Optimized traffic scheduling and routing in smart home networks

Ben Attia, Maroua (2019). Optimized traffic scheduling and routing in smart home networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Home networks are evolving rapidly to include heterogeneous physical access and a large number of smart devices that generate different types of traffic with different distributions and different Quality of Service (QoS) requirements. Due to their particular architectures, which are very dense and very dynamic, the traditional one-pair-node shortest path solution is no longer efficient to handle inter-smart home networks (inter-SHNs) routing constraints such as delay, packet loss, and bandwidth in all-pair node heterogenous links. In addition, Current QoS-aware scheduling methods consider only the conventional priority metrics based on the IP Type of Service (ToS) field to make decisions for bandwidth allocation. Such priority based scheduling methods are not optimal to provide both QoS and Quality of Experience (QoE), especially for smart home applications, since higher priority traffic does not necessarily require higher stringent delay than lower-priority traffic. Moreover, current QoS-aware scheduling methods in the intra-smart home network (intra-SHN) do not consider concurrent traffic caused by the fluctuation of intra-SH network traffic distributions. Thus, the goal of this dissertation is to build an efficient heterogenous multi-constrained routing mechanism and an optimized traffic scheduling tool in order to maintain a cost-effective communication between all wired-wireless connected devices in inter-SHNs and to effectively process concurrent and non-concurrent traffic in intra-SHN. This will help Internet service providers (ISPs) and home user to enhance the overall QoS and QoE of their applications while maintaining a relevant communication in both inter-SHNs and intra-SHN.

In order to meet this goal, three key issues are required to be addressed in our framework and are summarized as follows: i) how to build a cost-effective routing mechanism in heterogonous inter-SHNs ? ii) how to efficiently schedule the multi-sourced intra-SHN traffic based on both QoS and QoE ? and iii) how to design an optimized queuing model for intra-SHN concurrent traffics while considering their QoS requirements?

As part of our contributions to solve the first problem highlighted above, we present an analytical framework for dynamically optimizing data flows in inter-SHNs using Software-defined networking (SDN). We formulate a QoS-based routing optimization problem as a constrained shortest path problem and then propose an optimized solution (QASDN) to determine minimal cost between all pairs of nodes in the network taking into account the different types of physical accesses and the network utilization patterns.

To address the second issue and to solve the gaps between QoS and QoE, we propose a new queuing model for QoS-level Pair traffic with mixed arrival distributions in Smart Home network (QP-SH) to make a dynamic QoS-aware scheduling decision meeting delay requirements of all traffic while preserving their degrees of criticality. A new metric combining the ToS field and the maximum number of packets that can be processed by the system's service during the maximum required delay, is defined.

Finally, as part of our contribution to address the third issue, we present an analytic model for a QoS-aware scheduling optimization of concurrent intra-SHN traffics with mixed arrival distributions and using probabilistic queuing disciplines. We formulate a hybrid QoS-aware scheduling problem for concurrent traffics in intra-SHN, propose an innovative queuing model (QC-SH) based on the auction economic model of game theory to provide a fair multiple access over different communication channels/ports, and design an applicable model to implement auction game on both sides; traffic sources and the home gateway, without changing the structure of the IEEE 802.11 standard. The results of our work offer SHNs more effective data transfer between all heterogenous connected devices with optimal resource utilization, a dynamic QoS/QoE-aware traffic processing in SHN as well as an innovative model for optimizing concurrent SHN traffic scheduling with enhanced fairness strategy. Numerical results show an improvement up to 90% for network resource utilization, 77% for bandwidth, 40% for scheduling with QoS and QoE and 57% for concurrent traffic scheduling delay using our proposed solutions compared with Traditional methods.

Titre traduit

Ordonnancement et routage optimisés du trafic dans les réseaux de la maison intelligente

