Performance et fiabilité des protocoles de tolérance aux fautes

par Divya Gupta

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Sara Bouchenak.

Le président du jury était Noël de Palma.

Le jury était composé de Luciana Arantes.

Les rapporteurs étaient Eddy Caron, Gilles Grimaud.


  • Résumé

    A l'ère de l’informatique omniprésente et à la demande, où les applications et les services sont déployés sur des infrastructures bien gérées et approvisionnées par des grands groupes de fournisseurs d’informatique en nuage (Cloud Computing), tels Amazon,Google,Microsoft,Oracle, etc, la performance et la fiabilité de ces systèmes sont devenues des objectifs primordiaux. Cette informatique a rendu particulièrement nécessaire la prise en compte des facteurs de la Qualité de Service (QoS), telles que la disponibilité, la fiabilité, la vivacité, la sureté et la sécurité,dans la définition complète d’un système. En effet, les systèmes informatiques doivent être résistants aussi bien aux défaillances qu’aux attaques et ce, afin d'éviter qu'ils ne deviennent inaccessibles, entrainent des couts de maintenance importants et la perte de parts de marché. L'augmentation de la taille et la complexité des systèmes en nuage rend de plus en plus commun les défauts, augmentant la fréquence des pannes, et n’offrant donc plus la Garantie de Service visée. Les fournisseurs d’informatique en nuage font ainsi face épisodiquement à des fautes arbitraires, dites Byzantines, durant lesquelles les systèmes ont des comportements imprévisibles.Ce constat a amené les chercheurs à s’intéresser de plus en plus à la tolérance aux fautes byzantines (BFT) et à proposer de nombreux prototypes de protocoles et logiciels. Ces solutions de BFT visent non seulement à fournir des services cohérents et continus malgré des défaillances arbitraires, mais cherchent aussi à réduire le coût et l’impact sur les performances des systèmes sous-jacents. Néanmoins les prototypes BFT ont été évalués le plus souvent dans des contextes ad hoc, soit dans des conditions idéales, soit en limitant les scénarios de fautes. C’est pourquoi ces protocoles de BFT n’ont pas réussi à convaincre les professionnels des systèmes distribués de les adopter. Cette thèse entend répondre à ce problème en proposant un environnement complet de banc d’essai dont le but est de faciliter la création de scénarios d'exécution utilisables pour aussi bien analyser que comparer l'efficacité et la robustesse des propositions BFT existantes. Les contributions de cette thèse sont les suivantes :Nous introduisons une architecture générique pour analyser des protocoles distribués. Cette architecture comprend des composants réutilisables permettant la mise en œuvre d’outils de mesure des performances et d’analyse de la fiabilité des protocoles distribués. Cette architecture permet de définir la charge de travail, de défaillance, et l’injection de ces dernières. Elle fournit aussi des statistiques de performance, de fiabilité du système de bas niveau et du réseau. En outre, cette thèse présente les bénéfices d’une architecture générale.Nous présentons BFT-Bench, le premier système de banc d’essai de la BFT, pour l'analyse et la comparaison d’un panel de protocoles BFT utilisés dans des situations identiques. BFT-Bench permet aux utilisateurs d'évaluer des implémentations différentes pour lesquels ils définissent des comportements défaillants avec différentes charges de travail.Il permet de déployer automatiquement les protocoles BFT étudiés dans un environnement distribué et offre la possibilité de suivre et de rendre compte des aspects performance et fiabilité. Parmi nos résultats, nous présentons une comparaison de certains protocoles BFT actuels, réalisée avec BFT-Bench, en définissant différentes charges de travail et différents scénarii de fautes. Cette réelle application de BFT-Bench en démontre l’efficacité.Le logiciel BFT-Bench a été conçu en ce sens pour aider les utilisateurs à comparer efficacement différentes implémentations de BFT et apporter des solutions effectives aux lacunes identifiées des prototypes BFT. De plus, cette thèse défend l’idée que les techniques BFT sont nécessaires pour assurer un fonctionnement continu et correct des systèmes distribués confrontés à des situations critiques.

  • Titre traduit

    Towards Performance and Dependability Benchmarking of Distributed Fault Tolerance Protocols


  • Résumé

    In the modern era of on-demand ubiquitous computing, where applications and services are deployed in well-provisioned, well-managed infrastructures, administered by large groups of cloud providers such as Amazon, Google, Microsoft, Oracle, etc., performance and dependability of the systems have become primary objectives.Cloud computing has evolved from questioning the Quality-of-Service (QoS) making factors such as availability, reliability, liveness, safety and security, extremely necessary in the complete definition of a system. Indeed, computing systems must be resilient in the presence of failures and attacks to prevent their inaccessibility which can lead to expensive maintenance costs and loss of business. With the growing components in cloud systems, faults occur more commonly resulting in frequent cloud outages and failing to guarantee the QoS. Cloud providers have seen episodic incidents of arbitrary (i.e., Byzantine) faults where systems demonstrate unpredictable conducts, which includes incorrect response of a client's request, sending corrupt messages, intentional delaying of messages, disobeying the ordering of the requests, etc.This has led researchers to extensively study Byzantine Fault Tolerance (BFT) and propose numerous protocols and software prototypes. These BFT solutions not only provide consistent and available services despite arbitrary failures, they also intend to reduce the cost and performance overhead incurred by the underlying systems. However, BFT prototypes have been evaluated in ad-hoc settings, considering either ideal conditions or very limited faulty scenarios. This fails to convince the practitioners for the adoption of BFT protocols in a distributed system. Some argue on the applicability of expensive and complex BFT to tolerate arbitrary faults while others are skeptical on the adeptness of BFT techniques. This thesis precisely addresses this problem and presents a comprehensive benchmarking environment which eases the setup of execution scenarios to analyze and compare the effectiveness and robustness of these existing BFT proposals.Specifically, contributions of this dissertation are as follows.First, we introduce a generic architecture for benchmarking distributed protocols. This architecture, comprises reusable components for building a benchmark for performance and dependability analysis of distributed protocols. The architecture allows defining workload and faultload, and their injection. It also produces performance, dependability, and low-level system and network statistics. Furthermore, the thesis presents the benefits of a general architecture.Second, we present BFT-Bench, the first BFT benchmark, for analyzing and comparing representative BFT protocols under identical scenarios. BFT-Bench allows end-users evaluate different BFT implementations under user-defined faulty behaviors and varying workloads. It allows automatic deploying these BFT protocols in a distributed setting with ability to perform monitoring and reporting of performance and dependability aspects. In our results, we empirically compare some existing state-of-the-art BFT protocols, in various workloads and fault scenarios with BFT-Bench, demonstrating its effectiveness in practice.Overall, this thesis aims to make BFT benchmarking easy to adopt by developers and end-users of BFT protocols.BFT-Bench framework intends to help users to perform efficient comparisons of competing BFT implementations, and incorporating effective solutions to the detected loopholes in the BFT prototypes. Furthermore, this dissertation strengthens the belief in the need of BFT techniques for ensuring correct and continued progress of distributed systems during critical fault occurrence.


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