Tesis sobre el tema "Mécanismes de consensus distribués"

Avec l’arrivée massive des technologies sans fil, le nombre de terminaux mobiles n’a cessé de croître, pour des usages et des ressources de communication diversifiés. En intégrant les objets du quotidien, nos réseaux de communications sont devenus dynamiques aussi bien en termes de ressources que de topologie physique, offrant accès à des informations de plus en plus riches. La tâche de gestion s’est ainsi complexifiée et requiert des temps de réponse de plus en plus courts difficilement réalisables par un administrateur humain. Il devient indispensable de mettre en œuvre des capacités de gestion autonomes pour les nouveaux réseaux. Dans tous les cas, la gestion d’un système implique une étape essentielle : sa mesure et sa supervision. Peu importe sa nature, c’est cette étape de prise d’information qui permet sa caractérisation, son analyse et son contrôle. Le domaine des réseaux n’échappe pas à cette règle et les objets qui le composent auront besoin d’acquérir des informations sur leur environnement pour mieux s’y adapter. Dans cette thèse, nous nous intéressons au partage efficace de ces informations de mesures à des fins d’auto-analyse et d’évaluation distribuée de la performance. Après avoir formalisé le problème de la mesure distribuée, nous nous consacrons dans un premier temps à l’organisation des échanges de mesures dans les graphes dynamiques. Nous proposons une nouvelle heuristique pour le consensus de la moyenne qui converge plus rapidement que celles de l’état de l’art. Dans un second temps, nous considérons des topologies plus stables pouvant utiliser des flux TCP comme moyen d’échange. Nous proposons un mécanisme d’ordonnancement de ces flux qui conserve le même comportement face à la congestion, tout en réduisant leur latence moyenne. Enfin, nous nous intéressons à l’information de mesure échangée. Nous montrons comment les nœuds peuvent superviser diverses métriques telles que la performance d’un système en se basant sur l’utilité de ses agents, et proposons une méthode pour qu’ils puissent analyser l’évolution de cette performance
With the massive rise of wireless technologies, the number of mobile stations is constantly growing. Both their uses and their communication resources are diversified. By integrating our daily life objects, our communication networks become dynamic in terms of physical topology but also in term of resources. Furthermore, they give access to a richer information. As a result, the management task has become complex and requires shorter response time that a human administrator can not respect. It becomes necessary to develop an autonomic management behavior in next generation networks. In any manner, managing a system requires essential steps which are : its measurement and its supervision. Whatever the nature of a system, this stage of information gathering, allows its characterization and its control. The field of networks is not the exception to the rule and objects that compose them will need to acquire information on their environment for a better adaptation. In this thesis, we focus on the efficient sharing of this information, for self-analysis and distributed performance evaluation purposes. After having formalized the problem of the distributed measurement, we address in a first part the fusion and the diffusion of measures in dynamic graphs. We develop a new heuristic for the average consensus problem offering a better contraction rate than the ones of the state of the art. In a second part, we consider more stable topologies where TCP is used to convey measures. We offer a scheduling mechanism for TCP flows that guaranty the same impact on the network congestion, while reducing the average latency. Finally, we show how nodes can supervise various metrics such as the system performance based on their utilities and suggest a method to allow them to analyze the evolution of this performance

