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Avec la croissance exponentielle des demandes de service, les opérateurs ont déployé de nombreux équipements, et par conséquent, la gestion du réseau est devenue de plus en plus difficile et coûteuse. La virtualisation des fonctions réseau (NFV) a été proposée comme un nouveau paradigme pour réduire les coûts liés à l’acquisition et à la maintenance pour les réseaux de télécommunications. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons aux problèmes du chaînage des fonctions virtuelles (VNFs) qui combinent des décisions de localisation des VNFs et de routage des demandes. D'un point de vue d'optimisation, ce problème est une combinaison des problèmes de localisation (pour la partie d'installation des VNFs) et de conception de réseaux (pour la partie de routage). Ces deux problèmes ont été largement étudié dans la littérature. Cependant, leur combinaison représente des divers challenges en termes de modélisation et de résolution. Dans la première partie de cette thèse, nous considérons une version réaliste du problème du chaînage des VNFs (VNF-PR) afin de comprendre l'impact des différents aspects sur les coûts et les performances de gestion du réseau. Dans ce but, nous étendons le travail dans~\cite{Addis2015} en considérant des caractéristiques et des contraintes plus réalistes des infrastructures NFV et nous proposons un modèle de programmation linéaire et une heuristique mathématique pour le résoudre. Dans le but de mieux comprendre la structure du problème et ses propriétés, la deuxième partie de la thèse est orientée vers l'étude théorique du problème, où nous avons étudié une version compacte du problème du chaînage des VNFs. Nous fournissons des résultats sur la complexité de calcul sous divers cas de topologie et de capacité. Ensuite, nous proposons deux modèles et nous les testons sur un testbed avec plus de 100 instances différentes avec différents cas de capacité. Au final, nous abordons la scalabilité du problème en proposant des méthodes constructives et des méthodes heuristiques basées sur la programmation linéaire entière pour traiter efficacement des instances de taille grande (jusqu'à 60 nœuds et 1800 demandes). Nous montrons que les heuristiques proposées sont capables de résoudre efficacement des instances de taille moyenne (avec jusqu'à 30 nœuds et 1 000 demandes) de cas de capacité difficiles et de trouver de bonnes solutions pour les instances dures, où le modèle ne peut fournir aucune solution avec un temps de calcul limité. / Due to the exponential growth of service demands, telecommunication networks are populated with a large and increasing variety of proprietary hardware appliances, and this leads to an increase in the cost and the complexity of the network management. To overcome this issue, the NFV paradigm is proposed, which allows dynamically allocating the Virtual Network Functions (VNFs) and therefore obtaining flexible network services provision, thus reducing the capital and operating costs. In this thesis, we focus on the VNF Placement and Routing (VNF-PR) problem, which aims to find the location of the VNFs to allocate optimally resources to serve the demands. From an optimization point of view, the problem can be modeled as the combination of a facility location problem (for the VNF location and server dimensioning) and a network design problem (for the demands routing). Both problems are widely studied in the literature, but their combination represents, to the best of our knowledge, a new challenge. We start working on a realistic VNF-PR problem to understand the impact of different policies on the overall network management cost and performance. To this end, we extend the work in [1] by considering more realistic features and constraints of NFV infrastructures and we propose a linear programming model and a math-heuristic to solve it. In order to better understand the problem structure and its properties, in the second part of our work, we focus on the theoretical study of the problem by extracting a simplified, yet significant variant. We provide results on the computational complexity under different graph topology and capacity cases. Then, we propose two mathematical programming formulations and we test them on a common testbed with more than 100 different test instances under different capacity settings. Finally, we address the scalability issue by proposing ILP-based constructive methods and heuristics to efficiently deal with large size instances (with up to 60 nodes and 1800 demands). We show that our proposed heuristics can efficiently solve medium size instances (with up to 30 nodes and 1000 demands) of challenging capacity cases and provide feasible solutions for large size instances of the most difficult capacity cases, for which the models cannot find any solution even with a significant computational time.

