Cette thèse a pour objectif de définir un système de stockage pair à pair, nommé Us. Le but principal de Us est de garantir la pérennité des données. Pour cela, Us associe un mécanisme de redondance des données à un processus dynamique de reconstruction.<br /><br />Dans un premier temps, nous avons créé un prototype Us et conçu une interface utilisateur, nommée UsFS, de type système de fichiers. Un procédé de journalisation des données est inclus dans UsFS.<br /><br />Ensuite, nous nous sommes intéressés aux distributions de données au sein du réseau Us. Le but de ces distributions est de minimiser le dérangement occasionné par le processus de reconstruction pour chaque pair. Enfin, nous avons étendu notre schéma de distribution pour gérer le comportement dynamique des pairs et prendre en compte les corrélations de panne.

Avec le développement de l'Internet, l'informatique s'est basée essentiellement sur les communications entre serveurs, postes utilisateurs, réseaux et data centers. Au début des années 2000, les deux tendances à savoir la mise à disposition d'applications et la virtualisation de l'infrastructure ont vu le jour. La convergence de ces deux tendances a donné naissance à un concept fédérateur qu'est le Cloud Computing (informatique en nuage). Le stockage des données apparaît alors comme un élément central de la problématique liée à la mise dans le nuage des processus et des ressources. Qu'il s'agisse d'une simple externalisation du stockage à des fins de sauvegarde, de l'utilisation de services logiciels hébergés ou de la virtualisation chez un fournisseur tiers de l'infrastructure informatique de l'entreprise, la sécurité des données est cruciale. Cette sécurité se décline selon trois axes : la disponibilité, l'intégrité et la confidentialité des données. Le contexte de nos travaux concerne la virtualisation du stockage dédiée à l'informatique en nuage (Cloud Computing). Ces travaux se font dans le cadre du projet SVC (Secured Virtual Cloud) financé par le Fond National pour la Société Numérique " Investissement d'avenir ". Ils ont conduit au développement d'un intergiciel de virtualisation du stockage, nommé CloViS (Cloud Virtualized Storage), qui entre dans une phase de valorisation portée par la SATT Toulouse-Tech-Transfer. CloViS est un intergiciel de gestion de données développé au sein du laboratoire IRIT, qui permet la virtualisation de ressources de stockage hétérogènes et distribuées, accessibles d'une manière uniforme et transparente. CloViS possède la particularité de mettre en adéquation les besoins des utilisateurs et les disponibilités du système par le biais de qualités de service définies sur des volumes virtuels. Notre contribution à ce domaine concerne les techniques de distribution des données afin d'améliorer leur disponibilité et la fiabilité des opérations d'entrées/sorties dans CloViS. En effet, face à l'explosion du volume des données, l'utilisation de la réplication ne peut constituer une solution pérenne. L'utilisation de codes correcteurs ou de schémas de seuil apparaît alors comme une alternative valable pour maîtriser les volumes de stockage. Néanmoins aucun protocole de maintien de la cohérence des données n'est, à ce jour, adapté à ces nouvelles méthodes de distribution. Nous proposons pour cela des protocoles de cohérence des données adaptés à ces différentes techniques de distribution des données. Nous analysons ensuite ces protocoles pour mettre en exergue leurs avantages et inconvénients respectifs. En effet, le choix d'une technique de distribution de données et d'un protocole de cohérence des données associé se base sur des critères de performance notamment la disponibilité en écriture et lecture, l'utilisation des ressources système (comme l'espace de stockage utilisé) ou le nombre moyen de messages échangés durant les opérations de lecture et écriture. / With the development of Internet, Information Technology was essentially based on communications between servers, user stations, networks and data centers. Both trends "making application available" and "infrastructure virtualization" have emerged in the early 2000s. The convergence of these two trends has resulted in a federator concept, which is the Cloud Computing. Data storage appears as a central component of the problematic associated with the move of processes and resources in the cloud. Whether it is a simple storage externalization for backup purposes, use of hosted software services or virtualization in a third-party provider of the company computing infrastructure, data security is crucial. This security declines according to three axes: data availability, integrity and confidentiality. The context of our work concerns the storage virtualization dedicated to Cloud Computing. This work is carried out under the aegis of SVC (Secured Virtual Cloud) project, financed by the National Found for Digital Society "Investment for the future". This led to the development of a storage virtualization middleware, named CloViS (Cloud Virtualized Storage), which is entering a valorization phase driven by SATT Toulouse-Tech-Transfer. CloViS is a data management middleware developped within the IRIT laboratory. It allows virtualizing of distributed and heterogeneous storage resources, with uniform and seamless access. CloViS aligns user needs and system availabilities through qualities of service defined on virtual volumes. Our contribution in this field concerns data distribution techniques to improve their availability and the reliability of I/O operations in CloViS. Indeed, faced with the explosion in the amount of data, the use of replication can not be a permanent solution. The use of "Erasure Resilient Code" or "Threshold Schemes" appears as a valid alternative to control storage volumes. However, no data consistency protocol is, to date, adapted to these new data distribution methods. For this reason, we propose to adapt these different data distribution techniques. We then analyse these new protocols, highlighting their respective advantages and disadvantages. Indeed, the choice of a data distribution technique and the associated data consistency protocol is based on performance criteria, especially the availability and the number of messages exchanged during the read and write operations or the use of system resources (such as storage space used).