Cette thèse de doctorat se compose de 6 chapitres. Dans le premier chapitre, en guise d'introduction, nous donnons un aperçu des objectifs généraux et des motivations des réseaux décentralisés et permissionless, ainsi que des obstacles auxquels ils sont confrontés. Dans l'introduction, nous évoquons également la solution irrationnelle et illogique, connue sous le nom de « blockchain permissioned », qui a été proposée pour améliorer les performances des réseaux similaires à Bitcoin. Cette question a été détaillée au chapitre 5. Dans le chapitre 2, nous rendons clairs et intelligibles les systèmes que l'idée proposée, « Parallel Committees », est basée sur de tels réseaux. Nous détaillons les fonctionnalités indispensables et les défis essentiels des systèmes de réplication. Ensuite, dans le chapitre 3, nous discutons des limitations de scalabilité et du faible débit des systèmes de réplication qui utilisent des mécanismes de consensus pour traiter les transactions et comment ces problèmes peuvent être améliorés en utilisant des techniques de sharding. Nous décrivons les défis les plus importants dans le sharding des systèmes de réplication distribuée, une approche qui a déjà été mise en œuvre dans plusieurs systèmes de réplication basés sur la blockchain et, bien qu'elle ait montré un potentiel significatif pour améliorer les performances et la scalabilité, les techniques de sharding actuelles ont encore des limitations de scalabilité et des défis de sécurité. Nous expliquons pourquoi la plupart des protocoles de sharding actuels utilisent une approche d'allocation aléatoire pour distribuer les nœuds entre les shards pour des raisons de sécurité. Nous décrivons également comment traiter une transaction dans un système de réplication partitionné basé sur les protocoles de sharding actuels. Nous expliquons comment un « shared-ledger » partagé sur les shards impose des limitations de scalabilité et des défis de sécurité au réseau, et expliquons pourquoi les transactions « cross-shards » ou « inter-shards » sont indésirables et plus coûteuses en raison des problèmes qu'elles causent, y compris « atomicity failure » et les défis de « state transition », ainsi qu'une passe en revue des solutions proposées. Nous passons également en revue certains des travaux récents les plus remarquables qui utilisent des techniques de sharding pour les systèmes de réplication. Cette partie de l'ouvrage a été publiée sous la forme d'un chapitre de livre (peer-reviewed) in « Building Cybersecurity Applications with Blockchain Technology and Smart Contracts » (Springer, 2023). Dans le chapitre 4, nous proposons une nouvelle technique de sharding, « Parallel Committees », prenant en charge à la fois le « processing-sharding » et le « storage/state sharding », pour améliorer la scalabilité et les performances des systèmes de réplication distribués qui utilisent des mécanismes de consensus pour traiter les demandes des clients (client requests). Nous introduisons une approche innovante et originale pour répartir les nœuds entre les shards à l'aide d'un processus de génération de clé publique qui atténue simultanément l'attaque Sybil et sert de mécanisme de preuve de travail (proof-of-work). Notre approche réduit efficacement les transactions « inter-shards » indésirables, qui sont plus complexes et coûteuses à traiter que les transactions « intra-shards ». L'idée proposée a été publiée dans la conférence IEEE BCCA 2023. Nous expliquons ensuite pourquoi nous n'utilisons pas la structure de la blockchain dans l'idée proposée, un sujet abordé en détail au chapitre 5. Cette explication et clarification a été publiée dans le Journal of Software (JSW), Volume 16, Number 3, May 2021. Et dans le dernier chapitre de cette thèse, le chapitre 6, nous résumons les points importants et les conclusions de cette recherche
This PhD thesis consists of 6 Chapters. In the first Chapter, as an introduction, we provide an overview of the general goals and motives of decentralized and permissionless networks, as well as the obstacles they face. In the introduction, we also refer to the irrational and illogical solution, known as "permissioned blockchain" that has been proposed to improve the performance of networks similar to Bitcoin. This matter has been detailed in Chapter 5. In Chapter 2, we make clear and intelligible the systems that the proposed idea, Parallel Committees, is based on such networks. We detail the indispensable features and essential challenges in replication systems. Then in Chapter 3, we discuss in detail the low performance and scalability limitations of replication systems that use consensus mechanisms to process transactions, and how these issues can be improved using the sharding technique. We describe the most important challenges in the sharding of distributed replication systems, an approach that has already been implemented in several blockchain-based replication systems and although it has shown remarkable potential to improve performance and scalability, yet current sharding techniques have several significant scalability and security issues. We explain why most current sharding protocols use a random assignment approach for allocating and distributing nodes between shards due to security reasons. We also detail how a transaction is processed in a sharded replication system, based on current sharding protocols. We describe how a shared-ledger across shards imposes additional scalability limitations and security issues on the network and explain why cross-shard or inter-shard transactions are undesirable and more costly, due to the problems they cause, including atomicity failure and state transition challenges, along with a review of proposed solutions. We also review some of the most considerable recent works that utilize sharding techniques for replication systems. This part of the work has been published as a peer-reviewed book chapter in "Building Cybersecurity Applications with Blockchain Technology and Smart Contracts" (Springer, 2023). In Chapter 4, we propose a novel sharding technique, Parallel Committees, supporting both processing and storage/state sharding, to improve the scalability and performance of distributed replication systems that use a consensus to process clients' requests. We introduce an innovative and novel approach of distributing nodes between shards, using a public key generation process that simultaneously mitigates Sybil attack and serves as a proof-of-work mechanism. Our approach effectively reduces undesirable cross-shard transactions that are more complex and costly to process than intra-shard transactions. The proposed idea has been published as peer-reviewed conference proceedings in the IEEE BCCA 2023. We then explain why we do not make use of a blockchain structure in the proposed idea, an issue that is discussed in great detail in Chapter 5. This clarification has been published in the Journal of Software (JSW), Volume 16, Number 3, May 2021. And, in the final Chapter of this thesis, Chapter 6, we summarize the important points and conclusions of this research

Cette thèse s'inscrit dans le domaine des neurosciences computationnelles dont le but est de modéliser des fonctions cognitives complexes par le biais de simulations informatiques et numériques en s'inspirant du fonctionnement cérébral. Les modèles et simulations proposées reposent sur le paradigme des champs neuronaux, que nous exploitons pour étudier dans quelle mesure des capacités cognitives complexes peuvent être le résultat émergeant de l'interaction de cellules élémentaires simples.

Nous nous intéressons dans cette thèse à la modélisation de l'attention visuelle, avec ou sans mouvement oculaire. Pour guider le développement de nos modèles, nous proposons dans une première partie une revue de données psychologiques et physiologiques sur l'attention visuelle avant de proposer un modèle computationnel de l'attention visuelle sans saccade oculaire. Puis, nous nous intéressons dans une seconde partie à la manière dont on peut intégrer les saccades oculaires dans nos modèles en s'inspirant des données anatomiques et physiologiques sur le contrôle des saccades oculaires chez le primate. Les performances des différents mécanismes proposés sont évalués en simulation en les appliquant à des tâches de recherche visuelle.

