Modeling and Analysis of Content Distribution in Disruption Tolerant Networks
Modélisation et Analyse de la Distribution de Contenus dans un Réseau DTN
Résumé
This dissertation studies the practicality of content distribution over a Delay Tolerant Network (DTN) in an urban area. The target application is the distribution of the electronic version of a newspaper in a large city. Although strict time constraints do not apply, spreading the information should be achieved within a reasonable delay. Two performance metrics, the spreading time and the message delay, are considered. The message delay is the delay required to transmit content from a mobile node to another node, while the spreading time is the delay needed for the content to spread over a part of the network. Firstly, our goal is to increase our understanding of the performance of a simple DTN environment when content is distributed solely through inter-contact of mobile nodes. We contribute both the close-form expression and the asymptotic expression of the expected message delay to the literature when considering the probability of interest/acceptance for a given piece of content at each contact. The asymptotic expression provides the insights on the efficient ways for improving the expected message delay in the case of an area with low or high density of mobile nodes. We also show a relationship between the expected message delay and the expected spreading time in such environment. Secondly, if the delay is found to be excessive, we suggest the deployment of some data kiosks in the environment to better support the dissemination of content. Data kiosks are simple devices that receive content directly from the source, usually using wired or cellular networks. A key issue when designing efficiently such network is to determine the number of data kiosks required to satisfy a performance target. We investigate both an upper bound and a lower bound of the number of data kiosks to distribute the content over a geographical area within an expected spreading time objective. We also show the important property that those bounds scale linearly with the contact rates between a mobile node and a data kiosk. Finally, we consider the question of the optimal locations of data kiosks in a more realistic scenario where users move along a transportation system (like a subway or suburban train) that connects several regions. We provide an analysis used to decide which subway stop should host a data kiosk to optimize the spreading time. These findings support the view that the optimal locations of data kiosks are influenced not only by the conditions of a region but also by the number of mobile users that will receive the contents. Analytical results are validated by simulations under a number of mobility models and real datasets.
Cette thèse étudie la faisabilité de la diffusion de contenu sur un réseau tolérant aux délais (DTN) dans une zone urbaine. L'application cible est la distribution de la version électronique d'un journal dans une grande ville. Bien que des contraintes de temps ne s'appliquent pas de manière stricte, il est tout de même attendu que la diffusion d'information se fasse dans un délai raisonnable. Deux métriques de performance sont considérés~: le délai de message et le temps de propagation. Le délai de message est le délai nécessaire pour transmettre un contenu à partir d'un n{\oe}ud mobile à un autre n{\oe}ud, tandis que le temps de propagation est le délai nécessaire pour diffuser un contenu sur un ensemble de n{\oe}uds du réseau. Premièrement, notre objectif est de mesurer de manière analytique les performances d'un environnement DTN simple lorsqu'un contenu est distribué exclusivement à travers des contacts entre les n{\oe}uds mobiles. Nos contributions résultent de la prise en compte de la probabilité d'intérêt/acceptation dans l'expression en forme fermée et l'expression asymptotique du délai moyen de message. La probabilité d'intérêt/acceptation représente la probabilité qu'un contenu soit accepté par un n{\oe}ud qui manifeste de l'intérêt pour ce contenu lors d'un contact. L'expression asymptotique permet de déterminer des moyens efficaces d'améliorer le délai moyen de messages dans une zone où la densité des n{\oe}uds mobiles est basse ou haute. Nous montrons aussi une relation entre le délai moyen de message et le temps moyen de propagation dans de tels environnements. Deuxièmement, si le délai est jugé excessif, nous suggérons un déploiement de kiosques de données dans l'environnement afin d'améliorer les performances de la diffusion de contenu. Les kiosques de données sont des dispositifs simples qui reçoivent les contenus directement depuis leur source, le plus souvent en utilisant des réseaux filaires ou cellulaires. Un des problèmes posés pour concevoir efficacement un tel réseau est le nombre de kiosques de données qu'il faut déployer pour satisfaire aux objectifs de performance. Pour répondre à ce problème, nous déterminons les valeurs de la borne supérieure et de la borne inférieure du nombre de kiosques de données nécessaires pour distribuer le contenu dans une zone géographique en optimisant un temps moyen de propagation pris comme objectif. Nous montrons aussi une propriété importante que ces bornes varient linéairement avec le taux de contact entre un n{\oe}ud mobile et un kiosque de données. Enfin, nous considérons le problème de l'emplacement optimal des kiosques de données dans un scénario plus réaliste où les utilisateurs se déplacent en utilisant un système de transport (comme le métro ou le train de banlieue) qui relie plusieurs régions. Nous analysons le choix des stations de métro où installer un kiosque de données pour optimiser le temps moyen de propagation. Les résultats de l'analyse confirment que l'emplacement optimal des kiosques de données n'est pas seulement influencé par les caractéristiques d'une région, mais aussi par le nombre d'utilisateurs mobiles qui recevront le contenu. Nous validons nos résultats analytiques par des simulations en prenant différents modèles de mobilité ainsi que des données de mobilité résultant de mesures réelles.