Virtualisation du protocole de contrôle d’accès aux médias pour l’Internet des objets à grande échelle

Virtualisation of media access control protocol forlarge scale internet of things

• Auteur / Autrice : Prosper Sotenga
• Direction : Karim Djouani, Anish Mathew Kurien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Paris 12 en cotutelle avec Tshwane University of Technology
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil) - Laboratoire Images- Signaux et Systèmes Intelligents / LISSI
• Jury : Président / Présidente : Samia Bouzefrane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karim Djouani, Anish Mathew Kurien, Nadjib Ait Saadi, Jules-Raymond Tapamo, Jalel Ben Othman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadjib Ait Saadi, Jules-Raymond Tapamo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes virtuels (informatique)

Internet des objets

Mots clés libres

IoT à grande échelle

Contrôle d'accès moyen

Virtualisation

Passerelle

Réseau défini par logiciel

Large Scale IoT

Medium Access Control

Virtualisation

Gateway

Software Defined Networking

Résumé

Pour prendre en charge le déploiement massif d'appareils hétérogènes dans l'Internet des objets à grande échelle (LS-IoT), plusieurs nouvelles améliorations ont été proposées pour améliorer l'évolutivité du réseau en mettant l'accent sur les transmissions simultanées. Certaines de ces améliorations incluent la réutilisation spatiale avec des antennes directionnelles, la sectorisation, l'agrégation de trames et les multicanaux orthogonaux. Le dispositif de passerelle (GW) du réseau joue un rôle important dans la gestion de l'accès aux médias pour prendre en charge de telles améliorations. Sans un composant évolutif et robuste de contrôle d'accès au support (MAC) GW, les améliorations sous-jacentes peuvent être vaines en raison de contraintes fonctionnelles et de ressources liées à l'utilisation d'un MAC GW dédié comme dans les GW LS-IoT existants. Dans cette étude, l'objectif est d'améliorer l'évolutivité du composant GW MAC pour prendre en charge le déploiement massif d'appareils hétérogènes en utilisant des techniques de virtualisation pour augmenter le GW MAC en tant qu'instances virtuelles déployées sur un centre de données Edge(eDC). Pour ce faire, tout d'abord l'impact d'un composant GW MAC dédié sur l'accès au média avec plusieurs transmissions simultanées appelées groupes d'accès virtuels (vAG) est modélisé et évalué. Les résultats suggèrent que le débit utilisant un MAC GW dédié est dégradé avec plusieurs vAG. Deuxièmement, un réseau de virtualisation approprié avec des capacités de mise en réseau définie par logiciel (SDN) pour instancier et déployer le composant GW MAC sur un ensemble d'eDC distribués est proposé et modélisé. Les résultats suggèrent que le débit peut être amélioré lorsque le GW MAC est virtualisé à l'aide du cadre proposé par opposition à l'utilisation d'un composant GWMAC localisé dédié. Le troisième objectif est de proposer une stratégie efficace pour minimiser le délai de virtualisation et améliorer encore la robustesse des requêtes dynamiques virtuelles GWMAC (conditions de charge dynamiques) afin de garantir le respect des délais de synchronisation pour un débit amélioré. Les résultats montrent que le délai de virtualisation est minimisé et que le débit MAC par rapport au nombre d'appareils est amélioré, en particulier pour les taux de trafic IoT élevés par rapport aux approches sous-optimales et à l'approche MAC GW localisée dédiée.

To support the massive deployment of heterogeneous devices in the Large-Scale Internet of Things (LS-IoT), several novel enhancements have been proposed to improve the scalability of the network with an emphasis on concurrent transmissions. Some of these enhancements include spatial re-usability with directional antennas, sectorisation, frame aggregation and orthogonal multi-channels. The Gateway (GW) device in the network plays an important role in managing media access to support such improvements. Without a scalable and robust GW Media Access Control (MAC) component, the underlying improvements may be fruitless due to functional and resource constraints in using a dedicated GW MAC as in existing LS-IoT GWs. In this study, the aim is to improve the scalability of the GW MAC component to support the massive deployment of heterogeneous devices by employing virtualisation techniques to augment the GW MAC as virtual instances deployed on an edge data centre ( eDC). To achieve this, firstly the impact of a dedicated GW MAC component on the media access with multiple concurrent transmissions referred to as virtual Access Groups (vAG) is modelled and evaluated. The results suggest that the throughput using a dedicated GW MAC is degraded with multiple vAGs. Secondly, a suitable virtualisation network with Software Defined Networking (SDN) capabilities for instantiating and deploying the GW MAC component over a set of distributed eDCs is proposed and modelled. The results suggest that the throughput can be improved when the GW MAC is virtualised using the proposed framework as opposed to using a dedicated localised GW MAC component. The third objective is to propose an effective strategy to minimise the virtualisation delay and further improve the robustness for dynamic virtual GW MAC requests (dynamic load conditions) to ensure that the timing deadlines are met for an improved throughput. The results show that the virtualisation delay is minimised and the MAC throughput versus the number of devices is improved especially for high IoT traffic rates when compared to suboptimal approaches and the dedicated localised GW MAC approach.