Le chemin vers les architectures futures des services mobiles : du Follow Me Cloud (FMC) au Follow Me edge Cloud (FMeC)

The Path towards Future Mobile Service Architectures : from Follow Me Cloud (FMC) to Follow Me edge Cloud (FMeC)

• Auteur / Autrice : Abdelkader Aissioui
• Direction : Abdelhak Mourad Gueroui, Adlen Ksentini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 22/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’informatique parallélisme réseaux algorithmes distribués (Saint-Quentin en Yvelines, Yvelines ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : François Spies
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : William Jalby, Khaled Boussetta, Gladys Diaz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Lorenz, Nadjib Ait Saadi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications

Architecture des réseaux d'ordinateurs

SDN (architecture des réseaux d'ordinateurs)

Informatique dans les nuages

Mots clés libres

Mobilité

Follow me cloud

Sdn/openflow

Migration de service

Follow me edge

PMIPv6

Conduite automatisée

5G

Mobilité de service

Mobility

Follow me cloud

Sdn/openflow

Service migration

Follow me edge

PMIPv6

Automotive Driving

5G

Service Mobility

Résumé

Les travaux décrits dans cette thèse de doctorat visent à traiter les futures architectures de fourniture de services mobiles basés sur le cloud, à travers l'évolution des infrastructures réseau partant de Mobile Cloud Computing (MCC) au Mobile Edge Computing (MEC). Nous nous sommes essentiellement concentrés sur le concept Follow Me Cloud (FMC) comme une nouvelle stratégie de fourniture de services pour une meilleure expérience utilisateur et une utilisation efficace des ressources. Cela permet aux services basés sur le cloud de "suivre" leurs utilisateurs mobiles au cours de leurs déplacements à travers les technologies de réseau d'accès, tout en fournissant le service basé sur le cloud via le point de service le plus optimal au sein de l'infrastructure cloud. Plusieurs contributions sont proposées dans cette thèse, avec des évaluations à la fois en analyse théorique et en simulation scientifique.Premièrement, nous avons proposé une architecture alternative FMC qui permet: (i) d'ouvrir la conception FMC sur les technologies d'accès réseau mobile non-3GPP (ii) d'assurer l'interopérabilité entre différents domaines PMIPv6 permettant au MN une itinérance inter-domaines PMIPv6 avec une mobilité IP transparente ainsi qu'une continuité de session de service.(iii) d'offrir une architecture sans tunnel dans les situations d'itinérance de MN, en évitant ainsi toute surcharge supplémentaire liée aux tunnels dans la gestion de la mobilité. Le schéma proposé exploite la technologie SDN/OpenFlow et le protocole de gestion de la mobilité PMIPv6 en les intégrant dans un unique framework permettant de réaliser la vision FMC.Deuxièmement, pour aborder les problèmes d'évolutivité et de résilience dans les architectures SDN/OpenFlow centralisées de plan de contrôle, nous avons introduit une nouvelle conception d'un contrôleur SDN élastique et distribué adapté pour MCC et plus particulièrement pour les systèmes de gestion FMC. Nous avons illustré comment le nouveau schéma de plan de contrôle est distribué sur une architecture hiérarchique à deux niveaux, un premier niveau avec un seul contrôleur SDN global et un second niveau avec plusieurs contrôleurs SDN locaux. Ensuite, nous avons présenté les éléments constitutifs de notre nouvel framework de plan contrôle, le calcul de l'indicateur de performance (KPI) du système, et nous avons fixé l'objectif clé de notre conception visant à maintenir la valeur KPI du système dans une fenêtre de seuil prédéfinie. Enfin, nous avons démontré comment cet objectif est atteint en adaptant dynamiquement le nombre et l'emplacement des contrôleurs SDN locaux en utilisant la technologie NFV pour provisionner les contrôleurs SDN en tant que instances VNF (fonction réseau virtuelle) dans le cloud.Troisièmement, nous avons introduit le concept FMeC, exploitant les capacités offertes par la combinaison des architectures MEC et FMC dans le but de satisfaire aux exigences des systèmes automobiles 5G. Nous avons commencé par définir les éléments clés du concept FMeC permettant de fournir la technologie FMC en bordure des réseaux mobiles. Ensuite, nous avons présenté une projection de notre solution FMeC sur un cas d'utilisation de conduite automatisée intégrant l'industrie automobile aux infrastructures Telecom en vue de la vision automobile 5G future. Avec une focalisation sur les types de communications V2I/N, nous avons présenté la conception de notre architecture FMeC basée sur les technologies SDN/OpenFlow et les entités de l'infrastructure MEC dont les ressources sont mises en commun pour fournir un cloud de bordure fédéré. Enfin, nous avons présenté notre framework sensible à la mobilité pour le placement des services dans le cloud de bordure, ce dernier est fondé sur un ensemble d'algorithmes de base qui permettent d'atteindre les exigences de QoS de la conduite automatisée en termes de latence ultra-courte au sein du réseau 5G.

This Ph.D. thesis aims to deal with the future delivery architectures of mobile cloud-based services, through network infrastructures evolving from Mobile Cloud Computing (MCC) to Mobile Edge Computing (MEC). We mainly focused on Follow Me Cloud (FMC) concept as a new service delivery strategy for improved user experience and efficient resource utilization. That enables cloud-based services to follow their mobile users during their movement across access network technologies and by delivering the cloud-service via the optimal service point inside the cloud infrastructure. Several contributions are proposed in this thesis and evaluated in both theoretical analysis and scientific simulation.First, we proposed an alternative FMC architecture that allows: (i) to open the FMC design on non-3GPP mobile network access technologies (ii) to provide interoperability among different PMIPv6 domains permitting MNs inter-PMIPv6 domain roaming with seamless IP mobility and service session continuity (iii) to offer a tunnel-free architecture in MNs roaming situation, avoiding any additional overhead associated with tunneling in mobility management. This proposed scheme leverage SDN/OpenFlow technology and PMIPv6 mobility management protocol by integrating them within a framework permitting to realize the FMC vision.Second, to address the scalability and resiliency concerns in centralized SDN/OpenFlow control plane architecture, we introduced a new design of an elastic distributed SDN controller tailored for Mobile Cloud Computing (MCC) and more notably for Follow Me Cloud (FMC) management systems. We illustrated how the new control plane scheme is distributed on two-level hierarchical architecture, a first level with a single global SDN controller and a second level with several local SDN controllers. Then, we presented the building blocks of our novel control plane framework, the system Key Performance Indicator (KPI) computation and set the key objective of our design aiming to keep the system KPI value within a predefined threshold window. Last, we proved how this goal is achieved by adapting the number of local SDN controllers and their locations in an elastic manner and deploying them as VNF instances on the cloud thanks to NFV technology.Third, we introduced FMeC concept, leveraging the intertwining of MEC and FMC architectures with the aim of sustaining requirements of the 5G automotive systems. We began by defining FMeC key concept elements permitting to provide FMC technology at the edge of mobile networks. Then, we presented an automated driving use case projection of our FMeC solution integrating automotive with Telco infrastructures towards the future 5G automotive vision. Focusing on the V2I/N communications types, we introduced our FMeC design architecture based on SDN/OpenFlow technologies and MEC infrastructure entities whose resources are pooled together to provide a federated edge clouds. Finally, we presented our mobility-aware framework for edge-cloud service placement based on a set of basic algorithms that permit achieving the automated driving QoS requirements in terms of ultra-short latency within 5G network.