Thèse : Etude du Service Function Chaining (SFC) dans un contexte multi-domaines F/H

Ref : 0016122 | 15 mai 2017

Date limite de candidature : 31 juil. 2017

Route de Perros Guirec 22300 LANNION - France

Votre rôle

Vous trouverez ci-dessous la description du contexte de ce travail de recherche.

La mission et les principaux objectifs scientifiques seront précisés sous le titre "Entité".

La virtualisation des fonctions réseau ou Network Function Virtulaization (NFV) [1] consiste à extraire les fonctions réseaux fonctionnant sur un équipement physique dédié (ex. routeurs, firewall, etc.), pour les exécuter dans un environnement virtualisé (i.e. Machine Virtuelle ou centenaire), et les déployer dans des centres de données (Data Centres - DC). Le concept NFV couvre la virtualisation des fonctions de routage mais aussi les fonctions réseau qui sont généralement déployées dans des middlebox, tel que firewall, détection d'intrusion, proxy TCP, etc. Couramment, le trafic issu d'une application doit passer par un ensemble de VNF, dans un ordre prédéfinis, afin d'appliquer une politique de sécurité ou définir une route overlay. Dans ce contexte, une Service Function Chaining (SFC) indique explicitement l'ordre et le type de service (sous forme de VNF) à utiliser pour appliquer une politique de traitement pour un trafic applicatif donné. Un SFC est défini par un opérateur pour un trafic ou un ensemble de trafic, et déployé dans le réseau par le biais d'un contrôleur SDN, en utilisant des entêtes orientés service (Network Service Header [2]), à insérer dans les paquets générés par l'application. Le trafic est par la suite acheminé par les éléments de forwarding afin de suivre un chemin overlay pour visiter plusieurs VNF (service), même si ces derniers ne sont pas dans le même DC. L'émergence du concept « Network Slicing » (i.e. Réseau virtuel) dans les réseaux 5G, a consolidé le principe de SFC, vu qu'un Slice réseau regroupe un ensemble de VNFs, hébergés dans des DC, interconnectés ensemble, créant une SFC. Dans le cadre du « Network Slicing » une SFC est créée par un orchestrateur de service comme définie dans [3].

Les travaux de recherche existant sur SFC couvrent des méthodes et des solutions pour définir, créer et déployer un SFC sur plusieurs DCs appartenant au même domaine administratif (c-à-d, gérer par le même opérateur).

Etat de l'art :

Outre le standard IETF [4] et les travaux de recherche résumés dans [3], il existe beaucoup de travaux concernant l'instanciation de SFC mono domaine [6] ; mais aussi des solutions pour créer le réseau overlay de la SFC, tel que l'extension pour le contrôleur SDN ODL [6] conjugué avec OVS [7]. De plus, il existe des solutions industrielles comme celle de CISCO [8]. Cependant, une chaine SFC peut nécessiter un déploiement sur plusieurs domaines administratifs. Par exemple, un slice réseau peut nécessiter le déploiement d'une SFC sur plusieurs domaines afin de déployer un service de bout-en-bout. Par conséquent, il est important de disposer d'un mécanisme permettant d'assurer le déploiement de SFC sur plusieurs domaines afin de garantir la création de services bout-en-bout dans les réseaux 5G et ceux basés sur le principe NFV.

Une approche pour le déploiement d'une SFC multi-domaines peut consister en l'utilisation de solutions utilisées pour résoudre le problème dit «Multi-domain virtual network embedding » [9][10]. La majorité des solutions [11], cependant, requièrent une vision globale (cartographie) sur le réseau et ses ressources afin de mapper les ressources virtuelles et physiques sur plusieurs domaines. Or, avoir une cartographie du réseau est quasi-impossible dans le cas multi-domaines, vu que les opérateurs n'affichent pas ce type d'informations pour des raisons de sécurité et de confidentialité. De plus, une SFC se distingue du « Multi-domain virtual network embedding » par le type de topologie qui est linéaire dans le cas SFC et l'ordre des VNF dans la SFC, qui peut être flexible.

Votre profil

Vous êtes diplômé(e) d'un Master 2 ou d'une école d'ingénieur informatique-télécom.

Compétences et qualités personnelles souhaitées :

• Une bonne maitrise des architectures réseaux
• Une bonne connaissance des systèmes virtualisés
• Un très bon relationnel et travail en équipe

Vous avez idéalement une expérience dans le domaine de la virtualisation des réseaux et plus précisément les architectures type NFV.

Le plus de l'offre

Au sein de la direction "Wireline Networks and Infrastructure", le département « IP Networks, Monitoring and Security (IPN) » est en charge de la définition et le pilotage de la stratégie d'évolution du domaine IP vers des réseaux de 5ième génération convergents. L'une des missions du département étant d'assurer la transformation du domaine IP au travers de la softwarisation et de l'automatisation des fonctions et réseaux IP (interfaces nord des matériels et logiciels, solutions IPSDN).

Vous travaillerez dans un environnement multiculturel, au sein d'une entité à la pointe de l'innovation. Le sujet vous permettra également de vous familiariser avec les problématiques autours de la virtualisation et le déploiement automatique des fonctions réseau actuellement en plein essor.

Références :

[1] “Network functions virtualisation (NFV); architectural framework,” ETSI GS NFV 002 v1.1.1, Oct. 2013.

[2] P. Quinn and J. Guichard “Service Function Chaining: Creating a Service Plane via Network Service Headers”, in IEEE Computer 2014 Vol. 14, Issue 11.

[3] A.M. Medhat, T. Taleb, A. Elmangoush, G. Carella, S. Covaci, and T. Magedanz, “Service Function Chaining in Next Generation Networks: State of the Art and Research Challenges," to appear in IEEE Communications Magazine, 2017, Volume 55, Issue 2.

