Protocol architecture and algorithms for distributed data center networks

par Patrick Raad

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Stefano Secci et de Pascal Gallard.

Soutenue le 14-12-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique de Paris 6 / LIP6 (laboratoire) .

Le jury était composé de Thierry Coupaye, Djamal Zeghlache, Guy Pujolle, Christian Jacquenet, Jean-Louis Rougier, Bijan Jabbari, Olivier Festor.

  • Titre traduit

    Protocoles et algorithmes pour les réseaux de centres de données distribués


  • Résumé

    De nos jours les données ainsi que les applications dans le nuage (cloud) connaissent une forte croissance, ce qui pousse les fournisseurs à chercher des solutions garantissant un lien réseau stable et résilient à leurs utilisateurs. Dans cette thèse on étudie les protocoles réseaux et les stratégies de communication dans un environnement de centre de données distribués. On propose une architecture cloud distribuée, centrée sur l’utilisateur et qui a pour but de: (i) migrer des machines virtuelles entre les centres de données avec un temps d’indisponibilité faible; (ii) fournir un accès résilient aux machines virtuelles; (iii) minimiser le délai d'accès au cloud. On a identifié deux problèmes de décision: le problème d'orchestration de machines virtuelles, prenant en compte la mobilité des utilisateurs, et le problème de basculement et de configuration des localisateurs, prenant en compte les états des liens inter- et intra-centre de données. On évalue notre architecture en utilisant une plate-forme de test avec des centres de données distribués géographiquement et en simulant des scenarios basés sur des traces de mobilités réelles. On montre que, grâce à quelques modifications apportées aux protocoles d'overlay, on peut avoir des temps d'indisponibilité très faibles pendant la migration de machines virtuelles entre deux centres de données. Puis on montre qu’en reliant la mobilité des machines virtuelles aux déplacement géographiques des utilisateurs, on peut augmenter le débit de la connexion. De plus, quand l’objectif est de maximiser le débit entre l’utilisateur et sa ressource, on démontre par des simulations que la décision de l'emplacement des machines virtuelles est plus importante que la décision de basculement de point d'entrée du centre de données. Enfin, grâce à un protocole de transport multi-chemins, on montre comment optimiser les performances de notre architecture et comment à partir des solutions de routage intra-centre de données on peut piloter le basculement des localisateurs.


  • Résumé

    While many business and personal applications are being pushed to the cloud, offering a reliable and a stable network connectivity to cloud-hosted services becomes an important challenge to face in future networks. In this dissertation, we design advanced network protocols, algorithms and communication strategies to cope with this evolution in distributed data center architectures. We propose a user-centric distributed cloud network architecture that is able to: (i) migrate virtual resources between data centers with an optimized service downtime; (ii) offer resilient access to virtual resources; (iii) minimize the cloud access latency. We identify two main decision making problems: the virtual machine orchestration problem, also taking care of user mobility, and the routing locator switching configuration problem, taking care of both extra and intra data center link states. We evaluate our architecture using real test beds of geographically distributed data centers, and we also simulate realistic scenarios based on real mobility traces. We show that migrating virtual machines between data centers at negligible downtime is possible by enhancing overlay protocols. We then demonstrate that by linking cloud virtual resource mobility to user mobility we can get a considerable gain in the transfer rates. We prove by simulations using real traces that the virtual machine placement decision is more important than the routing locator switching decision problem when the goal is to increase the connection throughput: the cloud access performance is primarily affected by the former decision, while the latter decision can be left to intra data center traffic engineering solutions. Finally, we propose solutions to take profit from multipath transport protocols for accelerating cloud access performance in our architecture, and to let link-state intra data center routing fabrics piloting the cloud access routing locator switching.


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