Στην εργασία αυτή επεκτείνουμε το μοντέλο των πρωτοκόλλων πληθυσμών που προτάθηκε από τους Angluin et al., ούτως ώστε να μοντελοποιήσουμε πιο ισχυρά δίκτυα αποτελούμενα από πολύ μικρά τεχνουργήματα περιορισμένων πόρων (πράκτορες), τα οποία είναι πιθανόν να ακολουθούν μη προβλέψιμη παθητική κίνηση. Οι πράκτορες αυτοί επικοινωνούν μόνο κατά ζεύγη σύμφωνα με τις επιλογές ενός εχθρικού δρομολογητή. Ένας κατευθυνόμενος (ή μη κατευθυνόμενος) γράφος επικοινωνίας αποτυπώνει την ακόλουθη πληροφορία: κάθε ακμή (u,υ) του γράφου υποδηλώνει ότι επιτρέπεται κατά τον υπολογισμό να συμβούν μία ή περισσότερες αλληλεπίδρασεις του u με τον υ στις οποίες ο u είναι ο μυητής και ο υ ο αποκρινόμενος. Το νέο χαρακτηριστικό του μοντέλου των πρωτοκόλλων πληθυσμών με διαμεσολαβητή το οποίο προτείνουμε στην παρούσα εργασία είναι η ύπαρξη ενός παθητικού παρόχου επικοινωνίας τον οποίο καλούμε διαμεσολαβητή. Ο διαμεσολαβητής είναι μία απλή βάση δεδομένων με δυνατότητες επικοινωνίας. Βασική δουλειά του είναι να διατηρεί τις επιτρεπόμενες αλληλεπιδράσεις σε κλάσεις επικοινωνίας, των οποίων ο αριθμός είναι σταθερός και ανεξάρτητος του μεγέθους του πληθυσμού. Για τον λόγο αυτό υποθέτουμε ότι κάθε πράκτορας του πληθυσμού έχει έναν μοναδικό προσδιοριστή (ίσως εργοστασιακό) τον οποίο ο ίδιος δεν μπορεί να γνωρίζει. Όταν δύο πράκτορες πρόκειται να αλληλεπιδράσουν αποστέλλουν τους μοναδικούς προσδιοριστές τους (ταυτότητες) στον διαμεσολαβητή ο οποίος τους κοινοποιεί την κλάση στην οποία ανήκει το μεταξύ τους κανάλι επικοινωνίας (δηλαδή, την κατάσταση του κατευθυνόμενου ή μη ζεύγους των προσδιοριστών τους) και οι πράκτορες ανανεώνουν την κατάστασή τους και την κατάσταση της μεταξύ τους ακμής βάσει μίας καθολικής συνάρτησης μετάβασης. Εάν η μεταξύ τους αλληλεπίδραση δεν επιτρέπεται ή, με άλλα λόγια, αν το ζεύγος αυτό δεν υπάρχει στη βάση δεδομένων του διαμεσολαβητή οι πράκτορες ενημερώνονται ότι θα πρέπει να ματαιώσουν την αλληλεπίδραση. Παρατηρούμε ότι με τον τρόπο αυτό αρχίζουμε να αποκτούμε κάποιον έλεγχο σχετικά με την ασφάλεια του δικτύου και επιπλέον μέσω του διαμεσολαβητή μπορούμε ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουμε την τοπολογία του δικτύου. Ισοδύναμα, είναι σα να επιτρέπουμε στις ακμές του γράφου επικοινωνίας να διατηρούν καταστάσεις από ένα σύνολο καταστάσεων ακμών σταθερού πληθικού αριθμού. Ο εναλλακτικός αυτός τρόπος να δούμε το νέο μοντέλο έχει πολλά πλεονεκτήματα ως προς την τυπική μοντελοποίηση και τον σχεδιασμό πρωτοκόλλων, αφού μας επιτρέπει να παραβλέψουμε τις λεπτομέρειες υλοποίησης του διαμεσολαβητή. Επιπρόσθετα, επεκτείνουμε περαιτέρω το νέο μοντέλο επιτρέποντας στις ακμές να έχουν κόστη από ένα, επίσης, σταθερού πληθικού αριθμού σύνολο, τα οποία είναι μόνο προς ανάγνωση. Εν συνεχεία, επιτρέπουμε στους κανόνες μεταβάσεων των εκάστοτε πρωτοκόλλων να διαβάζουν τις καταστάσεις του ζεύγους πρακτόρων που αλληλεπιδρούν και την κατάσταση και το κόστος της ακμής μέσω της οποίας γίνεται η αλληλεπίδραση (αν, φυσικά, έχουμε ορίσει κόστη στο πρόβλημά μας) και να ανανεώνουν όλα αυτά τα στοιχεία πέραν από τα κόστη που είναι μόνο προς ανάγνωση. Παρατηρούμε, επομένως, ότι οι προδιαγραφές των πρωτοκόλλων του νέου μοντέλου συνεχίζουν, να είναι ανεξάρτητες του μεγέθους του πληθυσμού και συνεχίζουν να μην χρησιμοποιούν μοναδικούς προσδιοριστές, δηλαδή, το νέο μοντέλο διατηρεί τα χαρακτηριστικά της κλιμάκωσης, της ομοιομορφίας και της ανωνυμίας. Τα Πρωτόκολλα Πληθυσμών με Διαμεσολαβητή (Mediated Population Protocols - MPP) που προτείνουμε μπορούν να υπολογίσουν σταθερά ιδιότητες γράφων σχετικά με τον γράφο επικοινωνίας. Για να το δείξουμε αυτό παρουσιάζουμε πρωτόκολλα για το μεγιστοτικό ταίριασμα, την μεταβατική θήκη, τις ακμές ελαχίστου κόστους και το ελάχιστο μονοπάτι από τη ρίζα ως τα φύλλα ενός έξω-κατευθυνόμενου δέντρου και αποδεικνύουμε την ορθότητά τους. Εν συνεχεία, δείχνουμε ότι το μοντέλο των πρωτοκόλλων με διαμεσολαβητή αποτελεί ένα ισχυρότερο υπολογιστικά μοντέλο από το κλασικό μοντέλο των πρωτοκόλλων πληθυσμών. Πρώτα παρατηρούμε το προφανές, ότι, δηλαδή, το κλασικό μοντέλο των πρωτοκόλλων πληθυσμών είναι