Monitoring the Internet of Things (IoT) Networks

par Basma Mostafa Hassan

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Miklós Molnár et de Mohamed Saleh.

Le président du jury était Abderrahim Benslimane.

Le jury était composé de Miklós Molnár, Mohamed Saleh, Abderrahim Benslimane, Bernard Cousin, Omar Saad.

Les rapporteurs étaient Bernard Cousin, Omar Saad.

  • Titre traduit

    Monitorage dans les réseaux du type "Internet des objets


  • Résumé

    Les réseaux « Internet des Objets » se composent de plusieurs millions d’objets qui possèdent une adresse IP et qui peuvent connecter sur Internet. En général, ces objets sont supposé d’être autonomes et peuvent résoudre des tâches; mesurer, traiter et fournir des informations pour les systèmes connectés et pour les utilisateurs. Aussi, ces réseaux sont vulnérables (c.-à-d. : les éléments peuvent être mobiles et la topologie du réseau peut changer dynamiquement), les changements peuvent influencer le (bon) fonctionnement du réseau. De plus, ils peuvent être alimentés par des batteries de durée de vie limitée, ce que nécessite la réduction de leur consommation.Ce travail de thèse aborde un sujet important dans le domaine de l’Internet des Objets, qui consiste à savoir comment assurer la robustesse et le fonctionnement tolérant aux pannes du réseau pour répondre aux exigences des missions critiques. Avec le large déploiement des services IdO, ce problème est deventé ou de détection de pannes et de sécurité industriel où l’état des objets communicants doit être constamment vérifié pour le rétablissement rapide en cas de problème particulièrement crucial pour les applications telles que le monitorage intelligent de sames de communication inattendus. On cherche alors de minimiser le coût du monitorage et l’utilisation de l’énergie, et aussi les charges additionnelles sur les réseaux.Nous avons proposé un algorithme qui vise à réaliser un placement distribué des moniteurs avec une complexité minimale pour le calcul. L’algorithme proposé fonctionne avec RPL. L’objectif principal est d’augmenter la robustesse dans les réseaux IdO ciblant les applications critiques en temps réel via le monitorage des liaisons dans les DODAGs construits par RPL. Dans notre première contribution, le problème est modélisé comme un problème de couverture minimale des sommets (VCP) sur le DODAG. Nous avons développé un algorithme à temps polynomial qui transforme le DODAG en une décomposition arborescente (Nice-Tree Decomposition) avec une largeur arborescente (treewidth) d’unité. Cette stratégie profite de la spécificité des DODAG et a abouti à une réduction significative de la complexité de la résolution du VCP sur les DODAG. Elle peut être résolue en temps polynomial.La deuxième proposition est un modèle approché pour l’optimisation de l’ordonnancement du rôle de monitorage des nœuds dans les réseaux IdO, afin de maximiser la durée de vie des dispositifs embarqués à ressources limitées, tout en minimisant le coût global du monitorage de réseau. Le monitorage de réseau est très coûteux, en particulier pour les réseaux à ressources limitées tels que l’IdO. Par conséquent, le monitorage doit être économe en énergie et avec des frais généraux minimaux sur la performance normale du réseau. Notre travail correspondant contient une proposition d’un modèle mathématique en trois phases pour assurer l’exigence d’une couverture des moniteurs tout en minimisant la consommation d’énergie de monitorage et les frais de communication.Notre modèle proposé décompose le problème abordé en trois problèmes d’optimisation bien connus, il s’agit du problème de couverture de sommets, problème d’affectation généralisé multi-objectives et problème de voyageur de commerce.Dans cette troisième partie, une approche exacte est proposée pour résoudre le problème décrit dans (Contribution 2). Comme nous avons vu, la décomposition en trois phases ne donne pas la solution exacte. Nous avons donc proposé une formulation exacte du problème qui consiste en un problème de l'affectation minimum des tâches de surveillance avec un fonctionnement de surveillance cyclique. Pour cela, nous avons formulé un programme en nombres entiers binaires. L'ordonnancement optimal garantit la couverture du graphe pour la surveillance avec une consommation d'énergie minimale.


  • Résumé

    By connecting billions of things to the Internet, IoT created a plethora of applications that touch every aspect of human life. Time-sensitive, mission-critical services, require robust connectivity and strict reliability constraints. On the other hand, the IoT relies mainly on Low-power Lossy Networks, which are unreliable by nature due to their limited resources, hard duty cycles, dynamic topologies, and uncertain radio connectivity. Faults in LLNs are common rather than rare events, therefore, maintaining continuous availability of devices and reliability of communication, are critical factors to guarantee a constant, reliable flow of application data.After a comprehensive literature review, and up to our knowledge, it is clear that there is a call for a new approach to monitoring the unreliable nodes and links in an optimized, energy-efficient, proactive manner, and complete interoperability with IoT protocols. To target this research gap, our contributions address the correct assignment (placement) of the monitoring nodes. This problem is known as the minimum assignment problem, which is NP-hard. We target scalable monitoring by mapping the assignment problem into the well-studied MVC problem, also NP-hard. We proposed an algorithm to convert the DODAG into a nice-tree decomposition with its parameter (treewidth) restricted to the value one. As a result of these propositions, the monitor placement becomes only Fixed-Parameter Tractable, and can also be polynomial-time solvable.To prolong network longevity, the monitoring role should be distributed and balanced between the entire set of nodes. To that end, assuming periodical functioning, we propose in a second contribution to schedule between several subsets of nodes; each is covering the entire network. A three-phase centralized computation of the scheduling was proposed. The proposition decomposes the monitoring problem and maps it into three well-known sub-problems, for which approximation algorithms already exist in the literature. Thus, the computational complexity can be reduced.However, the one major limitation of the proposed three-phase decomposition is that it is not an exact solution. We provide the exact solution to the minimum monitor assignment problem with a duty-cycled monitoring approach, by formulating a Binary Integer Program (BIP). Experimentation is designed using network instances of different topologies and sizes. Results demonstrate the effectiveness of the proposed model in realizing full monitoring coverage with minimum energy consumption and communication overhead while balancing the monitoring role between nodes.The final contribution targeted the dynamic distributed monitoring placement and scheduling. The dynamic feature of the model ensures real-time adaptation of the monitoring schedule to the frequent instabilities of networks, and the distributed feature aims at reducing the communication overhead.


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