La conception des Alimentations Sans Interruption (ASI) a fait l’objet d’améliorations successives ces dernières années afin d’atteindre des niveaux de rendement avoisinant les 95% tout en minimisant leur encombrement. L’utilisation massive de l’électronique de puissance pour ces systèmes conduit à y concentrer tous les efforts de conception pour augmenter à la fois le rendement et la densité de puissance. Les développements constants en électronique de puissance offrent au concepteur des multitudes d’options, parmi elles, les topologies de puissance multi-niveaux et/ou entrelacées pour réduire le volume des composants passifs, les nouvelles technologies des matériaux semi-conducteurs avec l’introduction des composants grand gap, ainsi que l’avancée technologique sur les matériaux utilisés dans les composants passifs. Le choix entre ces options est un compromis pour atteindre les objectifs prédéfinis, particulièrement lorsque d’autres contraintes apparaissent pour limiter l’espace des solutions possibles, notamment l’aspect thermique, les limites technologiques ou les contraintes CEM. Ces travaux proposent la mise en œuvre de dimensionnements par optimisation multi-objectifs de l’ensemble du convertisseur avec toutes ses contraintes. Ceci offre un outil rapide pour comparer les différentes possibilités de conception optimale capable de quantifier le gain apporté au convertisseur par les différentes solutions. Pour ce faire, les différents choix topologiques et technologiques ont été traités par le développement de modèles multi-physiques acceptant des paramètres d’entrée discrets. Ainsi, les convertisseurs optimisés répondent naturellement aux contraintes industrielles cadrées par des catalogues de fournisseurs spécifiques. Pour ce faire, nous avons commencé par dresser les différentes contraintes énergétiques imposées sur l’ASI dans son environnement. L’identification des solutions adaptées à sa conception est réalisée à travers un état de l’art des recherches dans le domaine de l’électronique de puissance. Des modèles génériques des structures de puissance, ainsi que des modèles multi-physiques discrets des composants sont ensuite développés à la base des approches analytiques assurant le bon compromis entre précision et rapidité de calcul. Finalement, une méthodologie d’optimisation multi-objectif et multi contraintes est réalisé sur l’ensemble des solutions pour quantifier les performances atteintes par chacune d’elles. Des travaux expérimentaux nous ont été indispensables pour valider les modèles et les solutions optimales. Sur la base des résultats d’optimisation un convertisseur PFC de 4.2kW/L a été construit est ses performances ont été validées. / The design of Uninterruptible Power Supplies (UPS) has been successively improved in recent years to achieve efficiency levels of around 95% while minimizing their footprint. The massive use of power electronics for these systems is led to focus all design efforts to increase both efficiency and power density. The constant developments in power electronics provide the designer many options, among them the multi-level and/or interleaved power topologies in order to reduce passive components size, the new technologies of semiconductor materials with the introduction of grand gap components and advanced technology on passive components materials. The choice between these options is a compromise to achieve the predefined objectives, particularly when other constraints appear to limit the space of possible solutions, including thermal aspect, technological limitations or EMI constraints. This work proposes the implementation of multi-objective optimization methodology for the design of power converters with all its constraints. This offers a quick tool to compare the different possibilities of design and to quantify the improvement provided to the converter. To do this, different topological and technological choices were studied with the development of multi-physics models. These models can take discrete variables as input. So, optimized converters could meet industrial requirements covered by real components and their datasheets. To do this, we first establish the different constraints imposed on the UPS within its environment. Identifying solutions to design is carried through a state of the art research in the field of power electronics. Generic models of power structures and discrete multi-physical models of the components are then developed based on analytical approaches by ensuring a good compromise between accuracy and speed of calculation. Finally, multi-objective and multi constraints optimization methodology is performed on the set of design choices to quantify the performances achieved by each of them. Experimental work has been essential for us to validate the models and optimal solutions. Based on the optimization results PFC converter of 4.2kW/L was built is its performance has been validated.