ειδική περίπτωση του νέου μοντέλου, άρα το νέο μοντέλο μπορεί να κάνει σίγουρα τουλάχιστον ότι και το κλασικό. Εν συνεχεία, παρουσιάζουμε ένα πρωτόκολλο με διαμεσολαβητή το οποίο υπολογίζει σταθερά το γινόμενο δύο θετικών ακέραιων στην περίπτωση που ο G (γράφος επικοινωνίας) είναι πλήρης κατευθυνόμενος και συνεκτικός. Τα κατηγορήματα που περιλαμβάνουν πολλαπλασιασμό δύο ακέραιων μεταβλητών δεν είναι ημιγραμμικά και έχει αποδειχθεί ότι τα κλασικά πρωτόκολλα πληθυσμών σε πλήρεις γράφους υπολογίζουν σταθερά μόνο ημιγραμμικά κατηγορήματα, άρα με τον τρόπο αυτό δείχνουμε ότι υπάρχει τουλάχιστον ένα κατηγόρημα που ενώ δεν υπολογίζεται σταθερά απ'' το βασικό μοντέλο υπολογίζεται σταθερά από το μοντέλο το οποίο προτείνουμε. Για τις ανάγκες της απόδειξης διατυπώνουμε και αποδεικνύουμε ένα γενικό Θεώρημα σχετικά με τη σύνθεση δύο πρωτοκόλλων πληθυσμών με διαμεσολαβητή, το ένα εκ των οποίων χρησιμοποιεί σταθεροποιούμενες εισόδους. Δείχνουμε, επίσης, ότι όλα τα κατηγορήματα που υπολογίζονται σταθερά απ'' το μοντέλο μας ανήκουν (μη ομοιόμορφα) στην κλάση NSPACE(m), όπου το m συμβολίζει το πλήθος των ακμών του γράφου επικοινωνίας. Τέλος, ορίζουμε τα πιθανοτικά πρωτόκολλα πληθυσμών με διαμεσολαβητή, στα οποία ο δρομολογητής επιλέγει σε κάθε βήμα την επόμενη αλληλεπίδραση ισοπίθανα μεταξύ των ακμών του γράφου επικοινωνίας και δείχνουμε ότι κάθε Peano κατηγόρημα που υπολογίζεται σταθερά από ένα πιθανοτικό MPP μπορεί να επαληθευτεί σε αιτιοκρατικό πολυωνυμικό χρόνο. / In this work we extend the population protocol model of Angluin et al., in order to model more powerful networks of very small resource limited artefacts (agents) that is possible to follow some unpredictable passive movement. These agents communicate in pairs according to the commands of an adversary scheduler. A directed (or undirected) communication graph encodes the following information: each edge (u,υ) denotes that during the computation it is possible for an interaction between u and υ to happen in which u is the initiator and υ the responder. The new characteristic of the proposed mediated population protocol model is the existance of a passive communication provider that we call mediator. The mediator is a simple database with communication capabilities. Its main purpose is to maintain the permissible interactions in communication classes, whose number is constant and independent of the population size. For this reason we assume that each agent has a unique identifier for whose existence the agent itself is not informed and thus cannot store it in its working memory. When two agents are about to interact they send their ids to the mediator. The mediator searches for that ordered pair in its database and if it exists in some communication class it sends back to the agents the state corresponding to that class. If this interaction is not permitted to the agents, or, in other words, if this specific pair does not exist in the database, the agents are informed to abord the interaction. Note that in this manner for the first time we obtain some control on the safety of the network and moreover the mediator provides us at any time with the network topology. Equivalently, we can model the mediator by communication links that are capable of keeping states from a edge state set of constant cardinality. This alternative way of thinking of the new model has many advantages concerning the formal modeling and the design of protocols, since it enables us to abstract away the implementation details of the mediator. Moreover, we extend further the new model by allowing the edges to keep readable only costs, whose values also belong to a constant size set. We then allow the protocol rules for pairwise interactions to modify the corresponding edge state by also taking into account the costs. Thus, our protocol descriptions are still independent of the population size and do not use agent ids, i.e. they preserve scalability, uniformity and anonymity. The proposed Mediated Population Protocols (MPP) can stably compute graph properties of the communication graph. We