Cette thèse évalue les performances de systèmes de stockage de données sur des réseaux de pairs. Ces systèmes reposent sur trois piliers: la fragmentation des données et leur dissémination chez les pairs, la redondance des données afin de faire face aux éventuelles indisponibilités des pairs et l'existence d'un mécanisme de recouvrement des données perdues ou temporairement indisponibles. Nous modélisons deux mécanismes de recouvrement des données par des chaînes de Markov absorbantes. Plus précisément, nous évaluons la qualité du service rendu aux utilisateurs en terme de longévité et de disponibilité des données de chaque mécanisme. Le premier mécanisme est centralisé et repose sur l'utilisation d'un serveur pour la reconstruction des donnée perdus. Le second est distribué : la reconstruction des fragments perdus met en oeuvre, séquentiellement, plusieurs pairs et s'arrête dès que le niveau de redondance requis est atteint. Les principales hypothèses faites dans nos modèles sont validées soit par des simulations soit par des traces réelles recueillies dans différents environnements distribués. Pour les processus de téléchargement et de recouvrement des données nous proposons un modèle de simulation réaliste qui est capable de prédire avec précision le comportement de ces processus mais le temps de simulation est long pour de grands réseaux. Pour surmonter cette restriction nous proposons et analysons un algorithme efficace au niveau flux. L'algorithme est simple et utilise le concept de (min-max). Il permet de caractériser le temps de réponse des téléchargements en parallèle dans un système de stockage distribué.

Les réseaux fixes et mobiles font face à une croissance dramatique du trafic de données, qui est principalement due à la distribution de contenus vidéo. Les opérateurs Télécoms envisagent donc de décentraliser la distribution de contenus dans les futures architectures convergées fixe-mobile (FMC). Cette décentralisation, conjointement au déploiement d'un cœur de réseau mobile distribué, sera un élément majeur des futurs réseaux 5G. L'approche SIPTO définie par 3GPP permet déjà le délestage sur le réseau fixe du trafic mobile, et pourra donc être utilisée en 5G. SIPTO s'appuie sur la distribution des passerelles de données (PGW) qui permet ainsi de décharger le cœur du réseau mobile actuel. Cependant, dans certains cas de mobilité des usagers, SIPTO ne supporte pas la continuité de session, quand il est nécessaire de changer de PGW, donc de modifier l'adresse IP du terminal. Cette thèse commence par quantifier le gain apporté par le délestage du trafic mobile en termes de capacité requise pour différentes portions du réseau. Un état de l'art des différentes solutions de délestage du trafic de données mobiles est fourni, démontrant qu'aucune des solutions existantes ne supporte la continuité de service pour les sessions de longue durée. C'est pourquoi, cette thèse propose des solutions pour supporter une mobilité transparente ; ces solutions s'appuient à la fois sur SIPTO et sur le protocole MultiPath TCP (MPTCP). Les protocoles du 3GPP sont inchangés car la continuité est maintenue par les extrémités. Enfin, ces solutions sont appliquées aux différentes implémentations d'architectures FMC envisagées à ce jour. / Fixed and mobile networks are currently experiencing a dramatic growth in terms of data traffic, mainly driven by video content distribution. Telecoms operators are thus considering de-centralizing content distribution architecture for future Fixed and Mobile Converged (FMC) network architectures. This decentralization, together with a distributed mobile EPC, would be used for future 5G networks. Mobile data offloading, in particular SIPTO approaches, already represent a good implementation model for 5G network as it allows the use of distributed IP edges to offload Selected IP traffic off the currently centralized mobile core network. However, in some cases, SIPTO does not support session continuity during users' mobility. This is due to the fact that user's mobility may imply packet gateway (PGW) relocation and thus a modification of the UE's IP address.This PhD thesis first quantifies the gain, in terms of bandwidth demands on various network portions, brought by the generalized use of mobile traffic offloading. A state of art of existing mobile data offloading solutions is presented, showing that none of the existing solutions solve the problem of session continuity for long-lived sessions. This is why, in the context of future FMC mobile network architectures, the PhD thesis proposes solutions to provide seamless mobility for users relying on SIPTO with the help of Multipath TCP (MPTCP). 3GPP standards are not modified, as session continuity is ensured by end-points. Lastly, the proposed solutions are mapped on different architecture options considered for future FMC networks.

