Dans les réseaux sans fil ad hoc, les liens de communication sont sujets à un taux d'erreurimportant. Dans ce contexte, le routage joue un rôle stratégique pour augmenter les performancesdans les transmissions. Dans nos études, par une approche cross-layer, nous prenons en compte lafiabilité des liens dans le choix des routes. Pour cela, dans un premier temps, nous construisonsdeux nouvelles métriques, l'une basée sur le taux d'erreur binaire (au niveau couche physique) etl'autre, plus adaptée à la mesure, sur le nombre de retransmissions (au niveau couche MAC).Ensuite, pour exploiter ces métriques lors du calcul de routes, nous adaptons les algorithmes à labase des protocoles de routage.Les trois familles de protocoles de routage ont été traitées : les protocoles pro-actifs où chaquenoeud a une vision globale du réseau grâce aux échanges périodiques de messages de contrôle detopologie ; les protocoles réactifs où, avant de commencer ses transmissions de données, chaquenoeud doit initier un processus de recherche de route ; les protocoles hybrides qui mixent les deuxapproches.Pour tester l'effectivité de nos améliorations, nous utilisons le simulateur NS2 enrichi par unmodèle de propagation et un modèle de mobilité réalistes. Les paramètres de performance tels quele délai, le taux de livraison de paquets et la charge de routage sont mesurés dans plusieursscénarios représentatifs des conditions d'utilisation. Les résultats obtenus montrent une améliorationsignificative des protocoles standards dans un contexte de qualité de service. / In ad hoc wireless networks, links are error-prone. In this context, routing plays a decisive role inimproving transmission performances. In our studies, by a cross-layer approach, we take intoaccount the reliability of links in route choice. For this, first, we concept two new metrics, onebased on bit error rate (at physical layer) and the other, more suitable for the measurement, onnumber of retransmissions (at MAC layer). Then, to exploit these metrics when determining routes,we adapt the algorithms based routing protocols.The three families of routing protocols have been addressed: proactive protocols where eachnode has a global view of the network through periodic exchanges of topology control messages;reactive protocols where, before starting data transmission, each node must initiate a routediscovery process; hybrid protocols which mix the two approaches.To test the effectiveness of our enhancements, we use the simulator NS.2 enhanced by arealistic propagation model and a realistic mobility model. Performance parameters such as delay,packets delivery ratio and routing load are measured in several scenarios including mobility andmulti-communication. The results show a significant improvement of standard protocols in thequality of service context.

La popularité du service web soulève de nombreux problèmes liés à sa performance. L'utilisation de mécanismes " intelligents " dans le système permet de surmonter la difficulté liée aux méthodes plus traditionnelles pour prendre en compte toute la complexité engendrée par l'introduction des paramètres influents sur la qualité de service d'un serveur web. C'est dans ce contexte que se situent les présents travaux de thèse. Nous nous intéressons au problème de l'évaluation des performances d'un serveur web et du mécanisme d'accès au réseau local sans fil en mode infrastructure. Au lieu d'utiliser les méthodes traditionnelles pour modéliser leurs performances, nous proposons d'utiliser les capacités d'apprentissage et de généralisation des réseaux de neurones pour apprendre ces performances à partir des données obtenues des expérimentations et des simulations. D'abord, nous étudions les effets des différents paramètres influents d'un serveur Web sur ses métriques des performances. Les résultats obtenus permettent de donner des idées aux administrateurs système et réseau sur les façons d'ajuster les paramètres du serveur afin d'améliorer ses performances. Nous proposons aussi un modèle simple basé sur la file d'attente représentant l'architecture du serveur web (processeur, mémoire et disque) en utilisant la technique itérative basée sur les équations MVA (Mean Value Analysis). Ensuite, la thèse propose une nouvelle approche basée sur l'utilisation des réseaux de neurones pour modéliser les performances d'un serveur web en tenant compte ses paramètres d'optimisation. Ces modèles ont été ensuite implémentés sur un serveur web réel, Apache avec un système d'exploitation FreeBSD afin de mettre en place un mécanisme de contrôle de surcharge à boucle ouverte du serveur. Cette stratégie de contrôle permet d'éviter la surcharge du serveur. Un mécanisme de contrôle mixte basé sur la combinaison de deux contrôleurs, neuronal à boucle ouverte et à action proportionnelle intégrale, PI a été élaboré. Ces derniers permettent ensemble d'améliorer considérablement le mécanisme de contrôle d'admission du serveur Web. Enfin on s'est intéressé à la modélisation des performances du mécanisme d'accès au réseau sans fil en mode infrastructure. Les deux modèles, mathématique et neuronal servent à estimer le débit maximal observé sur chaque station sans fil en fonction de la taille de paquet, de la vitesse de transmission et du nombre de stations pour les protocoles UDP et TCP. Les résultats obtenus permettent à l'utilisateur de connaître la capacité d'une borne hot spots de son réseau sans fil.