Nos travaux de thèse permettent également d'étudier un paradigme de calcul original qui repose sur des calculs distribués, asynchrones, numériques et adaptatifs qui permettent d'envisager le déploiement des mécanismes proposés dans ce cadre sur des supports de calculs parallèles.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine des neurosciences computationnelles dont le but est de modéliser des fonctions cognitives complexes par le biais de simu¬lations informatiques et numériques en s’inspirant du fonctionnement cérébral. Les modèles et simulations proposées reposent sur le paradigme des champs neuronaux, que nous exploitons pour étudier dans quelle mesure des capacités cognitives complexes peuvent être le résultat émergeant de l’interaction de cel¬lules élémentaires simples. Nous nous intéressons dans cette thèse à la modélisation de l’attention vi-suelle, avec ou sans mouvement oculaire. Pour guider le développement de nos modèles, nous proposons dans une première partie une revue de données psychologiques et physiologiques sur l’attention visuelle avant de proposer un modèle computationnel de l’attention visuelle sans saccade oculaire. Puis, nous nous intéressons dans une seconde partie à la manière dont on peut intégrer les saccades oculaires dans nos modèles en s’inspirant des données anatomiques et physiologiques sur le contrôle des saccades oculaires chez le primate. Les per¬formances des différents mécanismes proposés sont évalués en simulation en les appliquant à des tâches de recherche visuelle. Nos travaux de thèse permettent également d’étudier un paradigme de calcul original qui repose sur des calculs locaux, numériques, distribués et adaptatifs qui permettent d’envisager le déploiement des mécanismes proposés dans ce cadre sur des supports de calculs parallèles
This thesis belongs to the computational neuroscience domain in which we aim at understanding complex cognitive functions with computer simulations built on the current knowledge of the brain. The proposed models and simula¬tions are built on the paradigm of dynamic neural ?elds, that we use in order to study in which way complex congitive capabilities can be the emergent result of the interaction of elementary units. In this thesis, we are interested in the modelisation of visual attention, with and without eye movements. To guide the development of these models, we propose in the ?rst part a review of the current psychological and physiologi¬cal data on visual attention, before proposing a computational model of visual attention without saccadic eye movement. Then, we study in the second part the way we can integrate saccadic eye movements in our models based on the current anatomical and physiological data on the oculomotor control in the pri-mate. The performances of the different proposed mechanisms are evaluated by simulating visual search tasks with saccadic eye movements. This work also makes us able to study a computational paradigm that relies on distributed, asynchronous, numerical and adaptive computation which per¬mits to consider further developments of the proposed mechanisms on parallel architectures

L'informatique moderne est distribuée. La distribution du calcul résulte parfois d'un besoin applicatif lorsque l'objectif est de connecter des ordinateurs distants. Parfois, elle naît du besoin de tolérer des défaillances. En effet, pour éviter qu'une application ne soit à la merci de la défaillance d'une machine, le calcul est dupliqué sur plusieurs machines. Au coeur de tout calcul réparti repose une forme de coordination. Le fait même que des ordinateurs aient une tâche commune implique un besoin de se concerter avant d'accomplir certaines tâches. Nous étudions les problèmes de coordination dans le modèle asynchrone, sans hypothèses sur des bornes de vitesse d'exécution des processeurs ou de transmission des messages. Les processus peuvent défaillir à n'importe quel moment. Le degré de coordination qui peut être atteint en fonction du degré d'incertitude du système est la question principale de cette thèse. Trois formes de coordination sont considérées : l'accord ensembliste, le renommage et le consensus simultané. Dans un premier temps, nous proposons différentes réductions algorithmiques entre ces problèmes, afin de prouver dans quelles conditions une solution à l'un de ces problèmes permet d'obtenir une solution à un autre problème. Nous étudions ensuite des hypothèses nécessaires et suffisantes sur la détection de défaillances permettant de résoudre les problèmes d'accord. Le formalisme utilisé ici est celui des détecteurs de défaillances. Enfin, nous proposons un autre point de vue sur les détecteur de défaillances. Nous caractérisons la puissance de calcul amenée par ces détecteurs par une restriction des exécutions du modèle itéré de Gafni.

Cette thèse est consacrée à l'étude des processus stochastiques décentralisés. Parmi les exemples typiques de ces processus figurent la dynamique météorologique, la circulation automobile, la façon dont nous rencontrons nos amis, etc. Dans cette thèse, nous exploitons une large palette d'outils probabilistes permettant d'analyser des chaînes de Markov afin d'étudier un large éventail de ces processus distribués : modèle des feux de forêt (réseaux sociaux), balls-into-bins avec suppression, et des dynamiques et protocoles de consensus fondamentaux tels que Voter Model, 2-Choices, et 3-Majority
This thesis is devoted to the study of stochastic decentralized processes. Typical examples in the real world include the dynamics of weather and temperature, of traffic, the way we meet our friends, etc. We take the rich tool set from probability theoryfor the analysis of Markov Chains and employ it to study a wide range of such distributed processes: Forest Fire Model (social networks), Balls-into-Bins with Deleting Bins, and fundamental consensus dynamics and protocols such as the Voter Model, 2-Choices, and 3-Majority