Résumé traduit

Les réseaux de la maison évoluent rapidement pour inclure un accès physique hétérogène et un grand nombre de périphériques intelligents générant différents types de trafic avec des distributions différentes et des exigences en qualité de service (QoS) différentes. En raison de leurs architectures particulières, très denses et très dynamiques la solution traditionnelle du plus court chemin pour une seul paire de noeuds du réseau n’est plus efficace pour gérer les contraintes de routage entre les réseaux des maisons intelligentes (inter-SHNs) telles que le délai, la perte de paquets et la bande passante dans le réseau hétérogène et entre toutes les paires du noeuds. En outre, les méthodes d’ordonnancement basées sur la qualité de service actuelle prennent en compte uniquement les métriques de priorité conventionnelles basées sur le champ Type de service (ToS) de IP pour prendre des décisions relatives à l’allocation de la bande passante. Ces méthodes d’ordonnancement basées sur les priorités ne sont pas optimales pour fournir à la fois la qualité de service et la qualité d’expérience, en particulier pour les applications de la maison intelligente, car le trafic à priorité élevée ne nécessite pas nécessairement un délai plus strict que le trafic à priorité plus basse. De plus, la fluctuation des distributions de trafic réseau entraîne des trafics concurrents et les méthodes d’ordonnancement actuelles basées sur la qualité de service dans les réseaux de maison intelligente (intra-SHN) ne prennent pas en compte le trafic concurrent dans leurs solutions. Ainsi, le but de cette thèse est de construire un mécanisme de routage efficace, hétérogène et multi-contraintes et un outil d’ordonnancement du trafic optimisé afin de maintenir une communication efficace et à moindre coût entre tous les appareils filaires-sans fil connectés au réseaux des maisons intelligentes et pour traiter efficacement le trafic concurrent et non-concurrent dans SHN. Cela aidera les fournisseurs de services Internet (ISP) et les utilisateurs à domicile à améliorer la QoS et la QoE de leurs applications tout en maintenant une communication pertinente dans inter-SHN et intra-SHN.

Pour atteindre cet objectif, notre cadre de travail doit traiter trois questions clés, qui sont résumées comme suit: i) comment créer un mécanisme de routage à un coût optimal dans les inter-SHNs hétérogènes ? ii) comment ordonnancer efficacement le trafic multi-sources dans intra-SHN basé sur QoS et QoE ? et iii) comment concevoir un modèle de file d’attente optimisé pour les trafics concurrents dans intra-SHN tout en tenant en compte leurs exigences en matière de QoS?

Dans le cadre de nos contributions pour résoudre le premier problème souligné ci-dessus, nous présentons un cadre analytique permettant d’optimiser de manière dynamique les flux de données entre les réseaux des maisons à l’aide d’un réseau défini par logiciel (SDN). Nous formulons un problème d’optimisation de routage basé sur la qualité de service en tant que problème de chemin le plus court sous contraintes, puis proposons une solution optimisée (QASDN) pour déterminer le coût minimal entre toutes les paires de noeuds du réseau, en tenant compte des différents types d’accès physiques et des modèles d’utilisation du réseau.

Pour résoudre le deuxième problème et résoudre les écarts entre QoS et QoE, nous proposons un nouveau modèle de mise en file d’attente pour le trafic de paire de QoS avec des distributions d’arrivées mixtes dans le réseau de la maison intelligente (QP-SH) pour prendre une décision d’ordonnancement dynamique qui considère la QoS et répond aux exigences de délai de tout le trafic tout en préservant leur nature cruciale. Une nouvelle métrique combinant le champ ToS et le nombre maximal de paquets pouvant être traités par le system pendant le délai maximal requis, est définie.

Enfin, dans le cadre de notre contribution au troisième problème, nous présentons un modèle analytique pour une optimisation de l’ordonnancement prenant en compte la qualité de service des trafics concurrents de réseau de la maison intelligente avec des distributions d’arrivée mixtes et en utilisant des disciplines probabilistes de la file d’attente. Nous formulons un problème d’ordonnancement hybride prenant en compte la qualité de service pour les trafics concurrents dans le réseau de la maison intelligente, proposons un modèle de file d’attente innovant (QC-SH) basé sur le modèle économique de la vente aux enchères de la théorie des jeux pour fournir un accès multiple équitable sur différents canaux/ports de communication, et concevoir un modèle applicable pour mettre en oeuvre le jeu de vente aux enchères dans les deux côtés; les sources de trafic et la passerelle domestique, sans modifier la structure de la norme IEEE 802.11.

Les résultats de notre travail offrent aux inter-SHNs et aux intra-SHNs un transfert de données plus efficace entre tous les périphériques connectés au réseau hétérogène avec une utilisation optimale des ressources, un traitement dynamique du trafic basé sur QoS/QoE dans SHN ainsi qu’un modèle innovant pour optimiser l’ordonnancement du trafic concurrent de la SHN avec une stratégie d’équité améliorée. Les résultats numériques montrent une amélioration jusqu’à 90% pour l’utilisation des ressources du réseau, 77% pour la bande passante, 40% pour l’ordonnancement avec QoS et QoE et 57% pour le délai d’ordonnancement du trafic concurrents en utilisant nos solutions proposées par rapport aux méthodes traditionnelles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 149-160).
Mots-clés libres:	maison intelligente, qualité de services dynamique, optimisation de routage, SDN, qualité d’expérience, optimisation d’ordonnancement du trafic, trafic concurrent, théorie des jeux
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cheriet, Mohamed
Codirecteur:	Codirecteur Nguyen, Kim Khoa
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 mars 2020 14:33
Dernière modification:	10 mars 2020 14:33
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2466

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