En environnement multi-tenant, les réseaux s'appuient sur un ensemble de ressources matérielles partagées pour permettre à des applications isolés de communiquer avec leurs clients. Cette isolation est garantie par un ensemble de mécanismes à la bordure des réseaux: les mêmes serveurs hébergeant les machines virtuelles doivent notamment déterminer le destinataire approprié pour chaque paquet réseau, copier ces derniers entre zones mémoires isolées et supporter les tunnels permettant l'isolation du trafic lors de son transit sur le coeur de réseau. Ces différentes tâches doivent être accomplies avec aussi peu de ressources matérielles que possible, ces dernières étant tout d'abord destinées aux machines virtuelles. Dans un contexte d'intensification de la demande en haute performance sur les réseaux, les acteurs de l'informatique en nuage ont souvent recours à des équipements matériels spécialisés mais inflexibles, leur permettant d'atteindre les performances requises. Néanmoins, dans cette thèse, nous défendons la possibilité d'améliorer les performances significativement sans avoir recours à de tels équipements. Nous prônons, d'une part, une consolidation des fonctions réseaux au niveau de la couche de virtualisation et, d'autre part, une relocalisation de certaines fonctions réseaux hors des machines virtuelles. À cette fin, nous proposons Oko, un commutateur logiciel extensible qui facilite la consolidation des fonctions réseaux dans la couche de virtualisation. Oko étend les mécanismes de l'état de l'art permettant une mise en cache des règles de commutateurs, ceci afin de permettre une exécution des fonctions réseaux sous forme d'extensions au commutateur. De plus, les extensions sont isolées du coeur du commutateur afin d'empêcher des fautes dans les extensions d'impacter le reste du réseau et de faciliter une mise en place rapide et sûre de nouvelles fonctions réseaux. En permettant aux fonctions réseaux de s'exécuter au sein du commutateur logiciel, sans redirections vers des processus distincts, Oko diminue de moitié le coût lié à l'exécution des fonctions réseaux en moyenne. Notre seconde contribution vise à permettre une exécution de certaines fonctions réseaux en amont des machines virtuelles, au sein de la couche de virtualisation. L'exécution de ces fonctions réseaux hors des machines virtuelles permet d'importants gains de performance, mais lèvent des problématiques d'isolation. Nous réutilisons et améliorons la technique utilisé dans Oko pour isoler les fonctions réseaux et l'étendons avec un mécanisme de partage équitable du temps CPU entre les différentes fonctions réseaux relocalisées. / Multi-tenant networks enable applications from multiple, isolated tenants to communicate over a shared set of underlying hardware resources. The isolation provided by these networks is enforced at the edge: end hosts demultiplex packets to the appropriate virtual machine, copy data across memory isolation boundaries, and encapsulate packets in tunnels to isolate traffic over the datacenter's physical network. Over the last few years, the growing demand for high performance network interfaces has pressured cloud providers to build more efficient multi-tenant networks. While many turn to specialized, hard-to-upgrade hardware devices to achieve high performance, in this thesis, we argue that significant performance improvements are attainable in end-host multi-tenant networks, using commodity hardware. We advocate for a consolidation of network functions on the host and an offload of specific tenant network functions to the host. To that end, we design Oko, an extensible software switch that eases the consolidation of network functions. Oko includes an extended flow caching algorithm to support its runtime extension with limited overhead. Extensions are isolated from the software switch to prevent failures on the path of packets. By avoiding costly redirections to separate processes and virtual machines, Oko halves the running cost of network functions on average. We then design a framework to enable tenants to offload network functions to the host. Executing tenant network functions on the host promises large performance improvements, but raises evident isolation concerns. We extend the technique used in Oko to provide memory isolation and devise a mechanism to fairly share the CPU among offloaded network functions with limited interruptions.