show this for the properties of maximal matchings (in undirected communication graphs), also for finding the transitive closure of directed graphs and for finding all edges of small cost. We demonstrate that our mediated protocols are stronger than the classical population protocols. First of all we notice an obvious fact: the classical model is a special case of the new model, that is, the new model can compute at least the same things with the classical one. We then present a mediated protocol that stably computes the product of two nonnegative integers in the case where G is complete directed and connected. Such kind of predicates are not semilinear and it has been proven that classical population protocols in complete graphs can compute precisely the semilinear predicates, thus in this manner we show that there is at least one predicate that our model computes and which the classical model cannot compute. To show this fact, we state and prove a general Theorem about the composition of two mediated population protocols, where the first one has stabilizing inputs. We also show that all predicates stably computable in our model are (non-uniformly) in the class NSPACE(m), where m is the number of edges of the communication graph. Finally, we define Randomized MPP and show that, any Peano predicate accepted by a Randomized MPP, can be verified in deterministic polynomial time.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux modèles de calcul dans les réseaux d'objets à capacité restreinte, tels que les réseaux de capteurs sans fil. Nous nous focalisons sur les protocoles de population proposés par Angluin et al. Dans ce modèle, les objets sont représentés par des agents à états finis, passivement mobiles, communiquant entre paires et formant un réseau asynchrone et anonyme. Nous présentons deux études comparatives qui nous permettent par la suite de proposer une approche établissant le lien des protocoles de population avec deux autres modèles : le modèle des tâches avec les systèmes de réécritures de graphes, et le modèle asynchrone et anonyme d'échange de messages. Nous passons ensuite au problème d'ordonnancement dans les protocoles de population. Nous proposons un nouvel ordonnanceur probabiliste, 1-central, basé sur les rendez-vous randomisés et appelé HS Scheduler. Contrairement aux autres ordonnanceurs,il permet à plus d'une paire de communiquer à la fois. Nous prouvons qu'il est équitable avec probabilité 1. Nous analysons par la suite les termes Nous analysons par la suite les temps de stabilisation de certains protocoles s'exécutant sous le Random Scheduler ou le HS Scheduleret sur différentes topologies du graphe d'interaction. Nous prouvons que le HS Scheduler est équivalent en temps au Random Scheduler quand le graphe d'interaction est complet mais qu'il permet une stabilisation plus rapide quand le graphe est aléatoire. Par la suite,nous proposons un autre ordonnanceur qui prend en considération les états des agents et permet d'introduire la terminaison à certains protocoles : le Prorotol Aware HS Scheduler.Nous prouvons qu'il est équitable avec probabilité 1. Nous faisons l'analyse des temps de stabilisation de certains protocoles s'exécutant sous cet ordonnanceur en considérant différentes topologies du graphe d'interaction. Finalement, nous implémentons et simulons sur ViSiDiA l'ensemble des scénarios étudiés et validons nos résultats théoriques. / In this work, we consider computing models for networks of tiny objects suchas wireless sensor networks. We focus on the population protocols, a pairwise computationalmodel introduced by Angluin et al. where the tiny objects are represented byanonymous, passively mobile, finite state agents forming asynchronous networks. Weestablish two comparative studies between the population protocol model (and its extensions)and the two following ones: tasks with graph relabeling systems, and anonymousasynchronous message passing. These studies aim to establish possible mappings betweenthe population protocols and these two models. We then