Les réseaux ad hoc dynamiques qui évoluent de manière non planifiée et imprévisible sont souvent étudiés en faisant l’hypothèse d’une composition et d’une topologie qui évoluent peu et relativement lentement. Il est alors possible de proposer dans ce contexte faiblement mobile des mécanismes (comme par exemple du routage, des infrastructures PKI, etc.) qui permettent aux applications conçues pour les réseaux statiques de continuer à fonctionner. Les travaux présentés dans cette thèse sont au contraire centrés sur lesréseaux ad hoc fortement dynamiques (iMANets). Les nœuds qui les constituent sont extrêmement mobiles et volatils, ce qui engendre des modifications incessantes et rapides de topologie. Les contributions principales de cette thèse sont (i) la définition d’une algèbre nommée CiMAN (Calculus for highly Mobile Ad hoc Networks) qui permet de modéliser les processus communicants dans ces réseaux ad hoc fortement mobiles, (ii) l’utilisation de cette algèbre pour prouver la correction d’algorithmes dédiés à ces réseaux, et (iii) unmiddleware et des applications de référence adaptés à ce contexte. / Mobile ad hoc networks that evolve in an unplanned and unpredictable mannerare often studied assuming that their composition and their topology evolve relatively slowly. In this context of weak mobility, it is then possible to propose mechanisms (such asrouting, Public Key Infrastructure, etc.) which make the application designed for a static context still operational. At the opposite, the work presented in this thesis focuses on highlymobile ad hoc networks (iMANets). The nodes of these networks are extremely mobile,bringing ceaseless and fast changes in the network topology. The main contributions of this thesis are (i) the definition of an algebra called CiMAN (Calculus for highly Mobile Adhoc Networks) which makes it possible to model communicating processes in these highly mobile ad hoc networks, (ii) the use of this algebra to prove the correctness of algorithms dedicated to these networks, and (iii) a middleware and reference applications specifically designed for this context.

Cette thèse analyse la possibilité d'utiliser des communications sans fil inter-véhiculaires pour améliorer la sécurité routière. Les performances du nouveau réseau ainsi créé (réseau ad-hoc véhiculaire) sont étudiées analytiquement et par des simulations dans un environnement réaliste. La thèse se concentre surtout sur des scénarios avec une forte densité de véhicules. Dans ce cas, l'accès au support devient un problème essentiel, en principal pour les applications de sécurité routière qui nécessitent une qualité de service élevée pour fonctionner dans un tel contexte. Ce travail montre que la version actuelle du standard IEEE 802.11, proposé comme méthode d'accès dans les réseaux véhiculaires, ne peut pas résoudre ce problème de passage à l'échelle pour supporter correctement les applications de sécurité routière. Plusieurs améliorations possibles sont analysées, liées à l'utilisation optimale de certains paramètres du protocole comme la taille de la fenêtre de contention ou bien le seuil de détection de la porteuse. Des nouveaux mécanismes adaptatifs visant ces paramètres sont proposés et les améliorations ainsi obtenues sont non-négligeables. Finalement, une nouvelle méthode d'accès est définie, en tenant compte des caractéristiques des applications de sécurité routière. Toujours basée sur des techniques CSMA, cette technique donne des résultats largement supérieurs à la version standard actuelle. / The equipment of vehicles with wireless communication devices in order to improve road safety is a major component of a future intelligent transportation system. The success and availability of IEEE 802.11-based products make this technology the main competitor for the Medium Access Control (MAC) layer used in vehicle-to-vehicle communication. The IEEE 802.11p amendment has been specially designed in this special context of wireless access in vehicular environments. However, as all the other approaches based on Carrier Sense Multiple Access (CSMA), this protocol presents scalability problems, which leads to poor performance in high density scenarios, quite frequent in the case of a vehicular ad hoc network (VANET). This thesis studies the congestion control problem in the context of safety vehicular communications, with a special focus on the back-off mechanism and the carrier sense function. First of all, a number of important characteristics presented by the safety messages are discovered and understood by the means of an analytical framework. Second, the lessons learned from the analytical study are put into practice with the design of two adaptive mechanisms (one for the contention window and the other one for the carrier sense threshold) that take into account the local vehicular density. These mechanisms remain simple, but highly efficient, while also being straightforward to integrate in IEEE 802.11 devices. Finally, by taking into account the most important properties of a safety VANET, a new CSMA-based MAC protocol is proposed. This new access method, named Safety Range CSMA (SR-CSMA), relies on the idea that collisions can not be avoided in a high density network. However, by increasing the number of simultaneous transmissions between geographically distant nodes, SR-CSMA manages to better protect the immediate neighborhood, the most important area for safety applications.