À l'interface entre informatique distribuée et en génie logiciel, nous présentons trois contributions liées aux problématiques de réutilisation du logiciel dans trois cas représentatifs de systèmes distribués grande échelle: les réseaux logiques pair-à-pair, les protocoles épidémiques, et les intergiciels de grille. Les travaux que nous présentons portent sur trois problématiques différentes mais néanmoins liées de ces systèmes: la tolérance aux pannes modulaire (dans les réseaux pair-à-pair), la programmabilité des systèmes à composants (dans les protocoles épidémiques), et l'analyse interactive de performances (dans les intergiciels de grille). Le message qui se dégage de nos travaux est double. Nos contributions démontrent tout d'abord en termes concrets l'intérêt d'abstractions logicielles réutilisables pour les systèmes distribués grande échelle. Nos travaux illustrent par ailleurs la tension inhérente entre réutilisation et complexité logicielle dans les plates-formes distribuées modernes. Notre travail sur les protocoles épidémiques montre par exemple comment une approche de développement par composants peut être combinée à un langage métier dédié pour une plus grande programmabilité. De même notre analyse d'un intergiciel de grille (Globus) illustre clairement les difficultés introduites par la réutilisation logicielle dans les plates-formes distribuées d'aujourd'hui, et comment ces difficultés peuvent être abordées dans le cas du diagnostic en combinant des principes de rétro-conception architecturale avec une analyse dynamique de performances.

Présentation d'un cadre général pour l'étude et l'analyse des algorithmes répartis et résolution de plusieurs problèmes de fond relatifs à la complexité dans les systèmes répartis. Développement de divers outils d'analyse en moyenne de la complexite en messages de protocoles généraux à consensus. Résolution par l'analyse mathématique d'un problème ouvert sur les performances comparées des anneaux uni et bidirectionnels pour la complexité en moyenne en messages d'algorithmes d'élection déterministes. Un algorithme probabiliste de construction d'un arbre couvrant sur un système distribué anonyme et quelconque est développé. Deux théorèmes sont proposés qui bornent la faille des messages en fonction de la complexite en messages des algorithmes distribués asynchrones du point de vue de la quantité d'information.

L’avènement de composants électroniques compacts et bon marché présage d’une diversification rapide d’applications dans lesquelles des agents autonomes en réseau travaillent à réaliser un objectif commun. Ces tâches complexes, en dépit de leur diversité, dépendent de la maîtrise d’un petit nombre de primitives de coordination, dont l’implémentation programmatique par des agents à faible puissance et capacité calculatoire constitue l’un des enjeux majeurs du développement de telles applications réparties. Parmi ces dernières, citons par exemple la coordination du mouvement de réseaux mobiles et véhiculaires, l’aggrégation et le traitement distribué de mesures relevées par des réseaux de capteurs, et le a répartition de charge en temps réel au sein d’un réseau fournissant un service à grande échelle. L’implémentation distribuée de telles primitives se doit de répondre à différentes contraintes, qui ne résultent pas toutes de la nature numérique des entités constitutives du réseau ; en conséquence, l’étude théorique de ces primitives s’applique à la modélisation de comportements complexes de systèmes étudiés par les sciences naturelles, tels que les mouvements collectifs animaliers ou le système nerveux.Cette monographie traite spécifiquement d’algorithmes distribués qui réalisent le calcul asymptotique de la moyenne de valeurs initialement détenues par les agents d’un réseau dont les liens de communication sont amenés à changer au cours du temps, ceci en l’absence de coordination centralisée. Ces algorithmes doivent être implémentables localement, en n’exploitant que l’information qui peut être collectée par les agents lors de leurs interactions sur le réseau, et en l’absence de mécanisme particulier pour marquer le départ, tel qu’un signal global ou un agent initiateur.Nous développons des algorithmes qui réalisent un tel consensus de moyenne sur des réseaux dynamiques présentant certaines propriétés locales. Ces algorithmes sont simples à décrire, légers à implémenter, et opèrent en temps polynomial en le nombre d’agents.Sur des réseaux présentant des interactions bidirectionnelles, nous fournissons un algorithme déterministe qui réalise le calcul asymptotique de la moyenne dès lors que le réseau ne se sépare jamais de façon permanente. Pour le cas plus général d’interactions asymétriques, nous présentons un algorithme Monte Carlo stabilisant qui est efficace en termes de complexité spatiale et opère en temps linéaire. Ce dernier algorithme admet une extension dont les exécutions terminent en tolérant un départ asynchrone des agents. Nos algorithmes sont à considérer en regard de résultats et de méthodes qui reposent sur une information globale fournie externalement aux agents, sur des hypothèses de brisure initiale de symétrie, ou qui exploitent une topologie particulière et ne se généralisent pas à des réseaux quelconques. Dans ce contexte, nous contribuons des algorithmes dont les conditions de validité sont purement locales dans le temps et l’espace : pour le modèle d’interactions bidirectionnelles, nous montrons que le calcul asymptotique de la moyenne est réalisable par des agents déterministes, là où pour le modèle général nous fournissons des algorithmes randomisés dont les performances asymptotiques sont bien meilleures que celles de protocoles à information complète et robustes aux départs asynchrones.Par-delà l’intérêt immédiat à l’obtention d’algorithmes efficaces implémentables, notre étude s’inscrit dans un effort de cartographie des limites que la localité des interactions impose aux applications réparties
Compact and cheap electronic components announce the near-future development of applications in which networked systems of autonomous agents are made to carry over complex tasks. These, in turn, depend on a small number of coordination primitives, which need to be programmatically implemented into potentially low-powered, and computationally limited, agents.Such applications include for example the coordination of the collective motion of mobile and vehicular networks, the distributed aggregation and processing of data measured locally in sensor networks, and the on-line repartition of processing load in the computer farms powering wide-scale services. As they address constraints that are not specific to the digital nature of the network such primitives also serve to model complex behavior of natural systems, such as flocks and neural networks.This monograph focuses on providing distributed algorithms that asymptotically compute the average of initial values, initially present at each agent of a networked system with time-varying communication links and in the absence of centralized control. Additionally, we consider the weaker problem of getting the agents to asymptotically agree on any value within the initial bounds. We focus on locally implementable algorithms, which leverage no information beyond what the agents can acquire by themselves, and which need no bootstrapping mechanism like a global start signal or a leader agent.We provide distributed average consensus algorithms that operate over dynamic networks given different local assumptions. These algorithms are computationally simple and operate in polynomial time in the number of agents.For bidirectional communications, we give a deterministic algorithm which asymptotically computes the average as long as the network never becomes permanently disconnected. For the general case of asymmetric communications, we provide a stabilizing Monte Carlo algorithm that is efficient in bandwidth and memory and operates in linear time, along with an extension by which the algorithm can be made to uniformly terminate over any connected network in which agents may start asynchronously.This contrasts with a plethora of results and techniques in which agents are provided external information – the size of the system, a bound over their degree, – helped with exogenous symmetry breaking – a leader agent, unique identifiers, – or where the network is expected to conform to a specific shape – a ring, a a complete network, a regular graph. Indeed, because very different networks may look alike to the agents, they are limited in what they can learn locally, and many functions are impossible to compute in a fully distributed manner without assuming some structure in the network or additional symmetry-breaking device. Given these stringent constraints, our contribution is to offer algorithms whose validity depends uniquely on local and instantaneous conditions. In the bidirectional model, we show that anonymous deterministic agents can asymptotically compute the average in polynomial time. For the general model of directed interactions, we allow agents to consult random oracles. Under those conditions, full information protocols are capable of solving any problem, and so we focus on the spatial complexity and tolerance to a lack of initial coordination in the agents, while offering stronger termination guarantees than in the bidirectional case. Beyond the fact that locally implementable algorithms are eminently desirable, our study contributes to mapping the limits that local interactions impose on networks

