Systèmes d’information collaboratifs et auto-organisants pour réseaux de capteurs large échelle

1. Systèmes d’information collaboratifs et auto-organisantspour réseaux de capteurs large échelle « De la théorie à la pratique » Thèse soutenue par Yann Busnel Sous la direction de Anne-Marie Kermarrec & Marin Bertier Mardi 18 Novembre 2008

2. Réseaux de capteurs sans-fil (RCsF) • Capteurs: entité de taille minimaliste • Toujours orientés réseaux • Deux grandes familles : • RCsF statiques • RCsF mobiles • Adapté à des environnements particuliers • Conception orientée application • Recherche de généricité • Nécessité de modélisation Soutenance de thèse - Yann Busnel

3. Thèse soutenue Soutenance de thèse - Yann Busnel

4. Positionnement de cette thèse • Intérêt de la décentralisation • Une approche « de la théorie à la pratique » • Moyens de mise en œuvre • Auto-organisation • Collaboration Soutenance de thèse - Yann Busnel

5. Contribution Tableau des contributions MOTI PE ≅ PP & PC Soutenance de thèse - Yann Busnel

6. Réseaux de capteurs statiquesMOTI Suivi et identification de trajectoires sur un réseau de capteurs binaires Soutenance de thèse - Yann Busnel

7. Contexte • Problématique : Suivi de trajectoires • Un réseau de capteurs binaires statiques • Un ensemble d’entités mobiles anonymes et indiscernables Soutenance de thèse - Yann Busnel

8. Plan de la partie • Modélisation du système • La problématique MOTI • Un résultat d’impossibilité • Rendre MOTI résoluble • Caractérisation des situations dangereuses • Décentralisation des solutions Soutenance de thèse - Yann Busnel

9. Caractéristiques du système Un ensemble d’entités anonymes {o1, …, ox} Graphe de connectivité des chemins : GCC(V,E) I D A G J C E B H K F Soutenance de thèse - Yann Busnel

10. Caractéristiques du système • A chaque temps t, chaque entité o occupe un sommet vi • Deux restrictions du système : Au même moment, • deux entités distinctes ne peuvent être à la même position • deux entités distinctes ne peuvent se déplacer sur le même arc • L’état du système est représenté par le vecteur St :∀vi∊V, St[vi] = 1 si vi héberge une entité 0 sinon Soutenance de thèse - Yann Busnel

11. Trajectoire d’une entité • Toute entité se déplace en suivant une trajectoire • Décrite dans un intervalle de temps donné ⟦ti, tj⟧ • Définie par la position de l’entité à chaque temps tk • Représentée par la notation suivante (avec vtk, sommet de o à tk) Pti,tj,o = ⟨vti, …, vtj⟩ I F, G, Pt,t’,o = ⟨ E, J ⟩ D A G J C E B H K F Soutenance de thèse - Yann Busnel

12. Problématique MOTI : l’observateur omniscient • Objectifs de MOTI : • Identifier les entités • Suivre leur trajectoire à travers le temps • Présence d’un observateur de St à tout temps t • Rôle : Extrapolation des trajectoires par observation Pti,tj,o = ⟨vti, …, vtj⟩ où vtk est le sommet hébergeant l’entité identifiée par o au temps tk Soutenance de thèse - Yann Busnel

13. Problématique MOTI : formalisation • MOTI (Suivi d’Entités Multiples et Identification)Sur un intervalle donné ⟦ti, tj⟧, la condition suivante peut-elle toujours être vérifiée par l’observateur : ∀o,∃otels que Pti,tj,o = Pti,tj,o ? i.e. les trajectoires observées sont identiques aux réelles ? • Difficulté : Possibilité de confusion entre deux trajectoires trop proches Soutenance de thèse - Yann Busnel

14. Un résultat d’impossibilité THEOREME : MOTI est impossible à résoudre en général… A B t0 C A B D A B A B C D A B C C D D t1 D C Soutenance de thèse - Yann Busnel

