Energy-efficient reliable transport protocols for IP-based low power wireless networks - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Energy-efficient reliable transport protocols for IP-based low power wireless networks

L'efficacité énergétique des protocoles de transport fiables pour les réseaux sans fil à faible consommation d'énergie

Résumé

Low power and Lossy Networks (LLNs) such as wireless sensor networks are currently used in many important applications fields such as remote environment monitoring and target tracking. This deployment has been enabled by the availability, especially in recent years, of embedded micro-controller devices that are smaller and cheaper. These devices are equipped with wireless interfaces, with which they can communicate with each other to form a network. In this thesis we focus on studying the energy consumption of reliable transport protocols over LLNs. Recently, much research has been carried out to improve the reliability and the congestion control on low power networks. Some of these works have considered TCP inappropriate for this kind of networks. Indeed, the idea of deploying TCP was rejected due to its header overhead, its end-to-end retransmission mechanism, its large rate of acknowledgment, and the impact of the lower layers fragmentation on the energy consumption. Nonetheless, the use of standard TCP/IP protocols offers the advantage of a seamless connectivity between the wireless network and the Internet. TCP allows easily the use of standard applications (HTTP, SSH) for some tasks like reprogramming of nodes or firmware updates, without the need of deploying complex proxies in border routers. In the first part of this work, we study the energy consumption of TCP and the ways that reduce its energy consumption. We study one of the proposed TCP algorithms to reduce the end-to-end retransmissions cost and we propose some improvements that allow it to reduce the energy consumption. Then, we study the compression of the TCP header over low-power and lossy networks and we consider IPv6 over Low power Wireless Personnel Area Networks (6LoWPAN) as an example. We propose a new TCP header compression algorithm that reduces the TCP header size to about six bytes. In the second part, we propose a mathematical model that allows to estimate the energy consumption of wireless nodes. Using the model, we study the tradeoff between sending long and short TCP segments and their impact on the energy consumption. Finally, we study the impact of a new fragment recovery mechanism on the energy performance of TCP.
Les réseaux à faible consommation d'énergie tels que les réseaux de capteurs sans fil sont actuellement utilisés dans divers domaines militaires, environnementaux, médicaux, et commerciaux. Cette forte demande a été permise grâce à la disponibilité, surtout ces dernières années, de nouveaux microcontrôleurs qui sont plus petits, moins chers et plus intelligents. Ces nouveaux appareils sont équipés d'interfaces sans fil, avec lesquelles ils peuvent communiquer les uns avec les autres pour former un réseau. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de l'efficacité énergétique des protocoles de transport fiables pour ces réseaux. Récemment, nombreux travaux de recherche ont été menées afin d'améliorer la fiabilité et le contrôle de congestion dans les réseaux à faible consommation d'énergie. Beaucoup de ces travaux ont considéré la pile protocolaire IP/TCP inadéquate pour ce type de réseaux. Initialement, l'idée a été rejetée à cause de plusieurs éléments, comme la surcharge de son en-tête, son mécanisme de retransmission de bout en bout, son taux élevé d¿acquittements, et l'impact de la fragmentation des couches inférieures sur sa consommation d'énergie. Néanmoins, l'utilisation de la pile TCP/IP offre l'avantage d'une connectivité transparente entre le nouveau réseau sans fil et Internet. En effet, l'utilisation de TCP facilite l'utilisation des applications standards (e.g., HTTP, SSH) pour de nouveaux besoins comme la reprogrammation des noeuds ou la mise à jour du firmware sans une intervention humaine sur champ et sans un déploiement d'un proxy très complexe au niveau des routeurs de bord. Dans la première partie de cette thèse, nous étudions la consommation d'énergie du protocole TCP et les manières qui permettent de réduire cette consommation. Nous étudions un des algorithmes TCP proposés afin de réduire le coût de la transmission de bout-à-bout et nous proposons une amélioration de ce dernier réduisant encore davantage plus la consommation d'énergie. Nous étudions ensuite la compression de l'en-tête TCP en prenant le réseau 6LoWPAN comme un exemple d'applications. Nous proposons un nouvel algorithme de compression qui permet aussi de réduire la consommation d'énergie. Dans une deuxième partie, nous proposons un modèle mathématique qui permet d'estimer la consommation d'énergie en fonction de plusieurs paramètres. A l'aide de ce modèle, nous étudions le compromis entre l'envoi de longs et courts segments TCP et leur impact sur la consommation d'énergie. Enfin, nous étudions ensuite l'impact d'un nouveau mécanisme de récupération des fragments sur la performance énergétique du protocole TCP.
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Dates et versions

tel-00741994 , version 1 (15-10-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00741994 , version 1

Citer

Ahmed Ayadi. Energy-efficient reliable transport protocols for IP-based low power wireless networks. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Télécom Bretagne, Université de Rennes 1, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00741994⟩
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