APA Architectures Et Protocoles Auto-adaptatifs

APA est l'un des 16 axes stratégiques du LAAS pour la période 2007-2010.

Nous travaillons sur ce thème depuis 2005, qui implique de façon active 3 maîtres de conférence, 1 chercheur CNRS, 1 post doctorant et 3 doctorants.

Résumé

Contexte. Ces dernières années ont vu une modification radicale du paysage de la communication informatique : les applications distribuées dans l’Internet manipulent à présent tous les types de médias (audio, vidéo, …), et impliquent des utilisateurs interagissant en temps réel dans le cadre d’activités potentiellement complexes (travail collaboratif, …). Parallèlement, l’arrivée à maturité des technologies réseau sans fil préfigure d’une mobilité généralisée des utilisateurs dans l’Internet. Dans un futur proche, l’information devrait être diffusable beaucoup plus largement par une utilisation massive de processeurs embarqués : l’Internet sera alors extrêmement diffus, mobile et hétérogène, au moins à sa périphérie, autorisant la mise en œuvre d’activités coopératives complexes, mobiles et sans fil, telles que les opérations d’intervention d’urgence dans des environnements peu ou pas pré équipés en infrastructure réseau, typiquement mobiles, sans fil et potentiellement ad-hoc.

Objectifs scientifiques. Dans ce futur Internet ambiant, un enjeu de recherche majeur est de permettre aux applications et à leurs utilisateurs de disposer de services de communication offrant des qualités de service (QdS) de bout en bout optimales en fonction des ressources machine et réseau disponibles, dont les capacités et les performances, hétérogènes et variables, ne sont pas connues à l’avance. Pour cela, il est incontournable d’aborder la conception des protocoles de communication, et plus généralement des systèmes de communication (i.e. impliquant plusieurs niveaux de protocoles), ayant des propriétés d’auto-adaptation à la fois comportementales et architecturales, vis à vis de la dynamicité des besoins applicatifs/utilisateurs, et de la variabilité des contraintes machine et réseau.

Nos travaux ciblent plus spécifiquement l'adaptabilité des protocoles de bout en bout (niveaux Transport et au dessus) pour optimiser la qualité de service des applications coopératives, mobiles et sans fil :

les protocoles à architecture modulaire sont un support privilégié pour l’auto-adaptation que nous considérons tout particulièrement, en ciblant plus spécifiquement nos études sur les protocoles de Transport ;
une difficulté majeure est d’assurer la cohérence des choix d’adaptation à l’intérieur de chaque niveau et entre ces niveaux ; guider l’adaptation par des modèles formels (analytique et à base de graphes enrichies par des grammaires) est une approche nous étudions pour l’adaptation des protocoles de bout en bout, de niveaux Application, Middleware et Transport.

Le contexte applicatif que nous considérons actuellement est celui des opérations d'intervention d'urgence.

Mots clefs. Auto-adaptation, adaptation multi-niveaux, modèles formels, protocole auto adaptatif, qualité de service, architecture dynamique, application coopérative mobiles et sans fil, opération d'intervention d'urgence.

Cadre contractuel. Ces travaux sont supportés par une bourse DGA/CNRS et par le projet européen NETQoS.

Présentation détaillée

1. Problématique et objectifs scientifiques

L’axe stratégique APA s’inscrit dans un double contexte :

un contexte applicatif étendu, mobile et évolutif par ses cas d’applications et d’utilisation : applications de type ingénierie coopérative ou opération d’intervention d’urgence ; utilisation de différents types de terminaux et de points d’accès (filaire/sans fil), besoin en qualité de service (QdS) différents d’un cas à l’autre, besoin en sécurisation des communications, …
un contexte réseau hétérogène, ouvert et à ressources variables, interconnectant des logiciels à architectures complexes, sans contrôle du nombre de participants aux activités supportées. Les ressources correspondent aux équipements (serveurs, routeurs, ...), ainsi qu’aux liens d’interconnexion, à leurs classes de service et à leur bande passante.