focus on the scheduling of thepairwise interactions in population protocols. We propose the HS Scheduler, a new probabilistic1-central scheduler based on randomized handshakes. Compared to the existingschedulers, this scheduler allows to more than one pair of agents to communicate simultaneously.We prove that this scheduler is fair with probability 1. We thereafter presentanalyses of the complexity of the stabilization time of some protocols running under thescheduling of the Random Scheduler and the HS Scheduler, and over different topologiesof the interaction graph. We prove that these two schedulers are time equivalent withComputing Models for Networks of Tiny Objects iiirespect to these protocols when the interaction graph is complete, however computationsunder the HS Scheduler stabilize faster when the interaction graph is random. We then introducethe Protocol Aware HS Scheduler, a slightly modifed version of the HS Schedulerthat takes into account the states of the agents and allows termination in some protocols.We also prove that this scheduler is fair with probability 1. We present analyses of thetime complexity of some protocols running under the scheduling of the Protocol AwareHS Scheduler and over dfferent structures of the interaction graph. We implement thedifferent scenarios in ViSiDiA, and validate through simulations our theoretical results.

Dans la première partie de ce mémoire, nous étudions le modèle des protocoles de population, introduit dans\cite{DBLP:conf/podc/BeauquierBCK10}. Ce modèle permet de représenter les grands réseaux de capteurs (ou agents) mobiles anonymes dotés de faibles ressources. Les contraintes de ce modèle sont si sévères que la plupart des problèmes classiques d'algorithmique répartie, tels que la collecte de données, le consensus ou l'élection d'un leader, sont difficiles à analyser, sinon impossibles à résoudre.Nous commençons notre étude par le problème de collecte de données. Celui-ci consiste principalement à transférer des valeurs réparties dans la population d'agents mobiles vers une station de base en un minimum de temps (temps de convergence). En utilisant un hypothèse d'équité, dite hypothèse de temps couvertures et introduite dans \cite{DBLP:conf/podc/BeauquierBCK10}, nous calculons des bornes optimales sur le temps de convergences de différents protocoles concrets. Ensuite, nous étudions le problème du consensus et d'élection de leader. Il a été montré que ces problèmes sont impossibles à résoudre dans le modèle original des protocoles de population. Pour contourner cette impossibilité, il est possible d'adjoindre au modèle certaines hypothèses sous la forme d'oracles. Nous proposons ensuite divers oracles permettant de résoudre le problème du consensus et d'élection de leader dans divers environnements, et nous étudions leurs puissances relatives. Ce faisant, nous développons un cadre formel permettant de représenter toutes les variétés d'oracles introduites, ainsi que leur possibles relations.Dans la seconde partie de ce mémoire, nous étudions le problème de la réplication de machine à états finis dans le modèle (classique) de communications asynchrones à passage de message. L'algorithme Paxos, introduit dans \cite{lamportPartTimeParliament,lamport01paxos} est une solution (partielle) bien connue au problème de la réplication capable de tolérer des pannes crash. Notre contribution, dans cette partie,consiste à améliorer Paxos afin qu'il puisse également tolérer des défaillances transitoires. Ce faisant, nous définissons la notions de machine répliquée pratiquement autostable. / In the first part of this thesis, we focus on a recent model, calledpopulation protocols, which describes large networksof tiny wireless mobile anonymous agents with very limited resources.The harsh constraints of the original model makes most of theclassical problems of distributed algorithmics, such as datacollection, consensus and leader election, either difficult to analyzeor impossible to solve.We first study the data collection problem, which mainly consists