15. Rendre MOTI résoluble ? • Recherche des caractérisations de MOTI • Deux notions nécessaires : • Mouvement : Mt • Déplacements de toutes les entités entre t et t+1 • Ensemble des déplacements unitaires des entités • Représente l’évolution du système juste après un temps donné • Faillible ou infaillible ? • En terme de mouvement, et a fortiori de situation • Définition : Deux mouvements sont faillibles s’ils permettent de passer du même état initial S au même état final S’ • Définition : Un état Sest faillible s’il existe des mouvements faillibles possibles à partir de S Soutenance de thèse - Yann Busnel

16. Graphe des états Représentation de l’évolution du système avec un graphe : A B C D Soutenance de thèse - Yann Busnel

17. Caractérisations de MOTI THEOREME 1 : P –résolubilité Etant donné une trajectoire de ces entités entre ti et tj MOTI peut être résolu ssi ∀ t ∈⟦ti, tj-1⟧, Mt est infaillible Soutenance de thèse - Yann Busnel

18. Caractérisations de MOTI THEOREME 1 : P –résolubilité Etant donné une trajectoire de ces entités entre ti et tj MOTI peut être résolu ssi ∀ t ∈⟦ti, tj-1⟧, Mt est infaillible THEOREME 2 : ℙ –résolubilité Pour toutes les trajectoires des entités entre ti et tj MOTI peut être résolu ssi ∀S état possible, S est infaillible Soutenance de thèse - Yann Busnel

19. Une condition suffisante • Objectif : Prévention des éléments faillibles⇒ toute trajectoire est identifiable de façon déterministe • Problème de résolution ≡ Présence d’éléments faillibles • Éléments faillibles ≡ Présence de cycles dans le GCC • Comment rendre MOTI ℙ-résoluble ? • Limiter les déplacements possibles • Limiter le nombre d’entités pouvant • Être dans le système • Se déplacer de façon concurrente à chaque temps t Soutenance de thèse - Yann Busnel

20. Résumé des théorèmes caractérisant • Caractérisation générique de mouvement infaillible • Le nombre d’entités se déplaçant de façon concurrente doit être strictement inférieur à la moitié de la longueur du cycle Soutenance de thèse - Yann Busnel

21. Résumé des théorèmes caractérisant • Caractérisation générique de mouvement infaillible • Le nombre d’entités se déplaçant de façon concurrente doit être strictement inférieur à la moitié de la longueur du cycle • Caractérisation locale d’état faillible • Tout sommet inoccupé d’un cycle est entouré de 2 occupés Soutenance de thèse - Yann Busnel

22. Résumé des théorèmes caractérisants • Caractérisation générique de mouvement infaillible • Le nombre d’entités se déplaçant de façon concurrente doit être strictement inférieur à la moitié de la longueur du cycle • Caractérisation locale d’état faillible • Tout sommet inoccupé d’un cycle est entouré de 2 occupés • Caractérisation locale de mouvement faillible • Expression formelle et locale au cycle faillible du déplacement des entités induisant une insolubilité de MOTI Soutenance de thèse - Yann Busnel

23. Algorithmes répartis • Possibilité d’établir des algorithmes de • Détection : identifier les situations faillibles • Prévention : éviter les mouvements faillibles Objectif : Supprimer l’intervention d’un observateur • Deux algorithmes de prévention proposés • Sans information topologique • Plus producteur de messages mais sans temps d’initialisation • Avec information topologique • Optimisé dans l’émission de messages mais avec détection de cycle Soutenance de thèse - Yann Busnel

24. « De la théorie à la pratique » Identification d’une problématique Modélisation du système Impossibilité Caractérisation de contraintes Formulation locale des contraintes Conception d’algorithmes répartis Soutenance de thèse - Yann Busnel