L'expansion des services en ligne, l'avènement du big data, favorisé par l'internet des objets et les terminaux mobiles, a entraîné une croissance exponentielle du nombre de centres de données qui fournissent des divers services de cloud computing. Par conséquent, la topologie du centre de données est considérée comme un facteur d'influence sur la performance du centre de données. En effet, les topologies des centres de données devraient offrir une latence faible, une longueur de chemin moyenne réduite avec une bande passante élevée. Ces exigences augmentent la consommation énergétique dans les centres de données. Dans cette dissertation, différentes solutions ont été proposées pour surmonter ces problèmes. Tout d'abord, nous proposons une nouvelle topologie appelée LCT (Linked Cluster Topology) qui augmente le nombre de nœuds, améliore la connexion réseau et optimise le routage des données pour avoir une faible latence réseau. Une nouvelle topologie appelée VacoNet (Variable connexion Network) a été également présentée. VacoNet offre un nouveau algorithme qui définit le exact nombre de port par commutateur pour connecter le nombre de serveurs requis tout en réduisant l'énergie consommée et les matériaux inutilisés (câbles, commutateurs). En outre, nous _étudions une nouvelle technique pour optimiser la consumation d'énergie aux centres de données. Cette technique peut périodiquement estimer la matrice de trafic et gérer l'_état des ports de serveurs tout en maintenant le centre de données entièrement connecté. La technique proposée prend en considération le trafic réseau dans la décision de gestion des ports. / Data centers (DC) are being built around the world to provide various cloud computing services. One of the fundamental challenges of existing DC is to design a network that interconnects massive number of nodes (servers)1 while reducing DC' cost and energy consumption. Several solutions have been proposed (e.g. FatTree, DCell and BCube), but they either scale too fast (i.e., double exponentially) or too slow. Effcient DC topologies should incorporate high scalability, low latency, low Average Path Length (APL), high Aggregated Bottleneck Throughput (ABT) and low cost and energy consumption. Therefore, in this dissertation, different solutions have been proposed to overcome these problems. First, we propose a novel DC topology called LCT (Linked Cluster Topology) as a new solution for building scalable and cost effective DC networking infrastructures. The proposed topology reduces the number of redundant connections between clusters of nodes, while increasing the numbers of nodes without affecting the network bisection bandwidth. Furthermore, in order to reduce the DCs cost and energy consumption, we propose first a new static energy saving topology called VacoNet (Variable Connection Network) that connects the needed number of servers while reducing the unused materials (cables, switches). Also, we propose a new approach that exploits the correlation in time of internode communication and some topological features to maximize energy saving without too much impacting the average path length.

Cette thèse se place dans le contexte de l'hébergement de services informatiques virtualisés et apporte deux contributions. Elle propose premièrement un système d'aide à la gestion modulaire, déplaçant les machines virtuelles du centre pour le maintenir dans un état satisfaisant. Ce système permet en particulier d'intégrer la notion de consommation électrique des serveurs ainsi que des règles propres à cette consommation. Sa modularité permet de plus l'adaptation de ses composants à des problèmes de grande taille. Cette thèse propose de plus un outil pour comparer différents gestionnaires de centres virtualisés. Cet outil injecte un scénario de montée en charge reproductible dans une infrastructure virtualisée. L'injection d'un tel scénario permet d'évaluer les performances du système de gestion du centre grâce à des sondes spécifiques. Le langage utilisé pour cette injection est extensible et permet l'utilisation de scénarios paramétrés.

Cette thèse présente deux contributions. La première contribution consiste en l’étude des métriques de performance permettant de superviser l’activité des serveurs physiques et des machines virtuelles s’exécutant sur les hyperviseurs VMware et KVM. Cette étude met en avant les compteurs clés et propose des analyses avancées dans l’objectif de détecter ou prévenir d’anomalies liées aux quatreres sources principales d’un centre de données : le processeur, la mémoire, le disque et le réseau. La seconde contribution porte sur un outil pour la détection de machines virtuelles à comportements pré-déterminés et/ou atypiques. La détection de ces machines virtuelles à plusieurs objectifs. Le premier, permettre d’optimiser l’utilisation des ressources matérielles en libérant des ressources par la suppression de machines virtuelles inutiles ou en les redimensionnant. Le second, optimiser le fonctionnement de l’infrastructure en détectant les machines sous-dimensionnées, surchargées ou ayant une activité différente des autres machines virtuelles de l’infrastructure. / This thesis presents two contributions. The first contribution is the study of key performance indicators to monitor physical and virtual machines activity running on VMware and KVM hypervisors. This study highlights performance metrics and provides advanced analysis with the aim to prevent or detect abnormalities related to the four main resources of a datacenter: CPU, memory, disk and network. Thesecond contribution relates to a tool for virtual machines with pre-determined and / or atypical behaviors detection. The detection of these virtual machines has several objectives. First, optimize the use of hardware resources by freeing up resources by removing unnecessary virtual machines or by resizing those oversized. Second, optimize infrastructure performance by detecting undersized or overworked virtual machines and those having an atypical activity.