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-11-05T14:23:30Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Phelipe Alves de Souza - 2018.pdf: 2593287 bytes, checksum: 75272a4ac609ad844ce539216911cb72 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-11-05T14:30:42Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Phelipe Alves de Souza - 2018.pdf: 2593287 bytes, checksum: 75272a4ac609ad844ce539216911cb72 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-05T14:30:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Phelipe Alves de Souza - 2018.pdf: 2593287 bytes, checksum: 75272a4ac609ad844ce539216911cb72 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-10-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / There are great expectations in CRAN and network virtualization (NFV) technologies, and especially in view of the potential they have to accelerate the deployment of new services while lowering the costs of network operators. Several papers discussed the benefits of deploying a new network infrastructure with such technologies, but only a few investigated how the transition from a legacy network could be. In this context, there is a relevant problem that involves three main issues: 1) which network locations should be updated; 2) how to update the selected location, \ie, to fully virtualized or not; and 3) who should attend virtualized sites. These issues are influenced by the level of centralization employed in a given access network (RAN). Here we propose two optimization models and two heuristics that allow the decision maker to define the desired level of centralization and to evaluate its impact on some metrics such as the investment needed and the level of centralization actually achieved. The models show how the investment should be applied according to the level of centralization and the relative cost between the different resources. Our heuristics present similar performance to the exact approach for relatively small scenarios of the problem, but are able to solve topologies of networks with large number of vertices and maintain a satisfactory solution close to the ideal. / Existem grandes expectativas nas tecnologias de centralização (CRAN) e de virtualização de rede (NFV), e especialmente diante do potencial que têm de acelerar a implantação de novos serviços e, ao mesmo tempo, diminuir os custos das operadoras de redes. Vários trabalhos discutiram os benefícios de se implantar uma nova infraestrutura de rede, com tais tecnologias, mas apenas alguns investigaram como poderia ser a transição a partir de uma rede legada. Nesse contexto, existe um problema relevante que envolve três questões principais: 1) quais locais da rede devem ser atualizados; 2) como atualizar o local selecionado, \ie, para totalmente virtualizado ou não; e 3) quem deve atender aos locais virtualizados. Essas questões são influenciadas pelo nível de centralização empregado em uma determinada rede de acesso (RAN). Aqui, propomos dois modelos de otimização e duas heurísticas que permitem ao tomador de decisão definir o nível de centralização desejado e avaliar seu impacto em algumas métricas, tais como o investimento necessário e o nível de centralização efetivamente alcançado. Os modelos mostram como o investimento deve ser aplicado de acordo com o nível de centralização e o custo relativo entre os diferentes recursos. Nossas heurísticas apresentam desempenho semelhante à abordagem exata para cenários relativamente pequenos do problema, mas são capazes de resolver topologias de redes com grande número de vértices e manter uma solução satisfatória próxima ao ideal.

Les prestataires de service réseau doivent faire face à la demande croissante des besoins des utilisateurs, en particulier vers une plus grande flexibilité et toujours plus de capacité. La "softwerisation" et la "cloudification" des composants du réseau offrent une solution prometteuse pour obtenir l'agilité nécessaire afin de répondre dynamiquement à l'exigence au niveau de la consommation des ressources. Cette vision se traduit par le déploiement de la Virtualisation des Fonctions Réseau (NFV) où les Fonctions de Réseau Virtuels (VNFs) peuvent être associées pour créer des services réseau. Cette thèse étudie la problématique de l'allocation de ressources dans un système NFV afin de minimiser son coût sous contraintes sur l'interconnectivité entre les VNF, les ressources du système et les exigences de service. La principale considération est la réduction du coût global du déploiement en ressources informatiques. Nous étudions également d'autres objectifs à satisfaire tels que la migration des fonctions réseau et la gestion de la congestion. Notre premier objectif est d'augmenter notre compréhension de la performance d'un système NFV en étudiant le placement et le routage des fonctions réseau. Nous formalisons le problème dans une approche globale en tenant compte d'un large ensemble de paramètres pertinents. Nous prendrons en compte les cas statiques (Hors Ligne) et dynamiques (En Ligne) du problème. Nous proposons et analysons trois algorithmes heuristiques: deux sont conçus pour traiter de grandes dimensions du scenario "Hors Ligne" et le dernier est conçu pour résoudre le scénario "En Ligne". Les résultats montrent que notre solution surpasse l'état de l'art par rapport à l'indicateur de performance critique. Nous évaluons également l'impact de la migration d'une