Évaluation des performances et amélioration du contrôle de la congestion dans le Protocole des Applications à Contraintes (CoAP) pour l’Internet des objets

Performance evaluation and improvement of congestion control of the constrained application protocol for the Internet-of-things

• Auteur / Autrice : Nabil Makarem
• Direction : Naceur Malouch, Imad Mougharbel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Fladenmuller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wafaa Bou Diab, Noël Crespi, Abdulmotaleb El Saddik
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Abdallah Kassem, Nathalie Mitton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Réseaux de capteurs (technologie)

Modèles mathématiques

Contrôle de congestion (télécommunications)

Internet des objets

Mots clés libres

Internet des Objets

Protocole des Applications à contraintes

Contrôler la congestion

Internet of things

CoAP

Congestion Control

Résumé

Dans ce travail de recherche, nous proposons de nouveaux modèles mathématiques exacts pour analyser les performances de CoAP dans les réseaux IoT avec perte. Cette étude présente les différentes approches pour améliorer le contrôle de la congestion CoAP et met en évidence les propriétés - y compris les limites - de CoAP. En outre, nous montrons que le mécanisme de contrôle simple réduit considérablement les performances de CoAP, notamment en termes d'utilisation de la bande passante, car il empêche le protocole d'agir efficacement pendant les périodes de congestion. Nous proposons ensuite de nouvelles améliorations qui considèrent un compromis entre fiabilité et bon débit tout en gardant les algorithmes raisonnablement simples pour les dispositifs contraints. Premièrement, nous optimisons davantage la procédure d'estimation du délai de retransmission afin d'améliorer la détection de congestion. Deuxièmement, nous remplaçons l'algorithme de backoff par des algorithmes de contrôle de congestion ''réels'' inspirés de la technique bien connue sous le nom de Additive Augmentation Multiplicative Decrease (Augmentation Additive et Diminution Multiplicative) et d'un contrôle de congestion récent basé sur la mesure appelé BBR (Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time). Notre analyse utilisant à la fois notre simulateur et l'environnement Contiki/Cooja montre que l'approche basée sur le taux surpasse l'approche basée sur le backoff. De plus, tous les résultats montrent que nos algorithmes réalisent un bien meilleur compromis entre bon débit, fiabilité et surcoût.

The Constrained Application Protocol (CoAP) is a lightweight core protocol designed by the Internet Engineering Task Force (IETF) used for communication between devices in the Internet of Things (IoT). In this research work, we propose new exact mathematical models to analyze the performance of CoAP in lossy IoT networks. This study provides insights about improving CoAP congestion control in such networks and highlights the properties -- including the limitations -- of CoAP. Besides, we show that the simple control mechanism reduces significantly CoAP performance especially in terms of bandwidth utilization since it prevents the protocol from acting efficiently during congestion periods. We then propose new improvements in order to enhance the trade-off between reliability and goodput while keeping the algorithms reasonably simple for constrained devices. First, we optimize further the estimation procedure of the retransmission timeout in order to enhance congestion detection. Timeouts are the only indicator used in CoAP to detect losses, and losses are used as a strong indicator to detect congestion. Second, we replace the backoff algorithm by ''real'' congestion control algorithms inspired from the well-known Additive Increase Multiplicative Decrease technique and a recent measurement-based congestion control called BBR. Our analysis using both our simulator and Contiki/Cooja environment show that the rate-based approach outperforms the backoff-based approach. Moreover, all the results show that our algorithms achieve a much better tradeoff between goodput, reliability and overhead.