Répartition de flux dans les réseaux de contenu, application à un contexte satellite

Flow distribution in content networks, application to a satellite context

• Auteur / Autrice : Adrien Thibaud
• Direction : Emmanuel Chaput, Razvan Stanica
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunication
• Date : Soutenance le 02/09/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Vèque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Chaput, Véronique Vèque, Julien Fasson, Fabrice Arnal, Thierry Turletti, Emmanuel Dubois, Renaud Sallantin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Toufik Ahmed, Razvan Stanica

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites scientifiques

Équité

Contrôle de congestion (télécommunications)

Mots clés libres

ICN

NDN

QoE

Contrôle de Congestion

Équité

Satellite

ICN

NDN

QoE

Congestion Control

Fairness

Satellite

Résumé

Avec l'apparition de service de vidéo à la demande tel que Netflix, l'utilisation du streaming a explosé ces dernières années. L'important volume de données engendré oblige les opérateurs réseaux à définir et utiliser de nouvelles solutions. Ces solutions même si elles restent fondées sur la pile IP, cherchent à contourner la communication point à point entre deux hôtes (CDN, P2P, ...). Dans cette thèse, nous nous intéressons à une nouvelle approche, l'Information Centric Networking, qui cherche à déconstruire le modèle d'IP en se focalisant sur le contenu recherché. L'utilisateur indique ainsi au réseau qu'il souhaite obtenir une donnée et le réseau s'occupe de lui rapatrier ce contenu. Avec la pile IP, un hôte peut envoyer un message à un autre hôte. Il faut monter au niveau applicatif pour qu'un utilisateur puisse récupérer un contenu. Parmi les nombreuses architectures proposées dans la littérature, Named Data Networking (NDN) nous semble l'architecture la plus mature. Pour que NDN soit une réelle opportunité pour Internet, il lui faut offrir une meilleure Qualité d’Expérience (QoE) aux utilisateurs tout en utilisant efficacement les capacités des réseaux. C’est le coeur de cette thèse : proposer une solution à NDN pour gérer au mieux la satisfaction des utilisateurs. Pour des contenus tels que de la vidéo, le débit est crucial. C’est pourquoi nous avons pris le parti de maximiser ce dernier pour maximiser la QoE. Les nouvelles opportunités offertes par les NDN, telles que le multi-chemin et la mise en cache, nous ont permis de redéfinir la notion de flux dans ce paradigme. Avec cette définition et la possibilité d'effectuer du traitement sur chaque noeud du réseau, nous avons décidé de voir le problème classique du contrôle de congestion comme la recherche d'une répartition équitable des flux. Pour que la QoE des utilisateurs soit optimale, cette répartition devra répondre au mieux aux demandes. Cependant, comme les ressources du réseau ne sont pas infinies, des compromis doivent être faits. Pour cela, nous avons décidé d'utiliser le critère d'équité Max-Min qui permet d'obtenir un équilibre de Pareto où l'augmentation d'un flux ne peut se faire qu'au détriment d'un autre flux moins privilégié. L'objectif de cette thèse a ensuite été de proposer une solution au problème nouvellement formulé. Nous avons donc conçu Cooperative Congestion Control, une solution distribuée ayant pour but de répartir les flux équitablement sur le réseau. Elle se base sur une coopération de chacun des noeuds où les besoins des utilisateurs sont transmis jusqu'aux fournisseurs de contenu et où les contraintes du réseau sont ré-évaluées localement et transmises jusqu'aux utilisateurs. L'architecture de notre solution est générique et est composée de plusieurs algorithmes. Nous proposons quelques implantations de ceux-ci et montrons que même si un équilibre de Pareto est obtenu, seule une équité locale est atteinte. En effet, par manque d'information, les décisions prises par les noeuds sont limitées. Nous avons aussi éprouvé notre solution sur des topologies comprenant des liens satellites (proposant de hauts délais). Grâce à l'émission des Interests régulée par notre solution, nous montrons que ces hauts délais, et contrairement aux solutions de l'état de l'art, n'ont que très peu d'impacts sur les performances de CCC.

With the emergence of video-on-demand services such as Netflix, the use of streaming has exploded in recent years. The large volume of data generated forces network operators to define and use new solutions. These solutions, even if they remain based on the IP stack, try to bypass the point-to-point communication between two hosts (CDN, P2P, ...). In this thesis, we are interested in a new approach, Information Centric Networking, which seeks to deconstruct the IP model by focusing on the desired content. The user indicates to the network that he wishes to obtain a data and the network takes care of retrieving this content. Among the many architectures proposed in the literature, Named Data Networking (NDN) seems to us to be the most mature architecture. For NDN to be a real opportunity for the Internet, it must offer a better Quality of Experience (QoE) to users while efficiently using network capacities. This is the core of this thesis: proposing a solution to NDN to manage user satisfaction. For content such as video, throughput is crucial. This is why we have decided to maximize the throughput to maximize the QoE. The new opportunities offered by NDNs, such as multipathing and caching, have allowed us to redefine the notion of flow in this paradigm. With this definition and the ability to perform processing on every node in the network, we decided to view the classic congestion control problem as finding a fair distribution of flows. In order for the users' QoE to be optimal, this distribution will have to best meet the demands. However, since the network resources are not infinite, tradeoffs must be made. For this purpose, we decided to use the Max-Min fairness criterion which allows us to obtain a Pareto equilibrium where the increase of a flow can only be done at the expense of another less privileged flow. The objective of this thesis was then to propose a solution to the newly formulated problem. We thus designed Cooperative Congestion Control, a distributed solution aiming at distributing the flows fairly on the network. It is based on a cooperation of each node where the users' needs are transmitted to the content providers and the network constraints are re-evaluated locally and transmitted to the users. The architecture of our solution is generic and is composed of several algorithms. We propose some implementations of these and show that even if a Pareto equilibrium is obtained, only local fairness is achieved. Indeed, due to lack of information, the decisions made by the nodes are limited. We also tested our solution on topologies including satellite links (thus offering high delays). Thanks to the emission of Interests regulated by our solution, we show that these high delays, and contrary to state-of-the-art solutions, have very little impact on the performance of CCC.