série de demandes simultanées et proposons une technique de migration simple pour ce système dynamique. A la lumière de ces premiers résultats, nous étendons notre étude afin d'améliorer l'efficacité de notre solution en proposant un modèle plus simple. La seconde partie de notre étude se concentre sur l'optimisation de l'utilisation des ressources d'un système NFV. La principale distinction est que nous pouvons appliquer le modèle à un système dynamique avec de grandes instances. De plus, nous fournissons également une méthode originale pour engendrer de fortes inégalités afin d'améliorer la résolution de la programmation linéaire (LP) dans un espace de dimension supérieur. Les résultats obtenus n'améliorent pas seulement le modèle, mais promettent aussi de pouvoir être utiliser efficacement dans d'autres modèles. Une troisième contribution de notre travail concerne le problème de routage dans NFV. En effet, une évolution importante des besoins des utilisateurs est représentée par la demande d'accès croissante aux ressources réseau, de stockage et de calcul afin de combiner dynamiquement le niveau de consommation de ressources avec leurs besoins de service. Par conséquent, nous nous intéressons au routage efficace d'une demande utilisateur à travers les noeuds qui traitent les fonctions impliquées dans une chaîne de services donnée. Nous proposons une formulation originale de ce problème basée sur la construction d'un réseau étendu. Nous formulons une solution mathématique exacte et proposons plusieurs algorithmes approximatifs tenant compte les principaux paramètres du système. Nous conclurons en soulignant les contributions principales de notre travail et proposons quelques pistes pour des travaux futurs. / Network service providers have to cope with the growing on-demand need from end-users as well as the diversity of usage. The "softwerization" and "loudification" of the network components offer a promising solution to achieve the agility necessary to dynamically match the servcice requirements with the level of resource consumption. Cloud-based solutions promises an economy of scale and simpler management. Virtualizing the many network appliances offers the flexibility to adapt to the varying service demand. This materializes with the deployment of Network Functions Virtualization (NFV) where Virtual Network Functions (VNFs) may be chained together to create network services. This dissertation studies the resource allocation problem in an NFV system for minimizing its cost under constraints on interconnectivity among VNFs, system resources, and service requirements. The main consideration is the reduction of the overall deployment cost while efficiently utilizing the available resources. In addition, a number of other important constraints are considered such as migration and congestion. Our first goal is to increase our understanding of the performance of an NFV system with respect to network functions placement and routing. We formalize the problem in a comprehensive maner taking into account a broad set of relevant parameters. The static (OFFLINE) and dynamic (ONLINE) cases are considered. We propose and analyze three heuristic algorithms: two for handling large dimensions of the OFFLINE problem and one designed to address the ONLINE scenario. The results show that our solution outperforms the state of the art with respect to critical performance index. We also evaluate the impact of migrating a set of running demands, and propose a simple migration technique for the dynamic system. We extend this work by proposing a simpler model to improve the performance of our solution. The second part of our work focuses on minimizing the resource utilization of an NFV system. The main distinctive point is that we can apply the model to a dynamic system with large instances. Moreover, we also provide an interesting method for generating some strong inequalities to improve the Linear Programming (LP) solving in a higher dimensional space. The obtained results are not only making the model easier but also can be used efficiently in other models. A third contribution focuses specifically on the routing problem in NFV. An important evolution of the users’ needs is represented by the dynamic on-demand access to network, vstorage and compute resources. Therefore, routing efficiently a demand across nodes handling the functions involved in a given service chain constitutes the a novel problem that we address in this last section. We provide an original formulation of this problem based on the construction of an expanded network. We derive the exact mathematical formulation and propose several approximate algorithms taking into account the main system’s parameters. We conclude by deriving some interesting insights both about the algorithms and the network performance. We finally conclude with our main findings and highlight many avenues for future work.

