SDN-based traffic engineering in data centers, Interconnects, and Carrier Networks

Résumé

La virtualisation des serveurs et le cloud computing ont augmenté les demandes en bande passante et en performances des réseaux des centres de données (DCN). Les principaux defies des DCN sont la maximisation de l’utilisation du réseau et la garantie d’une tolérance aux pannes pour résoudre les défaillances multiples de noeuds et de liaisons. Un environnement multitenant virtualisé et hautement dynamique se compose d’un grand nombre de stations terminales, entraînant un nombre important de flux qui remettent en cause l’évolutivité d’une solution qui maximise le débit du réseau. Les défis sont l’évolutivité, en termes d’apprentissage de l’adresse, de convergence des décisions de transmission et de taille de l’état de transfert, ainsi que la flexibilité pour l’envoi des flux avec la migration des machines virtuelles. Les centres de données géographiquement répartis sont interconnectés par l’intermédiaire de l’infrastructure de réseau des fournisseurs de services. Les fournisseurs de services offrent une connexion de réseau étendu (WAN) tels que des lignes privées et des circuits MPLS entre les centres de données. Les centres de données des opérateurs de réseau essaient de maximiser l’utilisation d’un tel réseau WAN déjà existant, c’est-à-dire l’interconnexion entre les centres de données (DCI) appliquée du côté réseau des centres de données. Alors que les fournisseurs de services des opérateurs de réseau tentent d’optimiser le coeur du réseau de l’opérateur. Parallèlement à l’adoption croissante des technologies ROADM, OTN et de la technologie de commutation de paquets, le réseau IP/MPLS-over-WDM traditionnel à deux couches a évolué pour devenir un réseau IP/MPLS-over-OTN sur DWDM à trois couches et la topologie de superposition définie est en train de changer pour des topologies dynamiques basées sur les demandes de trafic en temps réel. Les opérations sur le réseau sont ainsi divisées en trois sous-réseaux physiques: DCN, DCI overlay et l’infrastructure réseau multicouche de l’opérateur. La virtualisation de serveurs, le cloud computing et l’infrastructure réseau multicouche évolutive de l’opérateur défient l’ingénierie du trafic pour optimiser l’utilisation de tous ces sous-réseaux physiques. L’architecture émergente de réseau défini par logiciel (SDN) déplace le calcul des chemins vers un contrôleur centralisé, qui a une vue globale du réseau. Les opérateurs indiquent une forte preference pour que le SDN soit interopérable entre plusieurs fournisseurs dans des réseaux de transport hétérogènes. SDN est un moyen naturel de créer une planification de contrôle unifié à travers plusieurs divisions administratives. Cette thèse contribue avec des techniques d’ingénierie de trafic basées sur SDN pour maximiser l’utilisation du réseau DCN, DCI et du réseau de transport. La première partie de la thèse porte sur l’ingénierie du trafic DCN. Les mécanismes d’acheminement traditionnels utilisant un seul chemin ne peuvent pas tirer parti des multiples chemins physiques disponibles. La solution MPTCP (Multipath Transmission Control Protocol) de pointe utilise plusieurs chemins sélectionnés de manière aléatoire, mais ne peut pas fournir une capacité totale agrégée. De plus, cela fonctionne comme un processus TCP et ne supporte donc pas d’autres protocoles comme UDP. Pour résoudre ces problèmes, cette thèse présente une solution utilisant le routage multivoie adaptatif dans un réseau de deux couches avec des métriques statiques (capacité et latence), qui s’adapte aux ruptures de lien et de chemin. Cette solution fournit une agrégation dans le réseau des capacités des chemins aux flux individuels, ainsi que l’évolutivité et la Multi-Tenancy, en séparant les services de station terminale du réseau du fournisseur. Les résultats démontrent une amélioration de 14% de la pire utilization de la bande passante de bissection, lorsque comparée au MPTCP avec 5 sous-flux. La deuxième partie de la thèse porte sur l’ingénierie du trafic DCI. Les approches existantes pour les services de réservation fournissent des capacités de réservation limitées, par ex. connexions limitées sur les liens renvoyés par le traceroute par rapport aux réseaux IP traditionnels. De plus, la plupart des approches existantes n’abordent pas la tolérance aux erreurs en cas de défaillance de noeuds ou de liaisons. Pour résoudre ces problèmes, cette thèse présente ECMP-comme l’algorithme de routage multi-chemins et la technique d’assignation de routes qui augmente le taux d’acceptation des réservations par rapport aux infrastructures de reservation de pointe dans les liaisons WAN entre centres de données. Ces réservations peuvent être configurées avec un nombre limité de règles de transfert statiques sur les commutateurs. Notre prototype fournit l’interface de service Web RESTful pour la gestion des événements de migration de liens et d’hôtes finaux et réachemine les chemins pour toutes les reservations affectées. Dans la dernière partie de la thèse, nous nous sommes concentrés sur l’ingénierie du traffic du réseau de transport multicouche. Les nouvelles tendances de trafic dynamiques dans les couches supérieures (par exemple le routage IP) nécessitent une configuration dynamique du transport optique pour rediriger le trafic, ce qui nécessite à son tour l’intégration de plusieurs couches de contrôle administratif. Lorsque plusieurs demandes de bande passante proviennent de différents noeuds dans différentes couches, un calcul séquentiel distribué ne peut pas optimizer le réseau entier. La plupart des recherches antérieures se sont concentrées sur le problem des deux couches, et les récentes études de recherche en trois couches se limitent au problem de dimensionnement de la capacité. Nous présentons dans cette thèse un modèle d’optimisation avec une formulation MILP pour le trafic dynamique dans un réseau à trois couches, ou nous avons tenu compte des contraintes technologiques uniques de la couche OTN distincte. Nos résultats expérimentaux montrent comment les valeurs de coût unitaire des différentes couches affectent le coût du réseau et les paramètres par la présence de plusieurs ensembles de charges de trafic. Nous démontrons également l’efficacité de notre approche heuristique proposée.

Date	1 févr. 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohamed Cheriet (Directeur(-trice))