Du fait de la croissance de la demande en ressources de calcul, les architectures de centres de données gagnent en taille et complexité.Dès lors, cette thèse prend du recul par rapport aux architectures réseaux traditionnelles, et montre que fournir des primitives génériques directement à la couche réseau permet d'améliorer l'utilisation des ressources, et de diminuer le trafic réseau et le surcoût administratif.Deux architectures réseaux récentes, Segment Routing (SR) et Bit-Indexed Explicit Replication (BIER), sont utilisées pour construire et analyser des protocoles de couche réseau, afin de fournir trois primitives: (1) mobilité des tâches, (2) distribution fiable de contenu, et (3) équilibre de charge.Premièrement, pour la mobilité des tâches, SR est utilisé pour fournir un service de migration de machine virtuelles sans perte.Cela ouvre l'opportunité d'étudier comment orchestrer le placement et la migration de tâches afin de (i) maximiser le débit inter-tâches, tout en (ii) maximisant le nombre de nouvelles tâches placées, mais (iii) minimisant le nombre de tâches migrées.Deuxièmement, pour la distribution fiable de contenu, BIER est utilisé pour fournir un protocole de multicast fiable, dans lequel les retransmissions de paquets perdus sont ciblés vers l'ensemble précis de destinations n'ayant pas reçu ce packet : ainsi, le surcoût de trafic est minimisé.Pour diminuer la charge sur la source, cette approche est étendue en rendant possible des retransmissions par des pairs locaux, utilisant SR afin de trouver un pair capable de retransmettre.Troisièmement, pour l'équilibre de charge, SR est utilisé pour distribuer des requêtes à travers plusieurs applications candidates, chacune prenant une décision locale pour accepter ou non ces requêtes, fournissant ainsi une meilleure équité de répartition comparé aux approches centralisées.La faisabilité d'une implémentation matérielle de cette approche est étudiée, et une solution (utilisant des canaux cachés pour transporter de façon invisible de l'information vers l'équilibreur) est implémentée pour une carte réseau programmable de dernière génération.Finalement, la possibilité de fournir de l'équilibrage automatique comme service réseau est étudiée : en faisant passer (avec SR) des requêtes à travers une chaîne fixée d'applications, l'équilibrage est initié par la dernière instance, selon son état local. / With the development of demand for computing resources, data center architectures are growing both in scale and in complexity.In this context, this thesis takes a step back as compared to traditional network approaches, and shows that providing generic primitives directly within the network layer is a great way to improve efficiency of resource usage, and decrease network traffic and management overhead.Using recently-introduced network architectures, Segment Routing (SR) and Bit-Indexed Explicit Replication (BIER), network layer protocols are designed and analyzed to provide three high-level functions: (1) task mobility, (2) reliable content distribution and (3) load-balancing.First, task mobility is achieved by using SR to provide a zero-loss virtual machine migration service.This then opens the opportunity for studying how to orchestrate task placement and migration while aiming at (i) maximizing the inter-task throughput, while (ii) maximizing the number of newly-placed tasks, but (iii) minimizing the number of tasks to be migrated.Second, reliable content distribution is achieved by using BIER to provide a reliable multicast protocol, in which retransmissions of lost packets are targeted towards the precise set of destinations having missed that packet, thus incurring a minimal traffic overhead.To decrease the load on the source link, this is then extended to enable retransmissions by local peers from the same group, with SR as a helper to find a suitable retransmission candidate.Third, load-balancing is achieved by way of using SR to distribute queries through several application candidates, each of which taking local decisions as to whether to accept those, thus achieving better fairness as compared to centralized approaches.The feasibility of hardware implementation of this approach is investigated, and a solution using covert channels to transparently convey information to the load-balancer is implemented for a state-of-the-art programmable network card.Finally, the possibility of providing autoscaling as a network service is investigated: by letting queries go through a fixed chain of applications using SR, autoscaling is triggered by the last instance, depending on its local state.