Les réseaux sans fil sont sujets à des perturbations voire des pannes de liens et de noeuds en raison des caractéristiques intrinsèques de leur support de communication ; ces pannes sont aggravées par les particularités de relayage et de mobilité des noeuds dans les réseaux ad hoc. Ces réseaux requièrent donc la conception et la mise oeuvre des protocoles robustes au niveau de toutes les couches protocolaires. Dans cette thèse, nous choisissons une approche de robustesse pour améliorer les performances des communications dans un réseau mobile ad hoc. Nous proposons et étudions deux architectures de protection (protection par une analyse prédictive et protection par redondance de routes) qui sont couplées avec une restauration de niveau routage. Concernant la phase de détection, le protocole de routage utilise les notifications de niveau liaison pour détecter les pannes de liens. La première solution repose sur un protocole de routage réactif unipath dont le critère de sélection de routes est modifié. L’idée est d’utiliser des métriques capables de prédire l’état futur des routes dans le but d’améliorer leur durée de vie. Pour cela, deux métriques prédictives reposant sur la mobilité des noeuds sont proposées : la fiabilité des routes et une combinaison fiabilité-minimum de sauts. Pour calculer ces métriques prédictives, nous proposons une méthode analytique de calcul de la fiabilité de liens entre noeuds. Cette méthode prend compte le modèle de mobilité des noeuds et les caractéristiques de la communication sans fil notamment les collisions inter-paquets et les atténuations du signal. Les modèles de mobilité étudiés sont les modèles Random Walk et Random Way Point. Nous montrons l’impact de ces métriques sur les performances en termes de taux de livraison de paquets, de surcoût normalisé et de ruptures de routes. La seconde solution est une protection par redondance de routes qui s’appuie sur un protocole de routage multipath. Dans cette architecture, l’opération de recouvrement consiste soit à un basculement sur une route secondaire soit à une nouvelle découverte. Nous montrons que la redondance de routes améliore la robustesse de la communication en réduisant le temps de restauration. Ensuite, nous proposons une comparaison analytique entre les différentes politiques de recouvrement d’un protocole multipath. Nous en deduisons qu’un recouvrement segmenté donne les meilleurs résultats en termes de temps de restauration et de fiabilité / Due to the unreliability characteristics of wireless communications, and nodes mobility, Mobile Ad hoc Networks (MANETs) suffer from frequent failures and reactivation of links. Consequently, the routes frequently change, causing significant number of routing packets to discover new routes, leading to increased network congestion and transmission latency. Therefore, MANETs demand robust protocol design at all layers of the communication protocol stack, particularly at the MAC, the routing and transport layers. In this thesis, we adopt robustness approach to improve communication performance in MANET. We propose and study two protection architectures (protection by predictive analysis and protection by routes redundancy) which are coupled with a routing level restoration. The routing protocol is responsible of the failure detection phase, and uses the mechanism of link-level notifications to detect link failures. Our first proposition is based on unipath reactive routing protocol with a modified route selection criterion. The idea is to use metrics that can predict the future state of the route in order to improve their lifetime. Two predictive metrics based on the mobility of nodes are proposed : the routes reliability and, combining hop-count and reliability metrics. In order to determine the two predictive metrics, we propose an analytical formulation that computes link reliability between adjacent nodes. This formulation takes into account nodes mobility model and the the wireless communication characteristics including the collisions between packets and signal attenuations. Nodes mobility models studied are Random Walk and Random Way Point. We show the impact of these predictive metrics on the networks performance in terms of packet delivery ratio, normalized routing overhead and number of route failures. The second proposition is based on multipath routing protocol. It is a protection mechanism based on route redundancy. In this architecture, the recovery operation is either to switch the traffic to alternate route or to compute a new route. We show that the routes redundancy technique improves the communication robustness by reducing the failure recovery time. We propose an analytical comparison between different recovery policies of multipath routing protocol. We deduce that segment recovery is the best recovery policy in terms of recovery time and reliability

