considered in a real execution environment. This method uses information about the different compiler optimization levels. The prediction results are obtained with reduced slowdown and are scalable. This thesis took shape in the development of the dPerf tool. dPerf predicts the performances of C, C++, and Fortran application, which use MPI or P2P-SAP to communicate. The applications modeled by dPerf are meant for execution on P2P heterogeneous architectures, with a decentralized communication topology. The accuracy of dPerf has been studied on three applications: (i) the Laplace transform, for sequential codes, (ii) the NAS Integer Sort benchmark for distributed MPI programs, (iii) and the obstacle problem, for the decentralized P2P computing and the scaling of the number of computing nodes.

Les systèmes pair-à-pair (P2P) sont aujourd'hui très populaires. Leur utilisation va de la messagerie instantanée au partage de fichiers, en passant par la sauvegarde et le stockage distribué ou encore le streaming video. Parmi les protocoles P2P, les protocoles basés sur le "gossip" sont une famille de protocoles qui a fait l'objet de nombreux travaux de recherche durant la dernière décennie. Les raisons de l'engouement pour les protocoles basés sur le "gossip" sont qu'ils sont considérés robustes, faciles à mettre en oeuvre et qu'ils ont des propriétés de passage à l'échelle intéressantes. Ce sont donc des candidats intéressants dès lors qu'il s'agit de réaliser des systèmes distribués dynamiques à large échelle. Cette thèse considère deux problématiques rencontrées lorsque l'on déploie des protocoles basé sur le "gossip" dans un environnement réel comme l'Internet. La première problématique est la prise en compte des pare-feux (NAT) dans le cadre des protocoles d'échantillonnage basés sur le "gossip". Ces protocoles font l'hypothèse que, a tout moment, chaque noeud est capable de communiquer avec n'importe quel noeud du réseau. Cette hypothèse est fausse dès lors que certains noeuds utilisent des NAT. Nous présentons Nylon, un protocole d'échantillonnage qui fonctionne malgré la présence de NAT. Nylon introduit un faible surcoût pour gérer les NAT et partage équitablement ce surcoût entre les noeuds possédant un NAT et les autres noeuds. La deuxième problématique que nous étudions est la possibilité de limiter la dissémination de messages de type "spam" dans les protocoles de dissémination basés sur le "gossip". Ces protocoles sont en effet des vecteurs idéaux pour diffuser les messages de type "spam" du fait qu'il n'y a pas d'autorité de contrôle permettant de filtrer les messages basés sur leur contenu. Nous proposons FireSpam, un protocole de dissémination basé sur le "gossip" qui permet de limiter la diffusion des messages de type "spam". FireSpam fonctionne par filtrage décentralisé (chaque noeud participe au filtrage). Par ailleurs, il fonctionne malgré la présence d'une fraction de noeuds malicieux (aussi appelés "Byzantins") et malgré la présence de noeuds dits “rationnels” (aussi appelés "égoïstes"). Ces derniers sont prêts à dévier du protocole s'ils ont un intérêt à le faire. / Peer-to-peer (P2P) systems are very popular today. Their usage goes from instant messaging to file sharing, from distributed backup and storage to even live-video streaming. Among P2P protocols, gossip-based protocols are a family of protocols which have been the object of several research works in the last decade. The reasons behind the interest in gossip-based protocols are that they are considered robust, easy to implement, and that they have interesting scalability properties. They are then appealing candidates for implementing dynamic and large-scale distributed systems. This thesis tackles two problems faced by gossip-based protocols when deployed on a practical scenario as the Internet. The first problem is coping with Network Address Translators (NATs) in the context of gossip-based peer sampling protocols. These protocols make the assumption that, at any moment, each node is able to communicate with any other node of the network. This assumption is false when some nodes use NATs. We present Nylon, a peer sampling protocol which works despite the presence of NATs. Nylon introduces a low overhead to cope with NATs and fairly balances this overhead among nodes using a NAT and those which do not. The second problem that we study is the possibility to limit the dissemination of “spam” messages in gossip-based dissemination protocols. These protocols are in fact ideal vectors to spread spam messages due to the fact that there is no central authority in charge of filtering messages based on their content. We propose FireSpam, a gossip-based dissemination protocol which allows limiting the dissemination of “spam” messages. FireSpam implements a decentralized filtering mechanism (each node participates to the filtering). Moreover, it works despite the presence of a fraction of malicious nodes (also called “Byzantine” nodes) and despite the presence of so called “rational” nodes (also called “selfish” nodes). These latters are willing to deviate from the protocol if they have an interest in doing so.

Le développement d'applications avec une architecture Pair-à-Pair (P2P) est devenu de plus en plus important en ingénierie du logiciel. Aujourd'hui, un grand nombre d'organisations de tailles et secteurs différents compte d'une manière croissante sur la collaboration entre multiples acteurs (individus, groupes, communautés, etc.) pour accomplir des tâches essentielles. Ces applications P2P ont généralement un comportement récursif que plusieurs approches de modélisation ne peuvent pas décrire et analyser (ex. les approches basées sur les automates à états finis). Un autre challenge qui concerne le développement d'applications P2P est le couplage fort entre la spécification d'une part, et les technologies et protocoles sous-jacents d'autre part. Cela force les développeurs à faire des efforts considérables pour trouver puis comprendre des informations sur les détails de ces couches basses du P2P. De plus, ce couplage fort oblige les applications à s'exécuter dans des environnements figés. Par conséquent, choisir par exemple un autre protocole pour répondre à un nouveau besoin à l'exécution devient une tache très difficile. Outre ces points, les applications P2P sont souvent spécifiées avec une faible capacité à déléguer des traitements entre les pairs, et se focalisent surtout sur le partage et le stockage de données. Ainsi, elles ne profitent pas pleinement de la puissance de calcul et de traitement offerte par le réseau P2P sous-jacent. Dans cette thèse, nous présentons une approche qui combine les principes du développement orienté composants et services avec des techniques issues des Grammaires Attribuées et d'analyses de flot de données (techniques utilisées surtout dans la construction de compilateurs) afin de faciliter la spécification, l'analyse et le déploiement d'applications dans des architectures P2P. Cette approche incorpore: i) Un langage formel nommé DDF (de l'anglais Data-Dependency Formalism) pour spécifier les applications et construire leurs graphes de dépendances de données. Un graphe de dépendances de données est nommé DDG (de l'anglais Data-Dependency Graph) et est défini pour être une représentation abstraite de l'application spécifiée. ii) Une méthode d'analyse qui utilise le graphe de dépendances de données pour inférer et calculer diverses propriétés, y compris certaines propriétés que les model-checkers ne peuvent pas calculer si le système présente un comportement récursif. iii) Un intergiciel nommé SON (de l'anglais Shared data Overlay Network) afin de développer et d'exécuter des applications dans une architecture P2P sans faire face à la complexité des couches sous-jacentes. Cela grâce essentiellement au couplage faible (par une approche orientée services) et à la fonctionnalité de génération de code automatique.

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