L’objectif de la thèse est d’étudier la gestion de bout en bout des architectures à la SDN, et comment nos briques OSS (Operation Support System) doivent évoluer: cela implique d’étudier les processus métier associés, leurs implémentations ainsi que l’outillage nécessaire. Les objectifs de la thèse sont donc de répondre aux verrous suivants:1. Identifier les changements impliqués par l’émergence de ces réseaux programmables sur les architectures de gestions en termes d’exigences ou "requirements". L’étude peut être focalisée sur un type de réseau, mobile par exemple. 2. Identifier l’évolution à apporter aux interfaces de gestions actuelles: quelles alternatives aux FCAPS (fault, configuration, accounting, performance, and security) ? Quels changements à apporter aux couches de gestions allant du gestionnaire d’équipement ou "Element Management System" jusqu’au OSS ? / The main goal of the PhD activities is to define and develop architecture and mechanisms to ensure consistency and continuity of the operations and behaviors in mixed physical/virtual environments, characterized by a high level of dynamicity, elasticity and heterogeneity by applying a cognitive approach to the architecture where applicable. The target is then to avoid the "build it first, manage it later" paradigm. The research questions targeted by the PhD are the following: 1. Identify the changes on Network Operation Support Systems implementation when using SDN as a design approach for future networks. The study could be restricted to mobile networks for example, or sub-part of it (CORE networks, RAN, data centers, etc); 2.Identify the needed evolution at the management interfaces level: a. Shall we need alternative to the well-known FCAPS and do we still need the element management system? b. What will change to provision an SDN based service? c. How to ensure resiliency of SDN based networks?

The advent of the fifth generation mobile networks (5G) presents many new challenges to satisfy the requirements of the upcoming standards. The 5G Radio Access Network (RAN) has several functions which must be highly optimized to keep up with increasing performance requirements. One such function is the Packet Processing Function (PPF) which must process network packets with high throughput and low latency. A major factor in the pursuit of higher throughput and lower latency is adaptability of 5G technology. For this reason, Ericsson has developed a prototype 5G RAN PPF as a Virtualized Network Function (VNF) using an extended version of the Data Plane Development Kit’s Eventdev framework, which can be run on a general purpose computer. This thesis project optimizes the throughput and latency of a 5G RAN PPF prototype using a set of benchmarking and code profiling tools to find bottlenecks within the packet processing path, and then mitigates the effects of these bottlenecks by changing the configuration of the PPF. Experiments were performed using IxNetwork to generate 2 flows with GTP-u/UDP/IPv4 packets for the PPF to process. IxNetwork was also used to measure throughput and latency of the PPF. The results show that the maximum throughput of the PPF prototype could be increased by 40.52% with an average cut-through latency of 97.59% compared to the default configuration in the evaluated test case, by reassigning the CPU cores, performing the packet processing work in fewer pipeline stages, and patching the RSS function of the packet reception (Rx) driver. / Med den annalkande femte generationen av mobila nätverk (5G) följer en rad utmaningar för att uppnå de krav som ställs av kommande standarder. Den femte generationens Radioaccessnätverk (RAN) har flera funktioner som måste vara väloptimerade för att prestera enligt ökade krav. En sådan funktion är Packet Processing-funktionen (PPF), vilken måste kunna bearbeta paket med hög genomströmning och låg latens. En avgörande faktor i jakten på högre genomströmning och lägre latens är anpassningsbarhet hos 5Gteknologin.  Ericsson har därför utvecklat en prototyp av en PPF för 5G RAN som en virtuell nätverksfunktion (VNF) med hjälp av DPDK:s Eventdev-ramverk, som kan köras på en dator avsedd för allmän användning. I detta projekt optimeras genomströmningen och latensen hos Ericssons 5G RAN PPF-prototyp med hjälp av ett antal verktyg för prestandamätning och kodprofilering för att hitta flaskhalsar i pakethanteringsvägen, och därefter minska flaskhalsarnas negativa effekt på PPFens prestanda genom att ändra dess konfiguration. I experimenten användes IxNetwork för att generera 2 flöden med GTP-u/UDP/IPv4-paket som bearbetades av PPFen. IxNetwork användes även för att mäta genomströmning och latens. Resultaten visade att den maximala genomströmningen kunde ökas med 40.52% med en genomsnittlig latens på 97.59% jämfört med den ursprungliga PPF-prototypkonfigurationen i testfallet, genom att omfördela processorkärnor, sammanslå paketbearbetningssteg, och att patcha RSS-funktionen hos mottagardrivaren.

