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UNIVERSIT´ E PIERRE ET MARIE CURIE Laboratoire d’Informatique de Paris 6 Design

UNIVERSIT´ E PIERRE ET MARIE CURIE Laboratoire d’Informatique de Paris 6 Design and Evaluation of Cloud Network Optimization Algorithms Doctoral Dissertation of: Dallal Belabed Advisor: Dr Stefano Secci 2015 Th` ese Pr´ esent´ ee pour obtenir le grade de docteur de l’Universit´ e Pierre et Marie Curie Sp´ ecialit´ e: Informatique Dallal BELABED Optimisation des r´ eseaux virtuels : conception et ´ evaluation Soutenue le 24 avril 2015 devant le jury compos´ e de: Rapporteurs Dr Guido MAIER Ecole Polytechnique de Milan, Italie Prof. Michele NOGUEIRA Universit´ e F´ ed´ erale du Paran´ a, Br´ esil. Examinateurs Dr Bernardetta ADDIS Universit´ e de Lorraine, France. Dr Mathieu BOUET Thales Communications & Security S.A.S, France. Dr Prosper CHEMOUIL Orange Labs, France. Prof. Deep MEDHI University of Missouri-Kansas City, Etats-Unis. Prof. Guy PUJOLLE Universit´ e Pierre et Marie Curie, France. Pr´ esident Dr Prosper CHEMOUIL Orange Labs, France. Directeur de Dr Stefano SECCI Universit´ e Pierre et Marie Curie, France. th` ese UNIVERSIT´ E PIERRE ET MARIE CURIE Laboratoire d’Informatique de Paris 6 Design and Evaluation of Cloud Network Optimization Algorithms Author: Dallal BELABED Defended on April 24, 2015, in front of the committee composed of: Referees: Dr Guido MAIER (Politecnico di Milano, Italy). Prof. Michele NOGUEIRA (Federal University of Paran´ a, Brazil). Examiners: Dr Bernardetta ADDIS (Universit´ e de Lorraine, France). Dr Mathieu BOUET (Thales Communications & Security S.A.S, France). Dr Prosper CHEMOUIL (Orange Labs, France). Prof. Deep MEDHI (University of Missouri-Kansas City, USA). Prof. Guy PUJOLLE (Universit´ e Pierre et Marie Curie, France). President: Dr Prosper CHEMOUIL (Orange Labs, France). Advisor: Dr Stefano SECCI (Universit´ e Pierre et Marie Curie, France). Remerciements En tout premier lieu ma sinc` ere reconnaissance va ` a Monsieur Stefano Secci de m’avoir fait l’honneur d’accepter d’ˆ etre l’encadrant de la pr´ esente th` ese au courant d’un certain mois de Juin de l’an 2011 et d’avoir permis, ` a celle-ci, de longer les rails qui l’ont men´ ee sous la lumi` ere du jour et la font exister aujourd’hui. Aussi, j’adresse un grand respect et un remerciement chaleureux ` a l’´ egard de Guy Pujolle qui m’a accueilli au sein de son ´ equipe. Je les remercie ´ egalement de m’avoir accompagn´ ee durant cette aventure en guidant mes pas, en m’accordant leur conﬁance et en orientant notre collaboration durant ces ann´ ees. Sans leur implication, ce travail n’aurait pas abouti. Ma gratitude s’adresse ` a Deep Medhi pour son accueil bienveillant ` a Kansas City, pour son soutien constant, pour le travail accompli ensemble, pour sa disponibilit´ e, pour ses encouragements, pour son immense savoir et pour ses pr´ ecieux conseils. Ainsi je ne saurais omettre Monsieur Guido Maier et Madame Michele Nogueira d’ avoir agr´ e´ e de reporter cette th` ese. Une particuli` ere ´ emotion pleine d’humilit´ e et de gratitude va ` a l’adresse de Monsieur Prosper Chemouil qui a bien voulu honorer la conclusion de mon travail ` a travers sa participation ` a ma soutenance et via la pr´ esidence du jury, sachant qu’il vient ` a cela en d´ eﬁance d’un repos personnel, en interrompant ses propres vacances pour r´ epondre ` a cette mission qu’il s’incombe avec altruisme et je ne saurais assez le remercier pour cela. Je remercie aussi Madame Bernardetta Addis et Mathieu Bouet pour leur travail collaboratif ainsi que d’avoir accept´ e de constituer le jury devant lequel je soumets ma th` ese. Je remercie ´ egalement mes chers instituteurs et professeurs, avec le regret de ne pas pouvoir citer tous leurs noms, eux qui ont fait de moi ce que je suis devenue: Mme Boumrar, Mme Adel, Mme Djabra, Mme Hamza, Mr Hamrour, Professeur Ighilaza, Professeur Mohamed Bentarzi, Professeur B´ en´ edicte le grand, ` a la m´ e- moire d’un grand homme Professeur M’hamed MEKLATI, je vous serai ` a jamais I II reconnaissante. Mes remerciements vont ` a tous les membres des ´ equipes Phare ` a l’UPMC et du Computer Science & Electrical Engineering Department ` a l’universit´ e de Kansas- City avec qui j’ai eu le plaisir d’´ echanger pendant ma th` ese, sans oublier aussi les membres des autres ´ equipes du LIP6, particuli` erement, les membres de l’´ equipe Complex Networks, merci au 15mn max. Chaleureuses pens´ ees ` a mes amis des deux cot´ es de la rive de la m´ editerran´ ee, mes amis d’enfance et ceux qui le sont devenus plus tard, pour avoir ´ et´ e l` a pendant toutes ces ann´ ees. Les mots ne suﬃsent pas pour remercier mes parents, mon fr` ere