Le but de cette thèse concernait l'application des problèmes d'accord au domaine de la tolérance aux défaillances dans les systèmes distribués asynchrones. Pour cela, nous avons tout d'abord exploré de nombreuses voies théoriques concernant le plus fondamental des problèmes d'accord, à savoir le problème du consensus. Cela nous a permis d'établir une hiérarchie des problèmes distribués reposant sur la difficulté à les résoudre en présence de pannes. Puis nous avons mis au point un algorithme probabiliste et général pour le problème du consensus. Cela nous a permis de concevoir une plateforme de tolérance aux défaillances reposant sur deux librairies. D'une part une librairie appelée Eva et conçu de façon à faciliter le développement d'applications distribuées, et d'autre part une librairie appelée Adam reposant sur la première librairie et qui fournit un ensemble de fonctionnalités pour la mise au point de services dupliqués et tolérants les pannes.

Les algorithmes distribués de consensus sont des algorithmes itératifs de faible complexité où les nœuds de capteurs voisins interagissent les uns avec les autres pour parvenir à un accord commun sans unité coordinatrice. Comme les nœuds dans un réseau de capteurs sans fil ont une puissance de calcul et une batterie limitées, ces algorithmes distribués doivent parvenir à un consensus en peu de temps et avec peu d’échange de messages. La première partie de cette thèse s’est basée sur l’étude et la comparaison des différents algorithmes de consensus en mode synchrone et asynchrone en termes de vitesse de convergence et taux de communications. La seconde partie de nos travaux concerne l’application de ces algorithmes de consensus au problème de la détection de trous de couverture dans les réseaux de capteurs sans fil.Ce problème de couverture fournit aussi le contexte de la suite de nos travaux. Il se décrit comme étant la façon dont une région d’intérêt est surveillée par des capteurs. Différentes approches géométriques ont été proposées mais elles sont limitées par la nécessité de connaitre exactement la position des capteurs ; or cette information peut ne pas être disponible si les dispositifs de localisation comme par exemple le GPS ne sont pas sur les capteurs. À partir de l’outil mathématique appelé topologie algébrique, nous avons développé un algorithme distribué de détection de trous de couverture qui recherche une fonction harmonique d’un réseau, c’est-à-dire annulant l’opérateur du Laplacien de dimension 1. Cette fonction harmonique est reliée au groupe d’homologie H1 qui recense les trous de couverture. Une fois une fonction harmonique obtenue, la détection des trous se réalise par une simple marche aléatoire dans le réseau
Distributed consensus algorithms are iterative algorithms of low complexity where neighboring sensors interact with each other to reach an agreement without coordinating unit. As the nodes in a wireless sensor network have limited computing power and limited battery, these distributed algorithms must reach a consensus in a short time and with little message exchange. The first part of this thesis is based on the study and comparison of different consensus algorithms synchronously and asynchronously in terms of convergence speed and communication rates. The second part of our work concerns the application of these consensus algorithms to the problem of detecting coverage holes in wireless sensor networks.This coverage problem also provides the context for the continuation of our work. This problem is described as how a region of interest is monitored by sensors. Different geometrical approaches have been proposed but are limited by the need to know exactly the position of the sensors; but this information may not be available if the locating devices such as GPS are not on the sensors. From the mathematical tool called algebraic topology, we have developed a distributed algorithm of coverage hole detection searching a harmonic function of a network, that is to say canceling the operator of the 1-dimensional Laplacian. This harmonic function is connected to the homology group H1 which identifies the coverage holes. Once a harmonic function obtained, detection of the holes is realized by a simple random walk in the network