25. Réseaux de capteurs mobilesPE ≅ PP & PC Équivalence entre les protocoles épidémiques et Les protocoles de population Soutenance de thèse - Yann Busnel

26. Intuition Relation ? Protocolesde population Protocoles épidémiques Cadre formel Réseaux mobiles Cadre pratique Réseaux filaires Équivalence ? Soutenance de thèse - Yann Busnel

27. Plan de la partie • Présentation des modèles • Protocoles de population et de communauté • Protocoles épidémiques • Relier les deux mondes • Equivalences entre les modèles • Impact mutuel entre théorie et pratique Soutenance de thèse - Yann Busnel

28. Protocoles de population Idée : un ensemble d’agents anonymes interagissent deux par deux pour un calcul global Puissance du modèle : Arithmétique de Presburger a2 a1 Ordonnanceur équitable a2 a1 Soutenance de thèse - Yann Busnel

29. Protocole de population – un exemple • La fonction ou (primitive de diffusion) • une unique transition (0,1)  (1,1) 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 Soutenance de thèse - Yann Busnel

30. Protocoles de communauté • Extension du modèle des protocoles de population • Assigner un identifiant unique à chaque agent • Augmentation de l’espace des états • Chaque agent peut en mémoriser un ensemble fini • Limitation de leur utilisation à l’identification uniquement(ne peut être utilisé afin d’augmenter la mémoire d’un agent) • Augmentation forte de la puissance du modèle • De Presburger à NSPACE(n.log n) Soutenance de thèse - Yann Busnel

31. Protocoles épidémiques Analogie avec la propagation d’un virus ou rumeur Idée :Échange périodique d’informations avec d’autres 1 - SélectionPair 2 - SélectionInfo 3 - miseAJour miseAJour(Info5) 5 SélectionInfo SélectionPair SélectionInfo miseAJour(Info2) Info5 3 4 2 Info5 5 1 Info2 Info2 Soutenance de thèse - Yann Busnel

32. Similitudes Anonymat dans les protocoles épidémiques ? Échange d’informations PP : Ordonnanceur équitable PE : Service d’échantillonnage de nœuds Modèles décentralisés Interactions deux à deux Traitement des données prédéterminées Capacités finies Soutenance de thèse - Yann Busnel

33. Deux classes de protocoles épidémiques • Anonymat des nœuds possible ? • Utilisation nécessaire d’identifiants dans les 3 fonctions • PENA : Protocoles épidémiques sur nœuds anonymes • selectionInfo et miseAJour dépendent uniquement des états • selectionPairrenvoie un nœud via une sorte de boîte noire • PENI : Protocoles épidémiques sur nœuds identifiables • Nécessité d’identification (adresse, coordonnées, etc.) Soutenance de thèse - Yann Busnel

34. Classification plus fine des PE • Deux types de canaux de communication • Synchrone : • Délai de transmission des messages borné • Permet de tirer profit de la périodicité des PE • Asynchrone : • Délai de transmission fini mais non borné • Traitement des échanges par acquittement Soutenance de thèse - Yann Busnel

35. Classification fine des PE PENA : sans identifiant syncPENA ≻ asyncPENA ≺ Communications synchrones Communications asynchrones PENI : avec identifiants syncPENI asyncPENI Soutenance de thèse - Yann Busnel

36. Analogie avec les protocoles de population PENA : sans identifiant Protocoles de population syncPENA ≻ asyncPENA ≅ ≺ ≺ Interactions atomiques Communications synchrones Communications asynchrones PENI : avec identifiants Protocoles de communauté syncPENI asyncPENI ≅ ≅ Soutenance de thèse - Yann Busnel Soutenance de thèse - Yann Busnel

37. « De la théorie à la pratique » Prot. de Population Prot. Épidémiques Identification de similitudes Classifications d’ordre analogue Équivalence de classes Utilisation mutuelle Soutenance de thèse - Yann Busnel