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In today’s scenario, energy efficiency has become one of the most crucial issues for Data Center Networks (DCN). This paper analyses the energy saving capability of a Data center network using Segment Routing (SR) based model within a Software Defined Network (SDN) architecture. Energy efficiency is measured in terms of number of links turned off and for how long the links remain in sleep mode. Apart from saving the energy by turning off links, our work further efficiently manages the traffic within the available links by using Per-packet based load balancing approach. Aiming to avoid congestion within DCN’s and increase the sleeping time of inactive links. An algorithm for deciding the particular set of links to be turned off within a network is presented. With the introduction of per-packet approach within SR/SDN model, we have successfully saved 21 % of energy within DCN topology. Results show that the proposed Per-packet SR model using Random Packet Spraying (RPS) saves more energy and provides better performance as compared to Per-flow based SR model, which uses Equal Cost Multiple Path (ECMP) for load balancing. But, certain problems also come into picture using per-packet approach, like out of order packets and longer end to end delay. To further solidify the effect of SR in saving energy within DCN and avoid previously introduced problems, we have used per-flow based Flow Reservation approach along with a proposed Flow Scheduling Algorithm. Flow rate of all incoming flows can be deduced using Flow reservation approach, which is further used by Flow Scheduling Algorithm to increase Bandwidth utilization Ratio of links. Ultimately, managing the traffic more efficiently and increasing the sleeping time of links, leading to more energy savings. Results show that, the energy savings are almost similar in per-packet based approach and per-flow based approach with bandwidth reservation. Except, the average sleeping time of links in per-flow based approach with bandwidth reservation decreases less severely as compared to per-packet based approach, as overall traffic load increases.

In der heutigen, digitalisierten Gesellschaft ist es für Internet Service Provider (ISP) zunehmend wichtig, den ansteigenden Anforderungen ihrer Endnutzer gerecht zu werden. Eine Möglichkeit diese Herausforderung zu adressieren ist es, die vorhandene Netzwerkinfrastruktur durch den Einsatz von Traffic Engineering Technologien möglichst effizient zu betreiben. Segment Routing (SR) bietet eine elegante Möglichkeit Traffic Engineering einzusetzen ohne viel Overhead zu erzeugen. Obwohl es bereits verschiedene Ansätze zum SR Traffic Engineering gibt, verbleiben die meisten dieser Arbeiten auf einer sehr theoretischen Ebene und versäumen es, praktische Anforderungen und Nebenbedingungen zu erkennen und miteinzubeziehen. Diese Dissertation schließt die Lücke zwischen Theorie und Praxis, indem die spezifischen Anforderungen eines Tier 1 ISPs identifiziert werden, neue Optimierungsmodelle kreiert werden, welche ebendiese Nebenbedingungen erfüllen, und, schlussendlich, eine detaillierte Evaluation mittels realer Messdaten von selbigem ISP durchgeführt wird. Die Optimierungsmodelle berücksichtigen praktisch relevante Anforderungen wie die Minimierung der Anzahl der verwendeten SR Tunnel und SR Label, die proaktive Minimierung von Überlast in einer Vielzahl verschiedener Fehlerszenarien und weitere. Es wird darüber hinaus gezeigt, dass SR Optimierungen größtenteils unabhängig von der zugrundeliegenden Linkmetrikkonfiguration funktioniert und dass SR das Potential aufweist, Routingkonfigurationen zu erzeugen, die für längere Zeitabschnitte stabil bleiben.