De nos jours, le travail collaboratif a pris une place très importante dans plusieurs domaines, et notamment dans le domaine du télédiagnostic médical. Et la cohérence des données partagées est un enjeu primordial dans ce type d'application. De plus, pour garantir la cohérence des données, l'utilisation d'un algorithme de consensus est un élément indispensable dans les plateformes collaboratives. Nous présentons ici un nouvel algorithme de consensus, nommé FLC, permettant de garantir la cohérence des données partagées dans les systèmes distribués collaboratifs complètement asynchrones. Notre algorithme est tolérant aux pannes et a pour objectif d'améliorer la performance de consensus et notamment lorsque les processus participants tombent en panne. Ce nouvel algorithme utilise l'oracle leader Omega pour contourner le résultat d'impossibilité du théorème FLP. L'algorithme est décentralisé et adopte le modèle de pannes crash-stop. L'algorithme FLC s'appuie sur deux idées principales. La première propose de réaliser, au début de chaque cycle d'exécution, une phase simple d'élection de processus leader garantissant l'existence d'un seul leader par cycle. La deuxième bénéficie de la stabilité du système et plus particulièrement du fait que le processus leader ne tombe pas en panne d'un consensus à l'autre. Les performances de notre algorithme ont été analysées et comparées à celles des algorithmes les plus connus dans le domaine. Les résultats obtenus par simulation en utilisant la plateforme Neko ont montré que notre algorithme donne les meilleures performances lorsque le réseau utilisé est un réseau multicast et qu'aucun processus ne tombent en panne ainsi que pour les situations dans lesquelles l'algorithme de consensus subit une ou plusieurs pannes de processus coordinateurs/leaders
Nowadays, collaborative work took a very important place in many fields and particularly in the medicaltelediagnosis field. The consistency of shared data is a key issue in this type of applications. Moreover, itis essential to use a consensus algorithm to ensure data consistency in collaborative platforms. We presenthere our new consensus algorithm FLC that helps to ensure data consistency in asynchronous collaborativedistributed systems. Our algorithm is fault tolerant and aims to improve the performance of consensus ingeneral and particularly in the case of process crashes. The new algorithm uses the leader oracle tocircumvent the impossibility result of the FLP theorem. It is decentralized and considers the crash-stop failuremodel. The FLC algorithm is based on two main ideas. The first is to perform, at the beginning of eachround, a simple election phase guaranteeing the existence of only one leader per round. The second is totake advantage of system stability and more particularly of the fact that the leader does not crash betweentwo consecutive consensus runs. The performance of our algorithm was analyzed and compared to the mostknown algorithms in the domain. The results obtained by simulation, using the Neko platform, demonstratedthat our algorithm gave the best performance when using a multicast network in the best case scenario and insituations where the algorithm undergoes one or more crashes of coordinators/leaders processes

En lien étroit avec le projet européen DREAM, le sujet de thèse s’intègre dans les évolutions opérationnelles des réseaux de distribution de demain intégrant de larges quantités d'énergies renouvelables. Un contrôle centralisé de l'ensemble des acteurs est, certes globalement optimal mais complexe et peu fiable. L'étude porte sur la faisabilité d'un contrôle distribué, auto-adaptatif et temps réel des ressources locales et des composants du réseau. La piste principale explorée correspond à des agents autonomes qui peuvent construire des structures collaboratives ad-hoc suivant les besoins du réseau. Ces structures collaboratives adresseront divers modes de fonctionnement, du marché de l'énergie J-1 à infraday au marché d'ajustement (services systèmes) et au contrôle local (fréquence et auto-cicatrisation)
In close relationship with the European project DREAM, this doctoral thesis focus on operational evolutions in tomorrow’s distribution networks wich will integrate a larger amount of distributed renewable resources. A centralized control of all the entities (from controllable loads to embedded generators) is overall optimal but complex and not so reliable. This study addresses the feasibility of a distributed control, autonomous, self-learning and real time operation of local resources and network’s components. The main concern to explore will be the creation of ad-hoc federations of agents that will flexibly adjust their hierarchy to current needs. These collaborative structures will use different coordination strategies ranging from market-based transactions, to balancing optimization market (ancillary services) and to local control (frequency control and self-healing)