Cloud-based video processing is an area depending heavily on the hardware’s ability to process huge amounts of packets. Nowadays, we can observe industry drifting away from commonly used FPGAs in lieu of a more flexible software approach. Docker container has been considered a promising technology for constructing video streaming pipelines as it provides a fast and easy way to package and distribute software. Recent developments in the Network Function Virtualization field showed that fast packet processing frameworks like Intel Data Plane Development Kit (DPDK) have a potential to improve the performance of network function chains. This technology could be an enabler for software video processing to approach hardware solutions, yet it is still in quite an early stage and generates many questions about usage, deployment, and performance. This thesis shows that it is possible to build packet processing pipelines using DPDK, running dozens of video processing microservices simultaneously on a single machine. The project implementation was evaluated in terms of latency and throughput and behaviour of co-running applications on a single CPU core was modelled. / Molntjänster Inom området videobearbetning är starkt beroende av hårdvarans förmåga att kontinuerligt bearbeta mycket stora mängder paket. Idag har det blivit vanligt inom professionell användning att välja bort tidigare vanliga FPGA-baserade lösningar, till förmån för mer flexibla mjukvarubaserade lösningar. Docker containers har setts som en lovande teknologi för att konstruera pipelines för strömmande video, då de erbjuder ett snabbt och enkelt sätt att paketera och distribuera mjukvara. Utvecklingen inom virtualisering av nätverksfunktioner (NFV) har visat att ramverk för snabb paketprocessning, såsom Intel DPDK, har potential att förbättra prestandan hos kedjor av nätverksfunktioner. Denna teknologi gör det möjligt för mjukvarubaserad videobehandling att hävda sig i jämförense med hårdvarubaserade varianter. Den är dock relativt ny och oprövad och det kvarstår många öppna frågor om användning, driftsättning och prestanda. Detta examensarbete visar att det är möjligt att bygga paketbearbetande pipelines med DPDK, som kör dussintals nätverksfunktioner samtidigt på en maskin. En implementation har konstruerats och utvärderats med fokus på latens och flöde, och beteendemönster för applikationer som kör samtidigt på samma CPU har modellerats.