La problématique générale d’APA porte sur la qualité des services de communication et de coopération, incluant la sécurisation des communications, qu’il s’agit de maintenir au plus haut degré en tenant compte d’une dynamicité du contexte à la fois au niveau utilisateur (mobile et coopérant) et au niveau du réseau (aux ressources variables).

Les objectifs scientifiques de l’axe APA concernent :

la compréhension et la modélisation des futures technologies basées sur les réseaux sans fil et ad-hoc, qui sont de plus en plus présentes dans les activités quotidiennes, et qui conditionneront le développement des futures plates-formes de communication ;
le traitement des activités de communication et de coopération à très grande échelle ; depuis sa création, le succès de l’Internet résulte de son aptitude à connecter des grands nombres d’utilisateurs et son futur sera également conditionné par cette capacité ;
l’auto-adaptabilité des systèmes de communication et de coopération, pour satisfaire les différents cas d’utilisation des futures plates-formes qui seront composées d’entités autonomes communiquant de façon spontanée et sensible au contexte de communication et de coopération.

Les enjeux scientifiques des solutions proposées couvrent la maîtrise des technologies relatives à la conception d’architectures et de protocoles pour la communication et la coopération, en tenant compte des contraintes d’adaptabilité, de configurabilité dynamique et de forte interactivité.

2. Approche et thèmes de recherche

L’approche suivie repose sur l’adaptabilité des protocoles de communication et de coopération aux contraintes des réseaux et aux exigences des applications. Elle explore en particulier l’adaptabilité des architectures intégrant les deux niveaux, en assurant le contrôle et la cohérence des solutions d’adaptabilité sur chaque niveau. L’adaptabilité implante la sensibilité au contexte : il s’agit par exemple d’adapter la distribution des composants de protocoles aux contraintes du réseau, ou d’adapter les canaux de communication à la mobilité des utilisateurs et aux changements dans l’espace de coopération. L’étude de l’adaptabilité soulève des problèmes relatifs aux contraintes d’ordre structurel (architectures et topologies) et comportemental (fonctions et protocoles).

APA approfondit quatre thèmes de recherche :

les deux premiers couvrent l’auto-adaptabilité au travers des protocoles configurables, des architectures dynamiques et des politiques de coordination associées;
les deux derniers ciblent les études sur les nouvelles technologies réseaux pour les futures applications de l’Internet multi domaines et ambiant, et sur la métrologie pour informer de la dégradation de la QdS.

Nos travaux couvrent les trois premiers thèmes.

Thème 1 : Architectures dynamiques et protocoles auto configurables

Ce thème concerne :

l’élaboration de protocoles de communication configurables dynamiquement pour offrir une QdS maximale, compatible d’une part avec la nature des informations échangées et les priorités relatives des communications, et d’autre part avec les performances du réseau ;
l’élaboration de protocoles de coopération configurables dynamiquement pour la gestion de sessions coopératives spontanées ou prédéfinies ; ceci inclut la découverte dynamique de partenaires et de services dans des architectures distribuées (peer-to-peer, web services, middleware), la gestion de sessions et de partage ;
la conception d’architectures dynamiques à la fois dans une couche de protocole, en particulier la couche Transport, et entre plusieurs couches, de façon locale ou distribuée.

Les besoins couverts par ce thème sont la gestion de l’hétérogénéité des réseaux, la gestion de l’évolution des contextes et la gestion de la mobilité au niveau applicatif et réseau

Thème 2 : Politiques de coordination pour l’adaptabilité

Ce thème cible l’élaboration de politiques d’adaptabilité pour les couches communication et coopération, selon une approche de coordination orientée modèle, le modèle de départ étant défini par des grammaires de graphes enrichies. Ces politiques sont guidées par les exigences applicatives et les contraintes du réseau, et agissent d’une part sur la (re)configuration des protocoles, et d’autre part sur la transformation d’architectures (déploiement dynamique de composants et/ou de protocoles de coopération et de communication). Les besoins couverts par ce thème sont la gestion de l’évolution des contextes et la gestion de la mobilité au niveau applicatif et réseau.