Nous avons proposé une approche de clusterisation distribuée en vue de son application au problème de la gestion de groupes dynamiques et pour la sécurisation des échanges. Pour parvenir à cet objectif, une combinaison de critères permettant de sélectionner les noeuds les plus appropriés pour assurer les fonctionnalités de clusterheads a été défini, cette dernière s'appuie sur une topologie virtuelle avec le moins de sauts possible, en évitant ainsi de gaspiller les ressources dans les retransmissions dûes aux collisions. Une fois l'étape de mise au point de l'approche de clusterisation effectuée, une application pour résoudre le problème de la gestion de groupes dynamiques et la sécurisation des échanges a été réalisée. Les performances de notre approche de clusterisation ont été évaluées en terme de messages échangés et d'énergie dépensée par les noeuds du réseau. Les résultats de cette évaluation montrent que notre approche est performante. / The proposed clustering approache divides the network into clusters based on affinity relationships between nodes and two types of keys which are generated by a clusterhead. The first one is shared by a clusterhead and its local members and the second one is shared by the clusterhead and its parent cluster. The proposed algorithm is adaptive according to the limitation of the mobile nodes battery power and to the dynamic network topology changes.The performance evaluation and communication overhead analysis of the proposed algorithm are presented using simulation.

Les réseaux de capteurs sans fils et mobiles constituent un champ de recherche dans lequel un grand nombre de capteurs de faible coût sont déployés dans un environnement pour observer un ou plusieurs phénomènes. Ces capteurs sont autonomes, communicant et disposent d'une réserve d'énergie limitée. Les problèmes issus de ce type de système sont nombreux : gestion de l'énergie, couverture, fusion de donnée, ...L'approche proposée dans cette thèse repose sur l'hypothèse que les réseaux de capteurs doivent exhiber des propriétés d'auto-organisation et d'autonomie. Chaque capteur est en soit autonome et peut interagir avec d'autres capteurs ce qui forme une organisation complexe. Ces capteurs ont un but à accomplir et le système possède les caractéristiques suivantes : i. le but du réseau ne peut généralement pas être résolu par un capteur uniqueii. Les capteurs doivent collaborer pour accomplir le but ou contribuer à une partie de ce but.iii. Chaque capteur réagit à son environnement en fonction de ses perceptions qui sont forcément locales et limitées.Après une introduction qui décrit le domaine et pose la problématique un état de l'art du domaine est présenté au chapitre 2. Deux contributions sont abordées dans cette thèse. D'une part, l'analyse des propriétés dynamiques de topologie des réseaux de capteurs sans fil et d'autre part la performance des liens de ce type de réseaux. Pour la topologie deux approches sont proposées : au chapitre 3 une première approche basée sur le modèle de mobilité et au chapitre 4 une approche basée sur des techniques de mesures. Pour la performance des liens, deux approches sont également proposées. La première, décrite dans le chapitre 5, est basée sur un modèle d'analyse linéaire. La deuxième, décrite au chapitre 6, repose sur une technique d'optimisation multi-objectif. / The measurability of Mobile ad hoc network (MANET) is the precondition of itsmanagement, performance optimization and network resources re-allocations. However, MANET is an infrastructure-free, multi-hop, andself-organized temporary network, comprised of a group of mobile nodes with wirelesscommunication devices. Not only does its topology structure vary with time going by, butalso the communication protocol used in its network layer or data link layer is diverse andnon-standard.In order to solve the problem of interior links performance (such as packet loss rate anddelay) measurement in MANET, this thesis has adopted an external measurement basedon network tomography (NT). To the best of our knowledge, NT technique is adaptable for Ad Hoc networkmeasurement.This thesis has deeply studied MANET measurement technique based on NT. The maincontributions are:(1) An analysis technique on MANET topology dynamic characteristic based onmobility model was proposed. At first, an Ad Hoc network mobility model formalizationis described. Then a MANET topology snapshots capturing method was proposed to findand verify that MANET topology varies in steady and non-steady state in turnperiodically. At the same time, it was proved that it was practicable in theory to introduceNT technique into Ad Hoc network measurement. The fitness hypothesis verification wasadopted to obtain the rule of Ad Hoc network topology dynamic characteristic parameters,and the Markov stochastic process was adopted to analyze MANET topology dynamiccharacteristic. The simulation results show that the method above not only is valid andgenerable to be used for all mobility models in NS-2 Tool, but also could obtain thetopology state keeping experimental formula and topology state varying probabilityformula.IV(2) An analysis technique for MANET topology dynamic characteristic based onmeasurement sample was proposed. When the scenario file of mobile models could notbe obtained beforehand, End-to-End measurement was used in MANET to obtain thepath delay time. Then topology steady period of MANET is inferred by judging whetherpath delay dithering is close to zero. At the same time, the MANET topology wasidentified by using hierarchical clustering method based on measurement sample of pathperformance during topology steady period in order to support the link performanceinference. The simulation result verified that the method above could not only detect themeasurement window time of MANET effectively, but also identify the MANETtopology architecture during measurement window time correctly.(3) A MANET link performance inference algorithm based on linear analysis modelwas proposed. The relation of inequality between link and path performance, such as lossrate of MANET, was deduced according to a linear model. The phenomena thatcommunication characteristic of packets, such as delay and loss rate, is more similarwhen the sub-paths has longer shared links was proved in the document. When the rankof the routing matrix is equal to that of its augmentation matrix, the linear model wasused to describe the Ad Hoc network link performance inference method. The simulationresults show that the algorithm not only is effective, but also has short computing time.(4) A Link performance inference algorithm based on multi-objectives optimizationwas proposed. When the rank of the routing matrix is not equal to that of its augmentationmatrix, the link performance inference was changed into multi-objectives optimizationand genetic algorithm is used to infer link performance. The probability distribution oflink performance in certain time t was obtained by performing more measurements andstatistically analyzing the hypo-solutions. Through the simulation, it can be safelyconcluded that the internal link performance, such as, link loss ratio and link delay, can beinferred correctly when the rank of the routing matrix is not equal to that of itsaugmentation matrix.