L’arrivée de la prochaine technologie 5G va permettre la connectivité des billions de terminaux mobiles et donc une énorme augmentation du trafic de données. A cet égard, les fournisseurs des services Cloud doivent posséder les infrastructures physiques capables de supporter cette explosion de trafic. Malheureusement, les architectures filaires conventionnelles des centres de données deviennent staturées et la congestion des équipements d’interconnexion est souvent atteinte. Dans cette thèse, nous explorons une approche récente qui consiste à augmenter le réseau filaire du centre de données avec l’infrastructure sans fil. En effet, nous exploitons une nouvelle technologie émergente, la technologie 60 GHz, qui assure un débit de l’ordre de 7 Gbits/s afin d’améliorer la QoS. Nous concevons une architecture hybride (filaire/sans fil) du réseau de centre de données basée sur : i) le modèle "Cisco’s Massively Scalable Data Center" (MSDC), et ii) le standard IEEE 802.11ad. Dans une telle architecture, les serveurs sont regroupés dans des racks, et sont interconnectés à travers un switch Ethernet, appelé top-of-rack (ToR) switch. Chaque ToR switch possède plusieurs antennes utilisées en parallèle sur différents canaux sans fil. L’objectif final consiste à minimiser la congestion du réseau filaire, en acheminant le maximum du trafic sur les canaux sans fil. Pour ce faire, cette thèse se focalise sur l’optimisation du routage et de l’allocation des canaux sans fil pour les communications inter-rack, au sein d’un centre de données hybride (HDCN). Ce problème étant NP-difficile, nous allons procéder en trois étapes. En premier lieu, on considère le cas des communications à un saut, où les racks sont placés dans le même rayon de transmission. Nous proposons un nouvel algorithme d’allocation des canaux sans fil dans les HDCN, qui permet d’acheminer le maximum des communications en sans-fil, tout en améliorant les performances réseau en termes de débit et délai. En second lieu, nous nous adressons au cas des communications à plusieurs sauts, où les racks ne sont pas dans le même rayon de transmission. Nous allons proposer une nouvelle approche optimale traitant conjointement le problème du routage et de l’allocation de canaux sans fils dans le HDCN, pour chaque communication, dans un mode online. En troisième étape, nous proposons un nouvel algorithme qui calcule conjointement le routage et l’allocation des canaux pour un ensemble des communications arrivant en mode batch (i.e., par lot). En utilisant le simulateur réseau QualNet, considérant toute la pile TCP/IP, les résultats obtenus montrent que nos propositions améliorent les performances comparées aux méthodes de l’état de l’art / The high proliferation of smart devices and online services allows billions of users to connect with network while deploying a vast range of applications. Particularly, with the advent of the future 5G technology, it is expected that a tremendous mobile and data traffic will be crossing Internet network. In this regard, Cloud service providers are urged to rethink their data center architectures in order to cope with this unprecedented traffic explosion. Unfortunately, the conventional wired infrastructures struggle to resist to such a traffic growth and become prone to serious congestion problems. Therefore, new innovative techniques are required. In this thesis, we investigate a recent promising approach that augments the wired Data Center Network (DCN) with wireless communications. Indeed, motivated by the feasibility of the new emerging 60 GHz technology, offering an impressive data rate (≈ 7 Gbps), we envision, a Hybrid (wireless/wired) DCN (HDCN) architecture. Our HDCN is based on i) Cisco’s Massively Scalable Data Center (MSDC) model and ii) IEEE 802.11ad standard. Servers in the HDCN are regrouped into racks, where each rack is equipped with a: i) Ethernet top-of-rack (ToR) switch and ii) set of wireless antennas. Our research aims to optimize the routing and the allocation of wireless resources for inter-rack communications in HDCN while enhancing network performance and minimizing congestion. The problem of routing and resource allocation in HDCN is NP-hard. To deal with this difficulty, we will tackle the problem into three stages. In the first stage, we consider only one-hop inter-rack communications