La majorité des grands opérateurs utilise la technologie MPLS pour gérer leur réseau via des protocoles de signalisation et de distributions de labels. Or, ces protocoles sont complexes à déployer, à maintenir et la résolution des pannes est souvent très difficile. L'IETF a initié la standardisation d'une architecture de routage par segments (Segment Routing) s'appuyant sur un plan de contrôle simple, léger, facile à gérer et instanciée sur MPLS ou IPv6. Cette architecture repose sur le concept de routage à la source, dans lequel l'en-tête des paquets transporte les indications du chemin à suivre pour atteindre sa destination. Adapté aux cas d'usages simples et offrant nativement une résistance aux pannes, les cas d'usages plus complexes exigent de résoudre des verrous technologiques pour lesquels nous proposons plusieurs solutions. Dans cette thèse effectuée au sein d'Orange Labs, nous nous sommes intéressés à l'instanciation de l'architecture Segment Routing sur le plan de transfert MPLS et plus particulièrement à l'ingénierie de trafic, notamment avec réservation de ressources. Nous avons proposé des solutions aux problèmes liés à la limitation matérielle des routeurs actuels ne permettant pas l'expression de tous les chemins contraints. Ce travail est divisé en deux parties : (i) la proposition d'algorithmes de calcul et d'encodage de chemins de routage par segment afin de contourner les limitations matérielles. (ii) la définition des exigences architecturales et la construction d'une preuve de concept fonctionnelle. Enfin, cette thèse propose de nouvelles pistes d'études afin de consolider les outils d'ingénierie de trafic pour le routage par segment. / Most major operators use MPLS technology to manage their network via signalling and label distribution protocols. However, these protocols are complex to deploy, maintain and troubleshooting is often very difficult. The IETF has initiated the standardization of a segment routing architecture based on a simple control plane, lightweight, easyto-manage and instantiated on MPLS or IPv6. This architecture is based on the concept of source routing, in which the packet header carries the indications of the path to follow to reach its destination. Suitable for simple use cases and natively resistant to failure, more complex use cases require the resolution of technological issues for which we offer several solutions.In this thesis carried out within Orange Labs, we were interested in the instantiation of the Segment Routing architecture on the MPLS transfer plan and more particularly in traffic engineering, particularly with resource reservation. We have proposed solutions to the problems related to the hardware limitation of current routers that do not allow the expression of all constrained paths. This work is divided into two parts : (i) the proposal of algorithms for computing and encoding segment routing paths in order to bypass hardware limitations. (ii) the definition of architectural requirements and the construction of a functional proof of concept. Finally, this thesis proposes new research issues to consolidate traffic engineering tools for segment routing.

In modern networks, the increasing volume of network traffic and the diverse range of services with varying requirements necessitate the implementation of more advanced routing decisions and traffic engineering. This academic study proposes a QoS adaptive mechanism called "Sepitto", which utilizes Segment routing protocols, specifically SRv6, to address network-traffic control and congestion avoidance. Sepitto leverages data-plane traffic to convey Linux Qdisc statistics, such as queue size, packet drops, and buffer occupancy, in each Linux-based virtual router. By incorporating this information, edge routers become aware of the current network status, enabling them to make informed decisions regarding traffic paths based on QoS classes. SRv6 is employed to direct traffic along desired paths, avoiding congested links and minimizing queuing delays and overall latency. Moreover, Sepitto offers network administrators an interface to customize decision-making processes based on their policies, assigning costs to network graph edges by associating the provided statistics to a certain cost. To incorporate these costs, the implementation employs the Dijkstra algorithm to determine the path with the lowest cost. Performance analysis of Sepitto reveals minimal overhead compared to traditional routing methods, while effectively mitigating network congestion. The results demonstrate that Sepitto reduces traffic round-trip time during congestion while maintaining differentiated treatment for various QoS classes. / I moderna nätverk kräver den ökande volymen av nätverkstrafik och det varierade utbudet av tjänster med olika krav att mer avancerade ruttbeslut och trafikhantering implementeras. Denna akademiska studie föreslår en QoS-anpassningsmekanism kallad Sepitto", som använder sig av Segment Routing-protokoll, specifikt SRv6, för att hantera nätverkstrafik och undvika trängsel. Sepitto utnyttjar dataplanttrafik för att överföra Linux Qdisc-statistik, såsom köstorlek, paketförluster och buffertbeläggning, i varje Linux-baserad virtuell router. Genom att införliva denna information blir kantrouter medvetna om den aktuella nätverksstatusen och kan fatta informerade beslut om trafikvägar baserat på QoS-klasser. SRv6 används för att styra trafiken längs önskade vägar, undvika överbelastade länkar och minimera köfördröjningar och övergripande latens. Dessutom erbjuder Sepitto nätverksadministratörer ett gränssnitt för att anpassa beslutsprocesser baserat på deras policy, genom att tilldela kostnader till nätverksgrafens bågar genom att associera de tillhandahållna statistiken till en viss kostnad. För att införliva dessa kostnader använder implementeringen Dijkstras algoritm för att bestämma vägen med lägst kostnad. Prestandaanalysen av Sepitto visar minimal överbelastning jämfört med traditionella rutteringsmetoder samtidigt som den effektivt motverkar nätverksträngsel. Resultaten visar att Sepitto minskar trafiklatensen under trängsel samtidigt som differentierad behandling bibehålls för olika QoS-klasser.