Extending SDN control to large-scale networks : Taxonomy, challenges and solutions

par Fetia Bannour

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Abdelhamid Mellouk.

Soutenue le 19-11-2019

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil) (laboratoire) et de Laboratoire Images- Signaux et Systèmes Intelligents / LISSI (laboratoire) .

Le président du jury était Samia Bouzefrane.

Le jury était composé de Abdelhamid Mellouk, Olivier Festor, Gerardo Rubino, Sami Souihi, Thierry Divoux, Djamal Zeghlache, Fabrice Guillemin.

Les rapporteurs étaient Olivier Festor, Gerardo Rubino.

  • Titre traduit

    Contributions pour le contrôle distribué dans les réseaux SDN


  • Résumé

    Le réseau piloté par le logiciel (SDN) est un nouveau paradigme d’architecture réseau où le plan de contrôle est totalement découplé du plan de données, et centralisé dans un contrôleur SDN. Les architectures SDN centralisées soulèvent de nombreux défis d'évolutivité et de fiabilité. Pour répondre à ces défis, il est nécessaire de faire évoluer l’architecture SDN vers une approche systèmes physiquement distribués, mais logiquement centralisés. Il faut, néanmoins, lever les verrous inhérents à certains cas d’application. Cette thèse traite du problème de la décentralisation du plan de contrôle SDN dans le contexte de réseaux à large échelle. Après une étude approfondie de l’état de l’art et une classification des approches existantes, trois approches furent proposées pour répondre à des défis majeurs associés à la décentralisation du plan de contrôle SDN dans un contexte de réseaux à large échelle. La première contribution aborde le problème de placement de contrôleurs SDN. Les stratégies mises en œuvre prennent en compte plusieurs critères d’évolutivité et de fiabilité pour le placement de contrôleurs SDN. La deuxième et la troisième contributions étudient le problème de cohérence des données dans un cluster SDN distribué en proposant des modèles de cohérence adaptatifs et continus. L’apport principal de ces deux contributions est de mettre au point une stratégie d’adaptation de cohérence qui permet, au moment de l’exécution, de trouver un compromis entre les exigences continues de l’application en termes de performance et de cohérence. Ces compromis devraient permettre de minimiser en temps réel la surcharge engendrée sur le réseau tout en satisfaisant les seuils définis par l'application qui peuvent être spécifiés dans les contrats de niveau de service donnés.Ces modèles s'intéressent en premier lieu, au mécanisme de réconciliation Anti-Entropie qui s’adapte au besoin réel, en termes de cohérence, des applications SDN. Dans un second temps, ils s’intéressent aux stratégies de réplication en proposant un modèle intelligent basé sur le vote majoritaire (Quorum). Ces approches ont été validées en utilisant le contrôleur ONOS et deux applications SDN : une application de routage et une application de type CDN.


  • Résumé

    Centralized SDN designs raise many challenges including the issues of scalability and reliability. The latter can be addressed with the physical decentralization of the SDN control plane. However, such physically distributed, but logically centralized systems, bring anadditional set of open challenges. This thesis deals with the problem of decentralizing the SDN control plane in the context of large-scale networks. First, to assist recent initiatives in putting the SDN paradigm into practice, this thesis proposes original classifications that make comparisons between the broad range of state-of-the art SDN controller platforms with respect to various criteria. It also provides a thorough analysis of the major challenges encountered by the existing distributed SDN controller platforms. Furthermore, three novel approaches are proposed to decentralize the SDN control plane in large-scale networks while tackling some of the most prominent associated challenges. The first approach addresses the SDN controller placement problem by proposing scalability and reliability aware strategies for the placement of distributed SDN controllersat scale using different types of multi-criteria optimization algorithms. The second and third approaches investigate the knowledge sharing problem in the distributed SDN control by proposing adaptive and continuous consistency models for the distributed SDNcontrollers. The first approach uses a novel Anti-Entropy reconciliation mechanism for applications with eventual consistency needs on top of the ONOS controllers. The third approach puts forward an intelligent Quorum-based replication strategy for a CDN-like application developed on ONOS. The last two approaches are mainly aimed at achieving a consistency adaptation strategy that provides at run-time balanced trade-offs between the application’s continuous performance and consistency requirements. These real-time trade-offs should provide minimal application inter-controller overhead while satisfying the application-defined thresholds specified in the given application SLAs.


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