La technologie blockchain et son application au contrôle d'infrastructures virtualisées

Blockchain technologies and their application to secure virtualized infrastructure control

• Auteur / Autrice : Nikola Božić
• Direction : Guy Pujolle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Thi-Mai-Trang Nguyen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Secci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khaldoun Al Agha, Michèle Nogueira Lima

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage en ligne (informatique)

Blockchains

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Centres de traitement informatique

Informatique dans les nuages

Mots clés libres

Blockchain

Orchestration du cloud

Cloud computing

Virtualisation

Centres de données

Hyperledger

Blockchain technology

Cloud Orchestration

Cloud computing

Virtualization

Data centers

Hyperledger

Résumé

Blockchain est une technologie qui fait du concept de registre partagé à partir de systèmes distribués une réalité pour un certain nombre de domaines d’application, du crypto-monnaie à potentiellement tout système industriel nécessitant une prise de décision décentralisée, robuste, fiable et automatisée dans une situation à plusieurs parties prenantes. Néanmoins, les avantages réels de l’utilisation de la blockchain au lieu de toute autre solution traditionnelle (telle que des bases de données centralisées) ne sont pas complètement compris à ce jour, ni quel type de blockchain répond le mieux aux exigences du cas d'utilisation et à son utilisation. Au début, notre objectif est de fournir une sorte de « vademecum » à la communauté, tout en donnant une présentation générale de la blockchain qui dépasse son cas d'utilisation en des crypto monnaies telle que Bitcoin, et en passant en revue une sélection de la vaste littérature qui est apparue au cours des dernières années. Nous décrivons les exigences clés et leur évolution lorsque nous passons des blockchains publics à priver, en présentant les différences entre les mécanismes de consensus proposés et expérimentés, et en décrivant les plateformes de blockchain existantes. De plus, nous présentons la blockchain B-VMOA pour sécuriser les opérations d’orchestration de machines virtuelles pour les systèmes de cloud computing et de virtualisation des fonctions réseau en appliquant la logique de vademecum proposée. À l'aide d'exemples de didacticiels, nous décrivons nos choix de conception et élaborons des plans de mise en œuvre. Nous développons plus avant la logique de vademecum appliquée à l'orchestration dans le cloud et comment elle peut conduire à des spécifications de plateforme précises. Nous capturons les opérations du système clés et les interactions complexes entre elles. Nous nous concentrons sur la dernière version de la plateforme Hyperledger Fabric en tant que moyen de développer le système B-VMOA. De plus, Hyperledger Fabric optimise les performances, la sécurité et l’évolutivité conçues pour le réseau B-VMOA en séparant la charge de travail entre (i) les homologues d’exécution et de validation de transaction et (ii) les nœuds qui sont charges pour l'ordre des transactions. Nous étudions et utilisons une architecture <<execute-order-validate>> qui différencie notre système B-VMOA conçu des systèmes distribués hérités qui suivent une architecture de réplication d'état de machine traditionnelle. Nous paramétrons et validons notre modèle avec les données recueillies sur un banc d'essai réaliste, en présentant une étude empirique pour caractériser les performances du système et identifier les goulots d'étranglement potentiels. En outre, nous présentons les outils que nous avons utilisés, la configuration du réseau et la discussion sur les observations empiriques issues de la collecte de données. Nous examinons l'impact de divers paramètres configurables pour mener une étude approfondie des composants principaux et des performances de référence pour les modèles d'utilisation courants. À savoir, B-VMOA est destiné à être exécuté dans un centre de données. Différentes topologies d'interconnexion de centres de données évoluent différemment en raison des protocoles de communication. Il semble difficile de concevoir efficacement les interconnexions réseau de manière à rentabiliser le déploiement et la maintenance de l’infrastructure. Nous analysons les propriétés structurelles de plusieurs topologies DCN et présentons également une comparaison entre ces architectures de réseau dans le but de réduire les coûts indirects de la technologie B-VMOA. D'après notre analyse, nous recommandons l'hypercube topologie comme solution pour remédier au goulot d'étranglement des performances dans le plan de contrôle B-VMOA provoqué par gossip, le protocole de diffusion, ainsi qu'une estimation de l'amélioration des performances.

Blockchain is a technology making the shared registry concept from distributed systems a reality for a number of application domains, from the cryptocurrency one to potentially any industrial system requiring decentralized, robust, trusted and automated decision making in a multi-stakeholder situation. Nevertheless, the actual advantages in using blockchain instead of any other traditional solution (such as centralized databases) are not completely understood to date, or at least there is a strong need for a vademecum guiding designers toward the right decision about when to adopt blockchain or not, which kind of blockchain better meets use-case requirements, and how to use it. At first, we aim at providing the community with such a vademecum, while giving a general presentation of blockchain that goes beyond its usage in Bitcoin and surveying a selection of the vast literature that emerged in the last few years. We draw the key requirements and their evolution when passing from permissionless to permissioned blockchains, presenting the differences between proposed and experimented consensus mechanisms, and describing existing blockchain platforms. Furthermore, we present the B-VMOA blockchain to secure virtual machine orchestration operations for cloud computing and network functions virtualization systems applying the proposed vademecum logic. Using tutorial examples, we describe our design choices and draw implementation plans. We further develop the vademecum logic applied to cloud orchestration and how it can lead to precise platform specifications. We capture the key system operations and complex interactions between them. We focus on the last release of Hyperledger Fabric platform as a way to develop B-VMOA system. Besides, Hyperledger Fabric optimizes conceived B-VMOA network performance, security, and scalability by way of workload separation across: (i) transaction execution and validation peers, and (ii) transaction ordering nodes. We study and use a distributed execute-order-validate architecture which differentiates our conceived B-VMOA system from legacy distributed systems that follow a traditional state-machine replication architecture. We parameterize and validate our model with data collected from a realistic testbed, presenting an empirical study to characterize system performance and identify potential performance bottlenecks. Furthermore, we present the tools we used, the network setup and the discussion on empirical observations from the data collection. We examine the impact of various configurable parameters to conduct an in-dept study of core components and benchmark performance for common usage patterns. Namely, B-VMOA is meant to be run within data center. Different data center interconnection topologies scale differently due to communication protocols. Enormous challenges appear to efficiently design the network interconnections so that the deployment and maintenance of the infrastructure is cost-effective. We analyze the structural properties of several DCN topologies and also present some comparison among these network architectures with the aim to reduce B-VMOA overhead costs. From our analysis, we recommend the hypercube topology as a solution to address the performance bottleneck in the B-VMOA control plane caused by gossip dissemination protocol along with an estimate of performance improvement.