in HDCN, where all communicating racks are in the same transmission range. We will propound a new wireless channel allocation approach in HDCN to hardness both wireless and wired interfaces for incoming flows while enhancing network throughput. In the second stage, we deal with the multi-hop communications in HDCN where communicating racks can not communicate in one single-hop wireless path. We propose a new approach to jointly route and allocate channels for each single communication flow, in an online way. Finally, in the third stage, we address the batched arrival of inter-rack communications to the HDCN so as to further optimize the usage of wireless and wired resources. For that end, we propose: i) a heuristic-based and ii) an approximate, solutions, to solve the joint batch routing and channel assignment. Based on extensive simulations conducted in QualNet simulator while considering the full protocol stack, the obtained results for both real workload and uniform traces, show that our proposals outperform the prominent related strategies

Cette thèse se place dans le contexte de l’hébergement de services informatiques virtualisés et apporte deux contributions. Elle propose premièrement un système d’aide à la gestion modulaire, déplaçant les machines virtuelles du centre pour le maintenir dans un état satisfaisant. Ce système permet en particulier d’intégrer la notion de consommation électrique des serveurs ainsi que des règles propres à cette consommation. Sa modularité permet de plus l’adaptation de ses composants à des problèmes de grande taille. Cette thèse propose de plus un outil pour comparer différents gestionnaires de centres virtualisés. Cet outil injecte un scénario de montée en charge reproductible dans une infrastructure virtualisée. L’injection d’un tel scénario permet d’évaluer les performances du système de gestion du centre grâce à des sondes spécifiques. Le langage utilisé pour cette injection est extensible et permet l’utilisation de scénarios paramétrés. / This thesis considers the virtualized IT services hosting and makes two contributions. It first proposes a modular system of management aids, to move the virtual machines of the center in order to keep it in a good condition. This system allows in particular to integrate the concept of server power consumption and rules specific to that concept. What’s more, its modularity allows to adjust its components to handle larger problems. This thesis proposes also a tool to compare different virtualized centers managers. This tool injects a reproductible load increase scenario in a virtualized infrastructure. The injection of such a scenario is used to evaluate the performance of the system center manager, using performances probes. The language used for this injection is extensible and allows the creation of parameterized scenarios. The contributions of this thesis were presented in two international conferences and a french conference.

La consommation d'énergie des centres de données est un enjeu majeur. Leurs communications internes représentent près du quart de cette consommation. Les technologies de commutation optique ont en principe une meilleure efficacité énergétique que les solutions actuelles. Ce travail porte sur les réseaux optiques en mode paquet pour des centres de données de petite et moyenne taille. Il s'est déroulé dans le cadre du projet EPOC (Energy Proportional and Opportunistic Computing) qui s'intéresse à la réduction de la consommation d'énergie d'un centre de données alimenté partiellement par des sources renouvelables. Une hypothèse clé est l'absence d'un réseau de stockage dédié réduisant ainsi la consommation des interconnexions. Par contre, afin de pouvoir éteindre certains serveurs selon la charge de travail et l'énergie disponible, le débit doit être de l'ordre de 100 Gbit/s. Après un état de l'art des réseaux optiques pour centre de données nous choisissons une solution reposant sur une infrastructure entièrement passive et des émetteurs rapidement accordables en longueur d'onde, proposée récemment dans la littérature (POPI).Nous étudions les limitations dues aux composants (pertes d'insertion, plage d'accord et espacement des canaux). Nous proposons une extension (E-POPI) qui permet d'augmenter le nombre de serveurs connectés en utilisant plusieurs plages de longueurs