Protocoles de codage réseau efficaces pour les réseaux centrés sur l'information

Efficient Network Coding Protocols for Information-Centric Networks

• Auteur / Autrice : Hirah Malik
• Direction : Michel Kieffer, Cédric Adjih, Claudio Weidmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 22/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....) - Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Saclay, Ile-de-France)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Steven Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samia Bouzefrane, Jérôme Lacan, Marie-José Montpetit, Vincent Roca
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samia Bouzefrane, Jérôme Lacan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Routage (informatique)

Codage

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Mots clés libres

Réseaux centrés sur l'information (ICN)

Named Data Networking (NDN)

Codage réseau

Stratégies de relayage d'intérêts

Réseaux centrés contenu (CCN)

Information-Centric Networking (ICN)

Named Data Networking (NDN)

Network coding

Interest Forwarding Strategy

Content Centric Networking (CCN)

Résumé

Le volume de données échangées sur l'Internet a augmenté de façon spectaculaire au cours des dernières décennies. Le nombre croissant d'utilisateurs, d'appareils connectés et la popularité des contenus vidéo ont fait exploser la demande pour de nouvelles méthodes de communication capables de gérer le volume croissant des données. Les réseaux centrés sur l'information (Information Centric Networking, ICN) ont été proposés comme une alternative aux réseaux IP traditionnels. Dans les réseaux ICN, les consommateurs demandent au réseau un contenu par son nom via des paquets « intérêt », et reçoivent des données en réponse à leurs demandes sans avoir à se soucier de l'emplacement du contenu dans le réseau. Les réseaux ICN permettent la mise en cache dans le réseau et prennent naturellement en charge l'utilisation de chemins multiples. Néanmoins, le débit maximal ne peut être atteint que si le contenu est demandé sur un ensemble optimal d'arbres de multidiffusion. Le calcul de ces arbres de multidiffusion est difficile à mettre en œuvre sur de grands réseaux dynamiques et nécessite une coordination entre les entités du réseau. Le codage réseau (Network Coding) a été récemment introduit dans les réseaux ICN afin d'améliorer la diffusion par l'utilisation de chemins multiples et la mise en cache du contenu sans qu'une coordination soit nécessaire. Le défi dans le cas du codage réseau est d'obtenir un contenu codé linéairement indépendant en réponse à de multiples requêtes parallèles par un ou plusieurs consommateurs. Dans cette thèse, nous analysons certains travaux antérieurs qui intègrent le codage réseau et les réseaux ICN et identifions certains problèmes clés auxquels ils ont été confrontés. Nous proposons une solution efficace où les clients ajoutent des informations compactes aux paquets « intérêt » afin d'assurer l'indépendance linéaire du contenu codé. Cette thèse propose une architecture, MICN, qui intègre un codage réseau au-dessus d'une implémentation ICN basée sur les intérêts : Named Data Networking (NDN). L'architecture proposée permet de résoudre certains des problèmes rencontrés par les solutions ICN avec du codage réseau présentées dans le passé. Une nouvelle construction appelée MILIC (Multiple Interests for Linearly Independent Content) est introduite. Elle impose des contraintes sur la façon dont les réponses aux intérêts sont codées, dans le but d'obtenir des contenus linéairement indépendants en réponse à des intérêts multiples. L'analyse numérique et les simulations montrent que la construction MILIC fonctionne bien avec le codage réseau pour NDN, et que le protocole MICN offre un débit proche de l'optimum dans certains scénarios. Les performances du protocole MICN se comparent favorablement aux protocoles existants. Il présente des avantages significatifs lorsqu'on considère le nombre total de paquets transmis dans le réseau et dans le cas de liens pouvant subir des pertes. Plusieurs techniques de transport modifiées et intégrées dans le protocole MICN sont proposées afin d'optimiser l'utilisation des ressources du réseau tout en conservant un débit élevé. MILIC nous a aussi amené à considérer le problème de la construction de sous-ensembles de vecteurs dans un espace vectoriel donné, tels que lorsque l'on choisit arbitrairement un vecteur de chaque sous-ensemble, les vecteurs sélectionnés sont linéairement indépendants. Cette thèse le formalise comme un problème mathématique et étudie quelques solutions alternatives à la construction MILIC. Enfin, la thèse prouve qu'une large classe de solutions à ce problème est équivalente à MILIC.

The amount of data exchanged over the Internet has grown drastically over the past decades. The increasing number of users, connected devices, and the popularity of video content have surged the demand for new communication methods that can deal with the growing volume of data traffic. Information-Centric Networking (ICN) has been proposed as an alternative to traditional IP-based networks. In ICN, consumers request named content via Interest packets to the network and receive data as a response to their request without taking care of the location of the content in the network. ICN allows in-network caching and naturally supports the use of multiple paths. Nevertheless, the maximum throughput can only be achieved if the content is requested over an optimal set of multicast trees. The computation of such multicast trees is hard to scale over large dynamic networks and requires coordination among network entities. Network coding has been recently introduced in ICN to improve multi-path dissemination and caching of content without the need for coordination. The challenge in the case of network coding is to get independent coded content in response to multiple parallel Interests by one or several consumers. In this thesis, we analyze some previous works that integrate network coding and ICN and identify some key issues these works face. We introduce an efficient solution where clients add compact information to Interest packets in order to ensure linear independence of content in network-coded ICN. This thesis proposes an architecture, MICN, that provides network coding on top of an Interest-based ICN implementation: Named Data Networking (NDN). The proposed architecture helps alleviate the issues faced by network coding-enabled ICN solutions presented in the past. A novel construction called MILIC (Multiple Interests for Linearly Independent Content) is introduced that imposes constraints on how the replies to Interests are coded, intending to get linearly independent contents in response to multiple Interests. Numerical analysis and simulations illustrate that the MILIC construction performs well with network-coded NDN, and the MICN protocol yields close to optimal throughput in some scenarios. The performance of MICN compares favorably to existing protocols. It shows significant benefits when considering the total number of transmitted packets in the network and in the case of lossy links. Several modified forwarding techniques integrated into the MICN protocol are proposed to optimize the network resource utilization while keeping a high throughput. MILIC led us to consider the problem of constructing subsets of vectors from a given vector space, such that when drawing arbitrarily one vector from each subset, the selected vectors are linearly independent. This thesis considers it as a mathematical problem and studies some alternative solutions to the MILIC construction. Finally, the thesis proves that a large family of solutions to this problem are equivalent to MILIC.