Enriching the internet control-plane for improved traffic engineering

par Chi Dung Phung

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Stefano Secci.

Soutenue le 30-03-2018

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

Le président du jury était Dominique Gaïti.

Le jury était composé de Damien Saucez, Luigi Iannone, Nadia Boukhatem, Guy Pujolle.

Les rapporteurs étaient Mathieu Bouet, Guillaume Urvoy-Keller.

  • Titre traduit

    Amélioration du plan de contrôle d'internet avec de nouvelles solutions d'ingénierie de trafic


  • Résumé

    L'un des défis majeurs de l'évolution de l'architecture Internet est la définition d'une architecture protocolaire permettant d'améliorer le routage, et en particulier (i) conserver un système de routage gérable avec les technologies actuelles et futures c'est-à-dire, avec quelques millions d'états, (ii) offrir une architecture apte à faciliter la programmabilité du plan de transfert, (iii) proposer un système de routage évolutif pouvant être régulièrement optimisé avec uniquement les informations sur les flux actifs, (iv) fournir une séparation entre localisateurs et identificateurs pour la mobilité IP avancée, (v) faciliter un déploiement incrémental, (vi) mieux servir les services applicatifs "over-the-top". Le protocole LISP (\textit{Locator/Identifier Separation Protocol}) a été identifié comme l'un des protocoles émergents à cet égard. Dans son état actuel, il répond très bien aux besoins susmentionnés. Cependant, il subit des limitations lorsqu'il s'agit de prendre en compte la résilience et la capacité à réagir rapidement aux mises à jour de l'état du réseau. Ces inconvénients peuvent être compensés en améliorant l'architecture du plan de contrôle et ses algorithmes de routage. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle architecture réseau-système et expérimentons de nouvelles primitives de plan de contrôle, ainsi que d'algorithmes de diffusion des états, en testant son passage à l'échelle avec différentes conditions de réseau. Nous concevons et construisons d'abord un nœud de plan de données et de plan de contrôle LISP open source. Nous le comparons avec d'autres implémentations en montrant que notre implémentation atteint des performances adaptées aux vrais déploiements. Nous montrons comment notre implémentation a permis la mise en oeuvre d'une plateforme d'expérimentation à grande échelle, la plate-forme LISP-Lab, en opération aussi bien les fonctions de plan de transfert que les fonctions de plan de contrôle. En suite, nous proposons une nouvelle solution pour les migrations à chaud de machines virtuelles à travers des centres de données géographiquement répartis sur des réseaux IP étendus. Des tests dans un testbed réel connecté nativement à Internet montrent qu'avec notre approche, nous pouvons facilement atteindre des temps d'arrêt inférieurs à la seconde lors de la migration sur une grande échelle, même pour des clients très distants. En outre, nous avons étudié des protocoles d'optimisation de réseau multicouche, en particulier en relation avec le protocole MPTCP (Multipath Transport Control Protocol), auquel LISP peut offrir une diversité de chemins pour l’agrégation de bande passante, ainsi qu’une plus grande confidentialité et fiabilité des connexions. Bien que nous ne puissions bénéficier que de quelques nœuds de réseau superposés, nous avons pu évaluer expérimentalement nos propositions en montrant l'impact positif de notre solution, l'impact négatif des longs temps d'aller-rétour sur certains sous-flux MPTCP, et la forte corrélation entre le temps d'aller-retour différentiel et le débit. Enfin, nous avons travaillé sur une refonte du plan de contrôle de LISP afin d’améliorer son fonctionnement du à l'échelle d’Internet, en facilitant la coopération entre les systèmes de mapping LISP et en introduisant plus d'automatisation dans la procédure de fourniture de services de connectivité LISP. Nous croyons qu'une telle optimisation pourrait sensibiliser la communauté des fournisseurs de services, générant de nouvelles opportunités commerciales liées aux services de cartographie LISP et l'application de politiques d'ingénierie de trafic interdomaines avancées dans le but d'obtenir de meilleures garanties de qualité de service.


  • Résumé

    One of the major challenges in the evolution of the Internet architecture is the definition of a protocol architecture that allows to solve the following major issues in Internet routing and traffic forwarding capabilities, (i) keeping a routing state that is manageable with current and forthcoming computing infrastructure – i.e., with few millions of states, (ii) offering a scalable pull architecture in support of data-plane programmability, (iii) offering a scalable forwarding plane able to be regularly optimized with only active flows information, (iv) offering locator/identifier separation for advanced IP mobility, (v) is incrementally deployable, (vi) can enhance the support of over-the-top services. The Locator/Identifier Separation Protocol (LISP) has been identified as one of the rising protocols in this respect. In its current status, it supports the above mentioned requirements at a level that is acceptable for basic networking environments. However, it shows too limited capacities when it comes to take into consideration fault resiliency and capability to react fast to network state updates. These shortcomings can be compensated by enhancing the control-plane architecture, and the routing algorithms therein. In this dissertation, we propose new protocol features and experiment novel control-plane primitives, as well as hybrid distributed-centralized routing state dissemination algorithms, to scale with different network conditions. We first design and build own open source LISP data-plane and control plane node, comparing it with other implementations, showing how our implementation can scale for large networks and reach performances suitable for real deployments. We present how our implementation served to operate all network nodes (data-plane and control-plane nodes) of a large scale experimentation testbed, the LISP-Lab testbed. Then we propose a novel LISP-based solution for VM live migrations across geographically separated datacenters over wide area IP networks. Experimenting it at large scale, we show that with our approach we can easily reach sub-second downtimes upon Internet-wide migration, even for very distant clients. Moreover, we investigate cross-layer network optimization protocols, in particular in relation with the Multipath Transport Control Protocol (MPTCP) to which LISP can deliver path diversity in support of bandwidth increase, confidentiality support and connection reliability, also using LISP traffic engineering network overlays. Despite we could benefit from only few overlay network nodes, we could experimentally evaluate our proposals showing the positive impact by using our solution, the negative impact of long round-trip times on some MPTCP subflows, and the strong correlation between the differential round-trip time among subflows and the throughput performance. Finally, we worked on a framework to improve LISP operation at the Internet scale, by facilitating cooperation between LISP Mapping Systems and introducing more automation in the LISP connectivity service delivery procedure. We believe such optimization could raise awareness among the service providers’ community, yielding new business opportunities related to LISP mapping services and the enforcement of advanced inter-domain traffic engineering policies for the sake of better quality of service guarantees.


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