d'onde. Pour les centres de données de plus grande taille nous proposons un réseau à deux étages (intra- et inter-racks) opérant respectivement dans les bandes C et L, POPI+. La connexion entre étages se fait via une passerelle transparente dans un sens et opaque dans l'autre. Différentes solutions de contrôle des deux étages sont détaillées.Un des éléments essentiels de faisabilité de ces architectures est de concilier la montée en débit avec les pertes du réseau passif d'interconnexion. Les techniques cohérentes des transmissions longue distance ne sont pas actuellement envisageables pour un centre de données. Nous avons donc étudié les formats PAM 4 et 8, par simulation avec différents débits (jusqu'à 112 Gbit/s et récepteurs (PIN, APD et SOA-PIN) et aussi, expérimentalement, à 12 et 18 Gbit/s. Nous avons développé une méthode de compensation des distorsions générées par les différents composants qui procure un compromis entre précision de correction et temps de calcul.Ces résultats nous permettent de déterminer les pertes d'insertion tolérables. Nous les combinons avec les limitations liées à la plage d'accord des émetteurs et à l'encombrement spectral des canaux occupant des fenêtres multiples de 12,5 GHz pour dimensionner les différentes architectures. Les réseaux POPI, E-POPI et POPI+ permettent respectivement la connexion de 48, 99 et 2352 entités à 112 Gbit/s. Nos évaluations tiennent compte d'une possible dispersion des caractéristiques des principaux composants. / Data-center energy consumption is nowadays a major issue. Intra-data-center networking accounts almost for a quarter of the data-center total power consumption. Optical switching technologies could provide higher power efficiency than current solutions based on electrical-packet switching. This work focuses on optical-packet-switched networks for small- and medium-size data centers. It takes part of the EPOC (Energy-Proportional and Opportunistic Computing) project, which main interest consists on reducing the overall power consumption of a data center partially powered by renewable sources. A key assumption is that our data center does not rely on a dedicated storage network, in order to reduce the consumption of those interconnections. In addition, with the aim of being able to turn off some servers according to the workload and the available energy, the bit rate must be close to 100 Gbit/s. We have chosen, after studying the state of the art of data-center interconnects, a purely passive network architecture based on fast-wavelength-tunable transmitters under the name of POPI.We study POPI's limitations due to its components (insertion loss, tuning range and channel spacing). We then propose an extension called E-POPI that allows to increase the number of connected servers by using several transmission bands. For larger data centers, we propose POPI+, a two-stage infrastructure for intra- and inter-rack communications operating in the C and L bands, respectively. The connection between both stages is done via a transparent gateway in one direction and an opaque one in the other. We discuss different control solutions for both stages.The feasibility of these architectures depends on, among other factors, dealing with bit-rate increasing and power losses of a passive interconnect. Coherent long-distance-transmission techniques are not currently suited to data centers. We therefore studied PAM 4 and 8 modulation formats with direct detection. On one hand, by simulation, with different bit rates (up to 112 Gbit/s) and receivers (PIN, APD and SOA-PIN) and, on the other hand, experimentally, at 12 and 18 Gbit/s. We have developed a method for compensating the distortions generated by the different network components. Our method takes into account a good tradeoff between correction accuracy and computation time.Simulation results allow us to determine the amount of insertion loss that may be supported. We then combine these results with the limitations of transmitters-tuning range and channel spacing using multiple of 12.5 GHz slots for dimensioning the proposed architectures. POPI, E-POPI and POPI+ interconnects allow the connection of 48, 99 and 2352 entities, respectively, at 112 Gbit/s. Our assessments take into account a potential dispersion of the characteristics of the main architecture components.

