Représentations du trafic pour mesures de réseau

Traffic representations for network measurements

• Auteur / Autrice : Raphael Azorin
• Direction : Pietro Michiardi, Massimo Gallo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 18/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut EURECOM (Sophia-Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Marco Mellia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Suna Melek Önen, Chadi Barakat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Mellia, Marco Fiore

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux d'ordinateurs

Mesure

Télécommunications -- Trafic

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Mesures de réseau

Apprentissage automatique

Représentation de données de réseau

Systèmes en réseau

Sketches appris

Modélisation de séquence

Traffic measurements

Machine learning

Network data representation

Networked systems

Learned sketches

Sequence modeling

Résumé

Mesurer l'activité d'un réseau de télécommunications est essentiel à son opération et sa gestion. Ces mesures sont primordiales pour analyser la performance du réseau et établir son diagnostic. En particulier, effectuer des mesures détaillées sur les flux consiste à calculer des métriques caractérisant les flots de données individuels qui traversent le réseau. Afin de développer des représentations pertinentes de leur trafic, les opérateurs réseau doivent en sélectionner les caractéristiques appropriées et doivent attentivement relier leur coût d'extraction à leur expressivité pour les tâches considérées. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles méthodologies pour extraire des représentations pertinentes du trafic. Particulièrement, nous postulons que l'apprentissage automatique (Machine Learning) peut améliorer les systèmes de mesures, grâce à sa capacité à apprendre des motifs adéquats issus des données, ce afin de fournir des prédictions sur des caractéristiques du trafic.La première contribution de cette thèse est un cadre de développement permettant aux systèmes de mesures basés sur des sketches d'exploiter la nature biaisée du trafic réseau. Spécifiquement, nous proposons une nouvelle représentation de ces structures de données, qui tire profit de de la sous-utilisation des sketches, réduisant ainsi l'empreinte mémoire des mesures par flux en n'enregistrant que les compteurs utiles. La deuxième contribution est un système de surveillance réseau assisté par un modèle d'apprentissage automatique, en intégrant un classificateur de trafic. En particulier, nous isolons les flux les plus larges dans le plan de données (data plane), avant de les traiter séparément avec des structures de données dédiées pour différents cas d'usage. Les dernières contributions de cette thèse abordent la conception d'un pipeline d'apprentissage profond (Deep Learning) pour les mesures de réseau, afin d'extraire de riches représentations des données de trafic permettant l'analyse du réseau. Nous puisons dans les récentes avancées en modélisation de séquences afin d'apprendre ces représentations depuis des données de trafic catégorielles et numériques. Ces représentations alimentent la résolution de tâches complexes telles que la réconciliation de données issues d'un flux de clics enregistré par un fournisseur d'accès à internet, ou la prédiction du mouvement d'un terminal dans un réseau Wi-Fi. Enfin, nous présentons une étude empirique des affinités entre tâches candidates à l'apprentissage multitâches, afin d'évaluer lorsque deux tâches bénéficieraient d'un apprentissage conjoint.

Measurements are essential to operate and manage computer networks, as they are critical to analyze performance and establish diagnosis. In particular, per-flow monitoring consists in computing metrics that characterize the individual data streams traversing the network. To develop relevant traffic representations, operators need to select suitable flow characteristics and carefully relate their cost of extraction with their expressiveness for the downstream tasks considered. In this thesis, we propose novel methodologies to extract appropriate traffic representations. In particular, we posit that Machine Learning can enhance measurement systems, thanks to its ability to learn patterns from data, in order to provide predictions of pertinent traffic characteristics.The first contribution of this thesis is a framework for sketch-based measurements systems to exploit the skewed nature of network traffic. Specifically, we propose a novel data structure representation that leverages sketches' under-utilization, reducing per-flow measurements memory footprint by storing only relevant counters. The second contribution is a Machine Learning-assisted monitoring system that integrates a lightweight traffic classifier. In particular, we segregate large and small flows in the data plane, before processing them separately with dedicated data structures for various use cases. The last contributions address the design of a unified Deep Learning measurement pipeline that extracts rich representations from traffic data for network analysis. We first draw from recent advances in sequence modeling to learn representations from both numerical and categorical traffic data. These representations serve as input to solve complex networking tasks such as clickstream identification and mobile terminal movement prediction in WLAN. Finally, we present an empirical study of task affinity to assess when two tasks would benefit from being learned together.