Les opérateurs de réseau sont confrontés à de grands défis en termes de coût et de complexité pour intégrer les nouvelles technologies de communication (e.g., 4G, 5G, fibre optique) et pour répondre aux demandes croissantes des nouveaux services réseau adaptés aux nouveaux cas d’utilisation. La "softwarization" des opérations réseau à l'aide des paradigmes SDN (Software Defined Networking) et NFV (Network Function Virtualization) est en mesure de simplifier le contrôle et la gestion des réseaux et de fournir des services réseau de manière efficace. Les réseaux programmables SDN permettent de dissocier le plan de contrôle du plan de données et de centraliser le plan de contrôle pour simplifier la gestion du réseau et obtenir une vision globale. Cependant, ceci amène des problèmes de passage à l'échelle difficiles à résoudre. Par ailleurs, en dissociant la partie matérielle de la partie logicielle des routeurs, NFV permet d'implanter de manière flexible et à moindre coût toutes sortes de fonctions réseau. La contrepartie est une dégradation des performances due à l'implantation en logiciel des fonctions réseau qui sont déportées des routeurs. Pour aborder les problèmes de passage à l'échelle et de performance des paradigmes SDN/NFV, nous proposons dans la première partie de la thèse, une architecture modulaire de gestion et de contrôle du réseau, dans laquelle le contrôleur SDN délègue une partie de ses responsabilités à des fonctions réseau spécifiques qui sont instanciées à des emplacements stratégiques de l'infrastructure réseau. Nous avons choisi un exemple d'application de streaming vidéo en direct (comme Facebook Live ou Periscope) utilisant un service de multicast IP car il illustre bien les problèmes de passage à l'échelle des réseaux programmables. Notre solution exploite les avantages du paradigme NFV pour résoudre le problème de scalabilité du plan de contrôle centralisé SDN en délégant le traitement du trafic de contrôle propre au service multicast à des fonctions réseau spécifiques (appelées MNF) implantées en logiciel et exécutées dans un environnement NFV localisé à la périphérie du réseau. Notre approche fournit une gestion flexible des groupes multicast qui passe à l'échelle. De plus, elle permet de bénéficier de la vision globale du contrôle centralisé apportée par SDN pour déployer de nouvelles politiques d'ingénierie du trafic comme L2BM (Lazy Load Balance Multicast) dans les réseaux de fournisseurs d’accès à Internet (FAI) programmables. L'évaluation de cette approche est délicate à mettre en œuvre car la communauté de recherche ne dispose pas facilement d'infrastructure SDN à grande échelle réaliste. Pour évaluer notre solution, nous avons élaboré l'outil DiG qui permet d'exploiter l'énorme quantité de ressources disponibles dans une grille de calcul, pour émuler facilement de tels environnements. DiG prend en compte les contraintes physiques (mémoire, CPU, capacité des liens) pour fournir un environnement d'évaluation réaliste et paramétrable avec des conditions contrôlées. La solution que nous proposons délègue le contrôle et la gestion du réseau concernant le service de multicast aux fonctions spécifiques MNF exécutées dans un environnement NFV. Idéalement, pour davantage d'efficacité, toutes ces fonctions spécifiques devraient être implantées directement au sein des routeurs avec du hardware programmable mais cela nécessite que ces nouveaux routeurs puissent exécuter de manière indépendante plusieurs fonctions réseau à la fois. Le langage de programmation P4 est une technologie prometteuse pour programmer le traitement des paquets de données dans les routeurs programmables (hardware et logiciels). / Network operators are facing great challenges in terms of cost and complexity in order to incorporate new communication technologies (e.g., 4G, 5G, fiber) and to keep up with increasing demands of new network services to address emerging use cases. Softwarizing the network operations using SoftwareDefined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV) paradigms can simplify control and management of networks and provide network services in a cost effective way. SDN decouples control and data traffic processing in the network and centralizes the control traffic processing to simplify the network management, but may face scalability issues due to the same reasons. NFV decouples hardware and software of network appliances for cost effective operations of network services, but faces performance degradation issues due to data traffic processing in software. In order to address scalability and performance issues in SDN/NFV, we propose in the first part of the thesis, a modular network control and management architecture, in which the SDN controller delegates part of its responsibilities to specific network functions instantiated in network devices at strategic locations in the infrastructure. We have chosen to focus on a modern application using an IP multicast service for live video streaming applications (e.g., Facebook Live or Periscope) that illustrates well the SDN scalability problems. Our solution exploits benefits of the NFV paradigm to address the scalability issue of centralized SDN control plane by offloading processing of multicast service specific control traffic to Multicast Network Functions (MNFs) implemented in software and executed in NFV environment at the edge of the network. Our approach provides smart, flexible and scalable group management and leverages centralized control of SDN for Lazy Load Balance Multicast (L2BM) traffic engineering policy in software defined ISP networks. Evaluation of this approach is tricky, as real world SDN testbeds are costly and not easily available for the research community. So, we designed a tool that leverages the huge amount of resources available in the grid, to easily emulate such scenarios. Our tool, called DiG, takes into account the physical resources (memory, CPU, link capacity) constraints to provide a realistic evaluation environment with controlled conditions. Our NFV-based approach requires multiple application specific functions (e.g., MNFs) to control and manage the network devices and process the related data traffic in an independent way. Ideally, these specific functions should be implemented directly on hardware programmable routers. In this case, new routers must be able to execute multiple independently developed programs. Packet-level programming language P4, one of the promising SDN-enabling technologies, allows applications to program their data traffic processing on P4 compatible network devices. In the second part of the thesis, we propose a novel approach to deploy and execute multiple independently developed and compiled applications programs on the same network device. This solution, called P4Bricks, allows multiple applications to control and manage their data traffic, independently. P4Bricks merges programmable blocks (parsers/deparsers and packet processing pipelines) of P4 programs according to processing semantics (parallel or sequential) provided at the time of deployment.

