Plan de contrôle dans les réseaux logiciels dynamiques

Control plane in dynamic software networks

• Auteur / Autrice : Adrien Wion
• Direction : Gérard Memmi, Mathieu Bouet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/03/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Hind Castel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Memmi, Mathieu Bouet, Thierry Turletti, Stefano Secci, Andrea Giuseppe Araldo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Turletti, Stefano Secci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Routage (informatique)

Gestionnaires de réseaux (logiciels)

Mots clés libres

Réseaux IP

Chaînage de service

Equilibrage de charge

Théorie du contrôle

Routage

IP networks

Service function chaining

Load balancing

Control theory

Routing

Résumé

Au cours de ces dernières années, les réseaux se sont transformés passant d'une infrastructure à base de matériel dédié implémentant des fonctions statiques à des solutions logicielles plus flexibles. D'un côté, le SDN (Software Defined Networks) permet de contrôler les opérations de transmission, alors que de l'autre le NFV (Network Function Virtualization) crée des fonctions élastiques qui peuvent s'adapter à la demande. Jusqu'à présent, ces solutions ont été utilisées pour simplifier la gestion et l'exploitation des réseaux mais elles laissent également envisager un réseau qui peut automatiquement réagir à des événements réseaux. Dans cette thèse, nous explorons dans quelle mesure ces nouveaux réseaux logiciels peuvent être utilisés pour s'adapter à la dynamique inhérentes aux réseaux. Notre première contribution s'intéresse au chaînage de service, c'est à dire la capacité de diriger des flux de données à travers un ensemble de points intermédiaires, qui hébergent des fonctions, avant d'atteindre leur destination. Nous montrons qu'un plan de contrôle distribué, qui s'appuie sur les protocoles de routage existants et qui est constitué par des noeuds autonomes, peut dynamiquement diriger le trafic à travers des chaines de services. Notre solution adapte sa décision au trafic sur le réseau et équilibre automatiquement la charge induite sur les fonctions présentes sur le réseau. De plus, notre proposition, au contraire des solutions existantes, peut être déployée progressivement dans les réseaux actuels. Dans notre seconde contribution, nous comparons deux types de décision de chaînage : une approche centralisée avec une vue de bout en bout de la chaîne et une approche distribuée qui dirige uniquement les flux d'une fonction à l'autre. Nous montrons que ces deux décisions sont proches dans des topologies réalistes. Ainsi, un chaînage saut par saut pourrait être utilisé sans affecter les performances du réseau.Finalement, nous explorons comment les réseaux logiciels peuvent réagir à la dynamique des réseaux dans les centres de données. Jusqu'à présent, des équilibreurs de charges utilisaient des politiques statiques afin de répartir le trafic sur les serveurs, ce qui amenait du déséquilibre et gâchait des ressources. Nous proposons d'asservir le système et d'adapter dynamiquement la politique à la variation de charge des serveurs. Notre approche MPC (Model Predictive Control) est efficace afin de réduire le déséquilibre de charge à une basse fréquence de contrôle améliorant ainsi le nombre de requêtes qu'un ensemble de serveur peut traiter.

During the last years, network infrastructure has moved from dedicated-hardware solutions implementing fixed functions to more flexible software based ones. On one hand, SDN (Software Defined Network) can flexibly control forwarding operations, while on the other, NFV (Network Function Virtualization) creates elastic functions that can scale with the user demands. So far, these solutions have been used to simplify network management and operations, but they let envision a network that can automatically react to network events. In this thesis, we explore to what extent these new software networks can be used to react and adapt finely to the network dynamics.Our first contribution focuses on service chaining: the ability to steer flows through a set of waypoints hosting functions before they reach their destinations. We show that a distributed control plane that relies on existing routing protocols and is constituted by autonomous nodes can dynamically steer traffic through chains of services. Our solution finely adapts its decision to the network traffic and automatically balances the induced load on the functions present in the network. Moreover, our proposal, contrary to existing solutions, can be incrementally deployed in today's network.In our second contribution, we compare two types of chaining decisions: a centralized one with an end-to-end view of the chain and a distributed approach that solely routes flow from a function to another. We show that the two decisions are close in realistic topologies. Thus, hop-by-hop chaining could be used without affecting chaining performance. Finally, we explore how software networks can react to network dynamics in datacenters. So far, load balancers use static policies to spread incoming traffic on servers, which leads to imbalance and overprovisioning. We propose to close the loop and dynamically adapt the policy to the server load variation. Our MPC (Model Predictive Control) approach proved to be efficient to reduce load imbalance at a slow pace, thus improving the number of requests a cluster can process.