Optimisation de routage et d'allocation de ressources basée sur le SDN dans les réseaux de data centers pour les architectures de cloud privé

par Roua Touihri

Projet de thèse en Signal, Image, Automatique

Sous la direction de Nadjib Ait saadi.


  • Résumé

    Selon les dernières études scientifiques, l'augmentation du nombre des utilisateurs connectés à internet suit encore une tendance exponentielle exigeant toujours une excellente qualité de services (QoS) Cloud. Les architectures traditionnelles des centres de données existantes sont incapables de suivre cette croissance importante en termes de scalabilité et d'optimisation des coûts, et la dégradation de la QoS de leurs réseaux qu'elles subissent, impactent la Qualité d'Expérience des utilisateurs. Par conséquent, les opérateurs du cloud se pressent de travailler sur l'amélioration de l'architecture de leurs centres de données afin de répondre aux exigences de leurs clients. De fait, mettre en place de nouvelles architectures physiques et/ou implémenter de nouvelles techniques plus performantes devient un impératif pour relever ces défis. Dans ce contexte, nous proposons dans le cadre de cette thèse une nouvelle approche prometteuse afin d'adresser le problème de l'amélioration du routage et de l'optimisation de l'allocation des ressources dans les réseaux au sein même des centres de données. Nous proposons une architecture centralisée qui se base sur le software defined networking (SDN) pour gérer le réseau au sein du centre de données CamCube composé uniquement de serveurs afin de traiter les données et relayer les paquets aux autres voisins dans la même topologie. Le problème du routage et de l'allocation de ressource dans la topologie CamCube est NP-difficile. Afin de passer outre cette complexité, nous proposons dans ces travaux de thèse de procéder suivant trois étapes. Dans un premier temps, nous considérons le problème de génération de flux unicast entre une source et une destination. Nous proposons pour cela un nouveau protocole qui propose un chemin optimal entre la source et la destination améliorant la performance du réseau CamCube en termes de temps de latence, de perte de paquets et de gigue . Dans un deuxième temps, nous adressons le problème de routage multicast dans le réseau SDN CamCube. Nous proposons une nouvelle approche M-CRP qui améliore la QoS du réseau CamCube mais aussi de l'arbre multicast. Ces nouveaux protocoles CRP et M-CRP traitent le routage et l'installation des flux arrivées en mode en ligne. En troisième étape, nous proposons le protocole Batch-CRP qui gère conjointement le routage et l'allocation de ressources pour un arrivage en bloc de flux i.e., suivant le mode batch. Finalement, après différentes émulations effectuées en utilisant Mininet et le contrôleur ONOS, nous montrons que les protocoles proposés sont plus performants que les stratégies existantes dans la littérature. Mots-clès : Cloud computing, CamCube centre de données, communication dans les réseaux du centre de données, SDN, Routage, allocation de ressources et optimisation.

  • Titre traduit

    Optimizing Routing and Resource Allocation in SDN-based Server Only Data Center Networks for Private Cloud Architectures


  • Résumé

    According to the latest statistics, the number of connected people to the Internet is still exponentially growing and the high quality of cloud services will remain significantly requested in the coming years. Facing the resulting tremendous growth of the intra-datacenter traffic, the traditional Data-Center Network (DCN) architectures are not capable to stay ahead of the demand in terms of scalability and cost lowering and they suffer from the degradation of their network Quality of Service (QoS) performances which deeply impact the users Quality of Experience (QoE). As a result, cloud architects and service providers are pressed to deal with this rapid explosion of data center traffic by reconsidering their data center architecture to fit their customers' needs. Hence, deploying new data center architectures and/or implementing new techniques based on performed algorithms become compulsory to overcome these challenges. In this regard, we tackle in this thesis the performance of data center networks by investigating new promising approaches able to improve intra-data center communication and to optimize the resource allocation within their infrastructures. Motivated by its architecture strengths, we consider the CamCube Server-Only data center managed by ONOS SDN controller as a test environment. Besides, in the context of this thesis, we aim to implement and analyze the performance of newly implemented strategies to address the optimization of routing and resource allocation for Intra-CamCube servers communications. In fact, our objective consists of improving network performance and decreasing network congestion. The problem of resource allocation and routing in SDN-based CamCube topology is NP-hard. In order to overcome this challenge, we investigated the problem through three increasing complexity steps. In the first stage, we consider one-hop Intra-CamCube server communication. We developed a new CRP protocol scheme that proposes an optimized path to packet routing in a typical CamCube network subject to the constraint of network performance in terms of latency, packet loss, and jitter. In the second phase, we propound a new M-CRP approach to tackle the multi-hop communications in the SDN-based CamCube network. Our approach addresses multicast routing within our proposed architecture by treating packets routing and resource allocation of arrived flow via an online way. We show that our propounded approach enhanced the CamCube QoS and the quality of the proposed multicast tree. treat the routing and the resource allocation for the communication of each arrived flow through an online way. As a third step, we focused on resource allocation optimization for batch mode arrival of one-hop intra-servers communication flow in an ONOS-based CamCube topology by proposing the Batch-CRP strategy. Finally, we emulated the propounded environment to test the full proposed protocol stack, through extensive experimentations conducted with Mininet. Experimentations demonstrate that our proposals outperform the existing state-of-the-art strategies. Keywords: Cloud computing, CamCube Data Center, Intra-Data Center communications, SDN, Routing, Resource Allocation and Optimization.