Cette thèse s'intéresse à l'impact de la mobilité sur les performances des réseaux ad hoc mobiles (MANETs en anglais). Elle comporte deux parties. La première partie de la thèse dresse un état de l'art du protocole TCP dans MANETs. La principale conclusion est que la mobilité dégrade les performances de TCP, à cause de problèmes de routage et de partitions du réseau qu'elle occasionne. Partant de ce constat, nous proposons et analysons dans la deuxième partie de la thèse des schémas de transmission qui s'appuient sur la mobilité. Plus précisément, chaque noeud peut servir de relais en l'absence de route directe entre la source et la destination. Nous nous sommes tout d'abord intéressés aux performances des noeuds relais (débit et taille moyenne des files) en utilisant le formalisme des files d'attente.<br />Un des résultats principaux est que le débit des noeuds relais est minimisé quand les noeuds bougent selon des modèles de mouvements aléatoires qui ont une distribution stationnaire uniforme de position. Pour optimiser les performances du protocole de relais à deux sauts, particulièrement le délai de transmission, nous avons ensuite étudié le cas où un paquet peut avoir plusieurs copies dans le réseau, sous l'hypothèse où ces copies ont des durées de vie limitées. Les performances (délai, énergie consommée) ont été obtenu en utilisant le formalisme des chaînes de Markov absorbantes, ainsi que des modèles fluides. Nous avons appliqué nos résultats pour optimiser la consommation d'énergie en présence de contraintes sur les délais.

Les réseaux de capteurs sans fil posent de nombreux défis de conception. Ils doivent en particulier capter les informations provenant de l'environnement, traiter les données acquises, recevoir et retransmettre celles-ci avec une durée de vie devant atteindre plusieurs dizaines d'années selon les applications, sans intervention extérieure. Il est donc nécessaire d'optimiser la consommation d'énergie à tous les niveaux. Ce travail propose de réduire la consommation d'énergie de la partie numérique d'un nœud de réseau grâce à l'utilisation de la logique asynchrone et de communications synchrones entre le logiciel le matériel. Par ailleurs, il est important de gérer dynamiquement la consommation en adaptant dynamiquement les tensions d'alimentation. Cet aspect est traité à l'échelle du système complet, au niveau matériel, grâce à la spécification d'un coprocesseur dédié, au niveau algorithmique et logiciel temps-réel ainsi qu'au niveau des interfaces de communication.

Ce manuscrit est centré sur la conception, l'amélioration et l'évaluation des protocoles des couches RESEAU, MAC et PHY. En particulier, nous nous focalisons sur la conception de nouveaux protocoles distribués pour une utilisation optimale/améliorée des ressources radio disponibles. Par ailleurs, nous caractérisons les performances des réseaux ad hoc à accès aléatoire au canal en utilisant des paramètres de plusieurs couches avec aptitude de transfert d'information (data forwarding). La majeure partie de nos analyses se base sur le concept d'interaction entre les couches OSI (cross-layer). En effet, cette nouvelle et attractive approche est devenue en peu de temps omniprésente dans le domaine de recherche et développement et dans le domaine industriel. Les métriques de performances qui nous intéressent sont la stabilité des files d'attentes de transfert, le débit, le délai et la consommation d'énergie. Principalement, la compréhension de l'interaction entre les couches MAC/PHY et routage du standard IEEE 802.11e DCF/EDCF, d'une part, et l'interaction entre noeuds en terme d'interférences, d'autre part, constituent le coeur central de notre travail