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

optimizing routing and resource allocation in sdn-based server only data center networks for private cloud architectures

• Auteur / Autrice : Roua Touihri
• Direction : Nadjib Ait Saadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, Image, Automatique
• Date : Soutenance le 23/04/2021
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil) - Laboratoire Images- Signaux et Systèmes Intelligents / LISSI
• Jury : Président / Présidente : Yacine Amirat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadjib Ait Saadi, Pascal Lorenz, Anne Fladenmuller, Cyril Veillon, Abdulhalim Dandoush, Ken Chen, Marouen Mechtri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Lorenz, Anne Fladenmuller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Architecture -- Informatique

Informatique dans les nuages

Mots clés libres

Dcn

Camcube

Sdn

Routage

Allocation de ressource

Optimisation

Dcn

CamCube

Sdn

Routing

Resource allocation

Optimization

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 deux nouveau protocoles CRP qui se base sur la programmation linéaire et la meta-heuristic ACO-CRP inspirée de l’algorithme Ant Colony Optimization. Ces deux protocoles proposent 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 deux nouvelles approches M-CRP et ACO-MCRP dont le but de l’amélioration non seulement de la QoS du réseau CamCube mais aussi de l’arbre multicast. Ces différentes propositions pour les flux unicast et multicast 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 tels que les protocoles du plus court chemin et OSPF respectivement dans CamCube et Clos centres de données.

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-data center traffic, the traditional Data Center Network (DCN) architectures are not capable to stay ahead of the demand in terms of scalability and cost lowering. Besides, DCNs 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, implementing new techniques based on optimized algorithms become compulsory to overcome these challenges within data center networks. In this regard, we tackle 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 study in this thesis the CamCube Server-Only data center managed by ONOS SDN controller. Besides, we aim to implement and analyze the performance of 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 investigate the problem through three increasing complexity steps. In the first stage, we consider unicast intra-CamCube communication by proposing new methods named CRP and ACOCRP respectively based on Linear Programming Ant Colony Optimization. The latters generate an optimized path to forward packet in a typical CamCube network subjects to the constraints of network performance in terms of latency and path length. In the second phase, we propound a new M-CRP and ACO-MCRP approaches to tackle the multicast communications in SDN-based CamCube network. Our approaches addressed multicast routing and resource allocation of online arrived flows. We show that our propounded approach enhanced the CamCube QoS and the quality of the proposed multicast tree. In this thesis, we online treat the routing and the resource allocation for the communication of each arrived flow. As a third step, we focused on resource allocation optimization for batch mode arrival of traffic flows within ONOS-based CamCube topology by proposing batch-(M)CRP strategy. Note that we emulated the propounded environment to test the full proposed schemes, through extensive experimentations conducted with Mininet. We evaluate the performance of our propositions in terms of E2E delay, jitter and packet loss. Obtained results demonstrate that our proposals outperform the existing state-ofthe-art strategies such as the shortest path and OSPF routing schemes respectively for CamCube and traditional Clos DCNs architectures.