Dans un monde de plus en plus connecté, le besoin d'interconnecter des systèmes hétérogènes apparait de plus en plus présent. Les Systèmes de Systèmes (SoS) sont une approche de supervision et de contrôle global où les systèmes constituants sont caractérisés comme des sous-systèmes du SoS. Certains de ces sous-systèmes peuvent être sujets à un environnement dynamique leur demandant d'évoluer pour répondre à de nouvelles exigences, voire de s'adapter s'ils doivent répondre à un besoin de disponibilité. La principale difficulté dans la gestion des évolutions possibles est qu'elles peuvent impacter plusieurs sous-systèmes connectés, et par extension, une vision globale comme celle proposée par un système de systèmes. Ainsi, les problèmes d'évolution et d'adaptation d'un SoS se posent. Dans un cadre d'ingénierie logicielle, cette thèse propose l'approche R-* qui soutient l'hypothèse que plus un système est Réflexif, et plus il devient capable de s'adapter, et donc d'évoluer. Trois contributions majeures et un cas d'utilisation évalu ́e sont proposés pour justifier l'intérêt de R-*. R-DDS et R-MOM ajoutent la capacité de réflexivité dans des sous-systèmes de communication asynchrones, et R-EMS ajoute la capacité de réflexivité sur la vision globale d'un SoS, incluant ses sous-syst'emes et son environnement. R-DDS ajoute la réflexivité à l'intergiciel de Service de Distribution de Données dédié aux domaines du temps-réel et de l'embarqué. R-MOM remonte en abstraction pour proposer la réflexivité au niveau des fonctionalités d'un intergiciel asynchrone. R-EMS est un système de gestion d'environnement réflexif en support de l'utilisation d'un SoS. Finalement, le cas d'utilisation est une implémentation d'un sous-modèle du système de systèmes TACTICOS de THALES, qui servira également d'environnement d'évaluation.

Les architectures parallèles sont désormais présentes dans tous les matériels informatiques, mais les programmeurs ne sont généralement pas formés à leur programmation dans les modèles explicites tels que MPI ou les Pthreads. Il y a un besoin important de modèles plus abstraits tels que les squelettes algorithmiques qui sont une approche structurée. Ceux-ci peuvent être vus comme des fonctions d’ordre supérieur synthétisant le comportement d’algorithmes parallèles récurrents que le développeur peut ensuite combiner pour créer ses programmes. Les développeurs souhaitent obtenir de meilleures performances grâce aux programmes parallèles, mais le temps de développement est également un facteur très important. Les approches par squelettes algorithmiques fournissent des résultats intéressants dans ces deux aspects. La bibliothèque Orléans Skeleton Library ou OSL fournit un ensemble de squelettes algorithmiques de parallélisme de données quasi-synchrones dans le langage C++ et utilise des techniques de programmation avancées pour atteindre une bonne efficacité. Nous avons amélioré OSL afin de lui apporter de meilleures performances et une plus grande expressivité. Nous avons voulu analyser le rapport entre les performances des programmes et l’effort de programmation nécessaire sur OSL et d’autres modèles de programmation parallèle. La comparaison rigoureuse entre des programmes parallèles dans OSL et leurs équivalents de bas niveau montre une bien meilleure productivité pour les modèles de haut niveau qui offrent une grande facilité d’utilisation tout en produisant des performances acceptables. / Parallel architectures have now reached every computing device, but software developers generally lackthe skills to program them through explicit models such as MPI or the Pthreads. There is a need for moreabstract models such as the algorithmic skeletons which are a structured approach. They can be viewed ashigher order functions that represent the behaviour of common parallel algorithms, and those are combinedby the programmer to generate parallel programs. Programmers want to obtain better performances through the usage of parallelism, but the development time implied is also an important factor. Algorithmic skeletons provide interesting results in both those fields. The Orléans Skeleton Library or OSL provides a set of algorithmic skeletons for data parallelism within the bulk synchronous parallel model for the C++ language. It uses advanced metaprogramming techniques to obtain good performances. We improved OSL in order to obtain better performances from its generated programs, and extended its expressivity. We wanted to analyze the ratio between the performance of programs and the development effort needed within OSL and other parallel programming models. The comparison between parallel programs written within OSL and their equivalents in low level parallel models shows a better productivity for high level models : they are easy to use for the programmers while providing decent performances.