Internet est un outil formidable pour l'éducation, la communication et la collaboration, mais ses usages majoritaires sont actuellement sous monopole de grandes multinationales (GAFAM), ce qui a des conséquences sur le respect des droits humains et des libertés individuelles. Cette thèse propose des outils pour le développement d'applications décentralisées : des applications sur Internet qui fournissent des fonctionnalités similaires aux plateformes des GAFAM, mais de manière décentralisée, afin de rendre le pouvoir aux utilisateur pour décider démocratiquement de leur fonctionnement et de leurs usages. Nous nous concentrons sur les algorithmes épidémiques qui sont particulièrement adaptés dans le cadre de réseaux ouverts à large échelle. Nous proposons des contributions sur la diffusion causale de messages tolérante aux nœuds Byzantins, la diffusion causale épidémique à l'aide d'un stockage d'événements synchronisé par anti-entropie, l'échantillonnage aléatoire de pairs résistants aux attaques Byzantines et aux attaques Sybil, ainsi qu'un nouvel algorithme épidémique de diffusion totalement ordonnée qui tolère les nœuds malicieux et fournit un débit de messages élevé
The Internet is a formidable tool for education, communication and collaboration, however it is currently being monopolized by large corporations (GAFAM), which has consequences for many social issues such as respect of human rights and individual freedoms. This thesis focuses on ways to build decentralized applications: Internet applications that provide levels of functionality similar to those provided by the GAFAM, but that function in a decentralized manner, empowering the users to democratically decide of their functioning and their uses. We focus on epidemic algorithms, which are particularly suited to the context of very large open networks. We make contributions on causal broadcast in presence of Byzantine nodes, epidemic causal broadcast using an event store synchronized with an anti-entropy algorithm, random peer sampling in presence of Byzantine nodes and Sybil attacks, as well as a new epidemic total order broadcast which is tolerant to malicious nodes and provides high throughput message delivery

Les systèmes dynamiques sont des systèmes distribués dans lesquels (1) les processus peuvent rejoindre ou quitter le système en cours d'exécution, et (2) le graphe de communication évolue au fil du temps. L'abstraction des détecteurs de fautes a été introduite afin de contourner l'impossibilité de résoudre le consensus dans les systèmes asynchrones sujets aux pannes franches. Mais un détecteur de fautes qui est suffisant pour résoudre un problème donné dans un système statique n'est pas nécessairement suffisant pour résoudre le même problème dans un système dynamique. Par conséquent, il est nécessaire de redéfinir les détecteurs de fautes existants et de concevoir de nouveaux algorithmes. Dans cette thèse, nous fournissons une nouvelle définition d'un détecteur de fautes pour le k-accord, et nous prouvons qu'il est suffisant pour résoudre le k-accord dans un système dynamique. Nous définissons également un modèle de système dynamique, ainsi qu'un algorithme capable d'implémenter ce nouveau détecteur de fautes dans notre modèle. De plus, nous adaptons un détecteur existant pour l'exclusion mutuelle et nous prouvons que même dans les systèmes dynamiques, il s'agit toujours du détecteur de fautes le plus faible pour résoudre l'exclusion mutuelle. Cela signifie que ce détecteur est plus faible que tous les autres détecteurs capables de résoudre l'exclusion mutuelle
Dynamic systems are distributed systems in which (1) processes can join or leave the system during the run, and (2) the communication graph evolves over time. The failure detector abstraction was introduced as a way to circumvent the impossibility of solving consensus in asynchronous systems prone to crash failures. A failure detector is a local oracle that provides processes in the system with unreliable information on process failures. But a failure detector that is sufficient to solve a given problem in a static system is not necessarily sufficient to solve the same problem in a dynamic system. Additionally, some existing failure detectors cannot be implemented in dynamic systems. Therefore, it is necessary to redefine existing failure detectors and provide new algorithms. In this thesis, we provide a new definition of a failure detector for k-set agreement, and prove that it is sufficient to solve k-set agreement in dynamic systems. We also design a dynamic system model and an algorithm that implements this new failure detector. Additionally, we adapt an existing failure detector for mutual exclusion and prove that it is still the weakest failure detector to solve mutual exclusion in dynamic systems, which means that it is weaker than any other failure detector capable of solving mutual exclusion

Les blockchains (ou chaîne de blocs) font partie des technologies les plus attrayantes, autant dans le domaine scientifique que pour le grand public. Une blockchain est un registre distribué dont l’objectif est de garantir de la transparence, de l’intégrité des données et d’autres avantages par rapport aux registres centralisés. La technologie blockchain a été révélée et est devenue populaire grâce à l’avènement de la cybermonnaie Bitcoin. Depuis 2008 et la création de Bitcoin, les blockchains sont devenue extrêmement populaires, avec un intérêt à son pic en 2017. Les blockchains sont quasiment une technologie “à la mode”: il existe un observatoire de la blockchain initié par la Commission Européenne, des événements blockchains dans plusieurs pays, etc. La plupart des blockchains ont comme application la finance, mais les propriétés qu’elles promettent sont intéressantes et utiles pour bien des domaines (ex : médecine, notariat, etc.). Malgré les promesses et intérêts, afin d’espérer une meilleure adoption, il est nécessaire de s'assurer que la technologie est viable du point de vue environnemental, que les garanties promises sont satisfaites, qu'elle puisse être utilisée dans les environnements réels, etc. Dans cette thèse, nous définissons le problème résolu par les blockchains à comité ainsi que leur équité ; cela a permis de corriger une des blockchains les plus utilisées. Notre second apport majeur est une méthodologie permettant d’étudier le comportement des participants dans les blockchains. Grâce à cela, nous montrons les conditions nécessaires où le comportement rationnel des participants mène à des situations où les propriétés des blockchains sont satisfaites
Blockchains are one of the most appealing technologies over the last years, both for scientists and for the general public. Blockchains are distributed ledgers that aim to offer transparency, integrity and many more advantages over their centralised counterparts. Blockchains were “revealed” and became popular thanks to the creation and rise of the cryptocurrency Bitcoin. Over the years, blockchain technologies become more and more popular with an exceptional peak in 2017. Blockchains are becoming mainstream technologies, as there is an observatory for blockchains established by the European Commission, blockchain forums in many countries, blockchain start-ups are flourishing, scientific conferences are discussing the topic, and even some scientific conferences are now specifically dedicated to the technology, etc. The blockchain technology promises, thanks to its integrity and transparency properties to be useful and interesting in various domains, and not only for financial systems. However, many questions and doubts float around it. Is it environmentally viable? Is the technology even ensuring its promises? Can they be used in real-life settings, etc. In this thesis, using the lens of distributed systems, we study and define the properties of committee-based blockchains and their fairness; that definition allows formalising and helping correct one of the most used blockchain of that class. Furthermore, adding lenses from game theory, we propose a methodology to analyse the rational behaviours of participants in a blockchains system. Using that methodology, we show, under different mechanisms of rewards, the necessary conditions needed to ensure the blockchain properties