38. Optimalité du RPS • Théorème : L’ordonnancement uniforme implique une vitesse de convergence moyenne optimale • Existence d’un Random Peer Sampling uniforme [Bortnikovet al. – Brahms – PODC 2008] • Optimalité dans le cas moyen par l’utilisation de ce service d’échantillonnage Soutenance de thèse - Yann Busnel

39. Conclusion & Perspectives Soutenance de thèse - Yann Busnel

40. Conclusion • Nécessité de conception de systèmes d’information collaboratifs et auto-organisantspour permettre le passage à l’échelle des RCsF • Permet d’obtenir des RCsF décentralisés et autonomes, où l’information est disponible partout • Une approche de « la théorie vers la pratique » • Optimalité des solutions de développement Soutenance de thèse - Yann Busnel

41. Rappel des contributions • Présentation d’une contribution dans chaque classe • RCsF statique : MOTI • RCsF mobile : équivalence entre PE et PP & PC • Autres contributions non présentées • RCsF statique : Solist • RCsF mobile : MAPP et GCP • Protocoles épidémiques : Stockage réparti de données Soutenance de thèse - Yann Busnel

42. Perspectives et questions ouvertes • Perspective globale • Contexte commun admis : existence de stations de base • Généricité sans perte d’optimalité • MOTI • Analyse de solutions probabilistes • Utilisation de protocoles épidémiques • PE ≅ PP & PC • Affinement de la classification des PE • Analyse des PE via MAPP Soutenance de thèse - Yann Busnel

43. Sélection de publications Journaux H. Weatherspoon, H. Miranda, K. Iwanicki, A. Ghodsi, and Y. Busnel. Gossiping Over Storage Systems Is Practical. ACM Operating System Review, Octobre 2007. Yann Busnel. Le modèle de pair à pair profite aux réseaux de capteurs très étendus. Interstices : Découvrir la recherche en informatique, May 2007. Yann Busnel. Système d'information pair-à-pair pour les réseaux de capteurs larges échelles. La lettre de la Fondation Michel Métivier, 5:3–5, Octobre 2006. Conférences internationales Yann Busnel, Marin Bertier, and Anne-Marie Kermarrec. SOLIST or or How To Look For a Needle in a Haystack? In the 4th IEEE InternatalConference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob'2008), Octobre 2008. Yann Busnel, Leonardo Querzoni, Roberto Baldoni, Marin Bertier, and Anne-Marie Kermarrec. On the deterministictracking of movingobjectswith a binarysensor network . In 4th IEEE International Conference on DistributedComputing in Sensor Systems (DCOSS '08), Juin 2008. Yann Busnel, Marin Bertier, Eric Fleury, and Anne-Marie Kermarrec. GCP: Gossip-based code propagation for large-scale mobile wirelesssensor network. In Autonomics 2007, First International Conference on AutonomicComputing and Communication Systems, Octobre 2007. Soutenance de thèse - Yann Busnel

44. Systèmes d’information collaboratifs et auto-organisantspour réseaux de capteurs large échelle « De la théorie à la pratique » Thèse soutenue par Yann Busnel Sous la direction de Anne-Marie Kermarrec & Marin Bertier Mardi 18 Novembre 2008

45. Classification plus fine des PE • Deux types de canaux de communication • Synchrone : • Délai de transmission des messages borné • Permet de tirer profit de la périodicité des PE • Asynchrone : • Délai de transmission fini mais non borné • Traitement des échanges par acquittement … y x Soutenance de thèse - Yann Busnel

46. Impact pour chacun des domaines • Network Slicing • Découpage du réseau en tranches homogènes • Evaluation locale de la position globale dans le système • Possibilité de modélisation par un protocole de population • Intérêt sur la preuve de la convergence de l’algorithme • Amélioration potentielle par l’utilisation d’identifiant Passage de asyncPENA à PENI Soutenance de thèse - Yann Busnel