Les architectures parallèles sont désormais présentes dans tous les matériels informatiques, mais les pro- grammeurs ne sont généralement pas formés à leur programmation dans les modèles explicites tels que MPI ou les Pthreads. Il y a un besoin important de modèles plus abstraits tels que les squelettes algorithmiques qui sont une approche structurée. Ceux-ci peuvent être vus comme des fonctions d'ordre supérieur synthétisant le comportement d'algorithmes parallèles récurrents que le développeur peut ensuite combiner pour créer ses programmes. Les développeurs souhaitent obtenir de meilleures performances grâce aux programmes parallèles, mais le temps de développement est également un facteur très important. Les approches par squelettes algorithmiques fournissent des résultats intéressants dans ces deux aspects. La bibliothèque Orléans Skeleton Library ou OSL fournit un ensemble de squelettes algorithmiques de parallélisme de données quasi-synchrones dans le langage C++ et utilise des techniques de programmation avancées pour atteindre une bonne efficacité. Nous avons amélioré OSL afin de lui apporter de meilleures performances et une plus grande expressivité. Nous avons voulu analyser le rapport entre les performances des programmes et l'effort de programmation nécessaire sur OSL et d'autres modèles de programmation parallèle. La comparaison rigoureuse entre des programmes parallèles dans OSL et leurs équivalents de bas niveau montre une bien meilleure productivité pour les modèles de haut niveau qui offrent une grande facilité d'utilisation tout en produisant des performances acceptables.

Le calcul scientifique parallèle est un domaine en plein essor qui permet à la fois d’augmenter la vitesse des longs traitements, de traiter des problèmes de taille plus importante ou encore des problèmes plus précis. Ce domaine permet donc d’aller plus loin dans les calculs scientifiques, d’obtenir des résultats plus pertinents, car plus précis, ou d’étudier des problèmes plus volumineux qu’auparavant. Dans le monde plus particulier de la simulation numérique scientifique, la résolution d’équations aux dérivées partielles (EDP) est un calcul particulièrement demandeur de ressources parallèles. Si les ressources matérielles permettant le calcul parallèle sont de plus en plus présentes et disponibles pour les scientifiques, à l’inverse leur utilisation et la programmation parallèle se démocratisent difficilement. Pour cette raison, des modèles de programmation parallèle, des outils de développement et même des langages de programmation parallèle ont vu le jour et visent à simplifier l’utilisation de ces machines. Il est toutefois difficile, dans ce domaine dit du “parallélisme implicite”, de trouver le niveau d’abstraction idéal pour les scientifiques, tout en réduisant l’effort de programmation. Ce travail de thèse propose tout d’abord un modèle permettant de mettre en oeuvre des solutions de parallélisme implicite pour les simulations numériques et la résolution d’EDP. Ce modèle est appelé “Structured Implicit Parallelism for scientific SIMulations” (SIPSim), et propose une vision au croisement de plusieurs types d’abstraction, en tentant de conserver les avantages de chaque vision. Une première implémentation de ce modèle, sous la forme d’une librairie C++ appelée SkelGIS, est proposée pour les maillages cartésiens à deux dimensions. Par la suite, SkelGIS, et donc l’implémentation du modèle, est étendue à des simulations numériques sur les réseaux (permettant l’application de simulations représentant plusieurs phénomènes physiques). Les performances de ces deux implémentations sont évaluées et analysées sur des cas d’application réels et complexes et démontrent qu’il est possible d’obtenir de bonnes performances en implémentant le modèle SIPSim. / Parallel scientific computations is an expanding domain of computer science which increases the speed of calculations and offers a way to deal with heavier or more accurate calculations. Thus, the interest of scientific computations increases, with more precised results and bigger physical domains to study. In the particular case of scientific numerical simulations, solving partial differential equations (PDEs) is an especially heavy calculation and a perfect applicant to parallel computations. On one hand, it is more and more easy to get an access to very powerfull parallel machines and clusters, but on the other hand parallel programming is hard to democratize, and most scientists are not able to use these machines. As a result, high level programming models, framework, libraries, languages etc. have been proposed to hide technical details of parallel programming. However, in this “implicit parallelism” field, it is difficult to find the good abstraction level while keeping a low programming effort. This thesis proposes a model to write implicit parallelism solutions for numerical simulations such as mesh-based PDEs computations. This model is called “Structured Implicit Parallelism for scientific SIMulations” (SIPSim), and proposes an approach at the crossroads of existing solutions, taking advantage of each one. A first implementation of this model is proposed, as a C++ library called SkelGIS, for two dimensional Cartesian meshes. A second implementation of the model, and an extension of SkelGIS, proposes an implicit parallelism solution for network-simulations (which deals with simulations with multiple physical phenomenons), and is studied in details. A performance analysis of both these implementations is given on real case simulations, and it demonstrates that the SIPSim model can be implemented efficiently.