Durant les dernières années, la taille des systèmes ainsi que leur complexité ont pas mal évolué, entrainant le besoin d'approches distribuées pour la commande et l'aide à la décision. Cette thèse porte sur la résolution d'un problème incluant une commande distribuée et une aide à la décision, l'allocation dynamique de ressource dans un réseau.Pour résoudre ce problème, nous avons étudié un algorithme basé sur un consensus qui ne nécessite pas de calcul centralisé, et qui soit capable de traiter des applications modélisées par des systèmes dynamiques ou par des fonctions sans mémoires. La principale contribution de ce travail de thèse est d'avoir prouvé, en utilisant des outils issus de la théorie des graphes etl'analyse de la passivité, que le contrôleur atteint la solution optimale de façon asymptotique, sans obligation d'avoir une information complète.Afin d'illustrer la pertinence de notre résultat principal, plusieurs applications en ingénierie ont été étudiées, incluant la commande distribuée pour l'économie d'énergie dans des bâtiments intelligents, la gestion des clients dans un environnement de "smart grids", et le développement d'une méthode exacte d'optimisation distribuée pour un problème d'allocation de ressources soumis à des contraintes sur les bornes inférieures.Enfin, nous étudions les techniques d'allocation de ressources basées sur les modèlesde dynamique de populations. Pour les rendre distribuées, nous introduisons le concept dedynamique de populations "pas bien mélangées". Nous montrons que ces dynamiques peuventêtre utilisées pour des structures d'informations contraintes. Même si les dynamiquesde populations "pas bien mélangées" utilisent des informations partielles, ellesconservent des propriétés similaires aux dynamiques classiques qui utilisent desinformations complètes. Plus spécifiquement, la conservation de masse et la convergencevers l'équilibre de Nash sont prouvées
Since the complexity and scale of systems have been growing in the last years, distributed approaches for control and decision making are becoming more prevalent. This dissertation focuses on an important problem involving distributed control and decision making, the dynamic resource allocation in a network. To address this problem, we explore a consensus--based algorithm that does not require any centralized computation, and that is capable to deal with applications modeled either by dynamical systems or by memoryless functions. The main contribution of our research is to prove, by means of graph theoretical tools and passivity analysis, that the proposed controller asymptotically reaches an optimal solution without the need of full information. In order to illustrate the relevance of our main result, we address several engineering applications including: distributed control for energy saving in smart buildings, management of the customers of an aggregating entity in a smart grid environment, and development of an exact distributed optimization method that deals with resource allocation problems subject to lower--bound constraints. Finally, we explore resource allocation techniques based on classic population dynamics models. In order to make them distributed, we introduce the concept of non--well--mixed population dynamics. We show that these dynamics are capable to deal with constrained information structures that are characterized by non--complete graphs. Although the proposed non--well--mixed population dynamics use partial information, they preserve similar properties of their classic counterpart, which uses full information. Specifically, we prove mass conservation and convergence to Nash equilibrium
Dado que la complejidad y la escala de los sistemas sehan ido incrementando en los últimos años, las técnicas centralizadas de control y toma de decisiones están siendo reemplazadas por métodos distribuidos. Esta tesis se centra en un importante problema que involucra control y toma de decisiones distribuidas: la asignación dinámica de recursos en redes. Para abordar este problema, exploramos un algoritmo basado en consenso que no requiere computación centralizada, y que puede ser usado en aplicaciones modeladas ya sea por sistemas dinámicos o funciones sin memoria. La principal contribución de esta tesis es probar, por medio de teoría de grafos y pasividad, que el algoritmo propuesto alcanza asintóticamente una solución óptima sin la necesidad de usar información completa. Para ilustrar la relevancia del resultado principal de esta disertación, abordamos varias aplicaciones en ingeniería,incluyendo: el control distribuido en edificios inteligentes orientado a la eficiencia energética, la gestión de los clientes de un agregador en una red inteligente en la que se aplican estrategias de respuesta de la demanda, y el desarrollo de un método de optimización exacto que permite incluir restricciones de límite inferior. Finalmente, se exploran otras técnicas de asignación derecursos inspiradas en modelos de dinámicas poblacionales. Se introduce el concepto de poblaciones no—bien—mezcladas, y se muestra que las dinámicas asociadas a este tipo de poblaciones cuentan con una estructura de información local, caracterizada por grafos que no son completos. A pesar de que las dinámicas propuestas usan información parcial, ellas preservan características similares a las dinámicas poblacionales clásicas que usan información completa