L’informatique, le stockage des données et les applications à la demande font partie des services offerts par l’architecture informatique en Nuage. Dans ce cadre, les fournisseurs de nuage (FN) agissent non seulement en tant qu’administrateurs des ressources d'infrastructure mais ils profitent aussi financièrement de la location de ces ressources. Dans cette thèse, nous proposons trois modèles d'optimisation du processus d'allocation des ressources dans le nuage dans le but de réduire les coûts générés et d’accroitre la qualité du service rendu. Cela peut être accompli en fournissant au FN les outils formels nécessaires pour réduire au minimum le prix des ressources dédiées à servir les requêtes des utilisateurs. Ainsi, la mise en œuvre des modèles proposés permettra non seulement l’augmentation des revenus du FN, mais aussi l’amélioration de la qualité des services offerts, ce qui enrichira l’ensemble des interactions qui se produisent dans le nuage. A cet effet, nous nous concentrons principalement sur les ressources de l’infrastructure en tant que service (IaaS), lesquels sont contenus dans des centres de données (DCs), et constituent l'infrastructure physique du nuage. Comme une alternative aux immenses DCs centralisés, la recherche dans ce domaine comprend l’installation de petits centres de données (Edge DCs) placés à proximité des utilisateurs finaux. Dans ce contexte nous adressons le problème d’allocation des ressources et pour ce faire nous utilisons la technique d'optimisation nommée génération de colonnes. Cette technique nous permet de traiter des modèles d'optimisation à grande échelle de manière efficace. La formulation proposée comprend à la fois, et dans une seule phase, les communications et les ressources informatiques à optimiser dans le but de servir les requêtes de service d'infrastructure. Sur la base de cette formulation, nous proposons également un deuxième modèle qui comprend des garanties de qualité de service toujours sous la même perspective d'allocation des ressources d’infrastructure en tant que service. Ceci nous permet de fournir plusieurs solutions applicables à divers aspects du même problème, tels que le coût et la réduction des délais, tout en offrant différents niveaux de service. En outre, nous introduisons le scénario informatique en nuage multimédia, qui, conjointement avec l'architecture des Edge DCs, résulte en l'architecture Multimédia Edge Cloud (MEC). Dans ce cadre, nous proposons une nouvelle approche pour l'allocation des ressources dans les architectures informatique en nuage multimédia lors du positionnement de ces DCs afin de réduire les problèmes liés à la communication, tels que la latence et la gigue. Dans cette formulation, nous proposons également de mettre en œuvre des technologies optiques de réseau de fibres pour améliorer les communications entre les DCs. Plusieurs travaux ont proposé de nouvelles méthodes pour améliorer la performance et la transmission de données. Dans nos travaux, nous avons décidé de mettre en œuvre le multiplexage en longueur d'onde (WDM) pour renforcer l'utilisation des liens et les chemins optiques dans le but de grouper différents signaux sur la même longueur d'onde. Un environnement de simulation réel est également présenté pour l’évaluation des performances et de l'efficacité des approches proposées. Pour ce faire, nous utilisons le scénario spécifié pour les DCs, et nous comparons par simulation nos modèles au moyen de différents critères de performances tel que l'impact de la formulation optique sur la performance du réseau. Les résultats numériques obtenus ont montré que, en utilisant nos modèles, le FN peut efficacement réduire les coûts d'allocation en maintenant toujours un niveau satisfaisant quant à l'acceptation de requêtes et la qualité du service. / The cloud architecture offers on-demand computing, storage and applications. Within this structure, Cloud Providers (CPs) not only administer infrastructure resources but also directly benefit from leasing them. In this thesis, we propose three optimization models to assist CPs reduce the costs incurred in the resource allocation process when serving users’ demands. Implementing the proposed models will not only increase the CP’s revenue but will also enhance the quality of the services offered, benefiting all parties. We focus on Infrastructure as a Service (IaaS) resources which constitute the physical infrastructure of the cloud and are contained in datacenters (DCs). Following existing research in DC design and cloud computing applications, we propose the implementation of smaller DCs (Edge DCs) be located close to end users as an alternative to large centralized DCs. Lastly, we use the Column Generation optimization technique to handle large scale optimization models efficiently. The proposed formulation optimizes both the communications and information technology resources in a single phase to serve IaaS requests. Based on this formulation, we also propose a second model that includes QoS guarantees under the same Infrastructure as a Service resource allocation perspective, to provide different solutions to diverse aspects of the resource allocation problem such as cost and delay reduction while providing different levels of service. Additionally, we consider the multimedia cloud computing scenario. When Edge DCs architecture is applied to this scenario it results in the creation of the Multimedia Edge Cloud (MEC) architecture. In this context we propose a resource allocation approach to help with the placement of these DCs to reduce communication related problems such as jitter and latency. We also propose the implementation of optical fiber network technologies to enhance communication between DCs. Several studies can be found proposing new methods to improve data transmission and performance. For this study, we decided to implement Wavelength Division Multiplexing (WDM) to strengthen the link usage and light-paths and, by doing so, group different signals over the same wavelength. Using a realistic simulation environment, we evaluate the efficiency of the approaches proposed in this thesis using a scenario specifically designed for the DCs, comparing them with different benchmarks and also simulating the effect of the optical formulation on the network performance. The numerical results obtained show that by using the proposed models, a CP can efficiently reduce allocation costs while maintaining satisfactory request acceptance and QoS ratios.