[4] “Service Function Chaining (SFC) Architecture”, RFC 7665, IETF, Oct. 2015.

[5] OpenStack SFC, https://docs.openstack.org/developer/networking-sfc/

[6] Open Day Light SFC, https://wiki.opendaylight.org/view/Service_Function_Chaining:Main

[7] SFC with NSH and OVS - Open vSwitch, http://openvswitch.org/support/ovscon2015/16/1040-elzur.pdf

[8] “Implementing NSH Based Service Chaining”, Cisco white paper available at http://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/routers/asr9000/software/asr9k_r6-1/addr-serv/configuration/guide/b-ipaddr-cg-asr9k-61x/b-ipaddr-cg-asr9k-61x_chapter_01110.pdf

[9] I. Vaishna, R. Guerzoni, and R. Trivisonno, “Recursive, hierarchical embedding of virtual infrastructure in multi-domain substrates,” in Proceedings of the 1st IEEE Conference on Network Softwarization (NetSoft), London, UK, April, 2015.

[10] D. Dietrich, A. Rizk, and P. Papadimitriou, “Multi-Domain Virtual Network Embedding with Limited Information Disclosure,” in Proceedings of IFIP Networking Conference, Brooklyn, NY, May 2013.

[11] M. Chowdhury, F. Samuel, and R. Boutaba, “Polyvine: policy-based virtual network embedding across multiple domains,” In Proceedings of the 2nd ACM SIGCOMM Workshop on Virtualized Infrastructure Systems and Architec-tures, New York, NY, 2010, pp. 49-56.

[12] W. Saad, Z. Han, M. Debbah, A. Hjorungnes and T. Basar, “Coalitional game theory for communication ne

[13] Brief tworks”, in IEEE Signal Processing Magazine, vol. 26, no. 5, pp. 77-97, September 2009.

[14] Bagpipe https://docs.openstack.org/developer/networking-bgpvpn/bagpipe/

[15] Introduction to Reinforcement Learning, http://www.cs.ubc.ca/~murphyk/Bayes/pomdp.html

[16] OpenStack, https://www.openstack.org/

[17] ONOS, onosproject.org/

Entité

Objectif scientifique de la thèse

Nous allons étudier et proposer des solutions à la problématique de composition, déploiement et gestion de chaines SFC sur plusieurs domaines administratifs. Les verrous à lever sont les suivants :

1- La définition et la composition optimale d'une SFC. Dans le contexte multi-domaines le manque d'information sur les ressources limitera l'optimalité du choix des VNF composant la SFC et leur placement. En effet, le choix optimal dépendra de plusieurs critères, qui sont en relation avec les objectifs de l'opérateur; eg. le coût des VNF, la QoS à fournir, etc. Pour résoudre ce problème, on étudiera les différentes techniques multicritères pour le placement de VNFs sur plusieurs domaines. Outre les méthodes d'optimisation combinatoire qui peuvent ne pas être efficaces pour le cas multi-domaines, on s'intéressera aux techniques basées sur la théorie des jeux, et plus précisément, les algorithmes de type « Coalition Games » [12].

2- Le déploiement dans le réseau. Une SFC est déployée dans le réseau par le biais d'un réseau overlay utilisant les en-têtes spécifiques NSH, pour acheminer les paquets vers les VNFs. Sachant que la création et le déploiement de SFC doit être dynamique et à la demande, le SDN est utilisé pour créer l'en-tête NSH par le biais de règles OpenFlow, poussés vers les équipements du réseau [2]. Cependant, ce principe fonctionne très bien pour les réseaux appartenant au même domaine, mais il n'est pas adapté lorsque les VNFs sont à déployer sur plusieurs domaines. De ce fait, on s'intéressera à la problématique de la mise en place, couvrant le plan de contrôle et le plan de données. Ceci passe par la définition de solutions basées sur l'interconnexion des contrôleurs SDN de chaque . De plus, à l'image de ce qui a été proposé dans [14], nous étudierons la possibilité de rajouter des extensions au plan de transfert IP/MPLS, pilotable par un contrôleur SDC, afin d'assurer une interopérabilité avec les réseaux underlay existant.

3- Après le déploiement d'une SFC, il est nécessaire de garantir son optimalité en termes de performances. En effet, on étudiera et on proposera des techniques d'adaptation de ressources SFC aux changements spatio-temporelles, causés par exemple par la mobilité des utilisateurs, ou la dégradation de la QoS offert par une partie des VNFs appartenant à la SFC. Plus précisément, on envisagera des solutions réagissant à des évènements (changement de qualité ...), par l'exécution d'actions, tel que la demande de migration des VNFs vers des machines ou des domaines plus performants. Les solutions proposées pourront être améliorées avec des techniques de « Reinforcement Learning » [15] afin de prédire les événements et anticiper les actions pour optimiser les performances d'une SFC.

Approche méthodologique-planning

La thèse se déroulera en deux phases. La première phase sera consacrée à l'étude de l'état de l'art sur SDN, NFV et SFC. Particulièrement, cette étape devra clairement identifier les challenges (architecture, composition, réseau), associés au déploiement de chaines SFC multi-domaines. La deuxième phase de la thèse sera consacrée à la proposition d'algorithmes et de solutions afin de déployer une chaine SFC multi-domaines, en traitant les verrous cités dans la section précédente. Les performances des solutions proposés devront être évalués via des modèles analytiques et la simulation informatique. Des preuves de concept vont être développées afin de démontrer la faisabilité des solutions proposées en utilisant des outils open sources tel que OpenStack [16] et ONOS [17].

Contrat

Thèse

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