| Mediation infrastructure for ephement interactions in smart environments (Infrastructure de médiation pour les interactions éphémères dans les environnements intelligents) | ||
Issa, Mariam - (2026-07-13) / Université de Rennes Mediation infrastructure for ephement interactions in smart environments Langue : Anglais Directeur de thèse: Bonnin, Jean-marie; Couderc, Paul Laboratoire : IRISA Ecole Doctorale : MATISSE Thématique : Informatique | ||
Mots-clés : Communication sans association, Filtrage basé sur le contenu, BLE, Wi-Fi Beacon Stuffing, Abstraction middleware, Systèmes de communication sans fil Résumé : Les interactions spontanées et guidées par la proximité constituent une classe d'applications de plus en plus répandue dans les environnements intelligents : avertissements de collision diffusés aux piétons à proximité, relevés de capteurs annoncés à n'importe quelle passerelle à portée, ou informations de présence échangées entre des appareils n'ayant jamais communiqué auparavant. Ces interactions sont éphémères, locales, et initiées par la proximité physique plutôt que par un accord préalable. Les paradigmes de communication sans fil existants les gèrent de manière complexe. Les protocoles orientés connexion imposent des échanges de découverte, des négociations de session et un état persistant dont le surcoût est structurellement disproportionné par rapport à des interactions qui durent quelques secondes et impliquent des pairs inconnus. Des approches plus légères, telles que Wi-Fi Direct ou le couplage Bluetooth, réduisent mais n'éliminent pas ce surcoût. Plus fondamentalement, chaque système existant qui contourne l'établissement de connexion le fait comme un palliatif applicatif spécifique, sans référence à un paradigme commun, à un cadre d'évaluation partagé, ou à un protocole de niveau applicatif. Il en résulte un paysage d'implémentations isolées et non composables, qui ne peuvent coexister, ne peuvent être comparées, et ne peuvent servir de base sans répéter le même effort d'ingénierie pour chaque nouveau déploiement. Cette thèse soutient que la communication sans association, réalisée par des primitives de diffusion publicitaire sans connexion, couplage ou infrastructure préalables, constitue un paradigme cohérent et pratique plutôt qu'une collection de mécanismes ad hoc. Plus précisément, elle démontre que la combinaison de la communication sans association avec un filtrage basé sur le contenu et un échange de données basé sur des schémas produit un modèle d'interaction applicatif complet, qui peut être abstrait derrière une API orientée développeur, rendant ce paradigme accessible sans expertise au niveau système. Le chapitre 1 formalise le paradigme à travers un cadre d'évaluation structuré appliqué à onze technologies sans fil, identifiant le Wi-Fi Beacon Stuffing et le mode sans connexion BLE comme ses vecteurs pratiques, et fournit la première caractérisation expérimentale comparative des deux sur la même plateforme matérielle. Le chapitre 2 introduit le protocole Shared Ephemeral Dataspace, un format de paquet adressé par contenu permettant l'échange de données au niveau applicatif via des advertisements BLE sans adressage MAC ni connexion, à un coût énergétique inférieur à celui d'un serveur GATT équivalent. Le chapitre 3 étend le protocole à une opération BLE et Wi-Fi concurrente sur du matériel ESP32 contraint, révélant que la consommation électrique combinée est non additive en cas de contention d'ordonnancement, atteignant près de trois fois la consommation de base en BLE seul pour des intervalles d'advertisement identiques, et que l'encodage hexadécimal des SSID réduit de moitié la capacité utile Wi-Fi effective dans les contraintes de déploiement portable. Le chapitre 4 présente Éphémère, un middleware orienté événements qui abstrait la pile protocolaire complète derrière une API à quatre fonctions ; évalué en modes de déploiement embarqué et hôte, il atteint un taux de détection supérieur à 90 \% en configuration hôte, avec une latence médiane de bout en bout de 50 à 90 ms et un surcoût de traitement middleware négligeable de 40 à 50 ms en conditions nominales. Ensemble, ces contributions démontrent que la communication sans association peut être formalisée, caractérisée empiriquement, étendue à plusieurs technologies radio et rendue accessible aux développeurs d'applications via une abstraction minimale, l'établissant comme une fondation viable et complète pour des interactions IoT éphémères et sensibles au contexte. Résumé (anglais) : Spontaneous, proximity-driven interactions are an increasingly common class of application in smart environments: collision warnings broadcast to nearby pedestrians, sensor readings announced to whatever gateway happens to be in range, and presence information exchanged between devices that have never previously communicated. These interactions are short-lived, local, and initiated by physical proximity rather than prior arrangement. Existing wireless communication paradigms might handle them in a complex way. Connection-oriented protocols impose discovery handshakes, session negotiation, and persistent state whose overhead is structurally disproportionate to interactions that last seconds and involve unknown peers. Lighter approaches such as Wi-Fi Direct or Bluetooth pairing, reduce but do not eliminate this overhead. More critically, every existing system that bypasses connection establishment does so as an application-specific workaround, without reference to a shared paradigm, evaluation framework, or application-level protocol. The result is a landscape of isolated, non-composable implementations that cannot coexist, cannot be compared, and cannot be built upon without repeating the same engineering effort for every new deployment. This thesis argues that association-less communication, realised through broadcast advertisement primitives without prior connection, pairing, or infrastructure, is a coherent and practical paradigm rather than a collection of adhoc mechanisms. More specifically, it demonstrates that combining association-less communication with content-based filtering and schema-based data exchange yields a complete application interaction model that can be abstracted behind a developer-facing API, making the paradigm accessible without systems-level expertise. Chapter 1 formalises the paradigm through a structured evaluation framework applied to eleven wireless technologies, identifying Wi-Fi Beacon Stuffing and BLE connectionless mode as its practical enablers, and provides the first comparative experimental characterisation of both on the same hardware platform. Chapter 2 introduces the Shared Ephemeral Dataspace protocol, a content-addressed packet format enabling application-level data exchange over BLE advertisements without MAC addressing or connection, at at a lower energy cost of an equivalent GATT server. Chapter 3 extends the protocol to concurrent BLE and Wi-Fi operation on constrained ESP32 hardware, revealing that combined power draw is non-additive under scheduling contention, reaching nearly three times the BLE-only baseline at matching advertisement intervals, and that SSID hex-encoding halves effective Wi-Fi payload capacity under portable deployment constraints. Chapter 4 presents Éphémère, an event-driven middleware that abstracts the full protocol stack behind a four-function API; evaluated in both embedded and host-based deployment modes, it achieves above 90\% detection rate in host-based configuration with a median end-to-end latency of 50 to 90~ms and a negligible middleware processing overhead of 40 to 50~ms at baseline. Together, these contributions demonstrate that association-less communication can be formalised, empirically characterised, extended across radio technologies, and made accessible to application developers through a minimal abstraction, establishing it as a viable and complete foundation for ephemeral, context-aware IoT interactions. Identifiant : rennes1-ori-wf-1-22983 | ||
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