Thème 3 : Conception et émulation d’architecture multi domaines

Ce thème cible l’étude de nouvelles plates-formes réseau, sous jacentes aux futures applications de la communication et de la coopération ambiantes. Deux directions principales sont explorées, les réseaux sans fil et la signalisation en environnement multi réseaux :

pour les réseaux sans fil, il s’agit particulièrement d’étudier la connectivité, l’évaluation des performances et la continuité de la QdS au sein de ces réseaux ; des solutions seront élaborées à l’échelle du réseau isolé puis connecté à l’Internet ;
pour la signalisation, l’étude porte sur l’élaboration de protocoles pour la réservation de ressources en environnement sans fil et multi-réseaux. Ces protocoles doivent être indépendants des politiques de gestion de la QdS au sein de chaque réseau et doivent pouvoir être interfacés avec tout type de signalisation applicative.

Les besoins couverts par cette partie sont la gestion de l’hétérogénéité des réseaux, la gestion de l’évolution des contextes et la gestion de la mobilité au niveau applicatif et réseau.

Thème 4 : Métrologie de la QdS

Ce thème cible la mesure de la dynamicité des ressources, en supervisant l’état du réseau et de son trafic dans le but de détecter et de prévenir des dégradations de la QdS. Ces informations constituent un point d’entrée nécessaire à la mise en œuvre des politiques de coordination. Des techniques d’échantillonnage spatio-temporel, et d’agrégation et de distribution d’informations sont nécessaires. Elles permettent d’abord de superviser le réseau en certains points uniquement et pendant un temps réduit, et ensuite leur interprétation et leur analyse par différentes entités. Les besoins couverts par ce thème sont la gestion de l’hétérogénéité des réseaux, la gestion de l’évolution des contextes et la métrologie du réseau.

3. Positionnement

La communication et la coopération en environnement ambiant sont des domaines d’investigation récents et nécessitent des compétences à la fois en ingénierie des protocoles, en réseau, en métrologie et en technologie logicielle. Les défis à relever portent sur la conception de systèmes communicants coopératifs, sur les technologies réseaux sous-jacentes et sur leurs applications.

Différentes initiatives, projets et groupes de travail adressent tout ou partie de ces défis, parmi lesquels les initiatives Wireless-World Initiative (WWI) et Internet 2, le projet américain OXYGEN du MIT, les projets européens EuQoS, WS-Diamond, CONTEXT, End-to-End Reconfigurability (E2R), Winner, et Ambiants Networks, ou encore les organismes de standardisation, en particulier l’IETF, au travers des groupes AVT, SCTP, DCCP, NSIS, MSEC.

Au niveau national, le pôle ResCom du GDR Architectures, Systèmes et Réseaux (ARS) a pour objectif général, dans cet horizon, de fédérer des thématiques de recherche en particulier liées aux aspects algorithmiques et structurels, aux outils de modélisation et d'évaluation de performance et aux aspects protocolaires. On peut également citer les projets nationaux ARES de l’INRIA, Metropolis et Safecast (RNRT).

Au LAAS, le groupe OLC a une forte expérience dans la conception formelle de protocoles, dans la réalisation d’une couche Transport étendue, et dans les architectures de communication et de coopération. Il vise à contribuer à ce que le LAAS soit un pilote dans le domaine des réseaux de communication et de ses applications aux activités de communication et de coopération pour l’intelligence ambiante.

4. Contexte stratégique

Au niveau européen, le contexte stratégique se situe au niveau de plusieurs programmes du 6ème PCRD, qui couvrent :

les plates-formes des réseaux de la recherche (research networking testbeds) ;
les logiciels et les services (software and services) ;
les environnements de travail collaboratifs (collaborative working environments) ;
la simulation de propriétés émergentes dans les systèmes complexes (simulating emergent properties in complex Systems) ;
la communication, le calcul et les technologies logicielles (communication, computing and software technologies).

Au niveau national, le contexte stratégique se situe :

d’une part au niveau du pôle de compétitivité Aéronautique, Espace et Systèmes Embarqués ;
d’autre part au niveau des projets RNRT et ARA de l’Agence Nationale de la Recherche, dont les thèmes portent respectivement sur : la sécurité, la mobuilité, les systèmes embarqués et l’intelligence ambiante.