et mes soeurs sans oublier ma grand m` ere mes oncles et ma tante et toute ma famille pour leur appui et pour avoir toujours cru en moi - une pens´ ee particuli` ere ` a ma soeur ch´ erie Hanane. Enﬁn, le meilleur pour la ﬁn : merci ` a l’amour de ma vie pour son soutien inconditionnel pour son amour fou, il faut l’ˆ etre pour ´ epouser une doctorante. Ce travail est aussi le fruit de leur patience. Merci IV Abstract The rapid development of software virtualization solutions have led to huge inno- vation in Data Center Networks (DCN), with additional capabilities to perform advanced network functions via software elements. Novel protocols designed in the recent years allow for a large path diversity at the edge server level by means of multipath forwarding protocols and virtual bridging functions. Moreover, increas- ing features are given to DCN elements that become programmable so as to allow, for instance, turning oﬀand on virtual servers for energy consolidation, migrating virtual machines on demand or automatically based on variation of system and net- work states to improve performance, etc. In this scope, this dissertation addresses a number of research questions. The ﬁrst research question to which we answer is at which extent and in which situations performing multipath forwarding and virtual bridging in DCNs can be beneﬁcial when performing data center optimizations meeting traﬃc engineering and energy eﬃciency goals. We formally formulate the problem of virtual machine placement aware of server and network states, as well as aware of the capability to perform multipath forwarding and virtual bridging. We propose a heuristic ap- proach for its resolution. We give many insights, showing in particular that virtual bridging brings high performance gains when traﬃc engineering is the primary goal, and should be deactivated when energy eﬃciency becomes important. We also de- termine that multipath forwarding brings relevant gains only when energy eﬃciency is the primary goal and virtual bridging is not enabled. In a second contribution our focus moves toward the analysis of the relationship between novel ﬂattened and modular DCN architectures and congestion control pro- tocols. In fact, one of the major concerns in congestion control being the fairness in the oﬀered throughput, the impact of the additional path diversity, brought by the novel DCN architectures and protocols, on the throughput of individual end- points (servers) and aggregation points (edge switches) was an aspect not clearly addressed in the literature. Our contribution consists in providing a novel com- V VI prehensive mathematical programming formulation of the throughput optimization problem based on the proportional fairness principle of the Transport Control Proto- col (TCP), and in an extensive series of experiments conducted following the model. We ﬁnd how much and why the traﬃc allocation fairness is impacted by the type of DCN architecture employed and by the adopted TCP variant. Finally, in the third contribution we investigate a novel rising virtualization re- source orchestration problem in Network Functions Virtualization (NFV) architec- tures for carrier networks. We deﬁne the rising problem of optimally placing Virtual Network Functions and chaining virtualized network functions in the delivery of car- rier network services. We propose a mathematical programming formulation taking into consideration both NFV and traﬃc engineering costs, and describe a math- heuristic approach. We draw quantitatively and qualitatively many insights on the design of NFV infrastructures across carrier network layers (access, aggregation, core) also depending on the type of virtualized network function. VIII R´ esum´ e en Langue Fran¸ caise L’´ emergence rapide des solutions de virtualisation ont grandement particip´ e au d´ eveloppement et ` a l’am´ elioration des r´ eseaux de centre de donn´ ees, en tirant proﬁt de nouveaux concepts, comme l’utilisation des fonctions du r´ eseau impl´ ement´ ee en logiciel. Ces derni` eres ann´ ees, de nouveaux protocoles permettant une grande di- versit´ e de chemins au niveau de la bordure du r´ eseau ont ´ et´ e con¸ cus, et de nouvelles fonctionnalit´ es telles que la virtualisation des commutateurs ont ´ et´ e introduites. Ainsi, de plus en plus de programmabilit´ e est d´ evelopp´ ee pour les r´ eseaux de cen- tre de donn´ ees et, plus g´ en´ eriquement, pour les r´ eseaux d’op´ erateurs. Ceci, ` a titre d’exemple, permet d’´ eteindre des serveurs virtuels pour ´ economiser de l’´ energie, en migrant les machines virtuelles ` a la demande ou automatiquement en uploads/Litterature/ design-and-evaluation-of-cloud-network-optimization-algorithms.pdf