La technologie et les conducteurs socio-économiques créent les conditions d'une transformation profonde, appelée "Softwarization", du Telco et des TIC. Réseaux définis par logiciel et réseau Fonctions de virtualisation sont deux des principales technologies permettant ouvrant la voie à cette transformation. Softwarization permettra de virtualiser toutes les fonctions de réseau et de services d'une infrastructure de Telco et de les exécuter sur une plates-formes logicielles, entièrement découplés de l'infrastructure physique sous (presque basé sur du matériel standard). Tous les services seront fournis en utilisant un «continuum» des ressources virtuelles (traitement, de stockage et de communication) avec un investissement en capital initial pratiquement très limité et avec des coûts d'exploitation modestes. 5G sera la première exploitation de Softwarization. 5G sera une infrastructure distribuée massivement dense, intégrant le traitement, le stockage et (fixes et radio) des capacités de mise en réseau. En résumé, l'objectif général de cette thèse a étudié les défis techniques et les opportunités d'affaires apportées par le "Softwarization" et 5G. En particulier, la thèse propose que le 5G devra avoir une sorte de système d'exploitation (5GOS) capable de fonctionner les RAN et de base et les infrastructures fixes convergés. Les contributions de cette thèse ont été: 1) définir une vision pour les futures infrastructures 5G, des scénarios, des cas d'utilisation et les exigences principales: 2) définissant l'architecture fonctionnelle d'un système d'exploitation pour 5G; 3) la conception de l'architecture logicielle d'un 5GOS pour le "bord Cloud"; 4) comprendre les impacts technico-économiques de la vision et 5GOS, et les stratégies les plus efficaces pour l'exploiter / Technology and socio-economic drivers are creating the conditions for a profound transformation, called “Softwarization”, of the Telco and ICT. Software-Defined Networks and Network Functions Virtualization are two of the key enabling technologies paving the way towards this transformation. Softwarization will allow to virtualize all network and services functions of a Telco infrastructure and executing them onto a software platforms, fully decoupled from the underneath physical infrastructure (almost based on standard hardware). Any services will be provided by using a “continuum” of virtual resources (processing, storage and communications) with practically very limited upfront capital investment and with modest operating costs. 5G will be the first exploitation of Softwarization. 5G will be a massively dense distributed infrastructure, integrating processing, storage and (fixed and radio) networking capabilities. In summary, the overall goal of this thesis has been investigating technical challenges and business opportunities brought by the “Softwarization” and 5G. In particular, the thesis proposes that the 5G will have to have a sort of Operating System (5GOS) capable of operating the converged fixed and RAN and core infrastructures. Main contributions of this thesis have been: 1) defining a vision for future 5G infrastructures, scenarios, use-cases and main requirements; 2) defining the functional architecture of an Operating System for 5G; 3) designing the software architecture of a 5G OS for the “Edge Cloud”; 4) understanding the techno-economic impacts of the vision and 5GOS, and the most effective strategies to exploit it