Optimisation du routage et de l'allocation de ressources sans fil dans les réseaux des centres de données hybrides

Optimization of routing and wireless resource allocation in hybrid data center networks

• Auteur / Autrice : Boutheina Dab
• Direction : Nadjib Ait Saadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/07/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil) - Laboratoire Images- Signaux et Systèmes Intelligents / LISSI
• Jury : Président / Présidente : Bernard Cousin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadjib Ait Saadi, Djamal Zeghlache, Jérémie Leguay, Paul Mühlethaler 19..-...., Ilhem Fajjari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raouf Boutaba, Marcelo Dias De Amorim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centres de traitement informatique

Systèmes de communication sans fil

Routage (informatique)

Informatique dans les nuages

Mots clés libres

Cloud computing

Centre des données

Technologie 60 GHz

Communications sans fil

Routage

Allocation de ressources

Cloud Computing

Data Center

Technologie 60 GHz

Wireless communications

Routing

Resource allocation

Résumé

L’arrivée de la prochaine technologie 5G va permettre la connectivité des billions de terminaux mobiles et donc une énorme augmentation du trafic de données. A cet égard, les fournisseurs des services Cloud doivent posséder les infrastructures physiques capables de supporter cette explosion de trafic. Malheureusement, les architectures filaires conventionnelles des centres de données deviennent staturées et la congestion des équipements d’interconnexion est souvent atteinte. Dans cette thèse, nous explorons une approche récente qui consiste à augmenter le réseau filaire du centre de données avec l’infrastructure sans fil. En effet, nous exploitons une nouvelle technologie émergente, la technologie 60 GHz, qui assure un débit de l’ordre de 7 Gbits/s afin d’améliorer la QoS. Nous concevons une architecture hybride (filaire/sans fil) du réseau de centre de données basée sur : i) le modèle "Cisco’s Massively Scalable Data Center" (MSDC), et ii) le standard IEEE 802.11ad. Dans une telle architecture, les serveurs sont regroupés dans des racks, et sont interconnectés à travers un switch Ethernet, appelé top-of-rack (ToR) switch. Chaque ToR switch possède plusieurs antennes utilisées en parallèle sur différents canaux sans fil. L’objectif final consiste à minimiser la congestion du réseau filaire, en acheminant le maximum du trafic sur les canaux sans fil. Pour ce faire, cette thèse se focalise sur l’optimisation du routage et de l’allocation des canaux sans fil pour les communications inter-rack, au sein d’un centre de données hybride (HDCN). Ce problème étant NP-difficile, nous allons procéder en trois étapes. En premier lieu, on considère le cas des communications à un saut, où les racks sont placés dans le même rayon de transmission. Nous proposons un nouvel algorithme d’allocation des canaux sans fil dans les HDCN, qui permet d’acheminer le maximum des communications en sans-fil, tout en améliorant les performances réseau en termes de débit et délai. En second lieu, nous nous adressons au cas des communications à plusieurs sauts, où les racks ne sont pas dans le même rayon de transmission. Nous allons proposer une nouvelle approche optimale traitant conjointement le problème du routage et de l’allocation de canaux sans fils dans le HDCN, pour chaque communication, dans un mode online. En troisième étape, nous proposons un nouvel algorithme qui calcule conjointement le routage et l’allocation des canaux pour un ensemble des communications arrivant en mode batch (i.e., par lot). En utilisant le simulateur réseau QualNet, considérant toute la pile TCP/IP, les résultats obtenus montrent que nos propositions améliorent les performances comparées aux méthodes de l’état de l’art

The high proliferation of smart devices and online services allows billions of users to connect with network while deploying a vast range of applications. Particularly, with the advent of the future 5G technology, it is expected that a tremendous mobile and data traffic will be crossing Internet network. In this regard, Cloud service providers are urged to rethink their data center architectures in order to cope with this unprecedented traffic explosion. Unfortunately, the conventional wired infrastructures struggle to resist to such a traffic growth and become prone to serious congestion problems. Therefore, new innovative techniques are required. In this thesis, we investigate a recent promising approach that augments the wired Data Center Network (DCN) with wireless communications. Indeed, motivated by the feasibility of the new emerging 60 GHz technology, offering an impressive data rate (≈ 7 Gbps), we envision, a Hybrid (wireless/wired) DCN (HDCN) architecture. Our HDCN is based on i) Cisco’s Massively Scalable Data Center (MSDC) model and ii) IEEE 802.11ad standard. Servers in the HDCN are regrouped into racks, where each rack is equipped with a: i) Ethernet top-of-rack (ToR) switch and ii) set of wireless antennas. Our research aims to optimize the routing and the allocation of wireless resources for inter-rack communications in HDCN while enhancing network performance and minimizing congestion. The problem of routing and resource allocation in HDCN is NP-hard. To deal with this difficulty, we will tackle the problem into three stages. In the first stage, we consider only one-hop inter-rack communications in HDCN, where all communicating racks are in the same transmission range. We will propound a new wireless channel allocation approach in HDCN to hardness both wireless and wired interfaces for incoming flows while enhancing network throughput. In the second stage, we deal with the multi-hop communications in HDCN where communicating racks can not communicate in one single-hop wireless path. We propose a new approach to jointly route and allocate channels for each single communication flow, in an online way. Finally, in the third stage, we address the batched arrival of inter-rack communications to the HDCN so as to further optimize the usage of wireless and wired resources. For that end, we propose: i) a heuristic-based and ii) an approximate, solutions, to solve the joint batch routing and channel assignment. Based on extensive simulations conducted in QualNet simulator while considering the full protocol stack, the obtained results for both real workload and uniform traces, show that our proposals outperform the prominent related strategies