intransferring some values to a base station. By using a fairnessassumption, known as cover times, we compute tight bounds on theconvergence time of concrete protocols. Next, we focus on theproblems of consensus and leader election. It is shown that theseproblems are impossible in the original model. To circumvent theseissues, we augment the original model with oracles, and study theirrelative power. We develop by the way a formal framework generalenough to encompass various sorts of oracles, as well as theirrelations.In the second part of the thesis, we study the problem ofstate-machine replication in the more classical model of asynchronousmessage-passing communication. The Paxos algorithm is a famous(partial) solution to the state-machine replication problem whichtolerates crash failures. Our contribution is the enhancement of Paxosin order to tolerate transient faults as well. Doing so, we define thenotion of practically self-stabilizing replicated state-machine.

Ce manuscrit contient d'abord l'étude d'une extension du modèle des protocoles de populations, qui représentent des réseaux de capteurs asynchrones, passivement mobiles, limités en ressources et anonymes. Pour la première fois (à notre connaissance), un modèle formel de consommation d'énergie est proposé pour les protocoles de populations. A titre d'application, nous étudions à la complexité en énergie (dans le pire des cas et en moyenne) pour le problème de collecte de données. Deux protocoles prenant en compte la consommation d'énergie sont proposés. Le premier est déterministe et le second randomisé. Pour déterminer les valeurs optimales des paramètres, nous faisons appel aux techniques d'optimisation. Nous appliquons aussi ces techniques dans un cadre différent, celui des réseaux de capteurs corporels (WBAN). Une formulation de flux est proposée pour acheminer de manière optimale les paquets de données en minimisant la pire consommation d'énergie. Une procédure de recherche à voisinage variable est développée et les résultats numériques montrent son efficacité. Enfin, nous considérons le problème d'optimisation avec des paramètres aléatoires. Précisément, nous étudions un modèle semi-défini positif sous contrainte en probabilité. Un nouvel algorithme basé sur la simulation est proposé et testé sur un problème réel de théorie du contrôle. Nous montrons que notre méthode permet de trouver une solution moins conservatrice que d'autres approches en un temps de calcul raisonnable. / In this thesis, we propose a formal energy model which allows an analytical study of energy consumption, for the first time in the context of population protocols. Population protocols model one special kind of sensor networks where anonymous and uniformly bounded memory sensors move unpredictably and communicate in pairs. To illustrate the power and the usefulness of the proposed energy model, we present formal analyses on time and energy, for the worst and the average cases, for accomplishing the fundamental task of data collection. Two power-aware population protocols, (deterministic) EB-TTFM and (randomized) lazy-TTF, are proposed and studied for two different fairness conditions, respectively. Moreover, to obtain the best parameters in lazy-TTF, we adopt optimization techniques and evaluate the resulting performance by experiments. Then, we continue the study on optimization for the power-aware data collection problem in wireless body area networks. A minmax multi-commodity netflow formulation is proposed to optimally route data packets by minimizing the worst power consumption. Then, a variable neighborhood search approach is developed and the numerical results show its efficiency. At last, a stochastic optimization model, namely the chance constrained semidefinite programs, is considered for the realistic decision making problems with random parameters. A novel simulation-based algorithm is proposed with experiments on a real control theory problem. We show that our method allows a less conservative solution, than other approaches, within reasonable time.